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[UIC2013.git] / bare_conf.tex
1  
2 \documentclass[conference]{IEEEtran}
3
4 \ifCLASSINFOpdf
5   
6 \else
7   
8 \fi
9
10 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
11
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31 \usepackage{caption}
32 \usepackage{multicol}
33
34
35 \begin{document}
36
37 \title{Energy-Efficient Activity Scheduling in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
38
39 % author names and affiliations
40 % use a multiple column layout for up to three different
41 % affiliations
42 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier }
43 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France \\
44 Email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
45 %\email{\{ali.idness, karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier\}@univ-fcomte.fr}
46 %\and
47 %\IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
48 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
49 %\and
50 %\IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
51 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
52 }
53
54 \maketitle
55
56 \begin{abstract}
57 One of  the fundamental challenges in Wireless  Sensor Networks (WSNs)
58 is  coverage  preservation  and  extension  of  the  network  lifetime
59 continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
60 region) of interest. In this paper a coverage optimization protocol to
61 improve the lifetime in  heterogeneous energy wireless sensor networks
62 is proposed.   The area of  interest is first divided  into subregions
63 using a  divide-and-conquer method and then scheduling  of sensor node
64 activity  is  planned for  each  subregion.   The proposed  scheduling
65 considers  rounds during  which  a small  number  of nodes,  remaining
66 active  for  sensing, is  selected  to  ensure  coverage.  Each  round
67 consists  of   four  phases:  (i)~Information   Exchange,  (ii)~Leader
68 Election, (iii)~Decision,  and (iv)~Sensing.  The  decision process is
69 carried  out  by  a  leader  node which  solves  an  integer  program.
70 Simulation  results show that  the proposed  approach can  prolong the
71 network lifetime and improve the coverage performance.
72 \end{abstract}
73
74 %\keywords{Area Coverage, Wireless Sensor Networks, lifetime Optimization, Distributed Protocol.}
75  
76 \IEEEpeerreviewmaketitle
77
78 \section{Introduction}
79
80 \noindent Recent years have witnessed significant advances in wireless
81 communications and embedded micro-sensing MEMS technologies which have
82 made  emerge wireless  sensor networks  as one  of the  most promising
83 technologies~\cite{asc02}.   In fact, they  present huge  potential in
84 several  domains ranging  from  health care  applications to  military
85 applications.  A sensor network is  composed of a large number of tiny
86 sensing  devices deployed  in a  region of  interest. Each  device has
87 processing  and wireless communication  capabilities, which  enable to
88 sense its environment, to compute, to store information and to deliver
89 report messages to a base station.
90 %These sensor nodes run on batteries with limited capacities. To achieve a long life of the network, it is important to conserve battery power. Therefore, lifetime optimisation is one of the most critical issues in wireless sensor networks.
91 One of the main design issues in Wireless Sensor Networks (WSNs) is to
92 prolong the  network lifetime,  while achieving acceptable  quality of
93 service for applications.  Indeed, sensor nodes have limited resources
94 in terms of memory, energy and computational power.
95
96 Since sensor nodes have limited battery life and without being able to
97 replace batteries,  especially in remote and  hostile environments, it
98 is desirable that  a WSN should be deployed  with high density because
99 spatial redundancy can  then be exploited to increase  the lifetime of
100 the network. In such a high  density network, if all sensor nodes were
101 to be  activated at the same  time, the lifetime would  be reduced. To
102 extend the lifetime  of the network, the main idea  is to take benefit
103 from  the overlapping  sensing regions  of some  sensor nodes  to save
104 energy  by  turning  off  some  of  them  during  the  sensing  phase.
105 Obviously, the deactivation of nodes  is only relevant if the coverage
106 of the monitored area  is not affected.  Consequently, future software
107 may  need to  adapt  appropriately to  achieve  acceptable quality  of
108 service  for  applications.  In  this  paper  we  concentrate on  area
109 coverage  problem,  with  the  objective  of  maximizing  the  network
110 lifetime  by using  an adaptive  scheduling. The  area of  interest is
111 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
112 planned for  each subregion. 
