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[UIC2013.git] / bare_conf.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
3 \ifCLASSINFOpdf
4   
5 \else
6   
7 \fi
8
9 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
10
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14  \usepackage{times,amssymb,amsmath,latexsym}
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30 \usepackage{caption}
31 \usepackage{multicol}
32
33
34 \begin{document}
35
36 \title{Energy-Efficient Activity Scheduling in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
37
38 % author names and affiliations
39 % use a multiple column layout for up to three different
40 % affiliations
41 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier }
42 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France \\
43 Email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
44 %\email{\{ali.idness, karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier\}@univ-fcomte.fr}
45 %\and
46 %\IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
47 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
48 %\and
49 %\IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
50 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
51 }
52
53 \maketitle
54
55 \begin{abstract}
56 One of  the fundamental challenges in Wireless  Sensor Networks (WSNs)
57 is  the coverage  preservation  and  the extension  of  the  network  lifetime
58 continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
59 region) of interest. In this paper a coverage optimization protocol to
60 improve the lifetime in  heterogeneous energy wireless sensor networks
61 is proposed.   The area of  interest is first divided  into subregions
62 using a  divide-and-conquer method and then the scheduling  of sensor node
63 activity  is  planned for  each  subregion.   The proposed  scheduling
64 considers  rounds during  which  a small  number  of nodes,  remaining
65 active  for  sensing, is  selected  to  ensure  coverage.  Each  round
66 consists  of   four  phases:  (i)~Information   Exchange,  (ii)~Leader
67 Election, (iii)~Decision,  and (iv)~Sensing.  The  decision process is
68 carried  out  by  a  leader  node which  solves  an  integer  program.
69 Simulation  results show that  the proposed  approach can  prolong the
70 network lifetime and improve the coverage performance.
71 \end{abstract}
72
73 %\keywords{Area Coverage, Wireless Sensor Networks, lifetime Optimization, Distributed Protocol.}
74  
75 \IEEEpeerreviewmaketitle
76
77 \section{Introduction}
78
79 \noindent Recent years have witnessed significant advances in wireless
80 communications and embedded micro-sensing MEMS technologies which have
81 led to the  emergence of wireless  sensor networks  as one  of the  most promising
82 technologies~\cite{asc02}.   In fact, they  present huge  potential in
83 several  domains ranging  from  health care  applications to  military
84 applications.  A sensor network is  composed of a large number of tiny
85 sensing  devices deployed  in a  region of  interest. Each  device has
86 processing  and wireless communication  capabilities, which  enable it to
87 sense its environment, to compute, to store information, and to deliver
88 report messages to a base station.
89 %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.
90 One of the main design issues in Wireless Sensor Networks (WSNs) is to
91 prolong the  network lifetime,  while achieving acceptable  quality of
92 service for applications.  Indeed, sensor nodes have limited resources
93 in terms of memory, energy, and computational power.
94
95 Since sensor nodes have limited battery life and without being able to
96 replace batteries,  especially in remote and  hostile environments, it
97 is desirable that  a WSN should be deployed  with high density because
98 spatial redundancy can  then be exploited to increase  the lifetime of
99 the network. In such a high  density network, if all sensor nodes were
100 to be  activated at the same  time, the lifetime would  be reduced. To
101 extend the lifetime  of the network, the main idea  is to take advantage
102 of  the overlapping  sensing regions  of some  sensor nodes  to save
103 energy  by  turning  off  some  of  them  during  the  sensing  phase.
104 Obviously, the deactivation of nodes  is only relevant if the coverage
105 of the monitored area  is not affected.  Consequently, future softwares
106 may  need to  adapt  appropriately to  achieve  acceptable quality  of
107 service  for  applications.  In  this  paper  we  concentrate on  the area
108 coverage  problem,  with  the  objective  of  maximizing  the  network
109 lifetime  by using  an adaptive  scheduling. The  area of  interest is
110 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
111 planned for  each subregion. 
112  In fact, the nodes in a  subregion can be seen as a cluster where
113   each node sends  sensing data to the cluster head  or the sink node.
114   Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even
115   if another cluster stops due to too many node failures.
