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authorali <ali@ali>
Thu, 15 Jan 2015 22:16:11 +0000 (23:16 +0100)
committerali <ali@ali>
Thu, 15 Jan 2015 22:16:11 +0000 (23:16 +0100)
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CHAPITRE_04.tex [new file with mode: 0644]
INTRODUCTION.tex [new file with mode: 0644]

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new file mode 100644 (file)
index 0000000..ecf1b35
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,754 @@
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
+%%                          %%
+%%       CHAPITRE 03        %%
+%%                          %%
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
+
+\chapter{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
+\label{ch3}
+
+
+
+\section{Summary}
+\label{ch3:sec:01}
+In this chapter, a Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol (DiLCO) to maintain
+the coverage and to improve  the  lifetime  in  wireless sensor  networks  is
+proposed.   The  area of  interest  is first  divided  into  subregions using  a
+divide-and-conquer  method and  then the  DiLCO protocol  is distributed  on the
+sensor nodes  in each  subregion. The DiLCO  combines two  efficient techniques:
+leader election  for each subregion, followed by  an optimization-based planning
+of activity  scheduling decisions for  each subregion. The proposed  DiLCO works
+into rounds during which a small  number of nodes, remaining active for sensing,
+is selected to ensure coverage so as to maximize the lifetime of wireless sensor
+network.   Each  round  consists   of  four  phases:  (i)~Information  Exchange,
+(ii)~Leader Election, (iii)~Decision, and (iv)~Sensing.  The decision process is
+carried out  by a leader node,  which solves an integer  program.  Compared with
+some existing protocols, simulation results  show that the proposed protocol can
+prolong the network lifetime and improve the coverage performance effectively.
+
+
+\section{DESCRIPTION OF THE DILCO PROTOCOL}
+\label{ch3:sec:02}
+
+\noindent In this section, we introduce the DiLCO protocol which is distributed on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
+techniques: network leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
+maximize the lifetime in the network.
+
+\subsection{Assumptions and Network Model}
+\label{ch3:sec:02:01}
+\noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
+coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to have homogeneous characteristics from a communication and a processing point of
+view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
+location discovery algorithm. Furthermore, we assume that sensor nodes are time synchronized in order to properly coordinate their operations to achieve complex sensing tasks~\cite{ref157}. The two sensor nodes have been supposed a neighbors if the euclidean distance between them is at most equal to 2$R_s$. 
+
+\indent We consider a boolean disk coverage model which is the most widely used sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
+sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
+assume  that  the communication  range $R_c$ is at least twice the sensing range $R_s$ (i.e., $R_c \geq  2R_s$). In  fact, Zhang and Hou~\cite{ref126} proved  that if the transmission range  fulfills the previous hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the working nodes in the active mode. We assume that each sensor node can directly transmit its measurements to a mobile sink node. For example, a sink can be an unmanned aerial vehicle (UAV) is flying regularly over the sensor field to collect measurements from sensor nodes. A mobile sink node collects the measurements and transmits them to the base station.
+
+During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
+
+\begin{enumerate} [(i)]
+\item \textbf{INFO  packet:} sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside a same subregion for information exchange.
+\item \textbf{ActiveSleep packet:} sent by the leader to all the  nodes in its subregion to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
+\end{enumerate}
+
+There are five possible status for each sensor node in the network: 
+%and each sensor node will have five possible status in the network:
+\begin{enumerate}[(i)] 
+\item \textbf{LISTENING:} sensor is waiting for a decision (to be active or not).
+\item \textbf{COMPUTATION:} sensor applies the optimization process as leader.
+\item \textbf{ACTIVE:} sensor is active.
+\item \textbf{SLEEP:} sensor is turned off.
+\item \textbf{COMMUNICATION:} sensor is transmitting or receiving packet.
+\end{enumerate}
+
+\subsection{Primary Point Coverage Model}
+\label{ch3:sec:02:02}
+\indent Instead of working with the coverage area, we consider for each
+sensor a set of points called primary points. We also assume that the
+sensing disk defined by a sensor is covered if all the primary points of
+this sensor are covered. By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
+sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
+based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
+increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
+monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
+sensors, instead of using all the points in the area.
+
+\indent  We can  calculate  the positions of the selected primary
+points in the circle disk of the sensing range of a wireless sensor
+node (see figure~\ref{fig1}) as follows:\\
+$(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
+$X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
+$X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
+$X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
+$X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
+$X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
+$X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
+$X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
+$X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
+$X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
+$X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
+$X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
+$X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
+$X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
+$X_{14}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
+$X_{15}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
+$X_{16}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
+$X_{17}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
+$X_{18}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0) $\\
+$X_{19}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0) $\\
+$X_{20}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
+$X_{21}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-\frac{1}{2})) $\\
+$X_{22}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
+$X_{23}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
+$X_{24}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $\\
+$X_{25}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $.
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+ \begin{multicols}{3}
+\centering
+\includegraphics[scale=0.20]{Figures/ch3/fig21.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a)
+\includegraphics[scale=0.20]{Figures/ch3/fig22.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
+\includegraphics[scale=0.20]{Figures/ch3/principles13.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(c) 
+\hfill
+\includegraphics[scale=0.20]{Figures/ch3/fig24.pdf}\\~ ~ ~(d)
+\includegraphics[scale=0.20]{Figures/ch3/fig25.pdf}\\~ ~ ~(e)
+\includegraphics[scale=0.20]{Figures/ch3/fig26.pdf}\\~ ~ ~(f)
+\end{multicols} 
+\caption{Wireless Sensor Node represented by (a)5, (b)9, (c)13, (d)17, (e)21 and (f)25 primary points respectively}
+\label{fig1}
+\end{figure}
+
+
+
+\subsection{Main Idea}
+\label{ch3:sec:02:03}
+\noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
+area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
+executed   simultaneously  in   each   subregion.
+
+\begin{figure}[ht!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.60]{Figures/ch3/FirstModel.pdf} % 70mm
+\caption{DiLCO protocol}
+\label{FirstModel}
+\end{figure} 
+
+As shown in Figure~\ref{FirstModel}, the  proposed DiLCO protocol is a periodic
+protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
+Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
+one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
+interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
+failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
+which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
+process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
+region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
+definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
+consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
+and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
+phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
+Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
+retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
+
+Below, we describe each phase in more details.
+
+\subsubsection{Information Exchange Phase}
+\label{ch3:sec:02:03:01}
+Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and the number
+of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
+INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
+energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
+packets sent by other nodes.  After  that, each node will have information about
+all  the sensor  nodes in  the subregion.   In our  model, the  remaining energy
+corresponds to the time that a sensor can live in the active mode.
+
+\subsubsection{Leader Election Phase}
+\label{ch3:sec:02:03:02}
+This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL), which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm. Each subregion in the area of interest  will select its  own  WSNL independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to select WSNL. The nodes in the  same subregion will  select the leader based on  the received  information from all  other nodes in  the same subregion.  The selection  criteria are,  in order  of importance: larger  number  of neighbors,  larger  remaining energy,  and  then  in case  of equality, larger index. Observations on  previous simulations suggest to use the number  of  one-hop  neighbors  as   the  primary  criterion  to  reduce  energy consumption due to the communications.  
+
+
+\subsubsection{Decision phase}
+\label{ch3:sec:02:03:03}
+The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{ch3:sec:03}) to select which sensors will be  activated in the following sensing phase to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each sensor in the subregion based on the algorithm's results.
+
+
+\subsubsection{Sensing phase}
+\label{ch3:sec:02:03:04}
+Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
+preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
+that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
+the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
+will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
+awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
+starting a new round.