113  In fact, the nodes in a  subregion can be seen as a cluster where
114   each node sends  sensing data to the cluster head  or the sink node.
115   Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even
116   if another cluster stops due to too much node failures.
117 Our scheduling  scheme considers rounds,  where a round starts  with a
118 discovery  phase  to  exchange  information  between  sensors  of  the
119 subregion,  in order to  choose in  suitable manner  a sensor  node to
120 carry  out a coverage  strategy. This  coverage strategy  involves the
121 solving of  an integer  program which provides  the activation  of the
122 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 to
129 schedule  the  activation  of  sensors.  Section~\ref{exp}  shows  the
130 simulation  results obtained  using  the discrete  event simulator  on
131 OMNET++  \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness  of the
132 proposed  approach.   Finally, we  give  concluding  remarks and  some
133 suggestions for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
134
135 \section{Related Works}
136 \label{rw}
137
138 \noindent This section is dedicated to the various approaches proposed
139 in  the literature  for  the coverage  lifetime maximization  problem,
140 where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
141 order to  extend network lifetime  in a randomly deployed  network. As
142 this problem is subject to a wide range of interpretations, we suggest
143 to recall main definitions and assumptions related to our work.
144
145 %\begin{itemize}
146 %\item Area Coverage: The main objective is to cover an area. The area coverage requires
147 %that the sensing range of working Active nodes cover the whole targeting area, which means any
148 %point in target area can be covered~\cite{Mihaela02,Raymond03}.
149
150 %\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}. 
151
152 %\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}.
153 %\end{itemize}
154 {\bf Coverage}
155
156 The most  discussed coverage problems in literature  can be classified
157 into two types \cite{ma10}: area coverage (also called full or blanket
158 coverage) and target coverage.  An  area coverage problem is to find a
159 minimum number of sensors to work such that each physical point in the
160 area is within the sensing range  of at least one working sensor node.
161 Target coverage problem  is to cover only a  finite number of discrete
162 points  called targets.   This type  of coverage  has  mainly military
163 applications. Our work will concentrate on the area coverage by design
164 and implementation of a  strategy which efficiently selects the active
165 nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
166 connectivity and in the same time improve the lifetime of the wireless
167 sensor  network.   But  requiring  that  all physical  points  of  the
168 considered region are covered may  be too strict, especially where the
169 sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
170 by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
171 number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
172 minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
173 simultaneously).
174
175 {\bf Lifetime}
176
177 Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
178 network~\cite{die09}.  Main definitions proposed in the literature are
179 related to the  remaining energy of the nodes or  to the percentage of
180 coverage. The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
181 of  time that  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
182 amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
183 area or targets of interest). In this work, we assume that the network
184 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
185 sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
186 during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
187 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
188 transmit information on an event in the area that it monitors.
189
190 {\bf Activity scheduling}
191
192 Activity scheduling is to  schedule the activation and deactivation of
193 sensor nodes.  The  basic objective is to decide  which sensors are in
194 what states (active or sleeping mode)  and for how long, such that the
195 application  coverage requirement  can be  guaranteed and  the network
196 lifetime can be  prolonged. Various approaches, including centralized,
197 distributed, and localized algorithms, have been proposed for activity
198 scheduling.  In  the distributed algorithms, each node  in the network
199 autonomously makes decisions on whether  to turn on or turn off itself
200 only using  local neighbor information. In  centralized algorithms, a
201 central controller  (a node or  base station) informs every  sensors of
202 the time intervals to be activated.
