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1  
2 \documentclass[conference]{IEEEtran}
3
4 \ifCLASSINFOpdf
5   
6 \else
7   
8 \fi
9
10 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
11
12 \usepackage{float}
13 \usepackage{epsfig}
14 \usepackage{calc}
15  \usepackage{times,amssymb,amsmath,latexsym}
16 \usepackage{graphics}
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31 \usepackage{caption}
32 \usepackage{multicol}
33
34
35 \begin{document}
36
37 \title{Energy-Efficient Activity Scheduling in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
38
39 % author names and affiliations
40 % use a multiple column layout for up to three different
41 % affiliations
42 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier }
43 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France \\
44 Email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
45 %\email{\{ali.idness, karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier\}@univ-fcomte.fr}
46 %\and
47 %\IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
48 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
49 %\and
50 %\IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
51 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
52 }
53
54 \maketitle
55
56 \begin{abstract}
57 One of  the fundamental challenges in Wireless  Sensor Networks (WSNs)
58 is  coverage  preservation  and  extension  of  the  network  lifetime
59 continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
60 region) of interest. In this paper a coverage optimization protocol to
61 improve the lifetime in  heterogeneous energy wireless sensor networks
62 is proposed.   The area of  interest is first divided  into subregions
63 using a  divide-and-conquer method and then scheduling  of sensor node
64 activity  is  planned for  each  subregion.   The proposed  scheduling
65 considers  rounds during  which  a small  number  of nodes,  remaining
66 active  for  sensing, is  selected  to  ensure  coverage.  Each  round
67 consists  of   four  phases:  (i)~Information   Exchange,  (ii)~Leader
68 Election, (iii)~Decision,  and (iv)~Sensing.  The  decision process is
69 carried  out  by  a  leader  node which  solves  an  integer  program.
70 Simulation  results show that  the proposed  approach can  prolong the
71 network lifetime and improve the coverage performance.
72 \end{abstract}
73
74 %\keywords{Area Coverage, Wireless Sensor Networks, lifetime Optimization, Distributed Protocol.}
75  
76 \IEEEpeerreviewmaketitle
77
78 \section{Introduction}
79
80 \noindent Recent years have witnessed significant advances in wireless
81 communications and embedded micro-sensing MEMS technologies which have
82 made  emerge wireless  sensor networks  as one  of the  most promising
83 technologies~\cite{asc02}.   In fact, they  present huge  potential in
84 several  domains ranging  from  health care  applications to  military
85 applications.  A sensor network is  composed of a large number of tiny
86 sensing  devices deployed  in a  region of  interest. Each  device has
87 processing  and wireless communication  capabilities, which  enable to
88 sense its environment, to compute, to store information and to deliver
89 report messages to a base station.
90 %These sensor nodes run on batteries with limited capacities. To achieve a long life of the network, it is important to conserve battery power. Therefore, lifetime optimisation is one of the most critical issues in wireless sensor networks.
91 One of the main design issues in Wireless Sensor Networks (WSNs) is to
92 prolong the  network lifetime,  while achieving acceptable  quality of
93 service for applications.  Indeed, sensor nodes have limited resources
94 in terms of memory, energy and computational power.
95
96 Since sensor nodes have limited battery life and without being able to
97 replace batteries,  especially in remote and  hostile environments, it
98 is desirable that  a WSN should be deployed  with high density because
99 spatial redundancy can  then be exploited to increase  the lifetime of
100 the network. In such a high  density network, if all sensor nodes were
101 to be  activated at the same  time, the lifetime would  be reduced. To
102 extend the lifetime  of the network, the main idea  is to take benefit
103 from  the overlapping  sensing regions  of some  sensor nodes  to save
104 energy  by  turning  off  some  of  them  during  the  sensing  phase.
105 Obviously, the deactivation of nodes  is only relevant if the coverage
106 of the monitored area  is not affected.  Consequently, future software
107 may  need to  adapt  appropriately to  achieve  acceptable quality  of
108 service  for  applications.  In  this  paper  we  concentrate on  area
109 coverage  problem,  with  the  objective  of  maximizing  the  network
110 lifetime  by using  an adaptive  scheduling. The  area of  interest is
111 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
112 planned for  each subregion. 