116 Our scheduling  scheme considers rounds,  where a round starts  with a
117 discovery  phase  to  exchange  information  between  sensors  of  the
118 subregion,  in order to  choose in  a suitable manner  a sensor  node to
119 carry  out a coverage  strategy. This  coverage strategy  involves the
120 solving of  an integer  program which provides  the activation  of the
121 sensors for the sensing phase of the current round.
122
123 The remainder of the paper is organized as follows.  The next section
124 % Section~\ref{rw}
125 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
126 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
127 Section~\ref{cp} gives the coverage model formulation which is used to
128 schedule  the  activation  of  sensors.  Section~\ref{exp}  shows  the
129 simulation  results obtained  using  the discrete  event simulator  on
130 OMNeT++  \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness  of the
131 proposed  approach.   Finally, we  give  concluding  remarks and  some
132 suggestions for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
133
134 \section{Related works}
135 \label{rw}
136
137 \noindent This section is dedicated to the various approaches proposed
138 in  the literature  for  the coverage  lifetime maximization  problem,
139 where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
140 order to  extend network lifetime  in a randomly deployed  network. As
141 this problem is subject to a wide range of interpretations, we have chosen
142 to recall the main definitions and assumptions related to our work.
143
144 %\begin{itemize}
145 %\item Area Coverage: The main objective is to cover an area. The area coverage requires
146 %that the sensing range of working Active nodes cover the whole targeting area, which means any
147 %point in target area can be covered~\cite{Mihaela02,Raymond03}.
148
149 %\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}. 
150
151 %\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}.
152 %\end{itemize}
153 {\bf Coverage}
154
155 The most  discussed coverage problems in literature  can be classified
156 into two types \cite{ma10}: area coverage (also called full or blanket
157 coverage) and target coverage.  An  area coverage problem is to find a
158 minimum number of sensors to work, such that each physical point in the
159 area is within the sensing range  of at least one working sensor node.
160 Target coverage problem  is to cover only a  finite number of discrete
161 points  called targets.   This type  of coverage  has  mainly military
162 applications. Our work will concentrate on the area coverage by design
163 and implementation of a  strategy which efficiently selects the active
164 nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
165 connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
166 sensor  network.   But  requiring  that  all physical  points  of  the
167 considered region are covered may  be too strict, especially where the
168 sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
169 by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
170 number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
171 minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
172 simultaneously).
173
174 {\bf Lifetime}
175
176 Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
177 network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
178 related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
179 The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
180 of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
181 amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
182 area or targets of interest). In this work, we assume that the network
183 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
184 sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
185 during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
186 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
187 transmit information on an event in the area that it monitors.
188
189 {\bf Activity scheduling}
190
191 Activity scheduling is to  schedule the activation and deactivation of
192 sensor nodes.  The  basic objective is to decide  which sensors are in
193 what states (active or sleeping mode)  and for how long, so that the
194 application  coverage requirement  can be  guaranteed and  the network
195 lifetime can be  prolonged. Various approaches, including centralized,
196 distributed, and localized algorithms, have been proposed for activity
197 scheduling.  In  distributed algorithms, each node  in the network
198 autonomously makes decisions on whether  to turn on or turn off itself
199 only using  local neighbor information. In  centralized algorithms, a
200 central controller  (a node or  base station) informs every  sensors of
201 the time intervals to be activated.
202
203 {\bf Distributed approaches}
204
205 Some      distributed     algorithms      have      been     developed
206 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}  to perform the
207 scheduling.   Distributed algorithms typically  operate in  rounds for
208 a predetermined  duration. At  the  beginning of  each  round, a  sensor
209 exchanges information with its neighbors and makes a decision to either
210 remain turned  on or to  go to sleep  for the round. This  decision is
211 basically made on simple greedy criteria like  the largest uncovered
212 area   \cite{Berman05efficientenergy},   maximum   uncovered   targets
213 \cite{1240799}.   In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme  is divided
214 into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by
215 a sensing phase.  Each sensor  broadcasts a message containing the node ID
216 and the node location  to its neighbors at the beginning  of each round. A
217 sensor determines  its status by  a rule named off-duty  eligible rule
218 which tells  him to  turn off if  its sensing  area is covered  by its
219 neighbors. A  back-off scheme is  introduced to let each  sensor delay
220 the decision process  with a random period of time,  in order to avoid
221 simultaneous conflicting decisions between nodes and  lack of coverage on any area.
