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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 \indent  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, cooperate together to monitor the area of interest, 
94 and the measured data can be reported to a monitoring center called sink  
95 for analysis it~\cite{Sudip03}. There are several applications used the
96 WSN including health, home, environmental, military, and industrial
97 applications~\cite{Akyildiz02}. The coverage problem is one  of the
98 fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and continuously
99 the area of interest. Thelimited energy  of sensors represents  the main challenge in  the WSNs
100 design~\cite{Sudip03}, where it is difficult to replace and/or recharge their batteries because the the area of interest nature (such
101 as hostile environments) and the cost. So, it is necessary that a WSN
102 deployed  with high  density because  spatial redundancy  can  then be
103 exploited to increase  the lifetime of the network. However, turn on
104 all the sensor nodes, which monitor the same region at the same time
105 leads to decrease the lifetime of the network. To extend the lifetime
106 of the network, the main idea is to take advantage of the overlapping
107 sensing regions  of some  sensor nodes to  save energy by  turning off
108 some  of them  during the  sensing phase~\cite{Misra05}. WSNs require
109 energy-efficient solutions to improve the network lifetime that is
110 constrained by the limited power of each sensor node ~\cite{Akyildiz02}. In this paper, we concentrate on the area
111 coverage  problem, with the objective of maximizing the network
112 lifetime by using  an adaptive  scheduling. The area of interest is
113 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
114 planned for each subregion. In fact, the nodes in a subregion can be
115 seen as a cluster where each node sends sensing data to the cluster head or the sink node. Furthermore, the activities in a
116 subregion/cluster can continue even if another cluster stops  due to
117 too many node failures.  Our scheduling scheme considers rounds, where
118 a round starts with a  discovery phase to exchange information between
119 sensors of  the subregion, in order  to choose in a  suitable manner a
120 sensor node to  carry out a coverage strategy.  This coverage strategy
121 involves  the  solving  of  an  integer program,  which  provides  the
122 activation of the sensors for the sensing phase of the current round.
123
124 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
125 % Section~\ref{rw}
126 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
127 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
128 Section~\ref{cp} gives  the coverage model formulation,  which is used
129 to schedule  the activation  of sensors.  Section~\ref{exp}  shows the
130 simulation results obtained using the discrete event simulator OMNeT++
131 \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness of  the proposed
132 approach.  Finally,  we give  concluding remarks and  some suggestions
133 for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
134
135 \section{Related works}
136 \label{rw}
137 \indent In this section, we only review some recent works dealing with
138 the coverage lifetime maximization  problem, where the objective is to
139 optimally  schedule  sensors'  activities  in  order  to  extend  WSNs
140 lifetime.
141
142 In \cite{chin2007},  the author proposed a novel  distributed heuristic, called
143 Distributed Energy-efficient  Scheduling for k-coverage  (DESK), which
144 ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and
145 the lifetime  maximized while the coverage  requirement is maintained.
146 This  heuristic   works  in  rounds,  requires   only  1-hop  neighbor
147 information,  and each  sensor decides  its status  (active  or sleep)
148 based    on    the    perimeter    coverage    model    proposed    in
149 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.    More    recently,   Shibo   et
150 al. \cite{Shibo}  expressed the coverage  problem as a  minimum weight
151 submodular  set cover  problem  and proposed  a Distributed  Truncated
152 Greedy Algorithm  (DTGA) to  solve it. They  take advantage  from both
153 temporal  and spatial  correlations between  data sensed  by different
154 sensors,  and   leverage  prediction,  to  improve   the  lifetime.  
155 % TO BE CONTINUED      Distributed  Energy- Efficient
156
157 The works presented in \cite{Bang, Zhixin, Zhang}  focuses on a Coverage-Aware, Distributed  Energy- Efficient and distributed clustering methods respectively, which aims to extend the network lifetime, while the coverage is ensured.
158
159 S.  Misra  et al.  \cite{Misra}  proposed  a  localized algorithm  for
160 coverage in  sensor networks. The algorithm conserve  the energy while
161 ensuring  the network coverage  by activating  the subset  of sensors,
162 with  the  minimum  overlap  area.The proposed  method  preserves  the
163 network connectivity by formation of the network backbone. 
164
165 J. A. Torkestani  \cite{Torkestani} proposed a learning automata-based
166 energy-efficient  coverage protocol  named as  LAEEC to  construct the
167 degree-constrained connected  dominating set (DCDS) in  WSNs. He shows
168 that the correct choice of  the degree-constraint of DCDS balances the
169 network load on the active nodes and leads to enhance the coverage and
170 network lifetime.