203
204 {\bf Distributed approaches}
205
206 Some      distributed     algorithms      have      been     developed
207 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}  to perform the
208 scheduling.   Distributed algorithms typically  operate in  rounds for
209 predetermined  duration. At  the  beginning of  each  round, a  sensor
210 exchange information with its neighbors and makes a decision to either
211 remain turned  on or to  go to sleep  for the round. This  decision is
212 basically based  on simple greedy criteria like  the largest uncovered
213 area   \cite{Berman05efficientenergy},   maximum   uncovered   targets
214 \cite{1240799}.   In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme  is divided
215 into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by
216 a sensing phase.  Each sensor  broadcasts a message containing node ID
217 and node location  to its neighbors at the beginning  of each round. A
218 sensor determines  its status by  a rule named off-duty  eligible rule
219 which tells  him to  turn off if  its sensing  area is covered  by its
220 neighbors. A  back-off scheme is  introduced to let each  sensor delay
221 the decision process  with a random period of time,  in order to avoid
222 that nodes  make conflicting decisions simultaneously and  that a part
223 of       the       area        is       no       longer       covered.
224 \cite{Prasad:2007:DAL:1782174.1782218}  defines a model  for capturing
225 the dependencies  between different cover sets  and proposes localized
226 heuristic  based on this  dependency.  The  algorithm consists  of two
227 phases, an initial  setup phase during which each  sensor computes and
228 prioritize the  covers and  a sensing phase  during which  each sensor
229 first decides  its on/off status, and  then remains on or  off for the
230 rest  of the  duration.  Authors  in \cite{chin2007}  propose  a novel
231 distributed  heuristic named  Distributed  Energy-efficient Scheduling
232 for k-coverage  (DESK) so  that the energy  consumption among  all the
233 sensors  is balanced,  and  network lifetime  is  maximized while  the
234 coverage requirements  is being  maintained.  This algorithm  works in
235 round, requires only  1-sensing-hop-neighbor information, and a sensor
236 decides  its status  (active/sleep)  based on  its perimeter  coverage
237 computed  through the k-Non-Unit-disk  coverage algorithm  proposed in
238 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
239
240 Some others approaches do  not consider synchronized and predetermined
241 period  of time  where the  sensors are  active or  not.  Indeed, each
242 sensor  maintains its  own timer  and its  time wake-up  is randomized
243 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei05} over time.
244 %A ecrire \cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}p33
245
246 %The scheduling information is disseminated throughout the network and only sensors in the active state are responsible
247 %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
248 %period of time.
249
250  %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. 
251
252 %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. 
253
254 {\bf Centralized approaches}
255
256 Power  efficient  centralized  schemes  differ  according  to  several
257 criteria \cite{Cardei:2006:ECP:1646656.1646898},  such as the coverage
258 objective  (target coverage  or  area coverage),  the node  deployment
259 method (random or deterministic) and the heterogeneity of sensor nodes
260 (common sensing range, common battery lifetime). The major approach is
261 to divide/organize  the sensors into  a suitable number of  set covers
262 where each  set completely covers  an interest region and  to activate
263 these set covers successively.
264
265 First algorithms  proposed in the  literature consider that  the cover
266 sets  are  disjoint: a  sensor  node appears  in  exactly  one of  the
267 generated  cover  sets.    For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak
268 \cite{Slijepcevic01powerefficient}   propose    an   algorithm   which
269 allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area
270 divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by
271 including in  priority the sensor  nodes which cover  critical fields,
272 that  is to  say fields  that are  covered by  the smallest  number of
273 sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$
274 is the number of  sensors.  \cite{cardei02}~describes a graph coloring
275 technique  to achieve energy  savings by  organizing the  sensor nodes
276 into a maximum number of  disjoint dominating sets which are activated
277 successively. The dominating sets do not guarantee the coverage of the
278 whole        region        of        interest.        Abrams        et
279 al.~\cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}  design  three  approximation
280 algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the
281 objective is to partition the sensors into covers such that the number
282 of covers that  include an area, summed over  all areas, is maximized.
283 Their        work        builds        upon       previous        work
284 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient} and the  generated cover sets do
285 not provide complete coverage of the monitoring zone.
286
287 %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.