+
+An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
+which describes the execution of a period  by a node (denoted by $s_j$  for a
+sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
+enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
+information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
+collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
+and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
+completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
+on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
+neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
+After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
+algorithm (see Section~\ref{ch3:sec:03})  which provides a set of  sensors planned to be
+active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
+to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
+not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
+Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
+
+
+\begin{algorithm}[h!]                
+
+  \BlankLine
+  %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
+  
+  \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
+      \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
+      \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
+      \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
+      %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
+      %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
+      
+      %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
+      \emph{LeaderID = Leader election}\;
+      \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
+        \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
+        \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
+          Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
+        \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
+        \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
+        \emph{Update $RE_j $}\;
+      }          
+      \Else{
+        \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
+        \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
+
+        \emph{Update $RE_j $}\;
+      }  
+      %  }
+  }
+  \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
+  
+ %   \emph{return X} \;
+\caption{DiLCO($s_j$)}
+\label{alg:DiLCO}
+
+\end{algorithm}
+
+
+
+\section{COVERAGE PROBLEM FORMULATION}
+\label{ch3:sec:03}
+\indent Our model is based on the model proposed by \cite{ref156} where the
+objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
+this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
+and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
+variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
+model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
+sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
+The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
+
+\noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
+point $p$ is covered, that is:
+\begin{equation}
+\alpha_{jp} = \left \{ 
+\begin{array}{l l}
+  1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
+ & \mbox{by sensor node $j$}, \\
+  0 & \mbox{otherwise.}\\
+\end{array} \right.
+%\label{eq12} 
+\end{equation}
+The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
+computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
+\begin{equation}
+X_{j} = \left \{ 
+\begin{array}{l l}
+  1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
+  0 &  \mbox{otherwise.}\\
+\end{array} \right.
+%\label{eq11} 
+\end{equation}
+We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
+\begin{equation}
+ \Theta_{p} = \left \{ 
+\begin{array}{l l}
+  0 & \mbox{if the primary point}\\
+    & \mbox{$p$ is not covered,}\\
+  \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
+\end{array} \right.
+\label{eq13} 
+\end{equation}
+\noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
+nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
+$U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
+\begin{equation}
+U_{p} = \left \{ 
+\begin{array}{l l}
+  1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
+  0 & \mbox{otherwise.}\\
+\end{array} \right.
+\label{eq14} 
+\end{equation}
+
+\noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
+\begin{equation} \label{eq:ip2r}
+\left \{
+\begin{array}{ll}
+\min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
+\textrm{subject to :}&\\
+\sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
+%\label{c1} 
+%\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
+%\label{c2}
+\Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
+U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
+X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
+\end{array}
+\right.
+\end{equation}
+
+\begin{itemize}
+\item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
+  if yes and 0 if not);
+\item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
+  are covering the primary point $p$;
+\item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
+  $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
+\end{itemize}
+
+The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
+covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
+and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
+positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
+overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
+to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
+undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
+order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
+period.
+\section{Simulation Results and Analysis}
+\label{ch3:sec:04}
+
+\subsection{Simulation Framework}
+\label{ch3:sec:04:01}
+
+To assess the performance of DiLCO protocol, we have used the discrete event simulator OMNeT++ \cite{ref158} to run different series of simulations. Table~\ref{tablech3} gives the chosen parameters setting.
+
+\begin{table}[ht]
+\caption{Relevant parameters for network initializing.}
+% title of Table
+\centering
+% used for centering table
+\begin{tabular}{c|c}
+% centered columns (4 columns)
+      \hline
+%inserts double horizontal lines
+Parameter & Value  \\ [0.5ex]
+   
+
+\hline
+% inserts single horizontal line
+Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
+% inserting body of the table
+%\hline
+Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
+%\hline
+Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
+%\hline
+Sensing Period & 60 Minutes \\
+$E_{th}$ & 36 Joules\\
+$R_s$ & 5~m   \\     
+%\hline
+$w_{\Theta}$ & 1   \\
+% [1ex] adds vertical space
+%\hline
+$w_{U}$ & $|P|^2$
+%inserts single line
+\end{tabular}
+\label{tablech3}
+% is used to refer this table in the text
+\end{table}
+
+Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
+performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
+experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
+interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
+high coverage ratio.
+
+We chose as energy consumption model the one described in chapter 1, section \ref{ch1:sec9:subsec2}. Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
+one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
+According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at most 20 periods.
+
+
+\subsection{Performance Metrics}
+\label{ch3:sec:04:02}  
+In the simulations,  we introduce the following performance metrics to evaluate
+the efficiency of our approach:
+
+\begin{enumerate}[i)]
+%\begin{itemize}
+\item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
+  the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
+  $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
+  the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
+  $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
+  nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
+  connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
+  towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
+  event in the area that it monitors.
+     
+\item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
+  observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
+  as a regular grid, which yields the following equation to compute the
+  coverage ratio: 
+\begin{equation*}
+\scriptsize
+\mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
+\end{equation*}
+where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
+subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
+points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
+\times 26 = 1326$ grid points.
+
+\item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
+  total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   
+  or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
+  of EC can be expressed as follows:
+  \begin{equation*}
+    \scriptsize
+    \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
+      + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
+  \end{equation*}
+
+where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy
+consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
+energy   factors.  The  first   one,  denoted   $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
+represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
+communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
+factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
+before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
+$E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
+nodes  to solve the  integer program  during a  period.  Finally,  $E^a_{m}$ and
+$E^s_{m}$ indicate the energy consumed by the whole network in the sensing phase
+(active and sleeping nodes).
+
+\item{{\bf Number of Active Sensors Ratio(ASR)}:} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
+in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
+network lifetime. The Active Sensors Ratio is defined as follows:
+\begin{equation*}
+\scriptsize
+\mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$A_r$}}{\mbox{$S$}} \times 100 .
+\end{equation*}
+Where: $A_r$ is the number of active sensors in the subregion $r$ during current period, $S$ is the total number of sensors in the network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
+
+\item {{\bf Execution Time}:} a  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power, therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones. In this dissertation, the original execution time  is computed on a laptop  DELL with Intel Core~i3~2370~M (2.4 GHz)  processor (2  cores) and the  MIPS (Million Instructions  Per Second) rate equal to 35330. To be consistent  with the use of a sensor node with Atmels AVR ATmega103L  microcontroller (6 MHz) and  a MIPS rate  equal to 6 to  run the optimization   resolution,   this  time   is   multiplied   by  2944.2   $\left( \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$.  
+  
+\item {{\bf Stopped simulation runs}:} A simulation ends  when the  sensor network becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information to the base station). We report the number of simulations that are stopped due to network disconnections and for which round it occurs ( in chapter 3, period consists of one round).
+
+\end{enumerate}
+
+
+
+\subsection{Performance Analysis for Different Subregions}
+\label{ch3:sec:04:03}
+  
+In this subsection, we are studied the performance of our DiLCO protocol for a different number of subregions (Leaders).
+The DiLCO-1 protocol is a centralized approach on all the area of the interest, while  DiLCO-2, DiLCO-4, DiLCO-8, DiLCO-16 and DiLCO-32 are distributed on two, four, eight, sixteen, and thirty-two subregions respectively. We did not take the DiLCO-1 protocol in our simulation results because it need high execution time to give the decision leading to consume all it's energy before producing the solution for optimization problem.
+
+\subsubsection{Coverage Ratio} 
+%\label{ch3:sec:04:02:01}
+In this experiment, Figure~\ref{Figures/ch3/R1/CR} shows the average coverage ratio for 150 deployed nodes.  
