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4 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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6 \ifCLASSINFOpdf
7   
8 \else
9   
10 \fi
11
12 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
13
14 \usepackage{float}
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16 \usepackage{calc}
17  \usepackage{times,amssymb,amsmath,latexsym}
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33 \usepackage{caption}
34 \usepackage{multicol}
35
36
37 \begin{document}
38
39 \title{Energy-Efficient Activity Scheduling in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
40
41 % author names and affiliations
42 % use a multiple column layout for up to three different
43 % affiliations
44 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier }
45 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France \\
46 Email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
47 %\email{\{ali.idness, karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier\}@univ-fcomte.fr}
48 %\and
49 %\IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
50 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
51 %\and
52 %\IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
53 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
54 }
55
56 \maketitle
57
58 \begin{abstract}
59 One of  the fundamental challenges in Wireless  Sensor Networks (WSNs)
60 is  the coverage  preservation  and  the extension  of  the  network  lifetime
61 continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
62 region) of interest. In this paper a coverage optimization protocol to
63 improve the lifetime in  heterogeneous energy wireless sensor networks
64 is proposed.   The area of  interest is first divided  into subregions
65 using a  divide-and-conquer method and then the scheduling  of sensor node
66 activity  is  planned for  each  subregion.   The proposed  scheduling
67 considers  rounds during  which  a small  number  of nodes,  remaining
68 active  for  sensing, is  selected  to  ensure  coverage.  Each  round
69 consists  of   four  phases:  (i)~Information   Exchange,  (ii)~Leader
70 Election, (iii)~Decision,  and (iv)~Sensing.  The  decision process is
71 carried  out  by  a  leader  node which  solves  an  integer  program.
72 Simulation  results show that  the proposed  approach can  prolong the
73 network lifetime and improve the coverage performance.
74 \end{abstract}
75
76 %\keywords{Area Coverage, Wireless Sensor Networks, lifetime Optimization, Distributed Protocol.}
77  
78 \IEEEpeerreviewmaketitle
79
80 \section{Introduction}
81
82 \noindent Recent years have witnessed significant advances in wireless
83 communications and embedded micro-sensing MEMS technologies which have
84 led to the  emergence of wireless  sensor networks  as one  of the  most promising
85 technologies~\cite{asc02}.   In fact, they  present huge  potential in
86 several  domains ranging  from  health care  applications to  military
87 applications.  A sensor network is  composed of a large number of tiny
88 sensing  devices deployed  in a  region of  interest. Each  device has
89 processing  and wireless communication  capabilities, which  enable it to
90 sense its environment, to compute, to store information and to deliver
91 report messages to a base station.
92 %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.
93 One of the main design issues in Wireless Sensor Networks (WSNs) is to
94 prolong the  network lifetime,  while achieving acceptable  quality of
95 service for applications.  Indeed, sensor nodes have limited resources
96 in terms of memory, energy and computational power.
97
98 Since sensor nodes have limited battery life and without being able to
99 replace batteries,  especially in remote and  hostile environments, it
100 is desirable that  a WSN should be deployed  with high density because
101 spatial redundancy can  then be exploited to increase  the lifetime of
102 the network. In such a high  density network, if all sensor nodes were
103 to be  activated at the same  time, the lifetime would  be reduced. To
104 extend the lifetime  of the network, the main idea  is to take advantage
105 of  the overlapping  sensing regions  of some  sensor nodes  to save
106 energy  by  turning  off  some  of  them  during  the  sensing  phase.
107 Obviously, the deactivation of nodes  is only relevant if the coverage
108 of the monitored area  is not affected.  Consequently, future softwares
109 may  need to  adapt  appropriately to  achieve  acceptable quality  of
110 service  for  applications.  In  this  paper  we  concentrate on  the area
111 coverage  problem,  with  the  objective  of  maximizing  the  network
112 lifetime  by using  an adaptive  scheduling. The  area of  interest is
113 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
114 planned for  each subregion. 
115  In fact, the nodes in a  subregion can be seen as a cluster where
116   each node sends  sensing data to the cluster head  or the sink node.
117   Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even
118   if another cluster stops due to too many node failures.