113 % DEBUT AJOUT
114 {\bf In fact, the nodes in a  subregion can be seen as a cluster where
115   each node sends  sensing data to the cluster head  or the sink node.
116   Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even
117   if another cluster stops due to too much node failures.}
118 % FIN AJOUT
119 Our scheduling  scheme considers rounds,  where a round starts  with a
120 discovery  phase  to  exchange  information  between  sensors  of  the
121 subregion,  in order to  choose in  suitable manner  a sensor  node to
122 carry  out a coverage  strategy. This  coverage strategy  involves the
123 solving of  an integer  program which provides  the activation  of the
124 sensors for the sensing phase of the current round.
125
126 The remainder of the paper is organized as follows.  The next section
127 % Section~\ref{rw}
128 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
129 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
130 Section~\ref{cp} gives the coverage model formulation which is used to
131 schedule  the  activation  of  sensors.  Section~\ref{exp}  shows  the
132 simulation  results obtained  using  the discrete  event simulator  on
133 OMNET++  \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness  of the
134 proposed  approach.   Finally, we  give  concluding  remarks and  some
135 suggestions for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
136
137 \section{Related Works}
138 \label{rw}
139
140 \noindent This section is dedicated to the various approaches proposed
141 in  the literature  for  the coverage  lifetime maximization  problem,
142 where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
143 order to  extend network lifetime  in a randomly deployed  network. As
144 this problem is subject to a wide range of interpretations, we suggest
145 to recall main definitions and assumptions related to our work.
146
147 %\begin{itemize}
148 %\item Area Coverage: The main objective is to cover an area. The area coverage requires
149 %that the sensing range of working Active nodes cover the whole targeting area, which means any
150 %point in target area can be covered~\cite{Mihaela02,Raymond03}.
151
152 %\item Target Coverage: The objective is to cover a set of targets. Target coverage means that the discrete target points can be covered in any time. The sensing range of working Active nodes only monitors a finite number of discrete points in targeting area~\cite{Mihaela02,Raymond03}. 
153
154 %\item Barrier Coverage An objective to determine the maximal support/breach paths that traverse a sensor field. Barrier coverage is expressed as finding one or more routes with starting position and ending position when the targets pass through the area deployed with sensor nodes~\cite{Santosh04,Ai05}.
155 %\end{itemize}
156 {\bf Coverage}
157
158 The most  discussed coverage problems in literature  can be classified
159 into two types \cite{ma10}: area coverage (also called full or blanket
160 coverage) and target coverage.  An  area coverage problem is to find a
161 minimum number of sensors to work such that each physical point in the
162 area is within the sensing range  of at least one working sensor node.
163 Target coverage problem  is to cover only a  finite number of discrete
164 points  called targets.   This type  of coverage  has  mainly military
165 applications. Our work will concentrate on the area coverage by design
166 and implementation of a  strategy which efficiently selects the active
167 nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
168 connectivity and in the same time improve the lifetime of the wireless
169 sensor  network.   But  requiring  that  all physical  points  of  the
170 considered region are covered may  be too strict, especially where the
171 sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
172 by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
173 number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
174 minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
175 simultaneously).
176
177 {\bf Lifetime}
178
179 Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
180 network~\cite{die09}.  Main definitions proposed in the literature are
181 related to the  remaining energy of the nodes or  to the percentage of
182 coverage. The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
183 of  time that  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
184 amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
185 area or targets of interest). In this work, we assume that the network
186 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
187 sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
188 during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
189 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
190 transmit information on an event in the area that it monitors.
191
192 {\bf Activity scheduling}
193
194 Activity scheduling is to  schedule the activation and deactivation of
195 sensor nodes.  The  basic objective is to decide  which sensors are in
196 what states (active or sleeping mode)  and for how long, such that the
197 application  coverage requirement  can be  guaranteed and  the network
198 lifetime can be  prolonged. Various approaches, including centralized,
199 distributed, and localized algorithms, have been proposed for activity
200 scheduling.  In  the distributed algorithms, each node  in the network
201 autonomously makes decisions on whether  to turn on or turn off itself
202 only using  local neighbor information. In  centralized algorithms, a
203 central controller  (a node or  base station) informs every  sensors of
204 the time intervals to be activated.