171  
172 The main  contribution of our approach addresses  three main questions
173 to build a scheduling strategy:
174 %\begin{itemize}
175 %\item 
176 {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
177   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
178   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
179   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
180
181 %\item 
182 {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
183   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
184   interest  to avoid  turning on  too many sensors covering  the same
185   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
186   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
187   objectives.
188
189 %\item 
190 {\bf Which  node should make such a  decision?}  The leader should make such a  decision. Our
191   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
192   the scheduling decision  to all the sensors.  When  the network size
193   increases,  the network  is  divided into  many  subregions and  the
194   decision is made by a leader in each subregion.
195 %\end{itemize}
196
197
198
199 \section{Activity scheduling}
200 \label{pd}
201
202 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
203 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
204 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
205 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
206 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
207 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
208 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
209 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
210 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
211 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
212 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
213 figure~\ref{fig1}.
214
215
216
217 \begin{figure}[ht!]
218 \centering
219 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
220 \caption{Multi-round coverage protocol}
221 \label{fig1}
222 \end{figure} 
223
224 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
225 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
226 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
227 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
228 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
229 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
230 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
231 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
232 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
233 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
234 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
235 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
236 information (including their residual energy) at the beginning of each
237 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
238 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
239 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
240 each phase in more details.
241
242 \subsection{Information exchange phase}
243
244 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
245 the number of local neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
246 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
247 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
248 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
249 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
250 active mode.
251
252 %\subsection{\textbf Working Phase:}
253
254 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
255
256 \subsection{Leader election phase}
257 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
258 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
259 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
260 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
261 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
262 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
263 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
264 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
265 equality, larger index.
266
267 \subsection{Decision phase}
268 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
269 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
270 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
271 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
272 %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.
273 %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. 
274
275 \subsection{Sensing phase}
276 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
277 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
278 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
279 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
280 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
281 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
282 starting a new round.
283
284 %\subsection{Sensing coverage model}
285 %\label{pd}
286
287 %\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.
288 %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 $R_s$.
289 \indent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
290 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
291 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
292 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
293 covered by this sensor. We also assume that the communication range $R_c \geq 2R_s$ ~\cite{Zhang05}. 
294
295
296
297 %\begin{figure}[h!]
298 %\centering
299 %\begin{tabular}{cc}
300 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
301 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
302 %\end{tabular}
303 %\caption{Unit Circle in radians. }
304 %\label{fig:cluster1}
305 %\end{figure}
306
307 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
308 %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.
309 % 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.
310
311 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each
312 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
313 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all the primary points of
314 this sensor are covered.
315 %\begin{figure}[h!]
316 %\centering
317 %\begin{tabular}{cc}
318 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
319 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
320 %\end{tabular}
321 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
322 %\label{fig:cluster2}
323 %\end{figure}
324 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
325 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
326 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
327 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
328 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
329 sensors, instead of using all the points in the area.
330
331 \indent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
332 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
333 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
334 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
335 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
336 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
337 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
338 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
339 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
340 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
341 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
342 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
343 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
344 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
345 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
346 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
347 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
348
349  \begin{figure}[h!]
350 %\centering
351 % \begin{multicols}{6}
352 \centering
353 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
354 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
355 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
356 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
357 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
358 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
359 %\end{multicols} 
360 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
361 \label{fig2}
362 \end{figure}
363
364 \section{Coverage problem formulation}
365 \label{cp}
366
367
368 \indent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
369 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
370 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
371 integer program, which forces undercoverage and overcoverage of targets
372 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
373 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
374 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$,  which  determine  the
375 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
376 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
377 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
378
379 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
380 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
381 \begin{equation}
382 \alpha_{jp} = \left \{ 
383 \begin{array}{l l}
384   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
385  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
386   0 & \mbox{otherwise.}\\
387 \end{array} \right.
388 %\label{eq12} 
389 \end{equation}
390 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
391 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
392 \begin{equation}
393 X_{j} = \left \{ 
394 \begin{array}{l l}
395   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
396   0 &  \mbox{otherwise.}\\
397 \end{array} \right.
398 %\label{eq11} 
399 \end{equation}
400 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
401 \begin{equation}
402  \Theta_{p} = \left \{ 
403 \begin{array}{l l}
404   0 & \mbox{if the primary point}\\
405     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
406   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
407 \end{array} \right.