119 Our scheduling  scheme considers rounds,  where a round starts  with a
120 discovery  phase  to  exchange  information  between  sensors  of  the
121 subregion,  in order to  choose in  a suitable manner  a sensor  node to
122 carry  out a coverage  strategy. This  coverage strategy  involves the
123 solving of  an integer  program which provides  the activation  of the
124 sensors for the sensing phase of the current round.
125
126 The remainder of the paper is organized as follows.  The next section
127 % Section~\ref{rw}
128 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
129 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
130 Section~\ref{cp} gives the coverage model formulation which is used to
131 schedule  the  activation  of  sensors.  Section~\ref{exp}  shows  the
132 simulation  results obtained  using  the discrete  event simulator  on
133 OMNET++  \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness  of the
134 proposed  approach.   Finally, we  give  concluding  remarks and  some
135 suggestions for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
136
137 \section{Related works}
138 \label{rw}
139
140 \noindent This section is dedicated to the various approaches proposed
141 in  the literature  for  the coverage  lifetime maximization  problem,
142 where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
143 order to  extend network lifetime  in a randomly deployed  network. As
144 this problem is subject to a wide range of interpretations, we have chosen
145 to recall the main definitions and assumptions related to our work.
146
147 %\begin{itemize}
148 %\item Area Coverage: The main objective is to cover an area. The area coverage requires
149 %that the sensing range of working Active nodes cover the whole targeting area, which means any
150 %point in target area can be covered~\cite{Mihaela02,Raymond03}.
151
152 %\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}. 
153
154 %\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}.
155 %\end{itemize}
156 {\bf Coverage}
157
158 The most  discussed coverage problems in literature  can be classified
159 into two types \cite{ma10}: area coverage (also called full or blanket
160 coverage) and target coverage.  An  area coverage problem is to find a
161 minimum number of sensors to work, such that each physical point in the
162 area is within the sensing range  of at least one working sensor node.
163 Target coverage problem  is to cover only a  finite number of discrete
164 points  called targets.   This type  of coverage  has  mainly military
165 applications. Our work will concentrate on the area coverage by design
166 and implementation of a  strategy which efficiently selects the active
167 nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
168 connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
169 sensor  network.   But  requiring  that  all physical  points  of  the
170 considered region are covered may  be too strict, especially where the
171 sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
172 by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
173 number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
174 minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
175 simultaneously).
176
177 {\bf Lifetime}
178
179 Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
180 network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
181 related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
182 The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
183 of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
184 amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
185 area or targets of interest). In this work, we assume that the network
186 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
187 sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
188 during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
189 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
190 transmit information on an event in the area that it monitors.
191
192 {\bf Activity scheduling}
193
194 Activitiy scheduling is to  schedule the activation and deactivation of
195 sensor nodes.  The  basic objective is to decide  which sensors are in
196 what states (active or sleeping mode)  and for how long, so that the
197 application  coverage requirement  can be  guaranteed and  the network
198 lifetime can be  prolonged. Various approaches, including centralized,
199 distributed, and localized algorithms, have been proposed for activity
200 scheduling.  In  distributed algorithms, each node  in the network
201 autonomously makes decisions on whether  to turn on or turn off itself
202 only using  local neighbor information. In  centralized algorithms, a
203 central controller  (a node or  base station) informs every  sensors of
204 the time intervals to be activated.
205
206 {\bf Distributed approaches}
207
208 Some      distributed     algorithms      have      been     developed
209 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}  to perform the
210 scheduling.   Distributed algorithms typically  operate in  rounds for
211 a predetermined  duration. At  the  beginning of  each  round, a  sensor
212 exchanges information with its neighbors and makes a decision to either
213 remain turned  on or to  go to sleep  for the round. This  decision is
214 basically made on simple greedy criteria like  the largest uncovered
215 area   \cite{Berman05efficientenergy},   maximum   uncovered   targets
216 \cite{1240799}.   In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme  is divided
217 into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by
218 a sensing phase.  Each sensor  broadcasts a message containing the node ID
219 and the node location  to its neighbors at the beginning  of each round. A
220 sensor determines  its status by  a rule named off-duty  eligible rule
221 which tells  him to  turn off if  its sensing  area is covered  by its
222 neighbors. A  back-off scheme is  introduced to let each  sensor delay
223 the decision process  with a random period of time,  in order to avoid
224 simultaneous conflicting decisions between nodes and  lack of coverage on any area.
