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[UIC2013.git] / bare_conf.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
3 \ifCLASSINFOpdf
4   
5 \else
6   
7 \fi
8
9 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
10
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14  \usepackage{times,amssymb,amsmath,latexsym}
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30 \usepackage{caption}
31 \usepackage{multicol}
32
33
34 \begin{document}
35
36 \title{Energy-Efficient Activity Scheduling in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
37
38 % author names and affiliations
39 % use a multiple column layout for up to three different
40 % affiliations
41 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier }
42 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France \\
43 Email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
44 %\email{\{ali.idness, karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier\}@univ-fcomte.fr}
45 %\and
46 %\IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
47 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
48 %\and
49 %\IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
50 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
51 }
52
53 \maketitle
54
55 \begin{abstract}
56 One of  the fundamental challenges in Wireless  Sensor Networks (WSNs)
57 is  the coverage  preservation  and  the extension  of  the  network  lifetime
58 continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
59 region) of interest. In this paper a coverage optimization protocol to
60 improve the lifetime in  heterogeneous energy wireless sensor networks
61 is proposed.   The area of  interest is first divided  into subregions
62 using a  divide-and-conquer method and then the scheduling  of sensor node
63 activity  is  planned for  each  subregion.   The proposed  scheduling
64 considers  rounds during  which  a small  number  of nodes,  remaining
65 active  for  sensing, is  selected  to  ensure  coverage.  Each  round
66 consists  of   four  phases:  (i)~Information   Exchange,  (ii)~Leader
67 Election, (iii)~Decision,  and (iv)~Sensing.  The  decision process is
68 carried  out  by  a  leader  node which  solves  an  integer  program.
69 Simulation  results show that  the proposed  approach can  prolong the
70 network lifetime and improve the coverage performance.
71 \end{abstract}
72
73 %\keywords{Area Coverage, Wireless Sensor Networks, lifetime Optimization, Distributed Protocol.}
74  
75 \IEEEpeerreviewmaketitle
76
77 \section{Introduction}
78
79 \noindent Recent years have witnessed significant advances in wireless
80 communications and embedded micro-sensing MEMS technologies which have
81 led to the  emergence of wireless  sensor networks  as one  of the  most promising
82 technologies~\cite{asc02}.   In fact, they  present huge  potential in
83 several  domains ranging  from  health care  applications to  military
84 applications.  A sensor network is  composed of a large number of tiny
85 sensing  devices deployed  in a  region of  interest. Each  device has
86 processing  and wireless communication  capabilities, which  enable it to
87 sense its environment, to compute, to store information, and to deliver
88 report messages to a base station.
89 %These sensor nodes run on batteries with limited capacities. To achieve a long life of the network, it is important to conserve battery power. Therefore, lifetime optimisation is one of the most critical issues in wireless sensor networks.
90 One of the main design issues in Wireless Sensor Networks (WSNs) is to
91 prolong the  network lifetime,  while achieving acceptable  quality of
92 service for applications.  Indeed, sensor nodes have limited resources
93 in terms of memory, energy, and computational power.
94
95 Since sensor nodes have limited battery life and without being able to
96 replace batteries,  especially in remote and  hostile environments, it
97 is desirable that  a WSN should be deployed  with high density because
98 spatial redundancy can  then be exploited to increase  the lifetime of
99 the network. In such a high  density network, if all sensor nodes were
100 to be  activated at the same  time, the lifetime would  be reduced. To
101 extend the lifetime  of the network, the main idea  is to take advantage
102 of  the overlapping  sensing regions  of some  sensor nodes  to save
103 energy  by  turning  off  some  of  them  during  the  sensing  phase.
104 Obviously, the deactivation of nodes  is only relevant if the coverage
105 of the monitored area  is not affected.  Consequently, future softwares
106 may  need to  adapt  appropriately to  achieve  acceptable quality  of
107 service  for  applications.  In  this  paper  we  concentrate on  the area
108 coverage  problem,  with  the  objective  of  maximizing  the  network
109 lifetime  by using  an adaptive  scheduling. The  area of  interest is
110 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
111 planned for  each subregion. 
112  In fact, the nodes in a  subregion can be seen as a cluster where
113   each node sends  sensing data to the cluster head  or the sink node.
114   Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even
115   if another cluster stops due to too many node failures.