222 \cite{Prasad:2007:DAL:1782174.1782218}  defines a model  for capturing
223 the dependencies  between different cover sets  and proposes localized
224 heuristic  based on this  dependency.  The  algorithm consists  of two
225 phases, an initial  setup phase during which each  sensor computes and
226 prioritizes the  covers and  a sensing phase  during which  each sensor
227 first decides  its on/off status, and  then remains on or  off for the
228 rest  of the  duration.  Authors  in \cite{chin2007}  propose  a novel
229 distributed  heuristic named  Distributed  Energy-efficient Scheduling
230 for k-coverage  (DESK) so  that the energy  consumption among  all the
231 sensors  is balanced,  and  network lifetime  is  maximized while  the
232 coverage requirement  is being  maintained.  This algorithm  works in
233 round, requires only  1-sensing-hop-neighbor information, and a sensor
234 decides  its status  (active/sleep)  based on  its perimeter  coverage
235 computed  through the k-Non-Unit-disk  coverage algorithm  proposed in
236 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
237
238 Some other approaches do  not consider a synchronized and predetermined
239 period  of time  where the  sensors are  active or  not.  Indeed, each
240 sensor  maintains its  own timer  and its  wake-up time is randomized
241 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei05} over time.
242 %A ecrire \cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}p33
243
244 %The scheduling information is disseminated throughout the network and only sensors in the active state are responsible
245 %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
246 %period of time.
247
248  %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. 
249
250 %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. 
251
252 {\bf Centralized approaches}
253
254 Power  efficient  centralized  schemes  differ  according  to  several
255 criteria \cite{Cardei:2006:ECP:1646656.1646898},  such as the coverage
256 objective  (target coverage  or  area coverage),  the node  deployment
257 method (random or deterministic) and the heterogeneity of sensor nodes
258 (common sensing range, common battery lifetime). The major approach is
259 to divide/organize  the sensors into  a suitable number of  set covers
260 where each  set completely covers  an interest region and  to activate
261 these set covers successively.
262
263 The first algorithms  proposed in the  literature consider that  the cover
264 sets  are  disjoint: a  sensor  node appears  in  exactly  one of  the
265 generated  cover  sets.    For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak
266 \cite{Slijepcevic01powerefficient}   propose    an   algorithm   which
267 allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area
268 divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by
269 including in  priority the sensor  nodes which cover  critical fields,
270 that  is to  say fields  that are  covered by  the smallest  number of
271 sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$
272 is the number of  sensors.  \cite{cardei02}~describes a graph coloring
273 technique  to achieve energy  savings by  organizing the  sensor nodes
274 into a maximum number of  disjoint dominating sets which are activated
275 successively. The dominating sets do not guarantee the coverage of the
276 whole        region        of        interest.        Abrams        et
277 al.~\cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}  design  three  approximation
278 algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the
279 objective is to partition the sensors into covers such that the number
280 of covers that  includes an area, summed over  all areas, is maximized.
281 Their        work        builds        upon       previous        work
282 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient} and the  generated cover sets do
283 not provide complete coverage of the monitoring zone.
284
285 %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.
286
287 In~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098},   the  authors   propose  a
288 heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to
289 compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a
290 maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer
291 programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they
292 design a heuristic to compute  the final number of covers. The results
293 show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of
294 produced  DSC in comparison  to~\cite{Slijepcevic01powerefficient}, but
295 it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed
296 integer      programming     solving.       %Cardei      and     Du
297 \cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098} propose a method to efficiently
298 compute the maximum  number of disjoint set covers  such that each set
299 can  monitor all  targets. They  first  transform the  problem into  a
300 maximum  flow   problem  which  is  formulated  as   a  mixed  integer
301 programming (MIP). Then their heuristic  uses the output of the MIP to
302 compute  disjoint  set  covers.  Results  show  that  this  heuristic
303 provides  a   number  of  set  covers  slightly   larger  compared  to
304 \cite{Slijepcevic01powerefficient}  but with  a larger  execution time
305 due  to the complexity  of the  mixed integer  programming resolution.