288
289 In~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098},   the  authors   propose  a
290 heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to
291 compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a
292 maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer
293 programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they
294 design a heuristic to compute  the final number of covers. The results
295 show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of
296 produced  DSC in comparison  to~\cite{Slijepcevic01powerefficient}, but
297 it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed
298 integer      programming     solving.       %Cardei      and     Du
299 \cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098} propose a method to efficiently
300 compute the maximum  number of disjoint set covers  such that each set
301 can  monitor all  targets. They  first  transform the  problem into  a
302 maximum  flow   problem  which  is  formulated  as   a  mixed  integer
303 programming (MIP). Then their heuristic  uses the output of the MIP to
304 compute  disjoint  set  covers.  Results  show  that  these  heuristic
305 provides  a   number  of  set  covers  slightly   larger  compared  to
306 \cite{Slijepcevic01powerefficient}  but with  a larger  execution time
307 due  to the complexity  of the  mixed integer  programming resolution.
308 Zorbas  et  al.  \cite{Zorbas2007}  present  B\{GOP\},  a  centralized
309 coverage   algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization
310 depending on their  coverage status and the notion  of critical target
311 to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of
312 sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
313 $n$ is the number of sensors,  and $m$ the number of targets. Compared
314 to    algorithm's    results     of    Slijepcevic    and    Potkonjak
315 \cite{Slijepcevic01powerefficient},  their   heuristic  produces  more
316 cover sets with a slight growth rate in execution time.
317 %More recently Manju and Pujari\cite{Manju2011}
318
319 In the  case of non-disjoint algorithms  \cite{Manju2011}, sensors may
320 participate  in more  than  one cover  set.   In some  cases this  may
321 prolong  the lifetime  of the  network in  comparison to  the disjoint
322 cover set algorithms, but  designing algorithms for non-disjoint cover
323 sets  generally induces a  higher order  of complexity.   Moreover, in
324 case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling policies are less
325 resilient and less  reliable because a sensor may  be involved in more
326 than one  cover sets.  For instance,  Cardei et al.~\cite{cardei05bis}
327 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
328 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
329 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
330 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
331 lifetime         increases        compared         with        related
332 work~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098}.   In~\cite{berman04}, the
333 authors  have formulated  the lifetime  problem and  suggested another
334 (LP)  technique to  solve this  problem. A  centralized  provably near
335 optimal      solution     based      on      the     Garg-K\"{o}nemann
336 algorithm~\cite{garg98} is also proposed.
337
338 {\bf Our contribution}
339
340 There are  three main questions which  should be addressed  to build a
341 scheduling strategy. We  give a brief answer to  these three questions
342 to describe our  approach before going into details  in the subsequent
343 sections.
344 \begin{itemize}
345 \item {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
346   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
347   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
348   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
349
350 \item {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
351   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
352   interest  to avoid  turning on  too much  sensors covering  the same
353   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
354   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
355   objectives.
356
357 \item {\bf  Which node  should make such  decision?}  As  mentioned in
358   \cite{pc10}, both centralized  and distributed algorithms have their
359   own  advantages and  disadvantages. Centralized  coverage algorithms
360   have the advantage  of requiring very low processing  power from the
361   sensor  nodes which  have usually  limited  processing capabilities.
362   Distributed  algorithms  are  very  adaptable  to  the  dynamic  and
363   scalable nature of sensors network.  Authors in \cite{pc10} conclude
364   that there is a threshold in  terms of network size to switch from a
365   localized  to  a  centralized  algorithm.  Indeed  the  exchange  of
366   messages  in large  networks may  consume a  considerable  amount of
367   energy in  a localized approach  compared to a centralized  one. Our
368   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
369   the  schedule decision  to all  the sensors.  When the  network size
370   increases,  the  network  is  divided  in many  subregions  and  the
371   decision is made by a leader in each subregion.
372 \end{itemize}
373
374 \section{Activity Scheduling}
375 \label{pd}
376
377 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
378 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
379 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
380 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
381 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
382 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
383 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
384 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
385 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
386 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
387 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
388 figure~\ref{fig1}.