116 Our scheduling  scheme considers rounds,  where a round starts  with a
117 discovery  phase  to  exchange  information  between  sensors  of  the
118 subregion,  in order to  choose in  a suitable manner  a sensor  node to
119 carry  out a coverage  strategy. This  coverage strategy  involves the
120 solving of  an integer  program which provides  the activation  of the
121 sensors for the sensing phase of the current round.
122
123 The remainder of the paper is organized as follows.  The next section
124 % Section~\ref{rw}
125 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
126 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
127 Section~\ref{cp} gives the coverage model formulation which is used to
128 schedule  the  activation  of  sensors.  Section~\ref{exp}  shows  the
129 simulation  results obtained  using  the discrete  event simulator OMNeT++  \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness  of the
130 proposed  approach.   Finally, we  give  concluding  remarks and  some
131 suggestions for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
132
133 \section{Related works}
134 \label{rw}
135
136 \noindent This section is dedicated to the various approaches proposed
137 in  the literature  for  the coverage  lifetime maximization  problem,
138 where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
139 order to  extend network lifetime  in a randomly deployed  network. As
140 this problem is subject to a wide range of interpretations, we have chosen
141 to recall the main definitions and assumptions related to our work.
142
143 %\begin{itemize}
144 %\item Area Coverage: The main objective is to cover an area. The area coverage requires
145 %that the sensing range of working Active nodes cover the whole targeting area, which means any
146 %point in target area can be covered~\cite{Mihaela02,Raymond03}.
147
148 %\item Target Coverage: The objective is to cover a set of targets. Target coverage means that the discrete target points can be covered in any time. The sensing range of working Active nodes only monitors a finite number of discrete points in targeting area~\cite{Mihaela02,Raymond03}. 
149
150 %\item Barrier Coverage An objective to determine the maximal support/breach paths that traverse a sensor field. Barrier coverage is expressed as finding one or more routes with starting position and ending position when the targets pass through the area deployed with sensor nodes~\cite{Santosh04,Ai05}.
151 %\end{itemize}
152 {\bf Coverage}
153
154 The most  discussed coverage problems in literature  can be classified
155 into two types \cite{ma10}: area coverage (also called full or blanket
156 coverage) and target coverage.  An  area coverage problem is to find a
157 minimum number of sensors to work, such that each physical point in the
158 area is within the sensing range  of at least one working sensor node.
159 Target coverage problem  is to cover only a  finite number of discrete
160 points  called targets.   This type  of coverage  has  mainly military
161 applications. Our work will concentrate on the area coverage by design
162 and implementation of a  strategy which efficiently selects the active
163 nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
164 connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
165 sensor  network.   But  requiring  that  all physical  points  of  the
166 considered region are covered may  be too strict, especially where the
167 sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
168 by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
169 number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
170 minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
171 simultaneously).
172
173 {\bf Lifetime}
174
175 Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
176 network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
177 related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
178 The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
179 of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
180 amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
181 area or targets of interest). In this work, we assume that the network
182 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
183 sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
184 during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
185 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
186 transmit information on an event in the area that it monitors.
187
188 {\bf Activity scheduling}
189
190 Activity scheduling is to  schedule the activation and deactivation of
191 sensor nodes.  The  basic objective is to decide  which sensors are in
192 what states (active or sleeping mode)  and for how long, so that the
193 application  coverage requirement  can be  guaranteed and  the network
194 lifetime can be  prolonged. Various approaches, including centralized,
195 distributed, and localized algorithms, have been proposed for activity
196 scheduling.  In  distributed algorithms, each node  in the network
197 autonomously makes decisions on whether  to turn on or turn off itself
198 only using  local neighbor information. In  centralized algorithms, a
199 central controller  (a node or  base station) informs every  sensors of
200 the time intervals to be activated.
201
202 {\bf Distributed approaches}
203
204 Some      distributed     algorithms      have      been     developed
205 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}  to perform the
206 scheduling.   Distributed algorithms typically  operate in  rounds for
207 a predetermined  duration. At  the  beginning of  each  round, a  sensor
208 exchanges information with its neighbors and makes a decision to either
209 remain turned  on or to  go to sleep  for the round. This  decision is
210 basically made on simple greedy criteria like  the largest uncovered
211 area   \cite{Berman05efficientenergy},   maximum   uncovered   targets
212 \cite{1240799}.   In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme  is divided
213 into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by
214 a sensing phase.  Each sensor  broadcasts a message containing the node ID
215 and the node location  to its neighbors at the beginning  of each round. A
216 sensor determines  its status by  a rule named off-duty  eligible rule
217 which tells  him to  turn off if  its sensing  area is covered  by its
218 neighbors. A  back-off scheme is  introduced to let each  sensor delay
219 the decision process  with a random period of time,  in order to avoid
220 simultaneous conflicting decisions between nodes and  lack of coverage on any area.