+\parskip 0pt    
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+ \includegraphics[scale=0.6] {Figures/ch3/R1/CR.pdf} 
+\caption{Coverage ratio for 150 deployed nodes}
+\label{Figures/ch3/R1/CR}
+\end{figure} 
+It can be seen that DiLCO protocol (with 4, 8, 16 and 32 subregions) gives nearly similar coverage ratios during the first thirty rounds.  
+DiLCO-2 protocol gives near similar coverage ratio with other ones for first 10 rounds and then decreased until the died of the network in the round $18^{th}$ because it consumes more energy with the effect of the network disconnection. 
+As shown in the figure ~\ref{Figures/ch3/R1/CR}, as the number of subregions increases,  the coverage preservation for area of interest increases for a larger number of rounds. Coverage ratio decreases when the number of rounds increases due to dead nodes. Although some nodes are dead, thanks to  DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols,  other nodes are  preserved to ensure the coverage. Moreover, when we have a dense sensor network, it leads to maintain the  coverage for a larger number of rounds. DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols are slightly more efficient than other protocols, because they subdivide the area of interest into 8, 16 and 32~subregions; if one of the subregions becomes disconnected, the coverage may be still ensured in the remaining subregions.
+
+\subsubsection{Active Sensors Ratio} 
+ Figure~\ref{Figures/ch3/R1/ASR} shows the average active nodes ratio for 150 deployed nodes.
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R1/ASR.pdf}  
+\caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes }
+\label{Figures/ch3/R1/ASR}
+\end{figure} 
+The results presented in figure~\ref{Figures/ch3/R1/ASR} show the increase in the number of subregions led to increase in the number of active nodes. The DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols have a larger number of active nodes but it preserve the coverage for a larger number of rounds. The advantage of the DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols are that even if a network is disconnected in one subregion, the other ones usually continues the optimization process, and this extends the lifetime of the network.
+
+\subsubsection{The percentage of stopped simulation runs}
+Figure~\ref{Figures/ch3/R1/SR} illustrates the percentage of stopped simulation runs per round for 150 deployed nodes. 
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R1/SR.pdf} 
+\caption{Percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
+\label{Figures/ch3/R1/SR}
+\end{figure} 
+
+It can be observed that the DiLCO-2  is the approach which stops first because it applied the optimization on only two subregions for the area of interest that is why it is first exhibits network disconnections.
+Thus, as explained previously, in case of the DiLCO-16 and DiLCO-32 with several subregions, the optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. This longer partial coverage optimization participates in extending the network lifetime. 
+
+\subsubsection{The Energy Consumption}
+We measure the energy consumed by the sensors during the communication, listening, computation, active, and sleep modes for different network densities and compare it for different subregions.  Figures~\ref{Figures/ch3/R1/EC95} and ~\ref{Figures/ch3/R1/EC50} illustrate the energy consumption for different network sizes for $Lifetime95$ and $Lifetime50$. 
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R1/EC95.pdf} 
+\caption{Energy Consumption for Lifetime95}
+\label{Figures/ch3/R1/EC95}
+\end{figure} 
+
+The results show that DiLCO-16 and DiLCO-32 are the most competitive from the energy consumption point of view but as the network size increase the energy consumption increase compared with DiLCO-2,  DiLCO-4, and DiLCO-8. The other approaches have a high energy consumption due to the energy consumed during the different modes of the sensor node.\\
+As shown in Figures~\ref{Figures/ch3/R1/EC95} and ~\ref{Figures/ch3/R1/EC50}, DiLCO-2 consumes more energy than the other versions of DiLCO, especially for large sizes of network. This is easy to understand since the bigger the number of sensors involved in the integer program, the larger the time computation to solve the optimization problem as well as the higher energy consumed during the communication.  
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R1/EC50.pdf} 
+\caption{Energy Consumption for Lifetime50}
+\label{Figures/ch3/R1/EC50}
+\end{figure} 
+In fact,  a distributed method on the subregions greatly reduces the number of communications, the time of listening and computation so thanks to the partitioning of the initial network in several independent subnetworks. 
+
+\subsubsection{Execution Time}
+In this experiment, the execution time of the our distributed optimization approach has been studied. Figure~\ref{Figures/ch3/R1/T} gives the average execution times in seconds for the decision phase (solving of the optimization problem) during one round. They are given for the different approaches and various numbers of sensors. The original execution time is computed as described in section \ref{ch3:sec:04:02}.
+%The original execution time is computed on a laptop DELL with intel Core i3 2370 M (2.4 GHz) processor (2 cores) and the MIPS (Million Instructions Per Second) rate equal to 35330. To be consistent with the use of a sensor node with Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6 MHz) and a MIPS rate equal to 6 to run the optimization resolution, this time is multiplied by 2944.2 $\left( \frac{35330}{2} \times 6\right)$ and reported on Figure~\ref{fig8} for different network sizes.
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R1/T.pdf}  
+\caption{Execution Time (in seconds)}
+\label{Figures/ch3/R1/T}
+\end{figure} 
+
+We can see from figure~\ref{Figures/ch3/R1/T}, that the DiLCO-32 has very low execution times in comparison with other DiLCO versions, because it distributed on larger number of small subregions.  Conversely, DiLCO-2 requires to solve an optimization problem considering half the nodes in each subregion presents high execution times.
+
+The DiLCO-32 protocol has more suitable times at the same time it turn on redundant nodes more.  We think that in distributed fashion the solving of the  optimization problem in a subregion can be tackled by sensor nodes. Overall, to be able to deal with very large networks,  a distributed method is clearly required.
+
+
+\subsubsection{The Network Lifetime}
+In figure~\ref{Figures/ch3/R1/LT95} and \ref{Figures/ch3/R1/LT50}, network lifetime, $Lifetime95$ and $Lifetime50$ respectively, are illustrated for different network sizes. 
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R1/LT95.pdf}  
+\caption{Network Lifetime for $Lifetime95$}
+\label{Figures/ch3/R1/LT95}
+\end{figure} 
+We see that DiLCO-2 protocol results in execution times that quickly become unsuitable for a sensor network as well as the energy consumed during the communication seems to be huge because it is distributed over only two subregions.
+
+As highlighted by figures~\ref{Figures/ch3/R1/LT95} and \ref{Figures/ch3/R1/LT50}, the network lifetime obviously increases when the size of the network increases, with DiLCO-16 protocol that leads to the larger lifetime improvement. By choosing the best suited nodes, for each round, to cover the area of interest and by
+letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds, DiLCO-16 protocol efficiently extends the network lifetime because the benefit from the optimization with 16 subregions is better than DiLCO-32 protocol with 32 subregion. DilCO-32 protocol puts in active mode a larger number of sensor nodes especially near the borders of the subdivisions.
+
+Comparison shows that DiLCO-16 protocol, which uses 16 leaders, is the best one because it is used less number of active nodes during the network lifetime compared with DiLCO-32 protocol. It also means that distributing the protocol in each node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R1/LT50.pdf}  
+\caption{Network Lifetime for $Lifetime50$}
+\label{Figures/ch3/R1/LT50}
+\end{figure} 
+
+
+
+\subsection{Performance Analysis for Primary Point Models}
+\label{ch3:sec:04:03}
+
+In this section, we are studied the performance of DiLCO~16 approach for a different primary point models. The objective of this comparison is to select the suitable primary point model to be used by DiLCO protocol. 
+
+In this comparisons, DiLCO-16 protocol are used with five models which are called Model~1( With 5 Primary Points), Model~2 ( With 9 Primary Points), Model~3 ( With 13 Primary Points), Model~4 ( With 17 Primary Points), and Model~5 ( With 21 Primary Points). 