225 \cite{Prasad:2007:DAL:1782174.1782218}  defines a model  for capturing
226 the dependencies  between different cover sets  and proposes localized
227 heuristic  based on this  dependency.  The  algorithm consists  of two
228 phases, an initial  setup phase during which each  sensor computes and
229 prioritizes the  covers and  a sensing phase  during which  each sensor
230 first decides  its on/off status, and  then remains on or  off for the
231 rest  of the  duration.  Authors  in \cite{chin2007}  propose  a novel
232 distributed  heuristic named  Distributed  Energy-efficient Scheduling
233 for k-coverage  (DESK) so  that the energy  consumption among  all the
234 sensors  is balanced,  and  network lifetime  is  maximized while  the
235 coverage requirement  is being  maintained.  This algorithm  works in
236 round, requires only  1-sensing-hop-neighbor information, and a sensor
237 decides  its status  (active/sleep)  based on  its perimeter  coverage
238 computed  through the k-Non-Unit-disk  coverage algorithm  proposed in
239 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
240
241 Some other approaches do  not consider a synchronized and predetermined
242 period  of time  where the  sensors are  active or  not.  Indeed, each
243 sensor  maintains its  own timer  and its  wake-up time is randomized
244 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei05} over time.
245 %A ecrire \cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}p33
246
247 %The scheduling information is disseminated throughout the network and only sensors in the active state are responsible
248 %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
249 %period of time.
250
251  %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. 
252
253 %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. 
254
255 {\bf Centralized approaches}
256
257 Power  efficient  centralized  schemes  differ  according  to  several
258 criteria \cite{Cardei:2006:ECP:1646656.1646898},  such as the coverage
259 objective  (target coverage  or  area coverage),  the node  deployment
260 method (random or deterministic) and the heterogeneity of sensor nodes
261 (common sensing range, common battery lifetime). The major approach is
262 to divide/organize  the sensors into  a suitable number of  set covers
263 where each  set completely covers  an interest region and  to activate
264 these set covers successively.
265
266 The first algorithms  proposed in the  literature consider that  the cover
267 sets  are  disjoint: a  sensor  node appears  in  exactly  one of  the
268 generated  cover  sets.    For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak
269 \cite{Slijepcevic01powerefficient}   propose    an   algorithm   which
270 allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area
271 divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by
272 including in  priority the sensor  nodes which cover  critical fields,
273 that  is to  say fields  that are  covered by  the smallest  number of
274 sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$
275 is the number of  sensors.  \cite{cardei02}~describes a graph coloring
276 technique  to achieve energy  savings by  organizing the  sensor nodes
277 into a maximum number of  disjoint dominating sets which are activated
278 successively. The dominating sets do not guarantee the coverage of the
279 whole        region        of        interest.        Abrams        et
280 al.~\cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}  design  three  approximation
281 algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the
282 objective is to partition the sensors into covers such that the number
283 of covers that  includes an area, summed over  all areas, is maximized.
284 Their        work        builds        upon       previous        work
285 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient} and the  generated cover sets do
286 not provide complete coverage of the monitoring zone.
287
288 %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.
289
290 In~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098},   the  authors   propose  a
291 heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to
292 compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a
293 maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer
294 programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they
295 design a heuristic to compute  the final number of covers. The results
296 show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of
297 produced  DSC in comparison  to~\cite{Slijepcevic01powerefficient}, but
298 it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed
299 integer      programming     solving.       %Cardei      and     Du
300 \cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098} propose a method to efficiently
301 compute the maximum  number of disjoint set covers  such that each set
302 can  monitor all  targets. They  first  transform the  problem into  a
303 maximum  flow   problem  which  is  formulated  as   a  mixed  integer
304 programming (MIP). Then their heuristic  uses the output of the MIP to
305 compute  disjoint  set  covers.  Results  show  that  this  heuristic
306 provides  a   number  of  set  covers  slightly   larger  compared  to
307 \cite{Slijepcevic01powerefficient}  but with  a larger  execution time
308 due  to the complexity  of the  mixed integer  programming resolution.
