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[UIC2013.git] / bare_conf.tex
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3 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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12 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
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41
42
43 \begin{document}
44 %
45 % paper title
46 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
47 \title{Coverage and Lifetime Optimization in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
48
49 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
50 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS \\
51 University of Franche-Comt\'e  \\
52 Belfort, France\\
53 Email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}}
54
55 \maketitle
56
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 \begin{IEEEkeywords}
77 Area Coverage, Network lifetime, Optimization, Scheduling, Distributed Protocol.
78 \end{IEEEkeywords}
79 %\keywords{Area Coverage, Network lifetime, Optimization, Distributed Protocol}
80  
81 \IEEEpeerreviewmaketitle
82
83
84  
85
86
87
88 \section{Introduction}
89
90 \noindent The fast developments in the low-cost sensor devices and wireless communications have allowed the emergence the WSNs. WSN includes a large number of small , limited-power sensors  that can sense, process and transmit
91  data over a wireless communication . They communicate with each other by using multi-hop wireless communications , cooperate together to monitor the area of interest, and the measured data can be reported
92  to a monitoring center
93 called, sink, for analysis it~\cite{Ammari01, Sudip03}. There are several applications used the WSN including health, home, environmental, military,and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
94 The coverage  problem is one of the fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and  continuously the area of interest. The limited energy of sensors represents the main challenge in the WSNs design~\cite{Ammari01}, where it is difficult to replace and/or
95  recharge their batteries because the the area of interest nature (such as hostile environments) and the cost. So, it is necessary that a WSN deployed with high density  because spatial redundancy can then be exploited to increase the lifetime of the network . However, turn on all the sensor nodes, which monitor the same region at the same time leads to decrease the lifetime of the network. To extend the lifetime of the network, the main idea is to take advantage of the overlapping sensing regions of some sensor nodes to save energy by turning off some of them during the sensing phase~\cite{Misra05}. WSNs require energy-efficient solutions to improve the network lifetime that is constrained by the limited power of each sensor node ~\cite{Akyildiz02}. 
96 In  this  paper,  we  concentrate on  the area
97 coverage  problem,  with  the  objective  of  maximizing  the  network
98 lifetime  by using  an adaptive  scheduling. The  area of  interest is
99 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
100 planned for  each subregion. 
101  In fact, the nodes in a  subregion can be seen as a cluster where
102   each node sends  sensing data to the cluster head  or the sink node.
103   Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even
104   if another cluster stops due to too many node failures.
105 Our scheduling  scheme considers rounds,  where a round starts  with a
106 discovery  phase  to  exchange  information  between  sensors  of  the
107 subregion,  in order to  choose in  a suitable manner  a sensor  node to
108 carry  out a coverage  strategy. This  coverage strategy  involves the
109 solving of  an integer  program, which provides  the activation  of the
110 sensors for the sensing phase of the current round.
111
112 The remainder of the paper is organized as follows.  The next section
113 % Section~\ref{rw}
114 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
115 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
116 Section~\ref{cp} gives the coverage model formulation, which is used to
117 schedule  the  activation  of  sensors.  Section~\ref{exp}  shows  the
118 simulation  results obtained  using  the discrete  event simulator OMNeT++  \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness  of the
119 proposed  approach.   Finally, we  give  concluding  remarks and  some
120 suggestions for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
121
122
123 \section{Related works}
124 \label{rw}
125
126 \noindent This section is dedicated to the various approaches proposed
127 in  the literature  for  the coverage  lifetime maximization  problem,
128 where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
129 order to  extend network lifetime  in a randomly deployed  network. As
130 this problem is subject to a wide range of interpretations, we have chosen
131 to recall the main definitions and assumptions related to our work.
132
133 %\begin{itemize}
134 %\item Area Coverage: The main objective is to cover an area. The area coverage requires
135 %that the sensing range of working Active nodes cover the whole targeting area, which means any
136 %point in target area can be covered~\cite{Mihaela02,Raymond03}.
137
138 %\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}. 
139
140 %\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}.