205
206 {\bf Distributed approaches}
207
208 Some      distributed     algorithms      have      been     developed
209 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}  to perform the
210 scheduling.   Distributed algorithms typically  operate in  rounds for
211 predetermined  duration. At  the  beginning of  each  round, a  sensor
212 exchange information with its neighbors and makes a decision to either
213 remain turned  on or to  go to sleep  for the round. This  decision is
214 basically based  on simple greedy criteria like  the largest uncovered
215 area   \cite{Berman05efficientenergy},   maximum   uncovered   targets
216 \cite{1240799}.   In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme  is divided
217 into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by
218 a sensing phase.  Each sensor  broadcasts a message containing node ID
219 and node location  to its neighbors at the beginning  of each round. A
220 sensor determines  its status by  a rule named off-duty  eligible rule
221 which tells  him to  turn off if  its sensing  area is covered  by its
222 neighbors. A  back-off scheme is  introduced to let each  sensor delay
223 the decision process  with a random period of time,  in order to avoid
224 that nodes  make conflicting decisions simultaneously and  that a part
225 of       the       area        is       no       longer       covered.
226 \cite{Prasad:2007:DAL:1782174.1782218}  defines a model  for capturing
227 the dependencies  between different cover sets  and proposes localized
228 heuristic  based on this  dependency.  The  algorithm consists  of two
229 phases, an initial  setup phase during which each  sensor computes and
230 prioritize the  covers and  a sensing phase  during which  each sensor
231 first decides  its on/off status, and  then remains on or  off for the
232 rest  of the  duration.  Authors  in \cite{chin2007}  propose  a novel
233 distributed  heuristic named  Distributed  Energy-efficient Scheduling
234 for k-coverage  (DESK) so  that the energy  consumption among  all the
235 sensors  is balanced,  and  network lifetime  is  maximized while  the
236 coverage requirements  is being  maintained.  This algorithm  works in
237 round, requires only  1-sensing-hop-neighbor information, and a sensor
238 decides  its status  (active/sleep)  based on  its perimeter  coverage
239 computed  through the k-Non-Unit-disk  coverage algorithm  proposed in
240 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
241
242 Some others approaches do  not consider synchronized and predetermined
243 period  of time  where the  sensors are  active or  not.  Indeed, each
244 sensor  maintains its  own timer  and its  time wake-up  is randomized
245 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei05} over time.
246 %A ecrire \cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}p33
247
248 %The scheduling information is disseminated throughout the network and only sensors in the active state are responsible
249 %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
250 %period of time.
251
252  %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. 
253
254 %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. 
255
256 {\bf Centralized approaches}
257
258 Power  efficient  centralized  schemes  differ  according  to  several
259 criteria \cite{Cardei:2006:ECP:1646656.1646898},  such as the coverage
260 objective  (target coverage  or  area coverage),  the node  deployment
261 method (random or deterministic) and the heterogeneity of sensor nodes
262 (common sensing range, common battery lifetime). The major approach is
263 to divide/organize  the sensors into  a suitable number of  set covers
264 where each  set completely covers  an interest region and  to activate
265 these set covers successively.
266
267 First algorithms  proposed in the  literature consider that  the cover
268 sets  are  disjoint: a  sensor  node appears  in  exactly  one of  the
269 generated  cover  sets.    For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak
270 \cite{Slijepcevic01powerefficient}   propose    an   algorithm   which
271 allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area
272 divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by
273 including in  priority the sensor  nodes which cover  critical fields,
274 that  is to  say fields  that are  covered by  the smallest  number of
275 sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$
276 is the number of  sensors.  \cite{cardei02}~describes a graph coloring
277 technique  to achieve energy  savings by  organizing the  sensor nodes
278 into a maximum number of  disjoint dominating sets which are activated
279 successively. The dominating sets do not guarantee the coverage of the
280 whole        region        of        interest.        Abrams        et
281 al.~\cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}  design  three  approximation
282 algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the
283 objective is to partition the sensors into covers such that the number
284 of covers that  include an area, summed over  all areas, is maximized.
285 Their        work        builds        upon       previous        work
286 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient} and the  generated cover sets do
287 not provide complete coverage of the monitoring zone.
288
289 %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.