309 Zorbas  et  al.  \cite{Zorbas2007}  present  B\{GOP\},  a  centralized
310 coverage   algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization
311 depending on their  coverage status and the notion  of critical target
312 to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of
313 sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
314 $n$ is the number of sensors,  and $m$ the number of targets. Compared
315 to    algorithm's    results     of    Slijepcevic    and    Potkonjak
316 \cite{Slijepcevic01powerefficient},  their   heuristic  produces  more
317 cover sets with a slight growth rate in execution time.
318 %More recently Manju and Pujari\cite{Manju2011}
319
320 In the  case of non-disjoint algorithms  \cite{Manju2011}, sensors may
321 participate  in more  than  one cover  set.   In some  cases this  may
322 prolong  the lifetime  of the  network in  comparison to  the disjoint
323 cover set algorithms, but  designing algorithms for non-disjoint cover
324 sets  generally induces a  higher order  of complexity.   Moreover, in
325 case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling policies are less
326 resilient and less  reliable because a sensor may  be involved in more
327 than one  cover sets.  For instance,  Cardei et al.~\cite{cardei05bis}
328 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
329 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
330 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
331 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
332 lifetime         increases        compared         with        related
333 work~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098}.   In~\cite{berman04}, the
334 authors  have formulated  the lifetime  problem and  suggested another
335 (LP)  technique to  solve this  problem. A  centralized  solution  based      on      the     Garg-K\"{o}nemann
336 algorithm~\cite{garg98}, probably near
337 the optimal solution,    is also proposed.
338
339 {\bf Our contribution}
340
341 There are  three main questions which  should be addressed  to build a
342 scheduling strategy. We  give a brief answer to  these three questions
343 to describe our  approach before going into details  in the subsequent
344 sections.
345 \begin{itemize}
346 \item {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
347   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
348   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
349   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
350
351 \item {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
352   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
353   interest  to avoid  turning on  too many sensors covering  the same
354   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
355   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
356   objectives.
357
358 \item {\bf  Which node  should make such a decision?}  As  mentioned in
359   \cite{pc10}, both centralized  and distributed algorithms have their
360   own  advantages and  disadvantages. Centralized  coverage algorithms
361   have the advantage  of requiring very low processing  power from the
362   sensor  nodes which  have usually  limited  processing capabilities.
363   Distributed  algorithms  are  very  adaptable  to  the  dynamic  and
364   scalable nature of sensors network.  Authors in \cite{pc10} conclude
365   that there is a threshold in  terms of network size to switch from a
366   localized  to  a  centralized  algorithm.  Indeed  the  exchange  of
367   messages  in large  networks may  consume a  considerable  amount of
368   energy in  a localized approach  compared to a centralized  one. Our
369   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
370   the  scheduling decision  to all  the sensors.  When the  network size
371   increases,  the  network  is  divided  into many  subregions  and  the
372   decision is made by a leader in each subregion.
373 \end{itemize}
374
375 \section{Activity scheduling}
376 \label{pd}
377
378 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
379 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
380 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
381 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
382 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
383 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
384 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
385 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
386 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
387 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
388 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
389 figure~\ref{fig1}.
390
391 %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. \\ 
392
393 \begin{figure}[ht!]
394 \centering
395 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
396 \caption{Multi-round coverage protocol}
397 \label{fig1}
398 \end{figure} 
399
400 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
401 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
402 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
403 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
404 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
405 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
406 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
407 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
408 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
409 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
410 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
411 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
412 information (including their residual energy) at the beginning of each
413 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
414 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
415 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
416 each phase in more details.
417
418 \subsection{Information exchange phase}
419
420 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
421 the number of local neighbors  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
422 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
423 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
424 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
425 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
426 active mode.
427
428 %\subsection{\textbf Working Phase:}
429
430 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
431
432 \subsection{Leader election phase}
433 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL)
434 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
435 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
436 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
437 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
438 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
439 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
440 number  of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of
441 equality, larger index.
442
443 \subsection{Decision phase}
444 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
445 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
446 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
447 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
448 %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.
449 %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. 
450
451 \subsection{Sensing phase}
452 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
453 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
454 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
455 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
456 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
457 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
458 starting a new round.
459
460 %\subsection{Sensing coverage model}
461 %\label{pd}
462
463 %\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.
464 %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 $R_s$.