221 \cite{Prasad:2007:DAL:1782174.1782218}  defines a model  for capturing
222 the dependencies  between different cover sets  and proposes localized
223 heuristic  based on this  dependency.  The  algorithm consists  of two
224 phases, an initial  setup phase during which each  sensor computes and
225 prioritizes the  covers and  a sensing phase  during which  each sensor
226 first decides  its on/off status, and  then remains on or  off for the
227 rest  of the  duration.  Authors  in \cite{chin2007}  propose  a novel
228 distributed  heuristic named  Distributed  Energy-efficient Scheduling
229 for k-coverage  (DESK) so  that the energy  consumption among  all the
230 sensors  is balanced,  and  network lifetime  is  maximized while  the
231 coverage requirement  is being  maintained.  This algorithm  works in
232 round, requires only  1-sensing-hop-neighbor information, and a sensor
233 decides  its status  (active/sleep)  based on  its perimeter  coverage
234 computed  through the k-Non-Unit-disk  coverage algorithm  proposed in
235 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
236
237 Some other approaches do  not consider a synchronized and predetermined
238 period  of time  where the  sensors are  active or  not.  Indeed, each
239 sensor  maintains its  own timer  and its  wake-up time is randomized
240 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei05} over time.
241 %A ecrire \cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}p33
242
243 %The scheduling information is disseminated throughout the network and only sensors in the active state are responsible
244 %for monitoring all targets, while all other nodes are in a low-energy sleep mode. The nodes decide cooperatively which of them will remain in sleep mode for a certain
245 %period of time.
246
247  %one way of increasing lifeteime is by turning off redundant nodes to sleep mode to conserve energy while active nodes provide essential coverage, which improves fault tolerance. 
248
249 %In this paper we focus on centralized algorithms because distributed algorithms are outside the scope of our work. Note that centralized coverage algorithms have the advantage of requiring very low processing power from the sensor nodes which have usually limited processing capabilities. Moreover, a recent study conducted in \cite{pc10} concludes that there is a threshold in terms of network size to switch from a localized to a centralized algorithm. Indeed the exchange of messages in large networks may consume  a considerable amount of energy in a localized approach compared to a centralized one. 
250
251 {\bf Centralized approaches}
252
253 Power  efficient  centralized  schemes  differ  according  to  several
254 criteria \cite{Cardei:2006:ECP:1646656.1646898},  such as the coverage
255 objective  (target coverage  or  area coverage),  the node  deployment
256 method (random or deterministic) and the heterogeneity of sensor nodes
257 (common sensing range, common battery lifetime). The major approach is
258 to divide/organize  the sensors into  a suitable number of  set covers
259 where each  set completely covers  an interest region and  to activate
260 these set covers successively.
261
262 The first algorithms  proposed in the  literature consider that  the cover
263 sets  are  disjoint: a  sensor  node appears  in  exactly  one of  the
264 generated  cover  sets.    For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak
265 \cite{Slijepcevic01powerefficient}   propose    an   algorithm   which
266 allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area
267 divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by
268 including in  priority the sensor  nodes which cover  critical fields,
269 that  is to  say fields  that are  covered by  the smallest  number of
270 sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$
271 is the number of  sensors.  \cite{cardei02}~describes a graph coloring
272 technique  to achieve energy  savings by  organizing the  sensor nodes
273 into a maximum number of  disjoint dominating sets which are activated
274 successively. The dominating sets do not guarantee the coverage of the
275 whole        region        of        interest.        Abrams        et
276 al.~\cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}  design  three  approximation
277 algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the
278 objective is to partition the sensors into covers such that the number
279 of covers that  includes an area, summed over  all areas, is maximized.
280 Their        work        builds        upon       previous        work
281 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient} and the  generated cover sets do
282 not provide complete coverage of the monitoring zone.
283
284 %examine the target coverage problem by disjoint cover sets but relax the requirement that every  cover set monitor all the targets and try to maximize the number of times the targets are covered by the partition. They propose various algorithms and establish approximation ratio.