290
291 In~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098},   the  authors   propose  a
292 heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to
293 compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a
294 maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer
295 programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they
296 design a heuristic to compute  the final number of covers. The results
297 show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of
298 produced  DSC in comparison  to~\cite{Slijepcevic01powerefficient}, but
299 it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed
300 integer      programming     solving.       %Cardei      and     Du
301 \cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098} propose a method to efficiently
302 compute the maximum  number of disjoint set covers  such that each set
303 can  monitor all  targets. They  first  transform the  problem into  a
304 maximum  flow   problem  which  is  formulated  as   a  mixed  integer
305 programming (MIP). Then their heuristic  uses the output of the MIP to
306 compute  disjoint  set  covers.  Results  show  that  these  heuristic
307 provides  a   number  of  set  covers  slightly   larger  compared  to
308 \cite{Slijepcevic01powerefficient}  but with  a larger  execution time
309 due  to the complexity  of the  mixed integer  programming resolution.
310 Zorbas  et  al.  \cite{Zorbas2007}  present  B\{GOP\},  a  centralized
311 coverage   algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization
312 depending on their  coverage status and the notion  of critical target
313 to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of
314 sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
315 $n$ is the number of sensors,  and $m$ the number of targets. Compared
316 to    algorithm's    results     of    Slijepcevic    and    Potkonjak
317 \cite{Slijepcevic01powerefficient},  their   heuristic  produces  more
318 cover sets with a slight growth rate in execution time.
319 %More recently Manju and Pujari\cite{Manju2011}
320
321 In the  case of non-disjoint algorithms  \cite{Manju2011}, sensors may
322 participate  in more  than  one cover  set.   In some  cases this  may
323 prolong  the lifetime  of the  network in  comparison to  the disjoint
324 cover set algorithms, but  designing algorithms for non-disjoint cover
325 sets  generally induces a  higher order  of complexity.   Moreover, in
326 case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling policies are less
327 resilient and less  reliable because a sensor may  be involved in more
328 than one  cover sets.  For instance,  Cardei et al.~\cite{cardei05bis}
329 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
330 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
331 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
332 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
333 lifetime         increases        compared         with        related
334 work~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098}.   In~\cite{berman04}, the
335 authors  have formulated  the lifetime  problem and  suggested another
336 (LP)  technique to  solve this  problem. A  centralized  provably near
337 optimal      solution     based      on      the     Garg-K\"{o}nemann
338 algorithm~\cite{garg98} is also proposed.
339
340 {\bf Our contribution}
341
342 There are  three main questions which  should be addressed  to build a
343 scheduling strategy. We  give a brief answer to  these three questions
344 to describe our  approach before going into details  in the subsequent
345 sections.
346 \begin{itemize}
347 \item {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
348   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
349   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
350   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
351
352 \item {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
353   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
354   interest  to avoid  turning on  too much  sensors covering  the same
355   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
356   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
357   objectives.
358
359 \item {\bf  Which node  should make such  decision?}  As  mentioned in
360   \cite{pc10}, both centralized  and distributed algorithms have their
361   own  advantages and  disadvantages. Centralized  coverage algorithms
362   have the advantage  of requiring very low processing  power from the
363   sensor  nodes which  have usually  limited  processing capabilities.
364   Distributed  algorithms  are  very  adaptable  to  the  dynamic  and
365   scalable nature of sensors network.  Authors in \cite{pc10} conclude
366   that there is a threshold in  terms of network size to switch from a
367   localized  to  a  centralized  algorithm.  Indeed  the  exchange  of
368   messages  in large  networks may  consume a  considerable  amount of
369   energy in  a localized approach  compared to a centralized  one. Our
370   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
371   the  schedule decision  to all  the sensors.  When the  network size
372   increases,  the  network  is  divided  in many  subregions  and  the
373   decision is made by a leader in each subregion.
374 \end{itemize}
375
376 \section{Activity Scheduling}
377 \label{pd}
378
379 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
380 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
381 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
382 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
383 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
384 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
385 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
386 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
387 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
388 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
389 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
390 figure~\ref{fig1}.
391
392 %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. \\ 
393
394 \begin{figure}[ht!]