408 \label{eq13} 
409 \end{equation}
410 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
411 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
412 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
413 by:
414 \begin{equation}
415 U_{p} = \left \{ 
416 \begin{array}{l l}
417   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
418   0 & \mbox{otherwise.}\\
419 \end{array} \right.
420 \label{eq14} 
421 \end{equation}
422
423 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
424 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
425 \left \{
426 \begin{array}{ll}
427 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
428 \textrm{subject to :}&\\
429 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
430 %\label{c1} 
431 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
432 %\label{c2}
433 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
434 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
435 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
436 \end{array}
437 \right.
438 \end{equation}
439 \begin{itemize}
440 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
441   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
442 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
443   one that are covering the primary point $p$;
444 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
445   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
446 \end{itemize}
447
448 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
449 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
450 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
451 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
452 objectives.  First, we limit the overcoverage of primary points in order to
453 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
454  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
455 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
456 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
457 round.
458  
459
460
461
462 \section{Simulation results}
463 \label{exp}
464
465 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
466 efficiency  and the relevance of  our approach,  using the  discrete event
467 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
468 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
469 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
470 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
471 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
472   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
473   field with the given sensing range.
474 10~simulation  runs  are performed  with
475 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
476 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
477 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
478 disconnected (some nodes may not be  able to send, to a base station, an
479 event they sense).
480
481 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
482 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
483 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
484 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
485 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
486 the sensing period, which will last 60 seconds. Thus, an
487 active  node will  consume  12~joules during the sensing  phase, while  a
488 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
489 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
490 joules.  In  all  experiments,  the  parameters  are  set  as  follows:
491 $R_s=5~m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
492
493 We  evaluate the  efficiency of  our approach by using  some performance
494 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
495 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
496 and number of stopped simulation runs.  Our approach called strategy~2
497 (with two leaders)  works with two subregions, each  one having a size
498 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
499 approaches. The first one,  called strategy~1 (with one leader), works
500 as strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
501 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
502 consists in uniformly dividing   the region into squares  of $(5 \times
503 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
504 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
505 phase.
506
507 \subsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
508
509 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
510 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
511 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
512 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
513 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
514 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
515 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
516 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
517 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
518 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
519 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
520 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
521 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
522 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~2 is
523 slightly more efficient than strategy 1, because strategy~2 subdivides
524 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
525 disconnected,  the coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
526 subregion.
527
528 \parskip 0pt 
529 \begin{figure}[h!]
530 \centering
531 \includegraphics[scale=0.37]{CR1.eps} %\\~ ~ ~(a)
532 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
533 \label{fig3}
534 \end{figure} 
535
536 \subsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
537
538 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
539 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
540 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
541 Ratio (ASR), which is defined as follows:
542 \begin{equation*}
543 \scriptsize
544 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
545 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
546 for the region}} \times 100.
547 \end{equation*}
548 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
549 for 150 deployed nodes.
550
551 \begin{figure}[h!]
552 \centering
553 \includegraphics[scale=0.37]{ASR1.eps} %\\~ ~ ~(a)
554 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
555 \label{fig4}
556 \end{figure} 
557
558 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
559 both proposed  strategies, the strategy  with two leaders and  the one
560 with a  single leader,  in comparison with  the simple  heuristic. The
561 strategy with one leader uses less active nodes than the strategy with
562 two leaders until the last  rounds, because it uses central control on
563 the whole sensing field.  The  advantage of the strategy~2 approach is
564 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
565 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
566 lifetime of the network.
567
568 \subsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
569
570 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
571 This metric, called Energy Saving Ratio (ESR), is defined by:
572 \begin{equation*}
573 \scriptsize
574 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
575 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
576 \end{equation*}
577 The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are
578 switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
579 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
580 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
581
582 \begin{figure}[h!]
583 %\centering
584 % \begin{multicols}{6}
585 \centering
586 \includegraphics[scale=0.37]{ESR1.eps} %\\~ ~ ~(a)
587 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
588 \label{fig5}
589 \end{figure} 
590
591 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
592 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
593 expected, the strategy with one leader is usually slightly better than
594 the second  strategy, because the  global optimization permits  to turn
595 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
596 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
597 number of  rounds increases  the two leaders'  strategy becomes  the most
598 performing one, since it takes longer  to have the two subregion networks
599 simultaneously disconnected.