+\subsubsection{Coverage Ratio} 
+In this experiment, we Figure~\ref{Figures/ch3/R2/CR} shows the average coverage ratio for 150 deployed nodes.  
+\parskip 0pt    
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+ \includegraphics[scale=0.6] {Figures/ch3/R2/CR.pdf} 
+\caption{Coverage ratio for 150 deployed nodes}
+\label{Figures/ch3/R2/CR}
+\end{figure} 
+It is shown that all models provide a very near coverage ratios during the network lifetime, with very small superiority for the models with higher number of primary points. Moreover, when the number of rounds increases, coverage ratio produced by Model~3, Model~4, and Model~5 decreases in comparison with Model~1 and Model~2 due to the high energy consumption during the listening to take the decision after finishing optimization process for larger number of primary points. As shown in figure ~\ref{Figures/ch3/R2/CR}, Coverage ratio decreases when the number of rounds increases due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
+thanks to  Model~2, which is slightly more efficient than other Models, because it is balanced between the number of rounds and the better coverage ratio in comparison with other Models.
+
+\subsubsection{Active Sensors Ratio} 
+ Figure~\ref{Figures/ch3/R2/ASR} shows the average active nodes ratio for 150 deployed nodes.
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R2/ASR.pdf}  
+\caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes }
+\label{Figures/ch3/R2/ASR}
+\end{figure} 
+
+The results presented in figure~\ref{Figures/ch3/R2/ASR} show the superiority of the proposed  Model 1, in comparison with the other Models. The
+model with less number of primary points uses less active nodes than the other models, which uses a more number of primary points to represent the area of the sensor. According to the results that presented in figure~\ref{Figures/ch3/R2/CR}, we observe that although the Model~1 continue to a larger number of rounds, but it has less coverage ratio compared with other models. The advantage of the Model~2 approach is to use less number of active nodes for each round compared with Model~3,  Model~4, and Model~5; and this led to continue for a larger number of rounds with extending the network lifetime. Model~2 has a better coverage ratio compared to Model~1 and acceptable number of rounds.
+
+
+\subsubsection{The percentage of stopped simulation runs}
+In this study, we want to show the effect of increasing the primary points on the number of stopped simulation runs for each round. Figure~\ref{Figures/ch3/R2/SR} illustrates the percentage of stopped simulation runs per round for 150 deployed nodes. 
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R2/SR.pdf} 
+\caption{Percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
+\label{Figures/ch3/R2/SR}
+\end{figure} 
+
+As shown in Figure~\ref{Figures/ch3/R2/SR}, when the number of primary points are increased, the percentage of the stopped simulation runs per round is increased. The reason behind the increase is the increase in the sensors dead when the primary points increases. We are observed that the Model~1 is a better than other models because it conserve more energy by turn on less number of sensors during the sensing phase, but in the same time it preserve the coverage with a less coverage ratio in comparison with other models. Model~2 seems to be more suitable to be used in wireless sensor networks.
+
+
+\subsubsection{The Energy Consumption}
+In this experiment, we study the effect of increasing the primary points to represent the area of the sensor on the energy consumed by the wireless sensor network for different network densities.  Figures~\ref{Figures/ch3/R2/EC95} and ~\ref{Figures/ch3/R2/EC50} illustrate the energy consumption for different network sizes for $Lifetime95$ and $Lifetime50$.
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R2/EC95.pdf} 
+\caption{Energy Consumption with $95\%-Lifetime$}
+\label{Figures/ch3/R2/EC95}
+\end{figure} 
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R2/EC50.pdf} 
+\caption{Energy Consumption with $Lifetime50$}
+\label{Figures/ch3/R2/EC50}
+\end{figure} 
+
+We see from the results presented in Figures~\ref{Figures/ch3/R2/EC95} and \ref{Figures/ch3/R2/EC50}, The energy consumed by the network for each round increases when the primary points increases, because the decision for optimization process will takes more time leads to consume more energy during the listening mode. The results show that Model~1 is the most competitive from the energy consumption point of view but the worst one from coverage ratio point of view. The other Models have a high energy consumption  due  to the increase in the primary points, which are led to increase the energy consumption during the listening mode before producing the solution by solving the optimization process. In fact, we see that Model~2 is a good candidate to be used by wireless sensor network because it preserve a good coverage ratio and a suitable energy consumption in comparison with other models. 
+
+
+\subsubsection{Execution Time}
+In this experiment, we have studied the impact of the increase in primary points on the execution time of DiLCO protocol. Figure~\ref{Figures/ch3/R2/T} gives the average execution times in seconds for the decision phase (solving of the optimization problem) during one round. The original execution time is computed as described in section \ref{ch3:sec:04:02}. 
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R2/T.pdf}  
+\caption{Execution Time(s) vs The Number of Sensors }
+\label{Figures/ch3/R2/T}
+\end{figure} 
+
+They are given for the different primary point models and various numbers of sensors. We can see from Figure~\ref{Figures/ch3/R2/T}, that Model~1 has lower execution time in comparison with other Models, because it used smaller number of primary points to represent the area of the sensor.  Conversely, the other primary point models  have been presented  a higher execution times.
+Moreover, Model~2 has more suitable times and coverage ratio that lead to continue for a larger number of rounds extending the network lifetime. We  think that a good primary point model, this one that balances between the coverage ratio and the number of rounds during the lifetime of the network.
+
+\subsubsection{The Network Lifetime}
+Finally, we will study the effect of increasing the primary points on the lifetime of the network. In Figure~\ref{Figures/ch3/R2/LT95} and in Figure~\ref{Figures/ch3/R2/LT50}, network lifetime, $Lifetime95$ and $Lifetime50$ respectively, are illustrated for different network sizes. 
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R2/LT95.pdf}  
+\caption{Network Lifetime for $Lifetime95$}
+\label{Figures/ch3/R2/LT95}
+\end{figure} 
+
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R2/LT50.pdf}  
+\caption{Network Lifetime for $Lifetime50$}
+\label{Figures/ch3/R2/LT50}
+\end{figure} 
+
+
+As highlighted by figures~\ref{Figures/ch3/R2/LT95} and \ref{Figures/ch3/R2/LT50}, the network lifetime obviously increases when the size of the network increases, with  Model~1 that leads to the larger lifetime improvement.
+Comparison shows that the Model~1, which uses less number of primary points, is the best one because it is less energy consumption during the network lifetime. It is also the worst one from the point of view of coverage ratio. Our proposed Model~2 efficiently prolongs the network lifetime with a good coverage ratio in comparison with other models.
+
+
+\subsection{Performance Comparison with other Approaches}
+\label{ch3:sec:04:04}
+Based on the results, which are conducted from previous two subsections, \ref{ch3:sec:04:02} and \ref{ch3:sec:04:03}, we have found that DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol with Model~2 are the best candidates to be compared with other two approaches. The first approach, called DESK that proposed by ~\cite{DESK}, which is a full distributed coverage algorithm. The second approach, called GAF~\cite{GAF}, consists in dividing the region into fixed squares.   During the decision phase, in each square, one sensor is chosen to remain on during the sensing phase time. 
+
+\subsubsection{Coverage Ratio} 
+In this experiment, the average coverage ratio for 150 deployed nodes has been demonstrated figure~\ref{Figures/ch3/R3/CR}. 