141 %\end{itemize}
142 \subsection{Coverage} 
143 %{\bf Coverage}
144
145 The most  discussed coverage problems in literature  can be classified
146 into two types \cite{ma10}: area coverage (also called full or blanket
147 coverage) and target coverage.  An  area coverage problem is to find a
148 minimum number of sensors to work, such that each physical point in the
149 area is within the sensing range  of at least one working sensor node.
150 Target coverage problem  is to cover only a  finite number of discrete
151 points  called targets.   This type  of coverage  has  mainly military
152 applications. Our work will concentrate on the area coverage by design
153 and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
154 nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
155 connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
156 sensor  network.   But,  requiring  that  all physical  points  of  the
157 considered region are covered may  be too strict, especially where the
158 sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
159 by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
160 number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
161 minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
162 simultaneously).
163
164 \subsection{Lifetime} 
165 %{\bf Lifetime}
166
167 Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
168 network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
169 related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
170 The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
171 of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
172 amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
173 area or targets of interest). In this work, we assume that the network
174 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
175 sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
176 during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
177 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
178 transmit information on an event in the area that it monitors.
179
180 \subsection{Activity scheduling} 
181 %{\bf Activity scheduling}
182
183 Activity scheduling is to  schedule the activation and deactivation of
184 sensor nodes.  The  basic objective is to decide  which sensors are in
185 what states (active or sleeping mode)  and for how long, so that the
186 application  coverage requirement  can be  guaranteed and  the network
187 lifetime can be  prolonged. Various approaches, including centralized,
188 distributed, and localized algorithms, have been proposed for activity
189 scheduling.  In  distributed algorithms, each node  in the network
190 autonomously makes decisions on whether  to turn on or turn off itself
191 only using  local neighbor information. In  centralized algorithms, a
192 central controller  (a node or  base station) informs every  sensors of
193 the time intervals to be activated.
194
195 \subsection{Distributed approaches}
196 %{\bf Distributed approaches}
197
198 Some      distributed     algorithms      have      been     developed
199 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}  to perform the
200 scheduling.   Distributed algorithms typically  operate in  rounds for
201 a predetermined  duration. At  the  beginning of  each  round, a  sensor
202 exchanges information with its neighbors and makes a decision to either
203 remain turned  on or to  go to sleep  for the round. This  decision is
204 basically made on simple greedy criteria like  the largest uncovered
205 area   \cite{Berman05efficientenergy},   maximum   uncovered   targets
206 \cite{1240799}.   In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme  is divided
207 into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by
208 a sensing phase.  Each sensor  broadcasts a message containing the node ID
209 and the node location  to its neighbors at the beginning  of each round. A
210 sensor determines  its status by  a rule named off-duty  eligible rule,
211 which tells  him to  turn off if  its sensing  area is covered  by its
212 neighbors. A  back-off scheme is  introduced to let each  sensor delay
213 the decision process  with a random period of time,  in order to avoid
214 simultaneous conflicting decisions between nodes and  lack of coverage on any area.
215 \cite{Prasad:2007:DAL:1782174.1782218}  defines a model  for capturing
216 the dependencies  between different cover sets  and proposes localized
217 heuristic  based on this  dependency.  The  algorithm consists  of two
218 phases, an initial  setup phase during which each  sensor computes and
219 prioritizes the  covers and  a sensing phase  during which  each sensor
220 first decides  its on/off status, and  then remains on or  off for the
221 rest  of the  duration.  Authors  in \cite{chin2007}  propose  a novel
222 distributed  heuristic named  Distributed  Energy-efficient Scheduling
223 for k-coverage  (DESK) so  that the energy  consumption among  all the
224 sensors  is balanced,  and  network lifetime  is  maximized while  the
225 coverage requirement  is being  maintained.  This algorithm  works in
226 round, requires only  1-sensing-hop-neighbor information, and a sensor
227 decides  its status  (active/sleep)  based on  its perimeter  coverage
228 computed  through the k-Non-Unit-disk  coverage algorithm  proposed in
229 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
230
231 Some other approaches do  not consider a synchronized and predetermined
232 period  of time  where the  sensors are  active or  not.  Indeed, each
233 sensor  maintains its  own timer  and its  wake-up time is randomized
234 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei05} over time.