600
601 \subsection{The percentage of stopped simulation runs}
602
603 We  will now  study  the percentage  of  simulations, which  stopped due  to
604 network  disconnections per round  for each  of the  three approaches.
605 Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
606 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
607 simple heuristic is  the approach, which  stops first because  the nodes
608 are   randomly chosen.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
609 centralized  one  first  exhibits  network  disconnections.   Thus,  as
610 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
611 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
612 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
613 optimization participates in extending the network lifetime.
614
615 \begin{figure}[h!]
616 \centering
617 \includegraphics[scale=0.36]{SR1.eps} 
618 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
619 \label{fig6}
620 \end{figure} 
621
622 \subsection{The energy consumption}
623
624 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
625 protocol  on the  performance of  the  strategy with  two leaders  and
626 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
627 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
628 by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
629 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
630 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
631 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
632 between networks having different densities.
633
634 Figure~\ref{fig7} illustrates the energy consumption for the different
635 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
636 strategy  with  two  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
637 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the strategy
638 with  one  leader, has  a  high energy  consumption  due  to  many
639 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
640 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
641 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
642 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
643 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
644 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
645 communications have a small impact on the network lifetime.
646
647 \begin{figure}[h!]
648 \centering
649 \includegraphics[scale=0.37]{EC1.eps} 
650 \caption{The energy consumption}
651 \label{fig7}
652 \end{figure} 
653
654 \subsection{The impact of the number of sensors on execution time}
655
656 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
657 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
658 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
659 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
660 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
661 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
662 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
663 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
664 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the strategy
665 with  one  leader, which  requires  to  solve  an optimization  problem
666 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
667 Moreover, increasing the network size by 50~nodes   multiplies the time
668 by  almost a  factor of  10. The  strategy with  two leaders  has more
669 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
670 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
671 nodes.   Overall,  to  be  able to  deal  with  very  large  networks,  a
672 distributed method is clearly required.
673
674 \begin{table}[ht]
675 \caption{THE EXECUTION TIME(S) VS THE NUMBER OF SENSORS}
676 % title of Table
677 \centering
678
679 % used for centering table
680 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
681 % centered columns (4 columns)
682       \hline
683 %inserts double horizontal lines
684 Sensors number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple heuristic \\ [0.5ex]
685  & (with two leaders) & (with one leader) & \\ [0.5ex]
686 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
687 % inserts table
688 %heading
689 \hline
690 % inserts single horizontal line
691 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
692 % inserting body of the table
693 \hline
694 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
695 \hline
696 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
697 \hline
698 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
699 \hline
700 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
701 % [1ex] adds vertical space
702 \hline
703 %inserts single line
704 \end{tabular}
705 \label{table1}
706 % is used to refer this table in the text
707 \end{table}
708
709 \subsection{The network lifetime}
710
711 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
712 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
713 monitoring  an area has become  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
714 network  lifetime for different  network sizes  and for  both strategy
715 with two  leaders and the simple  heuristic is illustrated. 
716   We do  not consider  anymore the  centralized strategy  with one
717   leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
718   times that quickly become unsuitable for a sensor network.
719
720 \begin{figure}[h!]
721 %\centering
722 % \begin{multicols}{6}
723 \centering
724 \includegraphics[scale=0.37]{LT1.eps} %\\~ ~ ~(a)
725 \caption{The network lifetime }
726 \label{fig8}
727 \end{figure} 
728
729 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
730 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach
731 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing the  best 
732 suited nodes, for each round,  to cover the  region of interest  and by
733 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
734 our strategy efficiently prolonges the network lifetime. Comparison shows that
735 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
736 the simple heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
737 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
738 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
739 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
740 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
741 the lifetime of a network.
742
743 \section{Conclusion and future works}
744 \label{sec:conclusion}
745
746 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
747 optimization  in WSNs. To  cope with this problem, the  field of sensing
748 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
749 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
750 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
751 The  simulations show the relevance  of the proposed
752 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors ratio,
753 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
754 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
755 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
756 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
757 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
758 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
759
760 In  future work, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol, which
761 computes  all  active  sensor  schedules  in  one time,  using
762 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
763 algorithms.  
764 % use section* for acknowledgement
765 %\section*{Acknowledgment}
766
767
768
769
770 \bibliographystyle{IEEEtran}
771 \bibliography{bare_conf}
772
773
774 \end{document}
775
776