+\parskip 0pt    
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+ \includegraphics[scale=0.6] {Figures/ch3/R3/CR.pdf} 
+\caption{Coverage ratio for 150 deployed nodes}
+\label{Figures/ch3/R3/CR}
+\end{figure} 
+
+It has been shown that DESK and GAF provide a little better coverage ratio with 99.99\% and 99.91\% against 99.1\% and 99.2\% produced by DiLCO-16 and DiLCO-32 for the lowest number of rounds. This is due to the fact that DiLCO protocol versions put in sleep mode redundant sensors using optimization (which lightly decreases the coverage ratio) while there are more nodes are active in the case of DESK and GAF.
+
+Moreover, when the number of rounds increases, coverage ratio produced by DESK and GAF protocols decreases. This is due to dead nodes. However, DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol maintain almost a good coverage. This is because they optimized the coverage and the lifetime in wireless sensor network by selecting the best representative sensor nodes to take the responsibility of coverage during the sensing phase and this will leads to continue for a larger number of rounds and prolonging the network lifetime; although some nodes are dead, sensor activity scheduling of our protocol chooses other nodes to ensure the coverage of the area of interest. 
+
+\subsubsection{Active Sensors Ratio} 
+It is important to have as few active nodes as possible in each round, in  order to  minimize the energy consumption and maximize the network lifetime. Figure~\ref{Figures/ch3/R3/ASR} shows the average active nodes ratio for 150 deployed nodes. 
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R3/ASR.pdf}  
+\caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes }
+\label{Figures/ch3/R3/ASR}
+\end{figure} 
+
+The results presented in figure~\ref{Figures/ch3/R3/ASR} show the superiority of the proposed DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol, in comparison with the other approaches.  We have observed that DESK and GAF have 37.5 \% and 44.5 \% active nodes and DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol compete perfectly with only 17.4 \%, 24.8 \% and 26.8 \%  active nodes for the first 14 rounds. Then as the number of rounds increases DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol have larger number of active nodes in comparison with DESK and GAF, especially from round $35^{th}$ because they give a better coverage ratio than other approaches. We see that DESK and GAF have less number of active nodes beginning at the rounds $35^{th}$ and $32^{th}$ because there are many nodes are died due to the high energy consumption by the redundant nodes during the sensing phase. 
+
+\subsubsection{The percentage of stopped simulation runs}
+The results presented in this experiment, is to show the comparison of DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol with other two approaches from point of view of stopped simulation runs per round.
+Figure~\ref{Figures/ch3/R3/SR} illustrates the percentage of stopped simulation
+runs per round for 150 deployed nodes. 
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R3/SR.pdf} 
+\caption{Percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
+\label{Figures/ch3/R3/SR}
+\end{figure} 
+It has been observed that DESK is the approach, which stops first because it consumes more energy for communication as well as it turn on a large number of redundant nodes during the sensing phase. On the other  hand DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol have less stopped simulation runs in comparison with DESK and GAF because it distributed the optimization on several subregions in order to optimizes the coverage and the lifetime of the network by activating a less number of nodes during the sensing phase leading to extend the network lifetime and coverage preservation. The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected.
+
+\subsubsection{The Energy Consumption}
+In this experiment, we have studied the effect of the energy consumed by the wireless sensor network during the communication, computation, listening, active, and sleep modes for different network densities and compare it with other approaches. Figures~\ref{Figures/ch3/R3/EC95} and ~\ref{Figures/ch3/R3/EC50} illustrate the energy consumption for different network sizes for $Lifetime95$ and $Lifetime50$. 
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R3/EC95.pdf} 
+\caption{Energy Consumption with $95\%-Lifetime$}
+\label{Figures/ch3/R3/EC95}
+\end{figure} 
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R3/EC50.pdf} 
+\caption{Energy Consumption with $Lifetime50$}
+\label{Figures/ch3/R3/EC50}
+\end{figure} 
+
+The results show that DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol are the most competitive from the energy consumption point of view. The other approaches have a high energy consumption due to activating a larger number of redundant nodes as well as the energy consumed during the different modes of sensor nodes. In fact,  a distributed method on the subregions greatly reduces the number of communications and the time of listening so thanks to the partitioning of the initial network into several independent subnetworks. 
+
+\subsubsection{The Network Lifetime}
+In this experiment, we have observed the superiority of DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol against other two approaches in prolonging the network lifetime. In figures~\ref{Figures/ch3/R3/LT95} and \ref{Figures/ch3/R3/LT50}, network lifetime, $Lifetime95$ and $Lifetime50$ respectively, are illustrated for different network sizes.  
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R3/LT95.pdf}  
+\caption{Network Lifetime for $Lifetime95$}
+\label{Figures/ch3/R3/LT95}
+\end{figure}
+
+
+\begin{figure}[h!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.6]{Figures/ch3/R3/LT50.pdf}  
+\caption{Network Lifetime for $Lifetime50$}
+\label{Figures/ch3/R3/LT50}
+\end{figure} 
+
+As highlighted by figures~\ref{Figures/ch3/R3/LT95} and \ref{Figures/ch3/R3/LT50}, the network lifetime obviously increases when the size of the network increases, with DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol that leads to maximize the lifetime of the network compared with other approaches. 
+By choosing the best suited nodes, for each round, by optimizing the coverage and lifetime of the network to cover the area of interest and by letting the other ones sleep in order to be used later in next periods, DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol efficiently prolonged the network lifetime. 
+Comparison shows that DiLCO-16 protocol and DiLCO-32 protocol, which are used distributed optimization over the subregions, is the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consumes less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the algorithm in each node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
+
+
+\section{Conclusion}
+\label{ch3:sec:05}
+A crucial problem in WSN is to schedule the sensing activities of the different nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longer
+network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision, communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
+of the  available resources  to  fulfill the sensing  task. To address  this problem, this chapter proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
+is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
+Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime performances. In a subregion,  our protocol  consists in  electing a  leader node
+which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how to  select the most efficient leader in each  subregion and  the  best representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also studied the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of interest, considering  different  network  sizes. The  experiments  show  that increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more subregions there are, the  more robust the network is against random disconnection resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size there is an optimal number of  subregions. Therefore, in case of our simulation context  a subdivision in  $16$~subregions seems to be the most relevant.
+
+
diff --git a/CHAPITRE_04.tex b/CHAPITRE_04.tex
new file mode 100644 (file)
index 0000000..0cdeebe
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,568 @@
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
+%%                          %%
+%%       CHAPITRE 04        %%
+%%                          %%
+%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
+
+\chapter{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
+\label{ch4}
+
+\section{Summary}
+\label{ch4:sec:01}
+Coverage and lifetime are two paramount problems in Wireless  Sensor Networks (WSNs). In this paper, a method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
+Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
+divided  into subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the sensor nodes in each subregion. The proposed MuDiLCO protocol works in periods
+during which sets of sensor nodes are scheduled to remain active for a number of rounds  during the  sensing phase,  to ensure coverage  so as  to maximize the
+lifetime of  WSN. The decision process is  carried out by a  leader node, which solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
+during the rounds  of the sensing phase. Compared  with some existing protocols, simulation  results based  on  multiple criteria  (energy consumption,  coverage
+ratio, and  so on) show that  the proposed protocol can  prolong efficiently the network lifetime and improve the coverage performance.
+
+\section{MuDiLCO protocol description}
+\label{ch4:sec:02}
+\noindent In this section, we introduce the MuDiLCO protocol which is distributed on each subregion in the area of interest. It is based on two energy-efficient
+mechanisms: subdividing the area of interest into several subregions (like cluster architecture) using divide and conquer method, where the sensor nodes cooperate within each subregion as independent group in order to achieve a network leader election; and sensor activity scheduling for maintaining the coverage and prolonging the network lifetime, which are applied periodically. MuDiLCO protocol uses the same assumptions and network model that presented in chapter 3, section \ref{ch3:sec:02:01} and it has been used the primary point coverage model which is described in the same chapter, section \ref{ch3:sec:02:02}.