395 \centering
396 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
397 \caption{Multi-round coverage protocol}
398 \label{fig1}
399 \end{figure} 
400
401 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
402 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
403 exactly one set cover responsible  for sensing task.  This protocol is
404 more reliable  against the unexpectedly node failure  because it works
405 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
406 taking the decision, the node will not participate to this phase, and,
407 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
408 sensing task of the network  will be affected temporarily: only during
409 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
410 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
411 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
412 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
413 information (including their residual energy) at the beginning of each
414 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
415 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
416 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
417 each phase in more detail.
418
419 \subsection{INFOrmation Exchange Phase}
420
421 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
422 the number of local neighbors  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
423 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
424 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
425 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
426 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
427 active mode.
428
429 %\subsection{\textbf Working Phase:}
430
431 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
432
433 \subsection{Leader Election Phase}
434 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL)
435 which  will  be  responsible  of executing  coverage  algorithm.  Each
436 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
437 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
438 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
439 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
440 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
441 number  of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of
442 equality, larger index.
443
444 \subsection{Decision Phase}
445 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
446 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
447 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
448 sensor in the subregion based on algorithm's results.
449 %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.
450 %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. 
451
452 \subsection{Sensing Phase}
453 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
454 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
455 that the cost  of keeping a node awake (or sleep)  for sensing task is
456 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
457 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
458 awake or  go sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
459 starting a new round.
460
461 %\subsection{Sensing coverage model}
462 %\label{pd}
463
464 %\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.
465 %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 $R_s$.
466 \noindent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
467 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
468 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
469 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
470 covered by this sensor. We also assume that the communication range is
471 at   least  twice   of  the   sensing  range.   In  fact,   Zhang  and
472 Zhou~\cite{Zhang05} prove that if  the transmission range fulfills the
473 previous  hypothesis, a  complete coverage  of a  convex  area implies
474 connectivity among the working nodes in the active mode.
475 %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}:
476
477 %\begin{figure}[h!]
478 %\centering
479 %\begin{tabular}{cc}
480 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
481 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
482 %\end{tabular}
483 %\caption{Unit Circle in radians. }
484 %\label{fig:cluster1}
485 %\end{figure}
486
487 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
488 %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.
489 % 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.
490
491 \noindent Instead of working with  area coverage, we consider for each
492 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
493 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all primary points of
494 this sensor are covered.
495 %\begin{figure}[h!]
496 %\centering
497 %\begin{tabular}{cc}
498 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
499 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
500 %\end{tabular}
501 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
502 %\label{fig:cluster2}
503 %\end{figure}
504 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
505 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
506 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
507 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
508 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
509 sensors, instead of using all points in the area.
510
511 \noindent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
512 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
513 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
514 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
515 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
516 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
517 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
518 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
519 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
520 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
521 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
522 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
523 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
524 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
525 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
526 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
527 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
528
529  \begin{figure}[h!]
530 %\centering
531 % \begin{multicols}{6}
532 \centering
533 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
534 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
535 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
536 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
537 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
538 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
539 %\end{multicols} 
540 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
541 \label{fig2}
542 \end{figure}
543
544 \section{Coverage Problem Formulation}
545 \label{cp}
546 %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}:\\
547
548
549 %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}:\\
550
551 \noindent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
552 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
553 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  propose an
554 integer program which forces undercoverage and overcoverage of targets
555 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
556 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
557 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$  which  determine  the
558 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
559 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
560 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
561
562 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
563 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
564 \begin{equation}
565 \alpha_{jp} = \left \{ 
566 \begin{array}{l l}
567   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
568  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
569   0 & \mbox{otherwise.}\\
570 \end{array} \right.
571 %\label{eq12} 
572 \end{equation}
573 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
574 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
575 \begin{equation}
576 X_{j} = \left \{ 
577 \begin{array}{l l}
578   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
579   0 &  \mbox{otherwise.}\\
580 \end{array} \right.
581 %\label{eq11} 
582 \end{equation}
583 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
584 \begin{equation}
585  \Theta_{p} = \left \{ 
586 \begin{array}{l l}
587   0 & \mbox{if point $p$ is not covered,}\\
588   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
589 \end{array} \right.
590 \label{eq13} 
591 \end{equation}
592 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
593 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
594 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
595 by:
596 \begin{equation}
597 U_{p} = \left \{ 
598 \begin{array}{l l}
599   1 &\mbox{if point $p$ is not covered,} \\
600   0 & \mbox{otherwise.}\\
601 \end{array} \right.