235 %A ecrire \cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}p33
236
237 %The scheduling information is disseminated throughout the network and only sensors in the active state are responsible
238 %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
239 %period of time.
240
241  %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. 
242
243 %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. 
244
245 \subsection{Centralized approaches}
246 %{\bf Centralized approaches}
247
248 Power  efficient  centralized  schemes  differ  according  to  several
249 criteria \cite{Cardei:2006:ECP:1646656.1646898},  such as the coverage
250 objective  (target coverage  or  area coverage),  the node  deployment
251 method (random or deterministic) and the heterogeneity of sensor nodes
252 (common sensing range, common battery lifetime). The major approach is
253 to divide/organize  the sensors into  a suitable number of  set covers
254 where each  set completely covers  an interest region and  to activate
255 these set covers successively.
256
257 The first algorithms  proposed in the  literature consider that  the cover
258 sets  are  disjoint: a  sensor  node appears  in  exactly  one of  the
259 generated  cover  sets.    For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak
260 \cite{Slijepcevic01powerefficient}   propose    an   algorithm, which
261 allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area
262 divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by
263 including in  priority the sensor  nodes, which cover  critical fields,
264 that  is to  say fields  that are  covered by  the smallest  number of
265 sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$
266 is the number of  sensors. In~\cite{cardei02}, a graph coloring
267 technique is described to achieve energy  savings by  organizing the  sensor nodes
268 into a maximum number of  disjoint dominating sets, which are activated
269 successively. The dominating sets do not guarantee the coverage of the
270 whole        region        of        interest.        Abrams        et
271 al.~\cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}  design  three  approximation
272 algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the
273 objective is to partition the sensors into covers such that the number
274 of covers that  includes an area, summed over  all areas, is maximized.
275 Their        work        builds        upon       previous        work
276 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient} and the  generated cover sets do
277 not provide complete coverage of the monitoring zone.
278
279 %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.
280
281 In~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098},   the  authors   propose  a
282 heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to
283 compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a
284 maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer
285 programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they
286 design a heuristic to compute  the final number of covers. The results
287 show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of
288 produced  DSC in comparison  to~\cite{Slijepcevic01powerefficient}, but
289 it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed
290 integer      programming     solving.       %Cardei      and     Du
291 \cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098} propose a method to efficiently
292 compute the maximum  number of disjoint set covers  such that each set
293 can  monitor all  targets. They  first  transform the  problem into  a
294 maximum  flow   problem, which  is  formulated  as   a  mixed  integer
295 programming (MIP). Then their heuristic  uses the output of the MIP to
296 compute  disjoint  set  covers.  Results  show  that  this  heuristic
297 provides  a   number  of  set  covers  slightly   larger  compared  to
298 \cite{Slijepcevic01powerefficient}  but with  a larger  execution time
299 due  to the complexity  of the  mixed integer  programming resolution.
300 Zorbas  et  al.  \cite{Zorbas2007}  present  B\{GOP\},  a  centralized
301 coverage   algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization
302 depending on their  coverage status and the notion  of critical target
303 to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of
304 sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
305 $n$ is the number of sensors,  and $m$ the number of targets. Compared
306 to    algorithm's    results     of    Slijepcevic    and    Potkonjak
307 \cite{Slijepcevic01powerefficient},  their   heuristic  produces  more
308 cover sets with a slight growth rate in execution time.
309 %More recently Manju and Pujari\cite{Manju2011}
310
311 In the  case of non-disjoint algorithms  \cite{Manju2011}, sensors may
312 participate  in more  than  one cover  set.   In some  cases, this  may
313 prolong  the lifetime  of the  network in  comparison to  the disjoint
314 cover set algorithms, but  designing algorithms for non-disjoint cover
315 sets  generally induces a  higher order  of complexity.   Moreover, in
316 case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling policies are less
317 resilient and less  reliable because a sensor may  be involved in more
318 than one  cover sets.  For instance,  Cardei et al.~\cite{cardei05bis}
319 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
320 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
321 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
322 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
323 lifetime         increases        compared         with        related
324 work~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098}.   In~\cite{berman04}, the
325 authors  have formulated  the lifetime  problem and  suggested another
326 (LP)  technique to  solve this  problem. A  centralized  solution  based      on      the     Garg-K\"{o}nemann
327 algorithm~\cite{garg98}, provably near
328 the optimal solution,    is also proposed.
