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3 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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6 \ifCLASSINFOpdf
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8 \else
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10 \fi
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12 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
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43
44 \begin{document}
45 %
46 % paper title
47 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
48 \title{Coverage and Lifetime Optimization \\
49 in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
50
51 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, 
52 and Rapha\"el Couturier}
53 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS \\
54 University of Franche-Comt\'e  \\
55 Belfort, France\\
56 Email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, 
57 raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}}
58
59 \maketitle
60
61 \begin{abstract}
62 One of  the fundamental challenges in Wireless  Sensor Networks (WSNs)
63 is the coverage preservation and the extension of the network lifetime
64 continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
65 region) of  interest. In this paper, a  coverage optimization protocol
66 to  improve  the  lifetime  in heterogeneous  energy  wireless  sensor
67 networks  is proposed.   The area  of interest  is first  divided into
68 subregions using  a divide-and-conquer method and  then the scheduling
69 of sensor node  activity is planned for each  subregion.  The proposed
70 scheduling  considers rounds  during which  a small  number  of nodes,
71 remaining active  for sensing, is  selected to ensure  coverage.  Each
72 round consists  of four phases:  (i)~Information Exchange, (ii)~Leader
73 Election, (iii)~Decision,  and (iv)~Sensing.  The  decision process is
74 carried  out  by a  leader  node,  which  solves an  integer  program.
75 Simulation  results show that  the proposed  approach can  prolong the
76 network lifetime and improve the coverage performance.
77 \end{abstract}
78
79 \begin{IEEEkeywords}
80 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
81 Optimization, Scheduling.
82 \end{IEEEkeywords}
83 %\keywords{Area Coverage, Network lifetime, Optimization, Distributed Protocol}
84  
85 \IEEEpeerreviewmaketitle
86
87 \section{Introduction}
88
89 \noindent  The fast developments  in the  low-cost sensor  devices and
90 wireless  communications  have allowed  the  emergence  the WSNs.  WSN
91 includes  a large  number of  small ,  limited-power sensors  that can
92 sense, process and transmit data  over a wireless communication . They
93 communicate with each other by using multi-hop wireless communications
94 , cooperate together to monitor the area of interest, and the measured
95 data can be reported to a monitoring center called, sink, for analysis
96 it~\cite{Ammari01, Sudip03}.  There are several  applications used the
97 WSN  including health,  home,  environmental, military,and  industrial
98 applications~\cite{Akyildiz02}.   The coverage problem  is one  of the
99 fundamental  challenges   in  WSNs~\cite{Nayak04}  that   consists  in
100 monitoring  efficiently and  continuously  the area  of interest.  The
101 limited energy  of sensors represents  the main challenge in  the WSNs
102 design~\cite{Ammari01},  where  it  is  difficult  to  replace  and/or
103 recharge their batteries because the the area of interest nature (such
104 as hostile environments) and the cost.  So, it is necessary that a WSN
105 deployed  with high  density because  spatial redundancy  can  then be
106 exploited to increase  the lifetime of the network  . However, turn on
107 all the sensor  nodes, which monitor the same region  at the same time
108 leads to decrease the lifetime  of the network. To extend the lifetime
109 of the network, the main idea  is to take advantage of the overlapping
110 sensing regions  of some  sensor nodes to  save energy by  turning off
111 some  of them  during the  sensing phase~\cite{Misra05}.  WSNs require
112 energy-efficient  solutions to  improve the  network lifetime  that is
113 constrained   by    the   limited   power   of    each   sensor   node
114 ~\cite{Akyildiz02}.   In  this  paper,  we  concentrate  on  the  area
115 coverage  problem,  with  the  objective  of  maximizing  the  network
116 lifetime  by using  an adaptive  scheduling. The  area of  interest is
117 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
118 planned for each subregion.  In fact,  the nodes in a subregion can be
119 seen as  a cluster where each  node sends sensing data  to the cluster
120 head   or  the   sink  node.    Furthermore,  the   activities   in  a
121 subregion/cluster can  continue even if  another cluster stops  due to
122 too many node failures.  Our scheduling scheme considers rounds, where
123 a round starts with a  discovery phase to exchange information between
124 sensors of  the subregion, in order  to choose in a  suitable manner a
125 sensor node to  carry out a coverage strategy.  This coverage strategy
126 involves  the  solving  of  an  integer program,  which  provides  the
127 activation of the sensors for the sensing phase of the current round.