602 \label{eq14} 
603 \end{equation}
604
605 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
606 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
607 \left \{
608 \begin{array}{ll}
609 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
610 \textrm{subject to :}&\\
611 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
612 %\label{c1} 
613 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
614 %\label{c2}
615 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
616 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
617 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
618 \end{array}
619 \right.
620 \end{equation}
621 \begin{itemize}
622 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
623   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
624 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
625   one that are covering the primary point $p$;
626 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not point
627   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
628 \end{itemize}
629
630 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
631 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
632 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balance  the
633 restriction  equation by taking  positive values.  There are  two main
634 objectives.  First we limit overcoverage of primary points in order to
635 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent that parts of
636 the  subregion are  not  monitored by  minimizing undercoverage.   The
637 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
638 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
639 round.
640  
641 %In equation \eqref{eq15}, there are two main objectives: the first one using  the Overcoverage parameter to minimize the number of active sensor nodes in the produced final solution vector $X$ which leads to improve the life time of wireless sensor network. The second goal by using the  Undercoverage parameter  to maximize the coverage in the region by means of covering each primary point in $SSET^k$.The two objectives are achieved at the same time. The constraint which represented in equation \eqref{eq16} refer to the coverage function for each primary point $P_p$ in $SSET^k$ , where each $P_p$ should be covered by
642 %at least one sensor node in $A^k$. The objective function in \eqref{eq15} involving two main objectives to be optimized simultaneously, where optimal decisions need to be taken in the presence of trade-offs between the two conflicting main objectives in \eqref{eq15} and this refer to that our coverage optimization problem is a multi-objective optimization problem and we can use the BPSO to solve it. The concept of Overcoverage and Undercoverage inspired from ~\cite{Fernan12} but we use it with our model as stated in subsection \ref{Sensing Coverage Model} with some modification to be applied later by BPSO.
643 %\subsection{Notations and assumptions}
644
645 %\begin{itemize}
646 %\item $m$ : the number of targets
647 %\item $n$ : the number of sensors
648 %\item $K$ : maximal number of cover sets
649 %\item $i$ : index of target ($i=1..m$)
650 %\item $j$ : index of sensor ($j=1..n$)
651 %\item $k$ : index of cover set ($k=1..K$)
652 %\item $T_0$ : initial set of targets
653 %\item $S_0$ : initial set of sensors
654 %\item $T $ : set of targets which are not covered by at least one cover set
655 %\item $S$ : set of available sensors
656 %\item $S_0(i)$ : set of sensors which cover the target $i$
657 %\item $T_0(j)$ : set of targets covered by sensor $j$
658 %\item $C_k$ : cover set of index $k$
659 %\item $T(C_k)$ : set of targets covered by the cover set $k$
660 %\item $NS(i)$ : set of  available sensors which cover the target $i$
661 %\item $NC(i)$ : set of cover sets which do not cover the target $i$
662 %\item $|.|$ : cardinality of the set
663
664 %\end{itemize}
665
666 \section{Simulation Results}
667 \label{exp}
668
669 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
670 efficiency  and relevance of  our approach,  using the  discrete event
671 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
672 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
673 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
674 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
675 % DEBUT MODIFICATION
676 {\bf More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
677   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
678   field with the given sensing range.}
679 % FIN MODIFICATION
680 10~simulation  runs  are performed  with
681 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
682 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
683 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
684 disconnected (some nodes may not be  able to sent to a base station an
685 event they sense).
686
687 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
688 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
689 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
690 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
691 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
692 the sensing period which will have  a duration of 60 seconds. Thus, an
693 active  node will  consume  12~joules during  sensing  phase, while  a
694 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
695 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
696 joules.  In  all  experiments  the  parameters  are  set  as  follows:
697 $R_s=5m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
698
699 We  evaluate the  efficiency of  our approach  using  some performance
700 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
701 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
702 and number of stopped simulation runs.  Our approach called Strategy~2
703 (with Two Leaders)  works with two subregions, each  one having a size
704 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
705 approaches. The first one,  called Strategy~1 (with One Leader), works
706 as Strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
707 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
708 consists in dividing  uniformly the region into squares  of $(5 \times
709 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
710 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
711 phase.