329
330 \subsection{Our contribution}
331 %{\bf Our contribution}
332
333 There are  three main questions, which should be addressed  to build a
334 scheduling strategy. We  give a brief answer to  these three questions
335 to describe our  approach before going into details  in the subsequent
336 sections.
337 \begin{itemize}
338 \item {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
339   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
340   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
341   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
342
343 \item {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
344   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
345   interest  to avoid  turning on  too many sensors covering  the same
346   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
347   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
348   objectives.
349
350 \item {\bf Which  node should make such a  decision?}  As mentioned in
351   \cite{pc10}, both centralized  and distributed algorithms have their
352   own  advantages and  disadvantages. Centralized  coverage algorithms
353   have the advantage  of requiring very low processing  power from the
354   sensor  nodes, which  have usually  limited  processing capabilities.
355   Distributed  algorithms  are  very  adaptable  to  the  dynamic  and
356   scalable nature of sensors network.  Authors in \cite{pc10} conclude
357   that there is a threshold in  terms of network size to switch from a
358   localized  to  a  centralized  algorithm.  Indeed, the  exchange  of
359   messages  in large  networks may  consume a  considerable  amount of
360   energy in a centralized approach  compared to a distributed one. Our
361   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
362   the scheduling decision  to all the sensors.  When  the network size
363   increases,  the network  is  divided into  many  subregions and  the
364   decision is made by a leader in each subregion.
365 \end{itemize}
366
367
368
369 \section{Activity scheduling}
370 \label{pd}
371
372 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
373 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
374 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
375 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
376 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
377 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
378 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
379 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
380 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
381 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
382 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
383 figure~\ref{fig1}.
384
385 %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. \\ 
386
387 \begin{figure}[ht!]
388 \centering
389 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
390 \caption{Multi-round coverage protocol}
391 \label{fig1}
392 \end{figure} 
393
394 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
395 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
396 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
397 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
398 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
399 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
400 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
401 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
402 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
403 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
404 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
405 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
406 information (including their residual energy) at the beginning of each
407 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
408 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
409 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
410 each phase in more details.
411
412 \subsection{Information exchange phase}
413
414 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
415 the number of local neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
416 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
417 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
418 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
419 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
420 active mode.
421
422 %\subsection{\textbf Working Phase:}
423
424 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
425
426 \subsection{Leader election phase}
427 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
428 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
429 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
430 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
431 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
432 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
433 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
434 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
435 equality, larger index.
436
437 \subsection{Decision phase}
438 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
439 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
440 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
441 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
442 %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.
443 %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. 
444
445 \subsection{Sensing phase}
446 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
447 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
448 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
449 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
450 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
451 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
452 starting a new round.
453
454 %\subsection{Sensing coverage model}
455 %\label{pd}
456
457 %\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.
458 %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 $R_s$.
459 \indent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
460 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
461 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
462 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
463 covered by this sensor. We also assume that the communication range is
464 at   least  twice    the size of the   sensing  range.   In  fact,   Zhang  and
465 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the
466 previous  hypothesis, a  complete coverage  of a  convex  area implies
467 connectivity among the working nodes in the active mode.
468 %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}:
469
470 %\begin{figure}[h!]
471 %\centering
472 %\begin{tabular}{cc}
473 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
474 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
475 %\end{tabular}
476 %\caption{Unit Circle in radians. }
477 %\label{fig:cluster1}
478 %\end{figure}
479
480 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
481 %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.
482 % 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.
483
484 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each
485 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
486 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all the primary points of
487 this sensor are covered.
488 %\begin{figure}[h!]