389
390 %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. \\ 
391
392 \begin{figure}[ht!]
393 \centering
394 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
395 \caption{Multi-round coverage protocol}
396 \label{fig1}
397 \end{figure} 
398
399 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
400 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
401 exactly one set cover responsible  for sensing task.  This protocol is
402 more reliable  against the unexpectedly node failure  because it works
403 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
404 taking the decision, the node will not participate to this phase, and,
405 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
406 sensing task of the network  will be affected temporarily: only during
407 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
408 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
409 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
410 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
411 information (including their residual energy) at the beginning of each
412 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
413 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
414 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
415 each phase in more detail.
416
417 \subsection{INFOrmation Exchange Phase}
418
419 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
420 the number of local neighbors  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
421 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
422 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
423 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
424 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
425 active mode.
426
427 %\subsection{\textbf Working Phase:}
428
429 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
430
431 \subsection{Leader Election Phase}
432 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL)
433 which  will  be  responsible  of executing  coverage  algorithm.  Each
434 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
435 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
436 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
437 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
438 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
439 number  of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of
440 equality, larger index.
441
442 \subsection{Decision Phase}
443 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
444 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
445 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
446 sensor in the subregion based on algorithm's results.
447 %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.
448 %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. 
449
450 \subsection{Sensing Phase}
451 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
452 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
453 that the cost  of keeping a node awake (or sleep)  for sensing task is
454 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
455 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
456 awake or  go sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
457 starting a new round.
458
459 %\subsection{Sensing coverage model}
460 %\label{pd}
461
462 %\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.
463 %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 $R_s$.
464 \noindent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
465 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
466 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
467 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
468 covered by this sensor. We also assume that the communication range is
469 at   least  twice   of  the   sensing  range.   In  fact,   Zhang  and
470 Zhou~\cite{Zhang05} prove that if  the transmission range fulfills the
471 previous  hypothesis, a  complete coverage  of a  convex  area implies
472 connectivity among the working nodes in the active mode.
473 %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}:
474
475 %\begin{figure}[h!]
476 %\centering
477 %\begin{tabular}{cc}
478 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
479 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
480 %\end{tabular}
481 %\caption{Unit Circle in radians. }
482 %\label{fig:cluster1}
483 %\end{figure}
484
485 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
486 %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.
487 % 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.
488
489 \noindent Instead of working with  area coverage, we consider for each
490 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
491 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all primary points of
492 this sensor are covered.
493 %\begin{figure}[h!]
494 %\centering
495 %\begin{tabular}{cc}
496 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
497 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
498 %\end{tabular}
499 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
500 %\label{fig:cluster2}
501 %\end{figure}
502 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
503 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
504 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
505 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
506 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
507 sensors, instead of using all points in the area.
508
509 \noindent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
510 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
511 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
512 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
513 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
514 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
515 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
516 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
517 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
518 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
519 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
520 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
521 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
522 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
523 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
524 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
525 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
526
527  \begin{figure}[h!]
528 %\centering
529 % \begin{multicols}{6}
530 \centering
531 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
532 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
533 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
534 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
535 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
536 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
537 %\end{multicols} 
538 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
539 \label{fig2}
540 \end{figure}
541
542 \section{Coverage Problem Formulation}
543 \label{cp}
544 %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}:\\
545
546
547 %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}:\\
548
549 \noindent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
550 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
551 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  propose an
552 integer program which forces undercoverage and overcoverage of targets
553 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
554 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
555 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$  which  determine  the
556 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
557 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
558 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
559
560 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
561 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
562 \begin{equation}
563 \alpha_{jp} = \left \{ 
564 \begin{array}{l l}
565   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
566  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
567   0 & \mbox{otherwise.}\\
568 \end{array} \right.
569 %\label{eq12} 
570 \end{equation}
571 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
572 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
573 \begin{equation}
574 X_{j} = \left \{ 
575 \begin{array}{l l}
576   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
577   0 &  \mbox{otherwise.}\\
578 \end{array} \right.