285
286 In~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098},   the  authors   propose  a
287 heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to
288 compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a
289 maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer
290 programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they
291 design a heuristic to compute  the final number of covers. The results
292 show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of
293 produced  DSC in comparison  to~\cite{Slijepcevic01powerefficient}, but
294 it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed
295 integer      programming     solving.       %Cardei      and     Du
296 \cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098} propose a method to efficiently
297 compute the maximum  number of disjoint set covers  such that each set
298 can  monitor all  targets. They  first  transform the  problem into  a
299 maximum  flow   problem  which  is  formulated  as   a  mixed  integer
300 programming (MIP). Then their heuristic  uses the output of the MIP to
301 compute  disjoint  set  covers.  Results  show  that  this  heuristic
302 provides  a   number  of  set  covers  slightly   larger  compared  to
303 \cite{Slijepcevic01powerefficient}  but with  a larger  execution time
304 due  to the complexity  of the  mixed integer  programming resolution.
305 Zorbas  et  al.  \cite{Zorbas2007}  present  B\{GOP\},  a  centralized
306 coverage   algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization
307 depending on their  coverage status and the notion  of critical target
308 to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of
309 sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
310 $n$ is the number of sensors,  and $m$ the number of targets. Compared
311 to    algorithm's    results     of    Slijepcevic    and    Potkonjak
312 \cite{Slijepcevic01powerefficient},  their   heuristic  produces  more
313 cover sets with a slight growth rate in execution time.
314 %More recently Manju and Pujari\cite{Manju2011}
315
316 In the  case of non-disjoint algorithms  \cite{Manju2011}, sensors may
317 participate  in more  than  one cover  set.   In some  cases this  may
318 prolong  the lifetime  of the  network in  comparison to  the disjoint
319 cover set algorithms, but  designing algorithms for non-disjoint cover
320 sets  generally induces a  higher order  of complexity.   Moreover, in
321 case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling policies are less
322 resilient and less  reliable because a sensor may  be involved in more
323 than one  cover sets.  For instance,  Cardei et al.~\cite{cardei05bis}
324 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
325 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
326 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
327 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
328 lifetime         increases        compared         with        related
329 work~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098}.   In~\cite{berman04}, the
330 authors  have formulated  the lifetime  problem and  suggested another
331 (LP)  technique to  solve this  problem. A  centralized  solution  based      on      the     Garg-K\"{o}nemann
332 algorithm~\cite{garg98}, provably near
333 the optimal solution,    is also proposed.
334
335 {\bf Our contribution}
336
337 There are  three main questions which  should be addressed  to build a
338 scheduling strategy. We  give a brief answer to  these three questions
339 to describe our  approach before going into details  in the subsequent
340 sections.
341 \begin{itemize}
342 \item {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
343   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
344   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
345   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
346
347 \item {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
348   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
349   interest  to avoid  turning on  too many sensors covering  the same
350   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
351   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
352   objectives.
353
354 \item {\bf Which  node should make such a  decision?}  As mentioned in
355   \cite{pc10}, both centralized  and distributed algorithms have their
356   own  advantages and  disadvantages. Centralized  coverage algorithms
357   have the advantage  of requiring very low processing  power from the
358   sensor  nodes which  have usually  limited  processing capabilities.
359   Distributed  algorithms  are  very  adaptable  to  the  dynamic  and
360   scalable nature of sensors network.  Authors in \cite{pc10} conclude
361   that there is a threshold in  terms of network size to switch from a
362   localized  to  a  centralized  algorithm.  Indeed  the  exchange  of
363   messages  in large  networks may  consume a  considerable  amount of
364   energy in a centralized approach  compared to a distributed one. Our
365   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
366   the scheduling decision  to all the sensors.  When  the network size
367   increases,  the network  is  divided into  many  subregions and  the
368   decision is made by a leader in each subregion.
369 \end{itemize}
370
371 \section{Activity scheduling}
372 \label{pd}
373
374 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
375 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
376 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
377 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
378 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
379 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
380 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
381 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
382 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
383 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
384 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
385 figure~\ref{fig1}.