306 Zorbas  et  al.  \cite{Zorbas2007}  present  B\{GOP\},  a  centralized
307 coverage   algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization
308 depending on their  coverage status and the notion  of critical target
309 to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of
310 sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
311 $n$ is the number of sensors,  and $m$ the number of targets. Compared
312 to    algorithm's    results     of    Slijepcevic    and    Potkonjak
313 \cite{Slijepcevic01powerefficient},  their   heuristic  produces  more
314 cover sets with a slight growth rate in execution time.
315 %More recently Manju and Pujari\cite{Manju2011}
316
317 In the  case of non-disjoint algorithms  \cite{Manju2011}, sensors may
318 participate  in more  than  one cover  set.   In some  cases this  may
319 prolong  the lifetime  of the  network in  comparison to  the disjoint
320 cover set algorithms, but  designing algorithms for non-disjoint cover
321 sets  generally induces a  higher order  of complexity.   Moreover, in
322 case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling policies are less
323 resilient and less  reliable because a sensor may  be involved in more
324 than one  cover sets.  For instance,  Cardei et al.~\cite{cardei05bis}
325 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
326 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
327 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
328 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
329 lifetime         increases        compared         with        related
330 work~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098}.   In~\cite{berman04}, the
331 authors  have formulated  the lifetime  problem and  suggested another
332 (LP)  technique to  solve this  problem. A  centralized  solution  based      on      the     Garg-K\"{o}nemann
333 algorithm~\cite{garg98}, probably near
334 the optimal solution,    is also proposed.
335
336 {\bf Our contribution}
337
338 There are  three main questions which  should be addressed  to build a
339 scheduling strategy. We  give a brief answer to  these three questions
340 to describe our  approach before going into details  in the subsequent
341 sections.
342 \begin{itemize}
343 \item {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
344   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
345   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
346   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
347
348 \item {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
349   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
350   interest  to avoid  turning on  too many sensors covering  the same
351   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
352   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
353   objectives.
354
355 \item {\bf Which  node should make such a  decision?}  As mentioned in
356   \cite{pc10}, both centralized  and distributed algorithms have their
357   own  advantages and  disadvantages. Centralized  coverage algorithms
358   have the advantage  of requiring very low processing  power from the
359   sensor  nodes which  have usually  limited  processing capabilities.
360   Distributed  algorithms  are  very  adaptable  to  the  dynamic  and
361   scalable nature of sensors network.  Authors in \cite{pc10} conclude
362   that there is a threshold in  terms of network size to switch from a
363   localized  to  a  centralized  algorithm.  Indeed  the  exchange  of
364   messages  in large  networks may  consume a  considerable  amount of
365   energy in a centralized approach  compared to a distributed one. Our
366   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
367   the scheduling decision  to all the sensors.  When  the network size
368   increases,  the network  is  divided into  many  subregions and  the
369   decision is made by a leader in each subregion.
370 \end{itemize}
371
372 \section{Activity scheduling}
373 \label{pd}
374
375 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
376 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
377 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
378 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
379 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
380 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
381 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
382 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
383 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
384 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
385 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
386 figure~\ref{fig1}.
387
388 %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. \\ 
389
390 \begin{figure}[ht!]
391 \centering
392 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
393 \caption{Multi-round coverage protocol}
394 \label{fig1}
395 \end{figure} 
396
397 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
398 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
399 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
400 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
401 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
402 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
403 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
404 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
405 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
406 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
407 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
408 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
409 information (including their residual energy) at the beginning of each
410 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
411 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
412 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
413 each phase in more details.
414
415 \subsection{Information exchange phase}
416
417 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
418 the number of local neighbors  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
419 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
420 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
421 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
422 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
423 active mode.
424
425 %\subsection{\textbf Working Phase:}
426
427 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
428
429 \subsection{Leader election phase}
430 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL)
431 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
432 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
433 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
434 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
435 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
436 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
437 number  of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of
438 equality, larger index.
439
440 \subsection{Decision phase}
441 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
442 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
443 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
444 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
445 %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.
446 %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. 
447
448 \subsection{Sensing phase}
449 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
450 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
451 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
452 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
453 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
454 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
455 starting a new round.
456
457 %\subsection{Sensing coverage model}
458 %\label{pd}
459
460 %\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.
461 %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 $R_s$.