+
+\subsection{Background Idea}
+\label{ch4:sec:02:02}
+The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
+smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
+implemented in each subregion in a distributed way.
+
+As  can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
+where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
+Decision, and Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
+and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
+task. In  this way  a multiround optimization  process is performed  during each
+period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
+produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
+\begin{figure}[ht!]
+\centering \includegraphics[width=160mm]{Figures/ch4/GeneralModel.jpg} % 70mm  Modelgeneral.pdf
+\caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
+\label{fig2}
+\end{figure} 
+
+
+This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries
+running out of energy), because it works in periods. 
+
+ On the one hand, if a node failure is detected before  making the
+decision, the node will not participate to this phase, and, on the other hand,
+if the node failure occurs after the decision, the sensing  task of the network
+will be temporarily affected:  only during  the period of sensing until a new
+period starts.
+
+The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
+account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
+(including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
+pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
+energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
+monitor the area.
+
+
+These phases can be described in more details as follow:
+\subsection{Information Exchange Phase}
+\label{ch4:sec:02:02:01}
+The information exchange among the wireless sensor nodes is similar to that one which is described in chapter 3, sections \ref{ch3:sec:02:03:01}.
+
+\subsection{Leader Election phase}
+\label{ch4:sec:02:02:02}
+The leader election in each subregion is similar to that one which is described in chapter 3, sections\ref{ch3:sec:02:03:02}, but the difference in that the elected leader in each subregion is for each period. 
+
+\subsection{Decision phase}
+\label{ch4:sec:02:02:03}
+Each  WSNL will solve  an integer  program to  select which  cover sets  will be
+activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
+belongs.  The integer  program will produce $T$ cover sets,  one for each round.
+The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based
+on the algorithm's results, indicating if  the sensor should be active or not in
+each round  of the  sensing phase.  The  integer program  is based on  the model
+proposed by  \cite{ref156} with some modifications, where  the objective is
+to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.   To fulfill this  goal, the
+authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
+of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
+$x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
+consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
+sensor $j$ during round $t$ of  a given sensing phase.  We also consider primary
+points as targets.  The  set of primary points is denoted by  $P$ and the set of
+sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
+involved in the integer program.
+
+
+For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
+whether the point $p$ is covered, that is:
+\begin{equation}
+\alpha_{j,p} = \left \{ 
+\begin{array}{l l}
+  1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
+ & \mbox{by sensor node $j$}, \\
+  0 & \mbox{otherwise.}\\
+\end{array} \right.
+%\label{eq12} 
+\end{equation}
+The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
+round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
+\begin{equation}
+X_{t,j} = \left \{ 
+\begin{array}{l l}
+  1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
+  0 &  \mbox{otherwise.}\\
+\end{array} \right.
+%\label{eq11} 
+\end{equation}
+We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
+\begin{equation}
+ \Theta_{t,p} = \left \{ 
+\begin{array}{l l}
+  0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
+    & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
+  \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
+\end{array} \right.
+\label{eq13} 
+\end{equation}
+More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
+minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
+Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
+defined by:
+\begin{equation}
+U_{t,p} = \left \{ 
+\begin{array}{l l}
+  1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
+  0 & \mbox{otherwise.}\\
+\end{array} \right.
+\label{eq14} 
+\end{equation}
+
+Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
+\begin{equation}
+ \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
+\end{equation}
+
+Subject to
+\begin{equation}
+  \sum_{j=1}^{|J|} \alpha_{j,p} * X_{t,j}   = \Theta_{t,p} - U_{t,p} + 1 \label{eq16} \hspace{6 mm} \forall p \in P, t = 1,\dots,T
+\end{equation}
+
+\begin{equation}
+  \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \lfloor {RE_{j}/E_{R}} \rfloor \hspace{6 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T
+  \label{eq144} 
+\end{equation}
+
+\begin{equation}
+X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
+\end{equation}
+
+\begin{equation}
+U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
+\end{equation}
+
+\begin{equation}
+ \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
+\end{equation}
+
+
+
+\begin{itemize}
+\item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
+  during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
+\item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
+  are covering the primary point $p$ during round $t$;
+\item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
+  point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
+  covered).
+\end{itemize}
+
+The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
+covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
+and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
+positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
+the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
+alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
+required to be alive during one round.
+
+There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
+points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
+absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
+undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
+to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. 
+%% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
+In our simulations priority is given  to the coverage by choosing $W_{U}$ very
+large compared to $W_{\theta}$.
+
+\subsection{Sensing phase}
+\label{ch4:sec:02:02:04}
+The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
+receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
+sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
+will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
+Active-Sleep packet is obtained.
+
+\begin{algorithm}[h!]                
+ % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
+%  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
+  \BlankLine
+  %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
+  
+  \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
+      \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
+      \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
+      \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
+      %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
+      %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
+      
+      %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
+      \emph{LeaderID = Leader election}\;
+      \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
+        \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
+        \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
+          Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
+        \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
+        \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
+          with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
+        \emph{Update $RE_j $}\;
+      }          
+      \Else{
+        \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
+        \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
+        % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
+        \emph{Update $RE_j $}\;
+      }  
+      %  }
+  }
+  \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
+  
+ %   \emph{return X} \;
+\caption{MuDiLCO($s_j$)}
+\label{alg:MuDiLCO}
+
+\end{algorithm}
+
+
+
+
+\section{Experimental Study and Analysis}
+\label{ch4:sec:03}
+
+\subsection{Simulation Setup}
+\label{ch4:sec:03:01}
+We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
+relevance  of   our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
+\cite{ref158}.     The simulation     parameters    are     summarized     in
+Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different
+random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
+25 runs.
+%Based on the results of our proposed work in~\cite{idrees2014coverage}, we found as the region of interest are divided into larger subregions as the network lifetime increased. In this simulation, the network are divided into 16 subregions. 
+We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
+250~nodes deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
+precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
+that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
+range.
+
+%%RC these parameters are realistic?
+%% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
+
+\begin{table}[ht]
+\caption{Relevant parameters for network initializing.}
+% title of Table
+\centering
+% used for centering table
+\begin{tabular}{c|c}
+% centered columns (4 columns)
+      \hline
+%inserts double horizontal lines
+Parameter & Value  \\ [0.5ex]
+   
+%Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
+% inserts table
+%heading
+\hline
+% inserts single horizontal line
+Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
+% inserting body of the table
+%\hline
+Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
+%\hline
+Initial energy  & 500-700~joules  \\  
+%\hline
+Sensing time for one round & 60 Minutes \\
+$E_{R}$ & 36 Joules\\
+$R_s$ & 5~m   \\     
+%\hline
+$W_{\Theta}$ & 1   \\
+% [1ex] adds vertical space
+%\hline
+$W_{U}$ & $|P|^2$
+%inserts single line
+\end{tabular}
+\label{table3}
+% is used to refer this table in the text
+\end{table}
+  
+Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
+and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
+rounds in one sensing period).  In  the following, we will make comparisons with
+two other methods. The first method, called DESK and proposed by \cite{DESK},
+is  a   full  distributed  coverage   algorithm.   The  second   method,  called
+GAF~\cite{GAF}, consists in dividing  the region into fixed squares.
+During the decision  phase, in each square, one sensor is  then chosen to remain
+active during the sensing phase time.