386
387 %Given the interested Area $A$, the wireless sensor nodes set $S=\lbrace  s_1,\ldots,s_N \rbrace $ that are deployed randomly and uniformly in this area such that they are ensure a full coverage for A. The Area A is divided into regions $A=\lbrace A^1,\ldots,A^k,\ldots, A^{N_R} \rbrace$. We suppose that each sensor node $s_i$ know its location and its region. We will have a subset $SSET^k =\lbrace s_1,...,s_j,...,s_{N^k} \rbrace $ , where $s_N = s_{N^1} + s_{N^2} +,\ldots,+ s_{N^k} +,\ldots,+s_{N^R}$. Each sensor node $s_i$ has the same initial energy $IE_i$ in the first time and the current residual energy $RE_i$ equal to $IE_i$  in the first time for each $s_i$ in A. \\ 
388
389 \begin{figure}[ht!]
390 \centering
391 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
392 \caption{Multi-round coverage protocol}
393 \label{fig1}
394 \end{figure} 
395
396 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
397 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
398 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
399 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
400 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
401 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
402 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
403 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
404 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
405 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
406 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
407 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
408 information (including their residual energy) at the beginning of each
409 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
410 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
411 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
412 each phase in more details.
413
414 \subsection{Information exchange phase}
415
416 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
417 the number of local neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
418 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
419 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
420 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
421 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
422 active mode.
423
424 %\subsection{\textbf Working Phase:}
425
426 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
427
428 \subsection{Leader election phase}
429 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL)
430 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
431 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
432 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
433 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
434 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
435 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
436 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
437 equality, larger index.
438
439 \subsection{Decision phase}
440 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
441 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
442 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
443 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
444 %The main goal in this step after choosing the WSNL is to produce the best representative active nodes set that will take the responsibility of covering the whole region $A^k$ with minimum number of sensor nodes to prolong the lifetime in the wireless sensor network. For our problem, in each round we need to select the minimum set of sensor nodes to improve the lifetime of the network and in the same time taking into account covering the region $A^k$ . We need an optimal solution with tradeoff between our two conflicting objectives.
445 %The above region coverage problem can be formulated as a Multi-objective optimization problem and we can use the Binary Particle Swarm Optimization technique to solve it. 
446
447 \subsection{Sensing phase}
448 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
449 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
450 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
451 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
452 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
453 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
454 starting a new round.
455
456 %\subsection{Sensing coverage model}
457 %\label{pd}
458
459 %\noindent We try to produce an adaptive scheduling which allows sensors to operate alternatively so as to prolong the network lifetime. For convenience, the notations and assumptions are described first.
460 %The wireless sensor node use the  binary disk sensing model by which each sensor node will has a certain sensing range is reserved within a circular disk called radius $R_s$.
461 \noindent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
462 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
463 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
464 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
465 covered by this sensor. We also assume that the communication range is
466 at   least  twice    the size of the   sensing  range.   In  fact,   Zhang  and
467 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the
468 previous  hypothesis, a  complete coverage  of a  convex  area implies
469 connectivity among the working nodes in the active mode.
470 %To calculate the coverage ratio for the area of interest, we can propose the following coverage model which is called Wireless Sensor Node Area Coverage Model to ensure that all the area within each node sensing range are covered. We can calculate the positions of the points in the circle disc of the sensing range of wireless sensor node based on the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}:
471
472 %\begin{figure}[h!]
473 %\centering
474 %\begin{tabular}{cc}
475 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
476 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
477 %\end{tabular}
478 %\caption{Unit Circle in radians. }
479 %\label{fig:cluster1}
480 %\end{figure}
481
482 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
483 %We choose to representEach wireless sensor node will be represented into a selected number of primary points by which we can know if the sensor node is covered or not.
484 % Figure ~\ref{fig:cluster2} shows the selected primary points that represents the area of the sensor node and according to the sensing range of the wireless sensor node.
485
486 \noindent Instead of working with the coverage area, we consider for each
487 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
488 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all the primary points of
489 this sensor are covered.
490 %\begin{figure}[h!]
491 %\centering
492 %\begin{tabular}{cc}
493 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
494 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
495 %\end{tabular}
496 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
497 %\label{fig:cluster2}
498 %\end{figure}
499 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
500 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
501 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
502 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
503 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
504 sensors, instead of using all the points in the area.
505
506 \noindent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
507 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
508 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
509 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
510 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
511 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
512 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
513 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
514 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
515 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
516 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
517 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
518 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
519 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
520 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
521 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
522 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
523
524  \begin{figure}[h!]