712
713 \subsection{The impact of the Number of Rounds on Coverage Ratio} 
714
715 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
716 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
717 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
718 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
719 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
720 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
721 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
722 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
723 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
724 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
725 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
726 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
727 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
728 maintain the full coverage for  larger number of rounds. Strategy~2 is
729 slightly more efficient that strategy 1, because strategy~2 subdivides
730 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
731 disconnected,  coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
732 subregion.
733
734 \parskip 0pt 
735 \begin{figure}[h!]
736 \centering
737 \includegraphics[scale=0.55]{TheCoverageRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
738 \caption{The impact of the Number of Rounds on Coverage Ratio for 150 deployed nodes}
739 \label{fig3}
740 \end{figure} 
741
742 \subsection{The impact of the Number of Rounds on Active Sensors Ratio} 
743
744 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
745 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
746 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
747 Ratio, which is defined as follows:
748 \begin{equation*}
749 \scriptsize
750 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
751 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
752 for the region}} \times 100.
753 \end{equation*}
754 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
755 for 150 deployed nodes.
756
757 \begin{figure}[h!]
758 \centering
759 \includegraphics[scale=0.55]{TheActiveSensorRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
760 \caption{The impact of the Number of Rounds on Active Sensors Ratio for 150 deployed nodes }
761 \label{fig4}
762 \end{figure} 
763
764 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
765 both proposed  strategies, the Strategy  with Two Leaders and  the one
766 with a  single Leader,  in comparison with  the Simple  Heuristic. The
767 Strategy with One Leader uses less active nodes than the Strategy with
768 Two Leaders until the last  rounds, because it uses central control on
769 the whole sensing field.  The  advantage of the Strategy~2 approach is
770 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
771 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
772 lifetime of the network.
773
774 \subsection{The impact of the Number of Rounds on Energy Saving Ratio} 
775
776 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
777 This metric, called Energy Saving Ratio, is defined by:
778 \begin{equation*}
779 \scriptsize
780 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
781 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
782 \end{equation*}
783 The  longer the ratio  is high,  the more  redundant sensor  nodes are
784 switched off, and consequently  the longer the  network may  be alive.
785 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
786 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
787
788 \begin{figure}[h!]
789 %\centering
790 % \begin{multicols}{6}
791 \centering
792 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergySavingRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
793 \caption{The impact of the Number of Rounds on Energy Saving Ratio for 150 deployed nodes}
794 \label{fig5}
795 \end{figure} 
796
797 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
798 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
799 expected, the Strategy with One Leader is usually slightly better than
800 the second  strategy, because the  global optimization permit  to turn
801 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
802 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
803 number of  rounds increases  the two leader  strategy becomes  the most
804 performing, since its takes longer  to have the two subregion networks
805 simultaneously disconnected.
806
807 \subsection{The Number of Stopped Simulation Runs}
808
809 We  will now  study  the number  of  simulation which  stopped due  to
810 network  disconnection, per round  for each  of the  three approaches.
811 Figure~\ref{fig6} illustrates the average number of stopped simulation
812 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
813 heuristic is  the approach which  stops the earlier because  the nodes
814 are  chosen   randomly.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
815 centralized  one  first  exhibits  network  disconnection.   Thus,  as
816 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
817 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
818 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
819 optimization participates in extending the lifetime.
820
821 \begin{figure}[h!]
822 \centering
823 \includegraphics[scale=0.55]{TheNumberofStoppedSimulationRuns150.eps} 
824 \caption{The Number of Stopped Simulation Runs against Rounds for 150 deployed nodes }
825 \label{fig6}
826 \end{figure} 
827
828 \subsection{The Energy Consumption}
829
830 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
831 protocol  on the  performance of  the  Strategy with  Two Leaders  and
832 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
833 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
834 considering the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
835 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
836 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
837 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
838 between networks having different densities.
839
840 Figure~\ref{fig7} illustrates the Energy Consumption for the different
841 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
842 Strategy  with  Two  Leaders  is  the  most  competitive  from  energy
843 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the Strategy
844 with  One  Leader, has  a  high energy  consumption  due  to the  many
845 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
846 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
847 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
848 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
849 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
850 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
851 communications have a small impact on the lifetime.
852
853 \begin{figure}[h!]