+
+Some preliminary experiments were performed in chapter 3 to study the choice of the number of
+subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
+sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
+lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
+network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
+reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
+the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
+it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
+
+We have used an energy consumption model, which is presented in chapter 1, section \ref{ch1:sec9:subsec2}. The initial energy of each node  is randomly set in the interval $[500;700]$.  A sensor node  will not participate in the  next round if its  remaining energy is less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to stay alive  during one round.  This value has  been computed by  multiplying the energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round (3600 seconds).  According to the  interval of initial  energy, a sensor  may be alive during at most 20 rounds.
+
+\subsection{Metrics}
+\label{ch4:sec:03:02}
+To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
+
+\begin{enumerate}[i]
+  
+\item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
+  of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
+  a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
+  compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
+\begin{equation*}
+\scriptsize
+\mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
+\end{equation*}
+where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
+subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
+of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
+\times 26 = 1326$ grid points.
+
+\item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
+  few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
+  communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
+  Ratio is defined as follows:
+\begin{equation*}
+\scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
+  \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
+\end{equation*}
+where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
+$t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
+network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
+
+\item {{\bf Network Lifetime}:} is described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}.
+
+\item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average energy consumption  can be
+  seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
+  $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
+  follows:
+
+ % New version with global loops on period
+  \begin{equation*}
+    \scriptsize
+    \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \left[ \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T_m} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right) \right]}{\sum\limits_{m=1}^{M_L} T_m},
+  \end{equation*}
+
+
+where  $M_L$ is  the number  of periods  and  $T_m$ the  number of rounds in  a
+period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$. The total energy
+consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
+energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
+represents  the  energy   consumption  spent  by  all  the   nodes  for  wireless
+communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
+factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
+before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
+$E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
+nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
+indicate the energy consummed by the whole network in round $t$.
+
+
+\item {{\bf Execution Time}:} is described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}.
+  
+\item {{\bf Stopped simulation runs}:} is described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}.
+
+\end{enumerate}
+
+
+
+\subsection{Results analysis and Comparison }
+\label{ch4:sec:03:02}
+
+\subsection{Coverage ratio} 
+\label{ch4:sec:03:02:01}
+Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
+can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
+which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
+
+This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
+to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
+DESK and GAF.   As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
+number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
+decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
+coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
+sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
+coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
+means that MuDiLCO saves more energy,  with less dead nodes, at most for several
+rounds, and thus should extend the network lifetime.
+
+\begin{figure}[ht!]
+\centering
+ \includegraphics[scale=0.5] {Figures/ch4/R1/CR.pdf}   
+\caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
+\label{fig3}
+\end{figure} 
+
+\subsection{Active sensors ratio} 
+\label{ch4:sec:03:02:02}
+It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to 
+minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
+lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
+nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
+and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
+MuDiLCO clearly  outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes.  After the
+thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes, which agrees
+with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously.
+Obviously, in  that case DESK  and GAF have  less active nodes, since  they have
+activated many nodes  at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available
+nodes in a more efficient manner.
+
+\begin{figure}[ht!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/ASR.pdf}  
+\caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
+\label{fig4}
+\end{figure} 
+
+\subsection{Stopped simulation runs}
+\label{ch4:sec:03:02:03}
+Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
+per round for 150 deployed nodes. This figure gives the  breakpoint for each method.  DESK stops first,  after approximately 45~rounds, because it consumes the
+more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
+phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO overcomes
+DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
+leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
+emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
+still connected.
+
+
+\begin{figure}[ht!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/SR.pdf} 
+\caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
+\label{fig6}
+\end{figure} 
+
+\subsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
+\label{ch4:sec:03:02:04}
+We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
+listening, computation, active, and sleep status for different network densities
+and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
+and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
+network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
+
+\begin{figure}[h!]
+  \centering
+  \begin{tabular}{cl}
+    \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/EC95.pdf}} & (a) \\
+    \verb+ + \\
+    \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/EC50.pdf}} & (b)
+  \end{tabular}
+  \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
+    (b) $Lifetime_{50}$}
+  \label{fig7}
+\end{figure} 
+
+The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
+consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
+due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
+consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different
+versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
+versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
+the number of  sensors involved in the integer program are,  the larger the time
+computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of
+MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less
+sensors to consider in the integer program.
+
+
+\subsection{Execution time}
+\label{ch4:sec:03:02:05}
+We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
+computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
+seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$. The original execution time is computed as described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}.
+
+%The original execution time  is computed on a laptop  DELL with Intel Core~i3~2370~M (2.4 GHz)  processor (2  cores) and the  MIPS (Million Instructions  Per Second) rate equal to 35330. To be consistent  with the use of a sensor node with Atmels AVR ATmega103L  microcontroller (6 MHz) and  a MIPS rate  equal to 6 to  run the optimization   resolution,   this  time   is   multiplied   by  2944.2   $\left( \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on Figure~\ref{fig77} for different network sizes.
+
+\begin{figure}[ht!]
+\centering
+\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/T.pdf}  
+\caption{Execution Time (in seconds)}
+\label{fig77}
+\end{figure} 
+
+As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
+into account to schedule the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$
+or $5$ seem bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor
+node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice
+that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
+we need to choose a relevant number of subregions in order to avoid a complicated
+and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to
+reduce the  energy-overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other
+hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the
+optimization problem.
+
+\subsection{Network lifetime}
+\label{ch4:sec:03:02:06}
+The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
+network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
+and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
+together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
+node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
+deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
+protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the  gain in
+lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF
+to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
+of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
+difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
+This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
+energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
+linked.
+
+\begin{figure}[t!]
+  \centering
+  \begin{tabular}{cl}
+    \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/LT95.pdf}} & (a) \\
+    \verb+ + \\
+    \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/LT50.pdf}} & (b)
+  \end{tabular}
+  \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
+    (b) $Lifetime_{50}$}
+  \label{fig8}
+\end{figure} 
+
+
+\section{Conclusion}
+\label{ch4:sec:04}
+
+We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in
+wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited
+resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
+problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the
+concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
+optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
+called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines
+two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
+scheduling.
+
+The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
+consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
+Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing
+Phase itself divided into T rounds.
+
+Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
+lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
+time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
+approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single
+global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
+subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
+it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
+the resulting optimization problem leads to too high resolution times and thus to
+an excessive energy consumption.
diff --git a/INTRODUCTION.tex b/INTRODUCTION.tex
new file mode 100644 (file)
index 0000000..1a31649
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,68 @@
+\chapter*{Introduction \markboth{Introduction }{Introduction }}
+\label{chI}
+\addcontentsline{toc}{chapter}{Introduction }
+
+%%-------------------------------------------------------------------------------------------------------%%
+ \section{General Introduction}
+The enormous development in wireless networks and the emergence of fourth-generation technology led to the provision of various services to customers around the world that make of the Internet a more widely used everywhere. This kind of wireless networks may not be appropriate to be used in some sensitive areas that need to deploy a large number of wireless devices, which are capable of decide and communicate with each other in a distributed way  so as to collect the sensed measurements from the physical dangerous environment directly such as volcanoes, nuclear reactors, forest fires, or military battles. So, another type of wireless networks has been emerged to cope with these challenges which is called wireless sensor network (WSN). 
+
+It is a special case of the ad hoc wireless networks and it consists of a large number of wireless devices are called sensors, which are able to perform the communication, sensing, processing and storage with a limited capabilities. A WSN can be used by the human to monitor the physical phenomena remotely and without outside intervention. Inside a WSN, the wireless sensor nodes are self-contained units equipped  with a radio transceiver, a microcontroller, a small memory, and a power source, usually a battery. These sensor nodes are cooperating together autonomously to perform the assigned tasks without the intervention or control from outside. The distributed self-organization and self-configuration capabilities of wireless sensor nodes make the distributed WSNs to enable myriad applications for monitoring, sensing and controlling the physical world.