579 %\label{eq11} 
580 \end{equation}
581 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
582 \begin{equation}
583  \Theta_{p} = \left \{ 
584 \begin{array}{l l}
585   0 & \mbox{if point $p$ is not covered,}\\
586   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
587 \end{array} \right.
588 \label{eq13} 
589 \end{equation}
590 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
591 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
592 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
593 by:
594 \begin{equation}
595 U_{p} = \left \{ 
596 \begin{array}{l l}
597   1 &\mbox{if point $p$ is not covered,} \\
598   0 & \mbox{otherwise.}\\
599 \end{array} \right.
600 \label{eq14} 
601 \end{equation}
602
603 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
604 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
605 \left \{
606 \begin{array}{ll}
607 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
608 \textrm{subject to :}&\\
609 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
610 %\label{c1} 
611 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
612 %\label{c2}
613 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
614 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
615 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
616 \end{array}
617 \right.
618 \end{equation}
619 \begin{itemize}
620 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
621   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
622 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
623   one that are covering the primary point $p$;
624 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not point
625   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
626 \end{itemize}
627
628 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
629 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
630 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balance  the
631 restriction  equation by taking  positive values.  There are  two main
632 objectives.  First we limit overcoverage of primary points in order to
633 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent that parts of
634 the  subregion are  not  monitored by  minimizing undercoverage.   The
635 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
636 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
637 round.
638  
639 %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
640 %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.
641 %\subsection{Notations and assumptions}
642
643 %\begin{itemize}
644 %\item $m$ : the number of targets
645 %\item $n$ : the number of sensors
646 %\item $K$ : maximal number of cover sets
647 %\item $i$ : index of target ($i=1..m$)
648 %\item $j$ : index of sensor ($j=1..n$)
649 %\item $k$ : index of cover set ($k=1..K$)
650 %\item $T_0$ : initial set of targets
651 %\item $S_0$ : initial set of sensors
652 %\item $T $ : set of targets which are not covered by at least one cover set
653 %\item $S$ : set of available sensors
654 %\item $S_0(i)$ : set of sensors which cover the target $i$
655 %\item $T_0(j)$ : set of targets covered by sensor $j$
656 %\item $C_k$ : cover set of index $k$
657 %\item $T(C_k)$ : set of targets covered by the cover set $k$
658 %\item $NS(i)$ : set of  available sensors which cover the target $i$
659 %\item $NC(i)$ : set of cover sets which do not cover the target $i$
660 %\item $|.|$ : cardinality of the set
661
662 %\end{itemize}
663
664 \section{Simulation Results}
665 \label{exp}
666
667 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
668 efficiency  and relevance of  our approach,  using the  discrete event
669 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
670 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
671 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
672 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
673 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
674   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
675   field with the given sensing range.
676 10~simulation  runs  are performed  with
677 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
678 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
679 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
680 disconnected (some nodes may not be  able to sent to a base station an
681 event they sense).
682
683 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
684 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
685 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
686 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
687 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
688 the sensing period which will have  a duration of 60 seconds. Thus, an
689 active  node will  consume  12~joules during  sensing  phase, while  a
690 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
691 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
692 joules.  In  all  experiments  the  parameters  are  set  as  follows:
693 $R_s=5m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
694
695 We  evaluate the  efficiency of  our approach  using  some performance
696 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
697 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
698 and number of stopped simulation runs.  Our approach called Strategy~2
699 (with Two Leaders)  works with two subregions, each  one having a size
700 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
701 approaches. The first one,  called Strategy~1 (with One Leader), works
702 as Strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
703 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
704 consists in dividing  uniformly the region into squares  of $(5 \times
705 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
706 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
707 phase.
708
709 \subsection{The impact of the Number of Rounds on Coverage Ratio} 
710
711 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
712 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
713 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
714 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
715 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
716 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
717 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
718 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
719 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
720 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
721 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
722 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
723 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
724 maintain the full coverage for  larger number of rounds. Strategy~2 is
725 slightly more efficient that strategy 1, because strategy~2 subdivides
726 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
727 disconnected,  coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
728 subregion.