489 %\centering
490 %\begin{tabular}{cc}
491 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
492 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
493 %\end{tabular}
494 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
495 %\label{fig:cluster2}
496 %\end{figure}
497 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
498 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
499 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
500 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
501 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
502 sensors, instead of using all the points in the area.
503
504 \indent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
505 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
506 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
507 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
508 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
509 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
510 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
511 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
512 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
513 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
514 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
515 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
516 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
517 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
518 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
519 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
520 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
521
522  \begin{figure}[h!]
523 %\centering
524 % \begin{multicols}{6}
525 \centering
526 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
527 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
528 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
529 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
530 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
531 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
532 %\end{multicols} 
533 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
534 \label{fig2}
535 \end{figure}
536
537 \section{Coverage problem formulation}
538 \label{cp}
539 %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}:\\
540
541
542 %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}:\\
543
544 \indent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
545 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
546 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
547 integer program, which forces undercoverage and overcoverage of targets
548 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
549 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
550 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$,  which  determine  the
551 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
552 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
553 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
554
555 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
556 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
557 \begin{equation}
558 \alpha_{jp} = \left \{ 
559 \begin{array}{l l}
560   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
561  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
562   0 & \mbox{otherwise.}\\
563 \end{array} \right.
564 %\label{eq12} 
565 \end{equation}
566 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
567 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
568 \begin{equation}
569 X_{j} = \left \{ 
570 \begin{array}{l l}
571   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
572   0 &  \mbox{otherwise.}\\
573 \end{array} \right.
574 %\label{eq11} 
575 \end{equation}
576 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
577 \begin{equation}
578  \Theta_{p} = \left \{ 
579 \begin{array}{l l}
580   0 & \mbox{if the primary point}\\
581     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
582   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
583 \end{array} \right.
584 \label{eq13} 
585 \end{equation}
586 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
587 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
588 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
589 by:
590 \begin{equation}
591 U_{p} = \left \{ 
592 \begin{array}{l l}
593   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
594   0 & \mbox{otherwise.}\\
595 \end{array} \right.
596 \label{eq14} 
597 \end{equation}
598
599 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
600 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
601 \left \{
602 \begin{array}{ll}
603 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
604 \textrm{subject to :}&\\
605 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
606 %\label{c1} 
607 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
608 %\label{c2}
609 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
610 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
611 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
612 \end{array}
613 \right.
614 \end{equation}
615 \begin{itemize}
616 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
617   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
618 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
619   one that are covering the primary point $p$;
620 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
621   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
622 \end{itemize}
623
624 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
625 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
626 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
627 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
628 objectives.  First, we limit the overcoverage of primary points in order to
629 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
630  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
631 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
632 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
633 round.
634  
635 %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
636 %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.
637 %\subsection{Notations and assumptions}
638
639 %\begin{itemize}
640 %\item $m$ : the number of targets
641 %\item $n$ : the number of sensors
642 %\item $K$ : maximal number of cover sets
643 %\item $i$ : index of target ($i=1..m$)
644 %\item $j$ : index of sensor ($j=1..n$)
645 %\item $k$ : index of cover set ($k=1..K$)
646 %\item $T_0$ : initial set of targets
647 %\item $S_0$ : initial set of sensors
648 %\item $T $ : set of targets which are not covered by at least one cover set
649 %\item $S$ : set of available sensors
650 %\item $S_0(i)$ : set of sensors which cover the target $i$
651 %\item $T_0(j)$ : set of targets covered by sensor $j$
652 %\item $C_k$ : cover set of index $k$
653 %\item $T(C_k)$ : set of targets covered by the cover set $k$
654 %\item $NS(i)$ : set of  available sensors which cover the target $i$
655 %\item $NC(i)$ : set of cover sets which do not cover the target $i$
656 %\item $|.|$ : cardinality of the set
657
658 %\end{itemize}
659
660 \section{Simulation results}
661 \label{exp}
662
663 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
664 efficiency  and the relevance of  our approach,  using the  discrete event
665 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
666 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
667 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
668 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
669 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
670   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
671   field with the given sensing range.