462 \noindent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
463 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
464 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
465 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
466 covered by this sensor. We also assume that the communication range is
467 at   least  twice    the size of the   sensing  range.   In  fact,   Zhang  and
468 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the
469 previous  hypothesis, a  complete coverage  of a  convex  area implies
470 connectivity among the working nodes in the active mode.
471 %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}:
472
473 %\begin{figure}[h!]
474 %\centering
475 %\begin{tabular}{cc}
476 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
477 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
478 %\end{tabular}
479 %\caption{Unit Circle in radians. }
480 %\label{fig:cluster1}
481 %\end{figure}
482
483 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
484 %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.
485 % 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.
486
487 \noindent Instead of working with the coverage area, we consider for each
488 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
489 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all the primary points of
490 this sensor are covered.
491 %\begin{figure}[h!]
492 %\centering
493 %\begin{tabular}{cc}
494 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
495 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
496 %\end{tabular}
497 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
498 %\label{fig:cluster2}
499 %\end{figure}
500 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
501 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
502 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
503 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
504 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
505 sensors, instead of using all the points in the area.
506
507 \noindent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
508 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
509 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
510 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
511 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
512 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
513 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
514 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
515 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
516 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
517 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
518 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
519 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
520 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
521 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
522 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
523 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
524
525  \begin{figure}[h!]
526 %\centering
527 % \begin{multicols}{6}
528 \centering
529 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
530 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
531 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
532 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
533 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
534 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
535 %\end{multicols} 
536 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
537 \label{fig2}
538 \end{figure}
539
540 \section{Coverage problem formulation}
541 \label{cp}
542 %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}:\\
543
544
545 %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}:\\
546
547 \noindent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
548 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
549 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
550 integer program which forces undercoverage and overcoverage of targets
551 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
552 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
553 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$  which  determine  the
554 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
555 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
556 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
557
558 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
559 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
560 \begin{equation}
561 \alpha_{jp} = \left \{ 
562 \begin{array}{l l}
563   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
564  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
565   0 & \mbox{otherwise.}\\
566 \end{array} \right.
567 %\label{eq12} 
568 \end{equation}
569 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
570 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
571 \begin{equation}
572 X_{j} = \left \{ 
573 \begin{array}{l l}
574   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
575   0 &  \mbox{otherwise.}\\
576 \end{array} \right.
577 %\label{eq11} 
578 \end{equation}
579 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
580 \begin{equation}
581  \Theta_{p} = \left \{ 
582 \begin{array}{l l}
583   0 & \mbox{if the primary point}\\
584     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
585   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
586 \end{array} \right.
587 \label{eq13} 
588 \end{equation}
589 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
590 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
591 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
592 by:
593 \begin{equation}
594 U_{p} = \left \{ 
595 \begin{array}{l l}
596   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
597   0 & \mbox{otherwise.}\\
598 \end{array} \right.
599 \label{eq14} 
600 \end{equation}
601
602 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
603 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
604 \left \{
605 \begin{array}{ll}
606 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
607 \textrm{subject to :}&\\
608 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
609 %\label{c1} 
610 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
611 %\label{c2}
612 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
613 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
614 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
615 \end{array}
616 \right.
617 \end{equation}
618 \begin{itemize}
619 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
620   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
621 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
622   one that are covering the primary point $p$;
623 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the principal point
624   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
625 \end{itemize}
626
627 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
628 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
629 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
630 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
631 objectives.  First we limit the overcoverage of primary points in order to
632 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
633  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
634 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
635 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
636 round.
637  
638 %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
639 %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.
640 %\subsection{Notations and assumptions}
641
642 %\begin{itemize}
643 %\item $m$ : the number of targets
644 %\item $n$ : the number of sensors
645 %\item $K$ : maximal number of cover sets
646 %\item $i$ : index of target ($i=1..m$)
647 %\item $j$ : index of sensor ($j=1..n$)
648 %\item $k$ : index of cover set ($k=1..K$)
649 %\item $T_0$ : initial set of targets
650 %\item $S_0$ : initial set of sensors
651 %\item $T $ : set of targets which are not covered by at least one cover set
652 %\item $S$ : set of available sensors
653 %\item $S_0(i)$ : set of sensors which cover the target $i$
654 %\item $T_0(j)$ : set of targets covered by sensor $j$
655 %\item $C_k$ : cover set of index $k$
656 %\item $T(C_k)$ : set of targets covered by the cover set $k$
657 %\item $NS(i)$ : set of  available sensors which cover the target $i$
658 %\item $NC(i)$ : set of cover sets which do not cover the target $i$
659 %\item $|.|$ : cardinality of the set
660
661 %\end{itemize}
662
663 \section{Simulation results}
664 \label{exp}
665
666 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
667 efficiency  and the relevance of  our approach,  using the  discrete event
668 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
669 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
670 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
671 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
672 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
673   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
674   field with the given sensing range.