525 %\centering
526 % \begin{multicols}{6}
527 \centering
528 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
529 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
530 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
531 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
532 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
533 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
534 %\end{multicols} 
535 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
536 \label{fig2}
537 \end{figure}
538
539 \section{Coverage problem formulation}
540 \label{cp}
541 %We can formulate our optimization problem as energy cost minimization by minimize the number of active sensor nodes and maximizing the coverage rate at the same time in each $A^k$ . This optimization problem can be formulated as follow: Since that we use a homogeneous wireless sensor network, we will assume that the cost of keeping a node awake is the same for all wireless sensor nodes in the network. We can define the decision parameter  $X_j$ as in \eqref{eq11}:\\
542
543
544 %To satisfy the coverage requirement, the set of the principal points that will represent all the sensor nodes in the monitored region as $PSET= \lbrace P_1,\ldots ,P_p, \ldots , P_{N_P^k} \rbrace $, where $N_P^k = N_{sp} * N^k $ and according to the proposed model in figure ~\ref{fig:cluster2}. These points can be used by the wireless sensor node leader which will be chosen in each region in A to build a new parameter $\alpha_{jp}$  that represents the coverage possibility for each principal point $P_p$ of each wireless sensor node $s_j$ in $A^k$ as in \eqref{eq12}:\\
545
546 \noindent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
547 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
548 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
549 integer program which forces undercoverage and overcoverage of targets
550 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
551 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
552 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$  which  determine  the
553 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
554 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
555 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
556
557 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
558 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
559 \begin{equation}
560 \alpha_{jp} = \left \{ 
561 \begin{array}{l l}
562   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
563  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
564   0 & \mbox{otherwise.}\\
565 \end{array} \right.
566 %\label{eq12} 
567 \end{equation}
568 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
569 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
570 \begin{equation}
571 X_{j} = \left \{ 
572 \begin{array}{l l}
573   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
574   0 &  \mbox{otherwise.}\\
575 \end{array} \right.
576 %\label{eq11} 
577 \end{equation}
578 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
579 \begin{equation}
580  \Theta_{p} = \left \{ 
581 \begin{array}{l l}
582   0 & \mbox{if the primary point}\\
583     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
584   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
585 \end{array} \right.
586 \label{eq13} 
587 \end{equation}
588 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
589 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
590 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
591 by:
592 \begin{equation}
593 U_{p} = \left \{ 
594 \begin{array}{l l}
595   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
596   0 & \mbox{otherwise.}\\
597 \end{array} \right.
598 \label{eq14} 
599 \end{equation}
600
601 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
602 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
603 \left \{
604 \begin{array}{ll}
605 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
606 \textrm{subject to :}&\\
607 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
608 %\label{c1} 
609 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
610 %\label{c2}
611 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
612 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
613 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
614 \end{array}
615 \right.
616 \end{equation}
617 \begin{itemize}
618 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
619   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
620 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
621   one that are covering the primary point $p$;
622 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
623   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
624 \end{itemize}
625
626 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
627 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
628 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
629 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
630 objectives.  First we limit the overcoverage of primary points in order to
631 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
632  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
633 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
634 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
635 round.
636  
637 %In equation \eqref{eq15}, there are two main objectives: the first one using  the Overcoverage parameter to minimize the number of active sensor nodes in the produced final solution vector $X$ which leads to improve the life time of wireless sensor network. The second goal by using the  Undercoverage parameter  to maximize the coverage in the region by means of covering each primary point in $SSET^k$.The two objectives are achieved at the same time. The constraint which represented in equation \eqref{eq16} refer to the coverage function for each primary point $P_p$ in $SSET^k$ , where each $P_p$ should be covered by
638 %at least one sensor node in $A^k$. The objective function in \eqref{eq15} involving two main objectives to be optimized simultaneously, where optimal decisions need to be taken in the presence of trade-offs between the two conflicting main objectives in \eqref{eq15} and this refer to that our coverage optimization problem is a multi-objective optimization problem and we can use the BPSO to solve it. The concept of Overcoverage and Undercoverage inspired from ~\cite{Fernan12} but we use it with our model as stated in subsection \ref{Sensing Coverage Model} with some modification to be applied later by BPSO.