854 \centering
855 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergyConsumption.eps} 
856 \caption{The Energy Consumption  }
857 \label{fig7}
858 \end{figure} 
859
860 \subsection{The impact of Number of Sensors on Execution Time}
861
862 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
863 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
864 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
865 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.
866 Table~\ref{table1} gives the average  execution times {\bf in seconds}
867 on a laptop of the decision phase
868 % DEBUT AJOUT
869 {\bf (resolution of the optimization problem)}
870 % FIN AJOUT
871 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
872 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
873 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the Strategy
874 with  One  Leader which  requires  to  solve  an optimization  problem
875 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
876 Moreover, increasing of 50~nodes  the network size multiplies the time
877 by  almost a  factor of  10. The  Strategy with  Two Leaders  has more
878 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
879 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
880 nodes.   Overall,  to  be  able   deal  with  very  large  networks  a
881 distributed method is clearly required.
882
883 \begin{table}[ht]
884 \caption{The Execution Time(s) vs The Number of Sensors}
885 % title of Table
886 \centering
887
888 % used for centering table
889 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
890 % centered columns (4 columns)
891       \hline
892 %inserts double horizontal lines
893 Sensors Number & Strategy~1 & Strategy~2  & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
894  & (with Two Leaders) & (with One Leader) & \\ [0.5ex]
895 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
896 % inserts table
897 %heading
898 \hline
899 % inserts single horizontal line
900 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
901 % inserting body of the table
902 \hline
903 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
904 \hline
905 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
906 \hline
907 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
908 \hline
909 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
910 % [1ex] adds vertical space
911 \hline
912 %inserts single line
913 \end{tabular}
914 \label{table1}
915 % is used to refer this table in the text
916 \end{table}
917
918 \subsection{The Network Lifetime}
919
920 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
921 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
922 monitoring  an area becomes  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
923 network  lifetime for different  network sizes  and for  both Strategy
924 with Two  Leaders and the Simple  Heuristic is illustrated. 
925 % DEBUT MODIFICATION
926 {\bf  We do  not consider  anymore the  centralized Strategy  with One
927   Leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
928   times that quickly become unsuitable for a sensor network.}
929 % FIN MODIFICATION
930
931 \begin{figure}[h!]
932 %\centering
933 % \begin{multicols}{6}
934 \centering
935 \includegraphics[scale=0.5]{TheNetworkLifetime.eps} %\\~ ~ ~(a)
936 \caption{The Network Lifetime }
937 \label{fig8}
938 \end{figure} 
939
940 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
941 increases when  the size  of the network  increase, with  our approach
942 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing for each
943 round the  well suited nodes  to cover the  region of interest  and by
944 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
945 our strategy efficiently prolongs the lifetime. Comparison shows that
946 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
947 the Simple Heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
948 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
949 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
950 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
951 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
952 the lifetime of a network.
953
954 \section{Conclusions and Future Works}
955 \label{sec:conclusion}
956
957 In this paper, we have  addressed the problem of coverage and lifetime
958 optimization  in wireless  sensor networks.   This is  a key  issue as
959 sensor nodes  have limited  resources in terms  of memory,  energy and
960 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
961 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
962 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
963 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
964 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
965 Leader Election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
966 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
967 the best  representative active nodes that will  optimize the lifetime
968 while  taking   the  responsibility  of   covering  the  corresponding
969 subregion.   The network lifetime  in each  subregion is  divided into
970 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
971 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
972 select  the  nodes remaining  active  for  the  last phase,  and  (iv)
973 Sensing.  The  simulations results show the relevance  of the proposed
974 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors Ratio,
975 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
976 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
977 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
978 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
979 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
980 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
981
982 In  future, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol which
983 computes  all  active  sensor  schedules  in  a  single  round,  using
984 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
985 algorithms.
986 % DEBUT AJOUT
987 {\bf  This single  round  will still  consists  of 4  phases, but  the
988   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
989   which aggregated together define a kind of meta-sensing phase.}
990 % FIN AJOUT
991 The computation of all cover sets in one round is far more
992 difficult, but will reduce the communication overhead.
993
994 % use section* for acknowledgement
995 %\section*{Acknowledgment}
996
997 \bibliographystyle{IEEEtran}
998 \bibliography{bare_conf}
999
1000 % that's all folks
1001 \end{document}
1002
1003