128
129 The remainder of the paper is organized as follows.  The next section
130 % Section~\ref{rw}
131 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
132 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
133 Section~\ref{cp} gives  the coverage model formulation,  which is used
134 to schedule  the activation  of sensors.  Section~\ref{exp}  shows the
135 simulation results obtained using the discrete event simulator OMNeT++
136 \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness of  the proposed
137 approach.  Finally,  we give  concluding remarks and  some suggestions
138 for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
139
140 \section{Related works}
141 \label{rw}
142 \indent In this section, we only review some recent works dealing with
143 the coverage lifetime maximization  problem, where the objective is to
144 optimally  schedule  sensors'  activities  in  order  to  extend  WSNs
145 lifetime.
146
147 In \cite{chin2007}  is proposed a novel  distributed heuristic, called
148 Distributed Energy-efficient  Scheduling for k-coverage  (DESK), which
149 ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and
150 the lifetime  maximized while the coverage  requirement is maintained.
151 This  heuristic   works  in  rounds,  requires   only  1-hop  neighbor
152 information,  and each  sensor decides  its status  (active  or sleep)
153 based    on    the    perimeter    coverage    model    proposed    in
154 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.    More    recently,   Shibo   et
155 al. \cite{Shibo}  expressed the coverage  problem as a  minimum weight
156 submodular  set cover  problem  and proposed  a Distributed  Truncated
157 Greedy Algorithm  (DTGA) to  solve it. They  take advantage  from both
158 temporal  and spatial  correlations between  data sensed  by different
159 sensors,  and   leverage  prediction,  to  improve   the  lifetime.  A
160 Coverage-Aware  Clustering Protocol (CACP),  which uses  a computation
161 method  to  find  the  cluster  size  minimizing  the  average  energy
162 consumption rate  per unit area, has  been proposed by Bang  et al. in
163 \cite{Bang}. Their protocol is based on a cost metric that selects the
164 redundant  sensors with higher  power as  best candidates  for cluster
165 heads and the active sensors that  cover the area of interest the more
166 efficiently.
167
168 % TO BE CONTINUED
169
170 Zhixin et  al. \cite{Zhixin}  propose a Distributed  Energy- Efficient
171 Clustering  with  Improved Coverage(DEECIC)  algorithm  which aims  at
172 clustering with the  least number of cluster heads  to cover the whole
173 network  and  assigning  a unique  ID  to  each  node based  on  local
174 information. In  addition, this protocol  periodically updates cluster
175 heads according to the joint  information of nodes $’ $residual energy
176 and  distribution.  Although DEECIC  does not  require knowledge  of a
177 node's  geographic  location,  it  guarantees  full  coverage  of  the
178 network. However,  the protocol does not make  any activity scheduling
179 to set redundant sensors in passive mode in order to conserve energy.
180
181 C.  Liu and  G. Cao  \cite{Changlei}  studied how  to schedule  sensor
182 active  time to  maximize their  coverage during  a  specified network
183 lifetime. Their objective is to maximize the spatial-temporal coverage
184 by  scheduling sensors activity  after they  have been  deployed. They
185 proposed both centralized  and distributed algorithms. The distributed
186 parallel optimization  protocol can ensure each sensor  to converge to
187 local optimality without conflict with each other.
188
189 S.  Misra  et al.  \cite{Misra}  proposed  a  localized algorithm  for
190 coverage in  sensor networks. The algorithm conserve  the energy while
191 ensuring  the network coverage  by activating  the subset  of sensors,
192 with  the  minimum  overlap  area.The proposed  method  preserves  the
193 network connectivity by formation of the network backbone.