465 \noindent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
466 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
467 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
468 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
469 covered by this sensor. We also assume that the communication range is
470 at   least  twice    the size of the   sensing  range.   In  fact,   Zhang  and
471 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the
472 previous  hypothesis, a  complete coverage  of a  convex  area implies
473 connectivity among the working nodes in the active mode.
474 %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}:
475
476 %\begin{figure}[h!]
477 %\centering
478 %\begin{tabular}{cc}
479 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
480 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
481 %\end{tabular}
482 %\caption{Unit Circle in radians. }
483 %\label{fig:cluster1}
484 %\end{figure}
485
486 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
487 %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.
488 % 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.
489
490 \noindent Instead of working with the coverage area, we consider for each
491 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
492 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all the primary points of
493 this sensor are covered.
494 %\begin{figure}[h!]
495 %\centering
496 %\begin{tabular}{cc}
497 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
498 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
499 %\end{tabular}
500 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
501 %\label{fig:cluster2}
502 %\end{figure}
503 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
504 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
505 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
506 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
507 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
508 sensors, instead of using all the points in the area.
509
510 \noindent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
511 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
512 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
513 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
514 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
515 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
516 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
517 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
518 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
519 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
520 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
521 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
522 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
523 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
524 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
525 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
526 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
527
528  \begin{figure}[h!]
529 %\centering
530 % \begin{multicols}{6}
531 \centering
532 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
533 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
534 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
535 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
536 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
537 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
538 %\end{multicols} 
539 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
540 \label{fig2}
541 \end{figure}
542
543 \section{Coverage problem formulation}
544 \label{cp}
545 %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}:\\
546
547
548 %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}:\\
549
550 \noindent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
551 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
552 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
553 integer program which forces undercoverage and overcoverage of targets
554 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
555 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
556 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$  which  determine  the
557 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
558 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
559 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
560
561 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
562 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
563 \begin{equation}
564 \alpha_{jp} = \left \{ 
565 \begin{array}{l l}
566   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
567  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
568   0 & \mbox{otherwise.}\\
569 \end{array} \right.
570 %\label{eq12} 
571 \end{equation}
572 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
573 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
574 \begin{equation}
575 X_{j} = \left \{ 
576 \begin{array}{l l}
577   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
578   0 &  \mbox{otherwise.}\\
579 \end{array} \right.
580 %\label{eq11} 
581 \end{equation}
582 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
583 \begin{equation}
584  \Theta_{p} = \left \{ 
585 \begin{array}{l l}
586   0 & \mbox{if the primary point}\\
587     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
588   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
589 \end{array} \right.
590 \label{eq13} 
591 \end{equation}
592 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
593 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
594 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
595 by:
596 \begin{equation}
597 U_{p} = \left \{ 
598 \begin{array}{l l}
599   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
600   0 & \mbox{otherwise.}\\
601 \end{array} \right.
602 \label{eq14} 
603 \end{equation}
604
605 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
606 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
607 \left \{
608 \begin{array}{ll}
609 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
610 \textrm{subject to :}&\\
611 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
612 %\label{c1} 
613 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
614 %\label{c2}
615 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
616 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
617 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
618 \end{array}
619 \right.
620 \end{equation}
621 \begin{itemize}
622 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
623   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
624 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
625   one that are covering the primary point $p$;
626 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the principal point
627   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
628 \end{itemize}
629
630 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
631 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
632 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
633 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
634 objectives.  First we limit the overcoverage of primary points in order to
635 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
636  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
637 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
638 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
639 round.
640  
641 %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
642 %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.
643 %\subsection{Notations and assumptions}
644
645 %\begin{itemize}
646 %\item $m$ : the number of targets
647 %\item $n$ : the number of sensors
648 %\item $K$ : maximal number of cover sets
649 %\item $i$ : index of target ($i=1..m$)
650 %\item $j$ : index of sensor ($j=1..n$)
651 %\item $k$ : index of cover set ($k=1..K$)
652 %\item $T_0$ : initial set of targets
653 %\item $S_0$ : initial set of sensors
654 %\item $T $ : set of targets which are not covered by at least one cover set
655 %\item $S$ : set of available sensors
656 %\item $S_0(i)$ : set of sensors which cover the target $i$
657 %\item $T_0(j)$ : set of targets covered by sensor $j$
658 %\item $C_k$ : cover set of index $k$
659 %\item $T(C_k)$ : set of targets covered by the cover set $k$
660 %\item $NS(i)$ : set of  available sensors which cover the target $i$
661 %\item $NC(i)$ : set of cover sets which do not cover the target $i$
662 %\item $|.|$ : cardinality of the set
663
664 %\end{itemize}
665
666 \section{Simulation results}
667 \label{exp}
668
669 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
670 efficiency  and the relevance of  our approach,  using the  discrete event
671 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
672 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
673 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
674 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
675 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
676   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
677   field with the given sensing range.