639 %\subsection{Notations and assumptions}
640
641 %\begin{itemize}
642 %\item $m$ : the number of targets
643 %\item $n$ : the number of sensors
644 %\item $K$ : maximal number of cover sets
645 %\item $i$ : index of target ($i=1..m$)
646 %\item $j$ : index of sensor ($j=1..n$)
647 %\item $k$ : index of cover set ($k=1..K$)
648 %\item $T_0$ : initial set of targets
649 %\item $S_0$ : initial set of sensors
650 %\item $T $ : set of targets which are not covered by at least one cover set
651 %\item $S$ : set of available sensors
652 %\item $S_0(i)$ : set of sensors which cover the target $i$
653 %\item $T_0(j)$ : set of targets covered by sensor $j$
654 %\item $C_k$ : cover set of index $k$
655 %\item $T(C_k)$ : set of targets covered by the cover set $k$
656 %\item $NS(i)$ : set of  available sensors which cover the target $i$
657 %\item $NC(i)$ : set of cover sets which do not cover the target $i$
658 %\item $|.|$ : cardinality of the set
659
660 %\end{itemize}
661
662 \section{Simulation results}
663 \label{exp}
664
665 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
666 efficiency  and the relevance of  our approach,  using the  discrete event
667 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
668 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
669 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
670 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
671 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
672   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
673   field with the given sensing range.
674 10~simulation  runs  are performed  with
675 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
676 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
677 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
678 disconnected (some nodes may not be  able to send, to a base station, an
679 event they sense).
680
681 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
682 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
683 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
684 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
685 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
686 the sensing period which will last 60 seconds. Thus, an
687 active  node will  consume  12~joules during the sensing  phase, while  a
688 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
689 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
690 joules.  In  all  experiments  the  parameters  are  set  as  follows:
691 $R_s=5~m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
692
693 We  evaluate the  efficiency of  our approach by using  some performance
694 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
695 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
696 and number of stopped simulation runs.  Our approach called strategy~2
697 (with two leaders)  works with two subregions, each  one having a size
698 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
699 approaches. The first one,  called strategy~1 (with one leader), works
700 as strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
701 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
702 consists in uniformly dividing   the region into squares  of $(5 \times
703 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
704 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
705 phase.
706
707 \subsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
708
709 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
710 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
711 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
712 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
713 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
714 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
715 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
716 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
717 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
718 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
719 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
720 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
721 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
722 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~2 is
723 slightly more efficient than strategy 1, because strategy~2 subdivides
724 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
725 disconnected,  the coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
726 subregion.
727
728 \parskip 0pt 
729 \begin{figure}[h!]
730 \centering
731 \includegraphics[scale=0.55]{TheCoverageRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
732 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
733 \label{fig3}
734 \end{figure} 
735
736 \subsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
737
738 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
739 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
740 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
741 Ratio, which is defined as follows:
742 \begin{equation*}
743 \scriptsize
744 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
745 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
746 for the region}} \times 100.
747 \end{equation*}
748 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
749 for 150 deployed nodes.
750
751 \begin{figure}[h!]
752 \centering
753 \includegraphics[scale=0.55]{TheActiveSensorRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
754 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
755 \label{fig4}
756 \end{figure} 
757
758 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
759 both proposed  strategies, the strategy  with two leaders and  the one
760 with a  single leader,  in comparison with  the simple  heuristic. The
761 strategy with one leader uses less active nodes than the strategy with
762 two leaders until the last  rounds, because it uses central control on
763 the whole sensing field.  The  advantage of the strategy~2 approach is
764 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
765 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
766 lifetime of the network.
767
768 \subsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
769
770 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
771 This metric, called Energy Saving Ratio, is defined by:
772 \begin{equation*}
773 \scriptsize
774 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
775 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
776 \end{equation*}
777 The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are
778 switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
779 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
780 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
781
782 \begin{figure}[h!]
783 %\centering
784 % \begin{multicols}{6}
785 \centering
786 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergySavingRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
787 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
788 \label{fig5}
789 \end{figure} 
790
791 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
792 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
793 expected, the strategy with one leader is usually slightly better than
794 the second  strategy, because the  global optimization permits  to turn
795 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
796 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
797 number of  rounds increases  the two leaders'  strategy becomes  the most
798 performing one, since it takes longer  to have the two subregion networks
799 simultaneously disconnected.
800
801 \subsection{The percentage of stopped simulation runs}
802
803 We  will now  study  the percentage  of  simulations which  stopped due  to
804 network  disconnections per round  for each  of the  three approaches.
805 Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
806 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
807 simple heuristic is  the approach which  stops first because  the nodes
808 are   randomly chosen.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
809 centralized  one  first  exhibits  network  disconnections.   Thus,  as
810 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
811 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
812 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
813 optimization participates in extending the network lifetime.
814
815 \begin{figure}[h!]