+
+The fast and continuous progress in Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS), wireless communication hardware, digital electronics, and  system-on-chip has given rise to the opportunity to use large networks of tiny sensors are becoming cheaper and more and more commercially available. There are several limitations on the sensor nodes such as power source, processing capability, bandwidth, uncertainty of sensed data, and the vulnerability of sensor nodes to physical world. These limitations have been tackled by many researchers during last years and many solutions have been proposed to handle these constraints on the sensors. Sensor nodes are battery-powered with no means of recharging or replacing, usually due to environmental (hostile or unpractical environments) or cost reasons. Since the batteries are the most important limited resource inside the sensor nodes, therefore, it is desired that the WSNs are deployed with high densities so as to exploit the overlapping sensing regions of some sensor nodes to save energy by turning off some of them during the sensing phase to prolong the network lifetime. Many energy-efficient mechanisms have been proposed so as to minimize the energy consumption during operating the WSN its monitoring task and to extend the network lifetime. Specifically, this dissertation focuses on the area coverage problem of in WSNs.
+
+The major goal of the area coverage problem is to ensure a maximum area coverage ratio for the entire sensing field of the WSN and for a longer time as possible. The area coverage problem is closely related to the performance of systems in many application, such as, monitoring the battlefield, target detection and tracking, personal protection, animal habit monitoring, and  homeland security.
+
+\section{Motivation of the Dissertation}
+One of the fundamental challenges in Wireless Sensor Networks (WSNs) is the coverage preservation and the extension of the network lifetime continuously and effectively when monitoring a certain area (or region) of interest. Since sensor nodes have limited battery life; since it is impossible to replace batteries, especially in remote and hostile
+environments, it is desirable that a WSN should be deployed with high density because spatial redundancy can then be exploited to increase the lifetime of the network. In such a high density network, if all sensor nodes were to be activated at the same time, the lifetime would be reduced. To extend the lifetime of the network, the main idea is to take advantage of the overlapping sensing regions of some sensor nodes to save energy by turning off some of them during the sensing phase. Obviously, the deactivation of nodes is only relevant if the coverage of the monitored area is not affected.
+
+Although there are many work in this area, there is still need for a protocols which can schedule sensor nodes in an efficient way with minimum number of sensors and a less communication overhead so as to maintain the coverage and extend the network lifetime as long as possible.  The main question is how to reduce the redundancy while maintaining a good coverage with minimum energy consumption?
+
+\section{The Objective of this Dissertation}
+The primary objective of this dissertation is to develop energy-efficient distributed optimization protocols in wireless sensor networks that optimizes both coverage and network lifetime so as to maintain the coverage and prolongs the lifetime of the WSN. The developed protocols should schedule node’ activities (wake up and sleep stages) with the objective of maintaining a good coverage ratio while maximizing the network lifetime.
+
+The proposed protocols should be able to combine two efficient techniques: network leader
+election and sensor activity scheduling based optimization, where the challenges include how to select the most efficient leader in each subregion and the best representative active nodes, which take the mission of monitoring during the current round.
+
+
+ The developed optimization protocols should be able to perform a distributed optimization process on the subregions where the sensor nodes  in each subregion collaborate to select the leader by which the optimization algorithm is executed. In addition, the proposed protocols should be able to achieve effective trade-off between
+coverage quality and the consumed energy in each subregion of the sensing field in order to achieve extended network lifetime whilst maintaining adequate coverage ratio. 
+
+\section{Main Contributions of this Dissertation}
+The coverage problem in WSNs is becoming more and more important for many applications ranging from military applications such as battlefield surveillance to the civilian applications such as health-care surveillance and habitant monitoring. The main contributions in this dissertation concentrate on design a distributed optimization protocols so as to extend the lifetime of the WSNs. The main contributions can be summarized as follow:
+ \begin{enumerate} [i)]
+ \item In Chapter 3, we design a protocol that focuses on the area coverage problem with the objective of maximizing the network lifetime. Our proposition, the Distributed Lifetime Coverage Optimization (DILCO) protocol, maintains the coverage and improves the lifetime in WSNs. DILCO protocol presented in chapter 3 is an extension of our approach introduced in \cite{ref159}. In \cite{ref159}, the protocol is deployed over only two subregions. In DILCO protocol, the area of interest is first divided into subregions using a divide-and-conquer algorithm and an activity scheduling for sensor nodes is then planned by the elected leader in each subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each node sends sensing data to the cluster head or the sink node. Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due to too many node failures. Our DiLCO protocol considers periods, where a period starts with a discovery phase to exchange information between sensors of the same subregion, in order to choose in a suitable manner a sensor node (the leader) to carry out the coverage strategy. In each subregion the activation of the sensors for the sensing phase of the current period is obtained by solving an integer program. The resulting activation vector is broadcast by a leader to every node of its subregion.
+
+\item In Chapter 4, we extend our work that explained in chapter 3 and present a generalized framework that can be applied to provide the cover sets of all rounds in each period. The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol) presented in chapter 4 is an extension of the approach introduced in chapter 3. In DiLCO protocol, the activity scheduling based optimization is planned for each subregion periodically only for one round. Whilst, we study the possibility of dividing the sensing phase into multiple rounds and we also add an improved model of energy consumption to assess the efficiency of our approach. In fact, we make a multiround optimization, while it was a single round optimization in our previous work.
+
+\item In Chapter 5, we devise a framework to schedule nodes to be activated alternatively such
+  that the network lifetime is prolonged  while ensuring that a certain level of
+  coverage is preserved.  A  key idea in our framework is  to exploit spatial an
+  temporal subdivision.   On the one hand  the area of interest  if divided into
+  several smaller subregions and on the other hand the time line is divided into
+  periods of equal length. In each subregion the sensor nodes will cooperatively
+  choose a  leader which will schedule  nodes' activities, and this  grouping of
+  sensors is similar to typical cluster architecture. We  propose a new mathematical  optimization model.  Instead of  trying to   cover a set of specified points/targets as  in most of the methods proposed in   the literature, we formulate an integer program based on perimeter coverage of   each sensor. The  model involves integer variables to  capture the deviations between  the actual  level of  coverage and  the required  level. So that an
+  optimal scheduling  will be  obtained by  minimizing a  weighted sum  of these deviations.
+
+\item We  conducted extensive simulation  experiments, using the  discrete event simulator OMNeT++, to demonstrate the  efficiency of our protocol. We compared our proposed distributed optimization protocols to two approaches found in the literature: DESK~\cite{DESK} and  GAF~\cite{GAF}, simulation results based on multiple criteria (energy consumption, coverage ratio, network lifetime and so on) show that the proposed protocols can prolong efficiently the network lifetime and improve the coverage performance.
+
+
+
+\end{enumerate}
+
+%\section{Methodology}
+%In this dissertation, analytical, as well as computational, methods are used.
+
+
+
+% \section{ Refereed Journal and Conference Publications}
+\section{Dissertation Outline}
+ The Dissertation is organized as follows: the next chapter presents a scientific background about wireless sensor networks .Chapter 2 states a review of the related literatures to the coverage problem in WSN, the prior works, and the current works. Chapter 3 describes the the proposed DiLCO protocol. Chapter 4 presents the MuDiLCO protocol. The LiCO protocol is illustrated in Chapter 5. Finally, we conclude our work in Chapter 6.
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