194
195 L. Zhang et al.  \cite{Zhang} presented a novel distributed clustering
196 algorithm  called  Adaptive  Energy  Efficient  Clustering  (AEEC)  to
197 maximize  network lifetime.  In  this study,  they  are introduced  an
198 optimization,   which   includes   restricted  global   re-clustering,
199 intra-cluster node sleeping scheduling and adaptive transmission range
200 adjustment to conserve the  energy, while connectivity and coverage is
201 ensured.
202
203 J. A. Torkestani  \cite{Torkestani} proposed a learning automata-based
204 energy-efficient  coverage protocol  named as  LAEEC to  construct the
205 degree-constrained connected  dominating set (DCDS) in  WSNs. He shows
206 that the correct choice of  the degree-constraint of DCDS balances the
207 network load on the active nodes and leads to enhance the coverage and
208 network lifetime.
209  
210 The main  contribution of our approach addresses  three main questions
211 to build a scheduling strategy:
212 %\begin{itemize}
213 %\item 
214 {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
215   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
216   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
217   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
218
219 %\item 
220 {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
221   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
222   interest  to avoid  turning on  too many sensors covering  the same
223   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
224   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
225   objectives.
226
227 %\item 
228 {\bf Which  node should make such a  decision?}  As mentioned in
229   \cite{pc10}, both centralized  and distributed algorithms have their
230   own  advantages and  disadvantages. Centralized  coverage algorithms
231   have the advantage  of requiring very low processing  power from the
232   sensor  nodes, which  have usually  limited  processing capabilities.
233   Distributed  algorithms  are  very  adaptable  to  the  dynamic  and
234   scalable nature of sensors network.  Authors in \cite{pc10} conclude
235   that there is a threshold in  terms of network size to switch from a
236   localized  to  a  centralized  algorithm.  Indeed, the  exchange  of
237   messages  in large  networks may  consume a  considerable  amount of
238   energy in a centralized approach  compared to a distributed one. Our
239   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
240   the scheduling decision  to all the sensors.  When  the network size
241   increases,  the network  is  divided into  many  subregions and  the
242   decision is made by a leader in each subregion.
243 %\end{itemize}
244
245
246
247 \section{Activity scheduling}
248 \label{pd}
249
250 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
251 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
252 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
253 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
254 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
255 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
256 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
257 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
258 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
259 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
260 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
261 figure~\ref{fig1}.
262
263 %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. \\ 
264
265 \begin{figure}[ht!]
266 \centering
267 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
268 \caption{Multi-round coverage protocol}
269 \label{fig1}
270 \end{figure} 
271
272 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
273 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
274 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
275 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
276 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
277 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
278 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
279 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
280 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
281 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
282 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
283 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
284 information (including their residual energy) at the beginning of each
285 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
286 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
287 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
288 each phase in more details.
289
290 \subsection{Information exchange phase}
291
292 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
293 the number of local neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
294 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
295 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
296 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
297 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
298 active mode.
299
300 %\subsection{\textbf Working Phase:}
301
302 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
303
304 \subsection{Leader election phase}
305 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
306 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
307 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
308 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
309 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
310 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
311 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
312 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
313 equality, larger index.
314
315 \subsection{Decision phase}
316 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
317 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
318 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
319 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
320 %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.
321 %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. 
322
323 \subsection{Sensing phase}
324 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
325 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
326 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
327 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
328 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
329 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
330 starting a new round.
331
332 %\subsection{Sensing coverage model}
333 %\label{pd}
334
335 %\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.
336 %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 $R_s$.
337 \indent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
338 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
339 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
340 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
341 covered by this sensor. We also assume that the communication range is
342 at   least  twice    the size of the   sensing  range.   In  fact,   Zhang  and
343 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the
344 previous  hypothesis, a  complete coverage  of a  convex  area implies
345 connectivity among the working nodes in the active mode.
346 %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}:
347
348 %\begin{figure}[h!]
349 %\centering
350 %\begin{tabular}{cc}
351 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
352 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
353 %\end{tabular}
354 %\caption{Unit Circle in radians. }
355 %\label{fig:cluster1}
356 %\end{figure}
357
358 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
359 %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.
360 % 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.
361
362 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each
363 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
364 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all the primary points of
365 this sensor are covered.
