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[UIC2013.git] / bare_conf.tex
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43
44 \begin{document}
45 %
46 % paper title
47 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
48 \title{Coverage and Lifetime Optimization in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
49
50 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
51 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS \\
52 University of Franche-Comt\'e  \\
53 Belfort, France\\
54 Email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}}
55
56 \maketitle
57
58
59 \begin{abstract}
60 One of  the fundamental challenges in Wireless  Sensor Networks (WSNs)
61 is  the coverage  preservation  and  the extension  of  the  network  lifetime
62 continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
63 region) of interest. In this paper, a coverage optimization protocol to
64 improve the lifetime in  heterogeneous energy wireless sensor networks
65 is proposed.   The area of  interest is first divided  into subregions
66 using a  divide-and-conquer method and then the scheduling  of sensor node
67 activity  is  planned for  each  subregion.   The proposed  scheduling
68 considers  rounds during  which  a small  number  of nodes,  remaining
69 active  for  sensing, is  selected  to  ensure  coverage.  Each  round
70 consists  of   four  phases:  (i)~Information   Exchange,  (ii)~Leader
71 Election, (iii)~Decision,  and (iv)~Sensing.  The  decision process is
72 carried  out  by  a  leader  node, which  solves  an  integer  program.
73 Simulation  results show that  the proposed  approach can  prolong the
74 network lifetime and improve the coverage performance.
75 \end{abstract}
76
77 \begin{IEEEkeywords}
78 Wireless Sensor Networks, Area Coverage, Network lifetime, Optimization, Scheduling.
79 \end{IEEEkeywords}
80 %\keywords{Area Coverage, Network lifetime, Optimization, Distributed Protocol}
81  
82 \IEEEpeerreviewmaketitle
83
84
85 \section{Introduction}
86
87 \noindent The fast developments in the low-cost sensor devices and wireless communications have allowed the emergence the WSNs. WSN includes a large number of small , limited-power sensors  that can sense, process and transmit
88  data over a wireless communication . They communicate with each other by using multi-hop wireless communications , cooperate together to monitor the area of interest, and the measured data can be reported
89  to a monitoring center
90 called, sink, for analysis it~\cite{Ammari01, Sudip03}. There are several applications used the WSN including health, home, environmental, military,and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
91 The coverage  problem is one of the fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and  continuously the area of interest. The limited energy of sensors represents the main challenge in the WSNs design~\cite{Ammari01}, where it is difficult to replace and/or
92  recharge their batteries because the the area of interest nature (such as hostile environments) and the cost. So, it is necessary that a WSN deployed with high density  because spatial redundancy can then be exploited to increase the lifetime of the network . However, turn on all the sensor nodes, which monitor the same region at the same time leads to decrease the lifetime of the network. To extend the lifetime of the network, the main idea is to take advantage of the overlapping sensing regions of some sensor nodes to save energy by turning off some of them during the sensing phase~\cite{Misra05}. WSNs require energy-efficient solutions to improve the network lifetime that is constrained by the limited power of each sensor node ~\cite{Akyildiz02}. 
93 In  this  paper,  we  concentrate on  the area
94 coverage  problem,  with  the  objective  of  maximizing  the  network
95 lifetime  by using  an adaptive  scheduling. The  area of  interest is
96 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
97 planned for  each subregion. 
98  In fact, the nodes in a  subregion can be seen as a cluster where
99   each node sends  sensing data to the cluster head  or the sink node.
100   Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even
101   if another cluster stops due to too many node failures.
102 Our scheduling  scheme considers rounds,  where a round starts  with a
103 discovery  phase  to  exchange  information  between  sensors  of  the
104 subregion,  in order to  choose in  a suitable manner  a sensor  node to
105 carry  out a coverage  strategy. This  coverage strategy  involves the
106 solving of  an integer  program, which provides  the activation  of the
107 sensors for the sensing phase of the current round.
108
109 The remainder of the paper is organized as follows.  The next section
110 % Section~\ref{rw}
111 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
112 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
113 Section~\ref{cp} gives the coverage model formulation, which is used to
114 schedule  the  activation  of  sensors.  Section~\ref{exp}  shows  the
115 simulation  results obtained  using  the discrete  event simulator OMNeT++  \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness  of the
116 proposed  approach.   Finally, we  give  concluding  remarks and  some
117 suggestions for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
118
119
120 \section{Related works}
121 \label{rw}
122 \indent In this section, we only review some recent work with the coverage lifetime maximization  problem, where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
123 order to  extend network lifetime  in WSNS. Authors  in \cite{chin2007}  propose  a novel
124 distributed  heuristic named  Distributed  Energy-efficient Scheduling
125 for k-coverage  (DESK) so  that the energy  consumption among  all the
126 sensors  is balanced,  and  network lifetime  is  maximized while  the
127 coverage requirement  is being  maintained.  This algorithm  works in
128 round, requires only  1-sensing-hop-neighbor information, and a sensor
129 decides  its status  (active/sleep)  based on  the perimeter  coverage
130 model, which  proposed in \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}. 