675 10~simulation  runs  are performed  with
676 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
677 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
678 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
679 disconnected (some nodes may not be  able to send, to a base station, an
680 event they sense).
681
682 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
683 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
684 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
685 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
686 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
687 the sensing period which will last 60 seconds. Thus, an
688 active  node will  consume  12~joules during the sensing  phase, while  a
689 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
690 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
691 joules.  In  all  experiments  the  parameters  are  set  as  follows:
692 $R_s=5~m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
693
694 We  evaluate the  efficiency of  our approach by using  some performance
695 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
696 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
697 and number of stopped simulation runs.  Our approach called strategy~2
698 (with two leaders)  works with two subregions, each  one having a size
699 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
700 approaches. The first one,  called strategy~1 (with one leader), works
701 as strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
702 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
703 consists in uniformly dividing   the region into squares  of $(5 \times
704 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
705 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
706 phase.
707
708 \subsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
709
710 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
711 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
712 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
713 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
714 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
715 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
716 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
717 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
718 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
719 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
720 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
721 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
722 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
723 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~2 is
724 slightly more efficient than strategy 1, because strategy~2 subdivides
725 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
726 disconnected,  the coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
727 subregion.
728
729 \parskip 0pt 
730 \begin{figure}[h!]
731 \centering
732 \includegraphics[scale=0.55]{TheCoverageRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
733 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
734 \label{fig3}
735 \end{figure} 
736
737 \subsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
738
739 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
740 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
741 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
742 Ratio, which is defined as follows:
743 \begin{equation*}
744 \scriptsize
745 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
746 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
747 for the region}} \times 100.
748 \end{equation*}
749 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
750 for 150 deployed nodes.
751
752 \begin{figure}[h!]
753 \centering
754 \includegraphics[scale=0.55]{TheActiveSensorRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
755 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
756 \label{fig4}
757 \end{figure} 
758
759 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
760 both proposed  strategies, the strategy  with two leaders and  the one
761 with a  single leader,  in comparison with  the simple  heuristic. The
762 strategy with one leader uses less active nodes than the strategy with
763 two leaders until the last  rounds, because it uses central control on
764 the whole sensing field.  The  advantage of the strategy~2 approach is
765 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
766 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
767 lifetime of the network.
768
769 \subsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
770
771 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
772 This metric, called Energy Saving Ratio, is defined by:
773 \begin{equation*}
774 \scriptsize
775 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
776 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
777 \end{equation*}
778 The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are
779 switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
780 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
781 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
782
783 \begin{figure}[h!]
784 %\centering
785 % \begin{multicols}{6}
786 \centering
787 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergySavingRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
788 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
789 \label{fig5}
790 \end{figure} 
791
792 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
793 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
794 expected, the strategy with one leader is usually slightly better than
795 the second  strategy, because the  global optimization permits  to turn
796 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
797 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
798 number of  rounds increases  the two leaders'  strategy becomes  the most
799 performing one, since it takes longer  to have the two subregion networks
800 simultaneously disconnected.
801
802 \subsection{The number of stopped simulation runs}
803
804 We  will now  study  the number  of  simulations which  stopped due  to
805 network  disconnections per round  for each  of the  three approaches.
806 Figure~\ref{fig6} illustrates the average number of stopped simulation
807 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
808 simple heuristic is  the approach which  stops first because  the nodes
809 are   randomly chosen.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
810 centralized  one  first  exhibits  network  disconnections.   Thus,  as
811 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
812 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
813 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
814 optimization participates in extending the network lifetime.
815
816 \begin{figure}[h!]