678 10~simulation  runs  are performed  with
679 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
680 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
681 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
682 disconnected (some nodes may not be  able to send, to a base station, an
683 event they sense).
684
685 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
686 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
687 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
688 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
689 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
690 the sensing period which will last 60 seconds. Thus, an
691 active  node will  consume  12~joules during the sensing  phase, while  a
692 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
693 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
694 joules.  In  all  experiments  the  parameters  are  set  as  follows:
695 $R_s=5m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
696
697 We  evaluate the  efficiency of  our approach by using  some performance
698 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
699 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
700 and number of stopped simulation runs.  Our approach called strategy~2
701 (with two leaders)  works with two subregions, each  one having a size
702 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
703 approaches. The first one,  called strategy~1 (with one leader), works
704 as strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
705 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
706 consists in uniformly dividing   the region into squares  of $(5 \times
707 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
708 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
709 phase.
710
711 \subsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
712
713 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
714 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
715 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
716 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
717 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
718 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
719 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
720 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
721 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
722 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
723 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
724 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
725 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
726 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~2 is
727 slightly more efficient than strategy 1, because strategy~2 subdivides
728 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
729 disconnected,  the coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
730 subregion.
731
732 \parskip 0pt 
733 \begin{figure}[h!]
734 \centering
735 \includegraphics[scale=0.55]{TheCoverageRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
736 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
737 \label{fig3}
738 \end{figure} 
739
740 \subsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
741
742 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
743 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
744 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
745 Ratio, which is defined as follows:
746 \begin{equation*}
747 \scriptsize
748 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
749 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
750 for the region}} \times 100.
751 \end{equation*}
752 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
753 for 150 deployed nodes.
754
755 \begin{figure}[h!]
756 \centering
757 \includegraphics[scale=0.55]{TheActiveSensorRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
758 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
759 \label{fig4}
760 \end{figure} 
761
762 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
763 both proposed  strategies, the strategy  with two leaders and  the one
764 with a  single leader,  in comparison with  the simple  heuristic. The
765 strategy with one leader uses less active nodes than the strategy with
766 two leaders until the last  rounds, because it uses central control on
767 the whole sensing field.  The  advantage of the strategy~2 approach is
768 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
769 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
770 lifetime of the network.
771
772 \subsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
773
774 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
775 This metric, called Energy Saving Ratio, is defined by:
776 \begin{equation*}
777 \scriptsize
778 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
779 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
780 \end{equation*}
781 The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are
782 switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
783 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
784 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
785
786 \begin{figure}[h!]
787 %\centering
788 % \begin{multicols}{6}
789 \centering
790 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergySavingRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
791 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
792 \label{fig5}
793 \end{figure} 
794
795 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
796 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
797 expected, the strategy with one leader is usually slightly better than
798 the second  strategy, because the  global optimization permits  to turn
799 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
800 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
801 number of  rounds increases  the two leaders'  strategy becomes  the most
802 performing one, since it takes longer  to have the two subregion networks
803 simultaneously disconnected.
804
805 \subsection{The number of stopped simulation runs}
806
807 We  will now  study  the number  of  simulations which  stopped due  to
808 network  disconnections per round  for each  of the  three approaches.
809 Figure~\ref{fig6} illustrates the average number of stopped simulation
810 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
811 simple heuristic is  the approach which  stops first because  the nodes
812 are   randomly chosen.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
813 centralized  one  first  exhibits  network  disconnections.   Thus,  as
814 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
815 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
816 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
817 optimization participates in extending the network lifetime.
818
819 \begin{figure}[h!]