729
730 \parskip 0pt 
731 \begin{figure}[h!]
732 \centering
733 \includegraphics[scale=0.55]{TheCoverageRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
734 \caption{The impact of the Number of Rounds on Coverage Ratio for 150 deployed nodes}
735 \label{fig3}
736 \end{figure} 
737
738 \subsection{The impact of the Number of Rounds on Active Sensors Ratio} 
739
740 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
741 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
742 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
743 Ratio, which is defined as follows:
744 \begin{equation*}
745 \scriptsize
746 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
747 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
748 for the region}} \times 100.
749 \end{equation*}
750 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
751 for 150 deployed nodes.
752
753 \begin{figure}[h!]
754 \centering
755 \includegraphics[scale=0.55]{TheActiveSensorRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
756 \caption{The impact of the Number of Rounds on Active Sensors Ratio for 150 deployed nodes }
757 \label{fig4}
758 \end{figure} 
759
760 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
761 both proposed  strategies, the Strategy  with Two Leaders and  the one
762 with a  single Leader,  in comparison with  the Simple  Heuristic. The
763 Strategy with One Leader uses less active nodes than the Strategy with
764 Two Leaders until the last  rounds, because it uses central control on
765 the whole sensing field.  The  advantage of the Strategy~2 approach is
766 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
767 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
768 lifetime of the network.
769
770 \subsection{The impact of the Number of Rounds on Energy Saving Ratio} 
771
772 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
773 This metric, called Energy Saving Ratio, is defined by:
774 \begin{equation*}
775 \scriptsize
776 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
777 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
778 \end{equation*}
779 The  longer the ratio  is high,  the more  redundant sensor  nodes are
780 switched off, and consequently  the longer the  network may  be alive.
781 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
782 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
783
784 \begin{figure}[h!]
785 %\centering
786 % \begin{multicols}{6}
787 \centering
788 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergySavingRatio150.eps} %\\~ ~ ~(a)
789 \caption{The impact of the Number of Rounds on Energy Saving Ratio for 150 deployed nodes}
790 \label{fig5}
791 \end{figure} 
792
793 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
794 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
795 expected, the Strategy with One Leader is usually slightly better than
796 the second  strategy, because the  global optimization permit  to turn
797 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
798 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
799 number of  rounds increases  the two leader  strategy becomes  the most
800 performing, since its takes longer  to have the two subregion networks
801 simultaneously disconnected.
802
803 \subsection{The Number of Stopped Simulation Runs}
804
805 We  will now  study  the number  of  simulation which  stopped due  to
806 network  disconnection, per round  for each  of the  three approaches.
807 Figure~\ref{fig6} illustrates the average number of stopped simulation
808 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
809 heuristic is  the approach which  stops the earlier because  the nodes
810 are  chosen   randomly.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
811 centralized  one  first  exhibits  network  disconnection.   Thus,  as
812 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
813 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
814 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
815 optimization participates in extending the lifetime.
816
817 \begin{figure}[h!]
818 \centering
819 \includegraphics[scale=0.55]{TheNumberofStoppedSimulationRuns150.eps} 
820 \caption{The Number of Stopped Simulation Runs against Rounds for 150 deployed nodes }
821 \label{fig6}
822 \end{figure} 
823
824 \subsection{The Energy Consumption}
825
826 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
827 protocol  on the  performance of  the  Strategy with  Two Leaders  and
828 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
829 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
830 considering the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
831 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
832 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
833 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
834 between networks having different densities.
835
836 Figure~\ref{fig7} illustrates the Energy Consumption for the different
837 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
838 Strategy  with  Two  Leaders  is  the  most  competitive  from  energy
839 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the Strategy
840 with  One  Leader, has  a  high energy  consumption  due  to the  many
841 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
842 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
843 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
844 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
845 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
846 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
847 communications have a small impact on the lifetime.