366 %\begin{figure}[h!]
367 %\centering
368 %\begin{tabular}{cc}
369 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
370 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
371 %\end{tabular}
372 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
373 %\label{fig:cluster2}
374 %\end{figure}
375 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
376 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
377 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
378 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
379 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
380 sensors, instead of using all the points in the area.
381
382 \indent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
383 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
384 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
385 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
386 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
387 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
388 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
389 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
390 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
391 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
392 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
393 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
394 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
395 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
396 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
397 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
398 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
399
400  \begin{figure}[h!]
401 %\centering
402 % \begin{multicols}{6}
403 \centering
404 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
405 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
406 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
407 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
408 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
409 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
410 %\end{multicols} 
411 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
412 \label{fig2}
413 \end{figure}
414
415 \section{Coverage problem formulation}
416 \label{cp}
417 %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}:\\
418
419
420 %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}:\\
421
422 \indent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
423 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
424 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
425 integer program, which forces undercoverage and overcoverage of targets
426 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
427 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
428 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$,  which  determine  the
429 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
430 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
431 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
432
433 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
434 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
435 \begin{equation}
436 \alpha_{jp} = \left \{ 
437 \begin{array}{l l}
438   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
439  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
440   0 & \mbox{otherwise.}\\
441 \end{array} \right.
442 %\label{eq12} 
443 \end{equation}
444 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
445 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
446 \begin{equation}
447 X_{j} = \left \{ 
448 \begin{array}{l l}
449   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
450   0 &  \mbox{otherwise.}\\
451 \end{array} \right.
452 %\label{eq11} 
453 \end{equation}
454 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
455 \begin{equation}
456  \Theta_{p} = \left \{ 
457 \begin{array}{l l}
458   0 & \mbox{if the primary point}\\
459     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
460   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
461 \end{array} \right.
462 \label{eq13} 
463 \end{equation}
464 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
465 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
466 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
467 by:
468 \begin{equation}
469 U_{p} = \left \{ 
470 \begin{array}{l l}
471   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
472   0 & \mbox{otherwise.}\\
473 \end{array} \right.
474 \label{eq14} 
475 \end{equation}
476
477 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
478 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
479 \left \{
480 \begin{array}{ll}
481 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
482 \textrm{subject to :}&\\
483 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
484 %\label{c1} 
485 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
486 %\label{c2}
487 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
488 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
489 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
490 \end{array}
491 \right.
492 \end{equation}
493 \begin{itemize}
494 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
495   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
496 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
497   one that are covering the primary point $p$;
498 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
499   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
500 \end{itemize}
501
502 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
503 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
504 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
505 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
506 objectives.  First, we limit the overcoverage of primary points in order to
507 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
508  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
509 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
510 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
511 round.
512  
513 %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
514 %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.
515 %\subsection{Notations and assumptions}
516
517 %\begin{itemize}
518 %\item $m$ : the number of targets
519 %\item $n$ : the number of sensors
520 %\item $K$ : maximal number of cover sets
521 %\item $i$ : index of target ($i=1..m$)
522 %\item $j$ : index of sensor ($j=1..n$)
523 %\item $k$ : index of cover set ($k=1..K$)
524 %\item $T_0$ : initial set of targets
525 %\item $S_0$ : initial set of sensors
526 %\item $T $ : set of targets which are not covered by at least one cover set
527 %\item $S$ : set of available sensors
528 %\item $S_0(i)$ : set of sensors which cover the target $i$
529 %\item $T_0(j)$ : set of targets covered by sensor $j$
530 %\item $C_k$ : cover set of index $k$
531 %\item $T(C_k)$ : set of targets covered by the cover set $k$
532 %\item $NS(i)$ : set of  available sensors which cover the target $i$
533 %\item $NC(i)$ : set of cover sets which do not cover the target $i$
534 %\item $|.|$ : cardinality of the set
535
536 %\end{itemize}
537
538 \section{Simulation results}
539 \label{exp}
540
541 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
542 efficiency  and the relevance of  our approach,  using the  discrete event
543 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
544 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
545 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
546 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
547 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
548   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
549   field with the given sensing range.