816 \centering
817 \includegraphics[scale=0.55]{TheNumberofStoppedSimulationRuns150.eps} 
818 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
819 \label{fig6}
820 \end{figure} 
821
822 \subsection{The energy consumption}
823
824 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
825 protocol  on the  performance of  the  strategy with  two leaders  and
826 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
827 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
828 by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
829 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
830 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
831 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
832 between networks having different densities.
833
834 Figure~\ref{fig7} illustrates the energy consumption for the different
835 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
836 strategy  with  two  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
837 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the strategy
838 with  one  leader, has  a  high energy  consumption  due  to  many
839 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
840 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
841 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
842 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
843 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
844 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
845 communications have a small impact on the network lifetime.
846
847 \begin{figure}[h!]
848 \centering
849 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergyConsumption.eps} 
850 \caption{The energy consumption}
851 \label{fig7}
852 \end{figure} 
853
854 \subsection{The impact of the number of sensors on execution time}
855
856 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
857 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
858 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
859 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
860 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
861 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
862 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
863 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
864 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the strategy
865 with  one  leader which  requires  to  solve  an optimization  problem
866 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
867 Moreover, increasing the network size by 50~nodes   multiplies the time
868 by  almost a  factor of  10. The  strategy with  two leaders  has more
869 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
870 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
871 nodes.   Overall,  to  be  able to  deal  with  very  large  networks,  a
872 distributed method is clearly required.
873
874 \begin{table}[ht]
875 \caption{The execution time(s) vs the number of sensors}
876 % title of Table
877 \centering
878
879 % used for centering table
880 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
881 % centered columns (4 columns)
882       \hline
883 %inserts double horizontal lines
884 Sensors number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple heuristic \\ [0.5ex]
885  & (with two leaders) & (with one leader) & \\ [0.5ex]
886 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
887 % inserts table
888 %heading
889 \hline
890 % inserts single horizontal line
891 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
892 % inserting body of the table
893 \hline
894 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
895 \hline
896 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
897 \hline
898 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
899 \hline
900 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
901 % [1ex] adds vertical space
902 \hline
903 %inserts single line
904 \end{tabular}
905 \label{table1}
906 % is used to refer this table in the text
907 \end{table}
908
909 \subsection{The network lifetime}
910
911 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
912 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
913 monitoring  an area has become  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
914 network  lifetime for different  network sizes  and for  both strategy
915 with two  leaders and the simple  heuristic is illustrated. 
916   We do  not consider  anymore the  centralized strategy  with one
917   leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
918   times that quickly become unsuitable for a sensor network.
919
920 \begin{figure}[h!]
921 %\centering
922 % \begin{multicols}{6}
923 \centering
924 \includegraphics[scale=0.5]{TheNetworkLifetime.eps} %\\~ ~ ~(a)
925 \caption{The network lifetime }
926 \label{fig8}
927 \end{figure} 
928
929 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
930 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach
931 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing the  best 
932 suited nodes, for each round,  to cover the  region of interest  and by
933 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
934 our strategy efficiently prolonges the network lifetime. Comparison shows that
935 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
936 the simple heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
937 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
938 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
939 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
940 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
941 the lifetime of a network.
942
943 \section{Conclusion and future works}
944 \label{sec:conclusion}
945
946 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
947 optimization  in wireless  sensor networks.   This is  a key  issue as
948 sensor nodes  have limited  resources in terms  of memory,  energy and
949 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
950 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
951 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
952 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
953 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
954 leader election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
955 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
956 the best  representative active nodes that will  optimize the network lifetime
957 while  taking   the  responsibility  of   covering  the  corresponding
958 subregion.   The network lifetime  in each  subregion is  divided into
959 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
960 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
961 select  the  nodes remaining  active  for  the  last phase,  and  (iv)
962 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed
963 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors ratio,
964 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
965 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
966 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
967 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
968 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
969 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
970
971 In  future work, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol which
972 computes  all  active  sensor  schedules  in  one time,  using
973 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
974 algorithms.  The round  will still  consists  of 4  phases, but  the
975   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
976   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
977 The computation of all cover sets in one time is far more
978 difficult, but will reduce the communication overhead.
979 % use section* for acknowledgement
980 %\section*{Acknowledgment}
981
982 \bibliographystyle{IEEEtran}
983 \bibliography{bare_conf}
984
985 % that's all folks
986 \end{document}
987
988