672 10~simulation  runs  are performed  with
673 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
674 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
675 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
676 disconnected (some nodes may not be  able to send, to a base station, an
677 event they sense).
678
679 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
680 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
681 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
682 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
683 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
684 the sensing period, which will last 60 seconds. Thus, an
685 active  node will  consume  12~joules during the sensing  phase, while  a
686 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
687 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
688 joules.  In  all  experiments,  the  parameters  are  set  as  follows:
689 $R_s=5~m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
690
691 We  evaluate the  efficiency of  our approach by using  some performance
692 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
693 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
694 and number of stopped simulation runs.  Our approach called strategy~2
695 (with two leaders)  works with two subregions, each  one having a size
696 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
697 approaches. The first one,  called strategy~1 (with one leader), works
698 as strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
699 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
700 consists in uniformly dividing   the region into squares  of $(5 \times
701 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
702 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
703 phase.
704
705 \subsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
706
707 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
708 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
709 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
710 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
711 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
712 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
713 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
714 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
715 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
716 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
717 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
718 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
719 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
720 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~2 is
721 slightly more efficient than strategy 1, because strategy~2 subdivides
722 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
723 disconnected,  the coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
724 subregion.
725
726 \parskip 0pt 
727 \begin{figure}[h!]
728 \centering
729 \includegraphics[scale=0.5]{TheCoverageRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
730 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
731 \label{fig3}
732 \end{figure} 
733
734 \subsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
735
736 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
737 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
738 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
739 Ratio (ASR), which is defined as follows:
740 \begin{equation*}
741 \scriptsize
742 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
743 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
744 for the region}} \times 100.
745 \end{equation*}
746 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
747 for 150 deployed nodes.
748
749 \begin{figure}[h!]
750 \centering
751 \includegraphics[scale=0.5]{TheActiveSensorRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
752 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
753 \label{fig4}
754 \end{figure} 
755
756 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
757 both proposed  strategies, the strategy  with two leaders and  the one
758 with a  single leader,  in comparison with  the simple  heuristic. The
759 strategy with one leader uses less active nodes than the strategy with
760 two leaders until the last  rounds, because it uses central control on
761 the whole sensing field.  The  advantage of the strategy~2 approach is
762 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
763 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
764 lifetime of the network.
765
766 \subsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
767
768 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
769 This metric, called Energy Saving Ratio (ESR), is defined by:
770 \begin{equation*}
771 \scriptsize
772 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
773 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
774 \end{equation*}
775 The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are
776 switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
777 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
778 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
779
780 \begin{figure}[h!]
781 %\centering
782 % \begin{multicols}{6}
783 \centering
784 \includegraphics[scale=0.5]{TheEnergySavingRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
785 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
786 \label{fig5}
787 \end{figure} 
788
789 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
790 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
791 expected, the strategy with one leader is usually slightly better than
792 the second  strategy, because the  global optimization permits  to turn
793 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
794 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
795 number of  rounds increases  the two leaders'  strategy becomes  the most
796 performing one, since it takes longer  to have the two subregion networks
797 simultaneously disconnected.
798
799 \subsection{The percentage of stopped simulation runs}
800
801 We  will now  study  the percentage  of  simulations, which  stopped due  to
802 network  disconnections per round  for each  of the  three approaches.
803 Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
804 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
805 simple heuristic is  the approach, which  stops first because  the nodes
806 are   randomly chosen.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
807 centralized  one  first  exhibits  network  disconnections.   Thus,  as
808 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
809 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
810 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
811 optimization participates in extending the network lifetime.
812
813 \begin{figure}[h!]
814 \centering
815 \includegraphics[scale=0.5]{TheNumberofStoppedSimulationRuns150g.eps} 
816 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
817 \label{fig6}
818 \end{figure} 
819
820 \subsection{The energy consumption}
821
822 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
823 protocol  on the  performance of  the  strategy with  two leaders  and
824 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
825 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
826 by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
827 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
828 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
829 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
830 between networks having different densities.