550 10~simulation  runs  are performed  with
551 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
552 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
553 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
554 disconnected (some nodes may not be  able to send, to a base station, an
555 event they sense).
556
557 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
558 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
559 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
560 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
561 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
562 the sensing period, which will last 60 seconds. Thus, an
563 active  node will  consume  12~joules during the sensing  phase, while  a
564 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
565 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
566 joules.  In  all  experiments,  the  parameters  are  set  as  follows:
567 $R_s=5~m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
568
569 We  evaluate the  efficiency of  our approach by using  some performance
570 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
571 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
572 and number of stopped simulation runs.  Our approach called strategy~2
573 (with two leaders)  works with two subregions, each  one having a size
574 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
575 approaches. The first one,  called strategy~1 (with one leader), works
576 as strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
577 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
578 consists in uniformly dividing   the region into squares  of $(5 \times
579 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
580 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
581 phase.
582
583 \subsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
584
585 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
586 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
587 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
588 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
589 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
590 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
591 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
592 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
593 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
594 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
595 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
596 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
597 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
598 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~2 is
599 slightly more efficient than strategy 1, because strategy~2 subdivides
600 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
601 disconnected,  the coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
602 subregion.
603
604 \parskip 0pt 
605 \begin{figure}[h!]
606 \centering
607 \includegraphics[scale=0.5]{TheCoverageRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
608 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
609 \label{fig3}
610 \end{figure} 
611
612 \subsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
613
614 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
615 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
616 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
617 Ratio (ASR), which is defined as follows:
618 \begin{equation*}
619 \scriptsize
620 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
621 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
622 for the region}} \times 100.
623 \end{equation*}
624 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
625 for 150 deployed nodes.
626
627 \begin{figure}[h!]
628 \centering
629 \includegraphics[scale=0.5]{TheActiveSensorRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
630 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
631 \label{fig4}
632 \end{figure} 
633
634 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
635 both proposed  strategies, the strategy  with two leaders and  the one
636 with a  single leader,  in comparison with  the simple  heuristic. The
637 strategy with one leader uses less active nodes than the strategy with
638 two leaders until the last  rounds, because it uses central control on
639 the whole sensing field.  The  advantage of the strategy~2 approach is
640 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
641 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
642 lifetime of the network.
643
644 \subsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
645
646 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
647 This metric, called Energy Saving Ratio (ESR), is defined by:
648 \begin{equation*}
649 \scriptsize
650 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
651 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
652 \end{equation*}
653 The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are
654 switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
655 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
656 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
657
658 \begin{figure}[h!]
659 %\centering
660 % \begin{multicols}{6}
661 \centering
662 \includegraphics[scale=0.5]{TheEnergySavingRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
663 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
664 \label{fig5}
665 \end{figure} 
666
667 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
668 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
669 expected, the strategy with one leader is usually slightly better than
670 the second  strategy, because the  global optimization permits  to turn
671 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
672 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
673 number of  rounds increases  the two leaders'  strategy becomes  the most
674 performing one, since it takes longer  to have the two subregion networks
675 simultaneously disconnected.
676
677 \subsection{The percentage of stopped simulation runs}
678
679 We  will now  study  the percentage  of  simulations, which  stopped due  to
680 network  disconnections per round  for each  of the  three approaches.
681 Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
682 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
683 simple heuristic is  the approach, which  stops first because  the nodes
684 are   randomly chosen.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
685 centralized  one  first  exhibits  network  disconnections.   Thus,  as
686 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
687 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
688 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
689 optimization participates in extending the network lifetime.
690
691 \begin{figure}[h!]
692 \centering
693 \includegraphics[scale=0.5]{TheNumberofStoppedSimulationRuns150g.eps} 
694 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
695 \label{fig6}
696 \end{figure} 
697
698 \subsection{The energy consumption}
699
700 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
701 protocol  on the  performance of  the  strategy with  two leaders  and
702 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
703 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
704 by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
705 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
706 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
707 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
708 between networks having different densities.