820 \centering
821 \includegraphics[scale=0.55]{TheNumberofStoppedSimulationRuns150.eps} 
822 \caption{The number of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
823 \label{fig6}
824 \end{figure} 
825
826 \subsection{The energy consumption}
827
828 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
829 protocol  on the  performance of  the  strategy with  two leaders  and
830 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
831 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
832 by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
833 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
834 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
835 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
836 between networks having different densities.
837
838 Figure~\ref{fig7} illustrates the Energy Consumption for the different
839 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
840 strategy  with  two  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
841 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the strategy
842 with  one  leader, has  a  high energy  consumption  due  to  many
843 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
844 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
845 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
846 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
847 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
848 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
849 communications have a small impact on the network lifetime.
850
851 \begin{figure}[h!]
852 \centering
853 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergyConsumption.eps} 
854 \caption{The energy consumption}
855 \label{fig7}
856 \end{figure} 
857
858 \subsection{The impact of the number of sensors on execution time}
859
860 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
861 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
862 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
863 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
864 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
865 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
866 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
867 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
868 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the strategy
869 with  one  leader which  requires  to  solve  an optimization  problem
870 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
871 Moreover, increasing the network size by 50~nodes   multiplies the time
872 by  almost a  factor of  10. The  strategy with  two leaders  has more
873 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
874 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
875 nodes.   Overall,  to  be  able to  deal  with  very  large  networks,  a
876 distributed method is clearly required.
877
878 \begin{table}[ht]
879 \caption{The execution time(s) vs the number of sensors}
880 % title of Table
881 \centering
882
883 % used for centering table
884 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
885 % centered columns (4 columns)
886       \hline
887 %inserts double horizontal lines
888 Sensors number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple heuristic \\ [0.5ex]
889  & (with two leaders) & (with one leader) & \\ [0.5ex]
890 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
891 % inserts table
892 %heading
893 \hline
894 % inserts single horizontal line
895 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
896 % inserting body of the table
897 \hline
898 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
899 \hline
900 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
901 \hline
902 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
903 \hline
904 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
905 % [1ex] adds vertical space
906 \hline
907 %inserts single line
908 \end{tabular}
909 \label{table1}
910 % is used to refer this table in the text
911 \end{table}
912
913 \subsection{The network lifetime}
914
915 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
916 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
917 monitoring  an area has become  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
918 network  lifetime for different  network sizes  and for  both strategy
919 with two  leaders and the simple  heuristic is illustrated. 
920   We do  not consider  anymore the  centralized strategy  with one
921   leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
922   times that quickly become unsuitable for a sensor network.
923
924 \begin{figure}[h!]
925 %\centering
926 % \begin{multicols}{6}
927 \centering
928 \includegraphics[scale=0.5]{TheNetworkLifetime.eps} %\\~ ~ ~(a)
929 \caption{The network lifetime }
930 \label{fig8}
931 \end{figure} 
932
933 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
934 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach
935 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing the  best 
936 suited nodes, for each round,  to cover the  region of interest  and by
937 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
938 our strategy efficiently prolonges the network lifetime. Comparison shows that
939 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
940 the simple heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
941 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
942 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
943 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
944 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
945 the lifetime of a network.
946
947 \section{Conclusion and Future Works}
948 \label{sec:conclusion}
949
950 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
951 optimization  in wireless  sensor networks.   This is  a key  issue as
952 sensor nodes  have limited  resources in terms  of memory,  energy and
953 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
954 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
955 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
956 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
957 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
958 leader election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
959 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
960 the best  representative active nodes that will  optimize the network lifetime
961 while  taking   the  responsibility  of   covering  the  corresponding
962 subregion.   The network lifetime  in each  subregion is  divided into
963 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
964 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
965 select  the  nodes remaining  active  for  the  last phase,  and  (iv)
966 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed
967 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors ratio,
968 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
969 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
970 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
971 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
972 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
973 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
974
975 In  future work, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol which
976 computes  all  active  sensor  schedules  in  a  single  round,  using
977 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
978 algorithms.  This single  round  will still  consists  of 4  phases, but  the
979   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
980   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
981 The computation of all cover sets in one round is far more
982 difficult, but will reduce the communication overhead.
983
984 % use section* for acknowledgement
985 %\section*{Acknowledgment}
986
987 \bibliographystyle{IEEEtran}
988 \bibliography{bare_conf}
989
990 % that's all folks
991 \end{document}
992
993