831
832 Figure~\ref{fig7} illustrates the energy consumption for the different
833 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
834 strategy  with  two  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
835 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the strategy
836 with  one  leader, has  a  high energy  consumption  due  to  many
837 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
838 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
839 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
840 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
841 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
842 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
843 communications have a small impact on the network lifetime.
844
845 \begin{figure}[h!]
846 \centering
847 \includegraphics[scale=0.5]{TheEnergyConsumptiong.eps} 
848 \caption{The energy consumption}
849 \label{fig7}
850 \end{figure} 
851
852 \subsection{The impact of the number of sensors on execution time}
853
854 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
855 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
856 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
857 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
858 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
859 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
860 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
861 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
862 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the strategy
863 with  one  leader, which  requires  to  solve  an optimization  problem
864 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
865 Moreover, increasing the network size by 50~nodes   multiplies the time
866 by  almost a  factor of  10. The  strategy with  two leaders  has more
867 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
868 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
869 nodes.   Overall,  to  be  able to  deal  with  very  large  networks,  a
870 distributed method is clearly required.
871
872 \begin{table}[ht]
873 \caption{THE EXECUTION TIME(S) VS THE NUMBER OF SENSORS}
874 % title of Table
875 \centering
876
877 % used for centering table
878 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
879 % centered columns (4 columns)
880       \hline
881 %inserts double horizontal lines
882 Sensors number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple heuristic \\ [0.5ex]
883  & (with two leaders) & (with one leader) & \\ [0.5ex]
884 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
885 % inserts table
886 %heading
887 \hline
888 % inserts single horizontal line
889 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
890 % inserting body of the table
891 \hline
892 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
893 \hline
894 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
895 \hline
896 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
897 \hline
898 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
899 % [1ex] adds vertical space
900 \hline
901 %inserts single line
902 \end{tabular}
903 \label{table1}
904 % is used to refer this table in the text
905 \end{table}
906
907 \subsection{The network lifetime}
908
909 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
910 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
911 monitoring  an area has become  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
912 network  lifetime for different  network sizes  and for  both strategy
913 with two  leaders and the simple  heuristic is illustrated. 
914   We do  not consider  anymore the  centralized strategy  with one
915   leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
916   times that quickly become unsuitable for a sensor network.
917
918 \begin{figure}[h!]
919 %\centering
920 % \begin{multicols}{6}
921 \centering
922 \includegraphics[scale=0.5]{TheNetworkLifetimeg.eps} %\\~ ~ ~(a)
923 \caption{The network lifetime }
924 \label{fig8}
925 \end{figure} 
926
927 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
928 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach
929 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing the  best 
930 suited nodes, for each round,  to cover the  region of interest  and by
931 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
932 our strategy efficiently prolonges the network lifetime. Comparison shows that
933 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
934 the simple heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
935 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
936 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
937 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
938 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
939 the lifetime of a network.
940
941 \section{Conclusion and future works}
942 \label{sec:conclusion}
943
944 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
945 optimization  in wireless  sensor networks.   This is  a key  issue as
946 sensor nodes  have limited  resources in terms  of memory,  energy and
947 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
948 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
949 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
950 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
951 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
952 leader election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
953 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
954 the best  representative active nodes that will  optimize the network lifetime
955 while  taking   the  responsibility  of   covering  the  corresponding
956 subregion.   The network lifetime  in each  subregion is  divided into
957 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
958 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
959 select  the  nodes remaining  active  for  the  last phase,  and  (iv)
960 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed
961 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors ratio,
962 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
963 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
964 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
965 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
966 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
967 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
968
969 In  future work, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol, which
970 computes  all  active  sensor  schedules  in  one time,  using
971 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
972 algorithms.  The round  will still  consist of 4  phases, but  the
973   decision phase will compute the schedules for several sensing phases,
974   which aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
975 The computation of all cover sets in one time is far more
976 difficult, but will reduce the communication overhead.
977 % use section* for acknowledgement
978 %\section*{Acknowledgment}
979
980
981
982
983 \bibliographystyle{IEEEtran}
984 \bibliography{bare_conf}
985
986
987 \end{document}
988
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