709
710 Figure~\ref{fig7} illustrates the energy consumption for the different
711 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
712 strategy  with  two  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
713 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the strategy
714 with  one  leader, has  a  high energy  consumption  due  to  many
715 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
716 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
717 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
718 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
719 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
720 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
721 communications have a small impact on the network lifetime.
722
723 \begin{figure}[h!]
724 \centering
725 \includegraphics[scale=0.5]{TheEnergyConsumptiong.eps} 
726 \caption{The energy consumption}
727 \label{fig7}
728 \end{figure} 
729
730 \subsection{The impact of the number of sensors on execution time}
731
732 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
733 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
734 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
735 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
736 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
737 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
738 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
739 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
740 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the strategy
741 with  one  leader, which  requires  to  solve  an optimization  problem
742 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
743 Moreover, increasing the network size by 50~nodes   multiplies the time
744 by  almost a  factor of  10. The  strategy with  two leaders  has more
745 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
746 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
747 nodes.   Overall,  to  be  able to  deal  with  very  large  networks,  a
748 distributed method is clearly required.
749
750 \begin{table}[ht]
751 \caption{THE EXECUTION TIME(S) VS THE NUMBER OF SENSORS}
752 % title of Table
753 \centering
754
755 % used for centering table
756 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
757 % centered columns (4 columns)
758       \hline
759 %inserts double horizontal lines
760 Sensors number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple heuristic \\ [0.5ex]
761  & (with two leaders) & (with one leader) & \\ [0.5ex]
762 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
763 % inserts table
764 %heading
765 \hline
766 % inserts single horizontal line
767 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
768 % inserting body of the table
769 \hline
770 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
771 \hline
772 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
773 \hline
774 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
775 \hline
776 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
777 % [1ex] adds vertical space
778 \hline
779 %inserts single line
780 \end{tabular}
781 \label{table1}
782 % is used to refer this table in the text
783 \end{table}
784
785 \subsection{The network lifetime}
786
787 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
788 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
789 monitoring  an area has become  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
790 network  lifetime for different  network sizes  and for  both strategy
791 with two  leaders and the simple  heuristic is illustrated. 
792   We do  not consider  anymore the  centralized strategy  with one
793   leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
794   times that quickly become unsuitable for a sensor network.
795
796 \begin{figure}[h!]
797 %\centering
798 % \begin{multicols}{6}
799 \centering
800 \includegraphics[scale=0.5]{TheNetworkLifetimeg.eps} %\\~ ~ ~(a)
801 \caption{The network lifetime }
802 \label{fig8}
803 \end{figure} 
804
805 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
806 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach
807 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing the  best 
808 suited nodes, for each round,  to cover the  region of interest  and by
809 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
810 our strategy efficiently prolonges the network lifetime. Comparison shows that
811 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
812 the simple heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
813 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
814 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
815 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
816 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
817 the lifetime of a network.
818
819 \section{Conclusion and future works}
820 \label{sec:conclusion}
821
822 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
823 optimization  in wireless  sensor networks.   This is  a key  issue as
824 sensor nodes  have limited  resources in terms  of memory,  energy and
825 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
826 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
827 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
828 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
829 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
830 leader election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
831 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
832 the best  representative active nodes that will  optimize the network lifetime
833 while  taking   the  responsibility  of   covering  the  corresponding
834 subregion.   The network lifetime  in each  subregion is  divided into
835 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
836 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
837 select  the  nodes remaining  active  for  the  last phase,  and  (iv)
838 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed
839 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors ratio,
840 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
841 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
842 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
843 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
844 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
845 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
846
847 In  future work, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol, which
848 computes  all  active  sensor  schedules  in  one time,  using
849 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
850 algorithms.  The round  will still  consist of 4  phases, but  the
851   decision phase will compute the schedules for several sensing phases,
852   which aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
853 The computation of all cover sets in one time is far more
854 difficult, but will reduce the communication overhead.
855 % use section* for acknowledgement
856 %\section*{Acknowledgment}
857
858
859
860
861 \bibliographystyle{IEEEtran}
862 \bibliography{bare_conf}
863
864
865 \end{document}
866
867