848
849 \begin{figure}[h!]
850 \centering
851 \includegraphics[scale=0.55]{TheEnergyConsumption.eps} 
852 \caption{The Energy Consumption  }
853 \label{fig7}
854 \end{figure} 
855
856 \subsection{The impact of Number of Sensors on Execution Time}
857
858 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
859 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
860 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
861 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.
862 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
863 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
864 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
865 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
866 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the Strategy
867 with  One  Leader which  requires  to  solve  an optimization  problem
868 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
869 Moreover, increasing of 50~nodes  the network size multiplies the time
870 by  almost a  factor of  10. The  Strategy with  Two Leaders  has more
871 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
872 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
873 nodes.   Overall,  to  be  able   deal  with  very  large  networks  a
874 distributed method is clearly required.
875
876 \begin{table}[ht]
877 \caption{The Execution Time(s) vs The Number of Sensors}
878 % title of Table
879 \centering
880
881 % used for centering table
882 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
883 % centered columns (4 columns)
884       \hline
885 %inserts double horizontal lines
886 Sensors Number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
887  & (with Two Leaders) & (with One Leader) & \\ [0.5ex]
888 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
889 % inserts table
890 %heading
891 \hline
892 % inserts single horizontal line
893 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
894 % inserting body of the table
895 \hline
896 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
897 \hline
898 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
899 \hline
900 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
901 \hline
902 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
903 % [1ex] adds vertical space
904 \hline
905 %inserts single line
906 \end{tabular}
907 \label{table1}
908 % is used to refer this table in the text
909 \end{table}
910
911 \subsection{The Network Lifetime}
912
913 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
914 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
915 monitoring  an area becomes  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
916 network  lifetime for different  network sizes  and for  both Strategy
917 with Two  Leaders and the Simple  Heuristic is illustrated. 
918   We do  not consider  anymore the  centralized Strategy  with One
919   Leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
920   times that quickly become unsuitable for a sensor network.
921
922 \begin{figure}[h!]
923 %\centering
924 % \begin{multicols}{6}
925 \centering
926 \includegraphics[scale=0.5]{TheNetworkLifetime.eps} %\\~ ~ ~(a)
927 \caption{The Network Lifetime }
928 \label{fig8}
929 \end{figure} 
930
931 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
932 increases when  the size  of the network  increase, with  our approach
933 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing for each
934 round the  well suited nodes  to cover the  region of interest  and by
935 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
936 our strategy efficiently prolongs the lifetime. Comparison shows that
937 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
938 the Simple Heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
939 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
940 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
941 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
942 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
943 the lifetime of a network.
944
945 \section{Conclusions and Future Works}
946 \label{sec:conclusion}
947
948 In this paper, we have  addressed the problem of coverage and lifetime
949 optimization  in wireless  sensor networks.   This is  a key  issue as
950 sensor nodes  have limited  resources in terms  of memory,  energy and
951 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
952 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
953 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
954 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
955 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
956 Leader Election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
957 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
958 the best  representative active nodes that will  optimize the lifetime
959 while  taking   the  responsibility  of   covering  the  corresponding
960 subregion.   The network lifetime  in each  subregion is  divided into
961 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
962 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
963 select  the  nodes remaining  active  for  the  last phase,  and  (iv)
964 Sensing.  The  simulations results show the relevance  of the proposed
965 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors Ratio,
966 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
967 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
968 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
969 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
970 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
971 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
972
973 In  future, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol which
974 computes  all  active  sensor  schedules  in  a  single  round,  using
975 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
976 algorithms.  This single  round  will still  consists  of 4  phases, but  the
977   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
978   which aggregated together define a kind of meta-sensing phase.
979 The computation of all cover sets in one round is far more
980 difficult, but will reduce the communication overhead.
981
982 % use section* for acknowledgement
983 %\section*{Acknowledgment}
984
985 \bibliographystyle{IEEEtran}
986 \bibliography{bare_conf}
987
988 % that's all folks
989 \end{document}
990
991