817 \centering
818 \includegraphics[scale=0.55]{TheNumberofStoppedSimulationRuns150.eps} 
819 \caption{The number of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
820 \label{fig6}
821 \end{figure} 
822
823 \subsection{The energy consumption}
824
825 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
826 protocol  on the  performance of  the  strategy with  two leaders  and
827 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
828 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
829 by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
830 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
831 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
832 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
833 between networks having different densities.
834
835 Figure~\ref{fig7} illustrates the energy consumption for the different
836 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
837 strategy  with  two  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
838 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the strategy
839 with  one  leader, has  a  high energy  consumption  due  to  many
840 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
841 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
842 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
843 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
844 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
845 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
846 communications have a small impact on the network lifetime.
847
848 \begin{figure}[h!]
849 \centering
850 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergyConsumption.eps} 
851 \caption{The energy consumption}
852 \label{fig7}
853 \end{figure} 
854
855 \subsection{The impact of the number of sensors on execution time}
856
857 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
858 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
859 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
860 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
861 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
862 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
863 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
864 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
865 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the strategy
866 with  one  leader which  requires  to  solve  an optimization  problem
867 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
868 Moreover, increasing the network size by 50~nodes   multiplies the time
869 by  almost a  factor of  10. The  strategy with  two leaders  has more
870 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
871 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
872 nodes.   Overall,  to  be  able to  deal  with  very  large  networks,  a
873 distributed method is clearly required.
874
875 \begin{table}[ht]
876 \caption{The execution time(s) vs the number of sensors}
877 % title of Table
878 \centering
879
880 % used for centering table
881 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
882 % centered columns (4 columns)
883       \hline
884 %inserts double horizontal lines
885 Sensors number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple heuristic \\ [0.5ex]
886  & (with two leaders) & (with one leader) & \\ [0.5ex]
887 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
888 % inserts table
889 %heading
890 \hline
891 % inserts single horizontal line
892 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
893 % inserting body of the table
894 \hline
895 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
896 \hline
897 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
898 \hline
899 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
900 \hline
901 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
902 % [1ex] adds vertical space
903 \hline
904 %inserts single line
905 \end{tabular}
906 \label{table1}
907 % is used to refer this table in the text
908 \end{table}
909
910 \subsection{The network lifetime}
911
912 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
913 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
914 monitoring  an area has become  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
915 network  lifetime for different  network sizes  and for  both strategy
916 with two  leaders and the simple  heuristic is illustrated. 
917   We do  not consider  anymore the  centralized strategy  with one
918   leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
919   times that quickly become unsuitable for a sensor network.
920
921 \begin{figure}[h!]
922 %\centering
923 % \begin{multicols}{6}
924 \centering
925 \includegraphics[scale=0.5]{TheNetworkLifetime.eps} %\\~ ~ ~(a)
926 \caption{The network lifetime }
927 \label{fig8}
928 \end{figure} 
929
930 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
931 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach
932 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing the  best 
933 suited nodes, for each round,  to cover the  region of interest  and by
934 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
935 our strategy efficiently prolonges the network lifetime. Comparison shows that
936 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
937 the simple heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
938 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
939 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
940 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
941 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
942 the lifetime of a network.
943
944 \section{Conclusion and future works}
945 \label{sec:conclusion}
946
947 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
948 optimization  in wireless  sensor networks.   This is  a key  issue as
949 sensor nodes  have limited  resources in terms  of memory,  energy and
950 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
951 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
952 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
953 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
954 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
955 leader election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
956 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
957 the best  representative active nodes that will  optimize the network lifetime
958 while  taking   the  responsibility  of   covering  the  corresponding
959 subregion.   The network lifetime  in each  subregion is  divided into
960 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
961 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
962 select  the  nodes remaining  active  for  the  last phase,  and  (iv)
963 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed
964 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors ratio,
965 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
966 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
967 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
968 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
969 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
970 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
971
972 In  future work, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol which
973 computes  all  active  sensor  schedules  in  a  single  round,  using
974 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
975 algorithms.  This single  round  will still  consists  of 4  phases, but  the
976   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
977   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
978 The computation of all cover sets in one round is far more
979 difficult, but will reduce the communication overhead.
980
981 % use section* for acknowledgement
982 %\section*{Acknowledgment}
983
984 \bibliographystyle{IEEEtran}
985 \bibliography{bare_conf}
986
987 % that's all folks
988 \end{document}
989
990