131 Shibo et al.\cite{Shibo} studied the coverage problem, which is formulated as a minimum weight submodular set cover problem. To address this problem, 
132  a distributed truncated greedy algorithm (DTGA) is proposed. They exploited from the  
133 temporal and spatialcorrelations among the data sensed by different sensor nodes and leverage
134 prediction to extend the WSNs lifetime.
135 Bang et al. \cite{Bang} proposed a coverage-aware clustering protocol(CACP), which used computation method for the optimal cluster size to minimize the average energy consumption rate per unit area. They defied in this protocol a cost metric that prefer the redundant sensors 
136 with higher power as best candidates for cluster heads and select the active sensors that cover the area of interest more efficiently.
137 Zhixin et al. \cite{Zhixin} propose a Distributed Energy-
138 Efficient Clustering with Improved Coverage(DEECIC) algorithm
139 which aims at clustering with the least number of cluster
140 heads to cover the whole network and assigning a unique ID
141 to each node based on local information. In addition, this
142 protocol periodically updates cluster heads according to the
143 joint information of nodes $’ $residual energy and distribution.
144 Although DEECIC does not require knowledge of a node's
145 geographic location, it guarantees full coverage of the
146 network. However, the protocol does not make any activity
147 scheduling to set redundant sensors in passive mode in order
148 to conserve energy. C. Liu and G. Cao \cite{Changlei} studied how to
149 schedule sensor active time to maximize their coverage during a specified network lifetime. Their objective is to maximize the spatial-temporal coverage by scheduling sensors activity after they have been deployed. They proposed both centralized and distributed algorithms. The distributed parallel optimization protocol can ensure each sensor to converge to local optimality without conflict with each other. S. Misra et al. \cite{Misra} proposed a localized algorithm for coverage in sensor
150 networks. The algorithm conserve the energy while ensuring the network coverage by activating the subset of sensors, with the minimum overlap area.The proposed method preserves
151 the network connectivity by formation of the network backbone. L. Zhang et al. \cite{Zhang} presented a novel distributed clustering algorithm
152 called Adaptive Energy Efficient Clustering (AEEC) to maximize network lifetime. In this study, they are introduced an optimization, which includes restricted global re-clustering,
153 intra-cluster node sleeping scheduling and adaptive
154 transmission range adjustment to conserve the energy, while connectivity and coverage is ensured. J. A. Torkestani \cite{Torkestani} proposed a learning automata-based energy-efficient coverage protocol
155  named as LAEEC to construct the degree-constrained connected dominating set (DCDS) in WSNs. He shows that the correct choice of the degree-constraint of DCDS balances the network load on the active nodes and leads to enhance the coverage and network lifetime.
156  
157 The main contribution of our approach addresses three main questions to build a
158 scheduling strategy. We  give a brief answer to  these three questions
159 to describe our  approach before going into details  in the subsequent
160 sections.
161 %\begin{itemize}
162 %\item 
163 {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
164   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
165   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
166   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
167
168 %\item 
169 {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
170   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
171   interest  to avoid  turning on  too many sensors covering  the same
172   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
173   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
174   objectives.
175
176 %\item 
177 {\bf Which  node should make such a  decision?}  As mentioned in
178   \cite{pc10}, both centralized  and distributed algorithms have their
179   own  advantages and  disadvantages. Centralized  coverage algorithms
180   have the advantage  of requiring very low processing  power from the
181   sensor  nodes, which  have usually  limited  processing capabilities.
182   Distributed  algorithms  are  very  adaptable  to  the  dynamic  and
183   scalable nature of sensors network.  Authors in \cite{pc10} conclude
184   that there is a threshold in  terms of network size to switch from a
185   localized  to  a  centralized  algorithm.  Indeed, the  exchange  of
186   messages  in large  networks may  consume a  considerable  amount of
187   energy in a centralized approach  compared to a distributed one. Our
188   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
189   the scheduling decision  to all the sensors.  When  the network size
190   increases,  the network  is  divided into  many  subregions and  the
191   decision is made by a leader in each subregion.
192 %\end{itemize}
193
194
195
196 \section{Activity scheduling}
197 \label{pd}
198
199 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
200 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
201 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
202 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
203 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
204 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
205 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
206 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
207 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
208 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
209 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
210 figure~\ref{fig1}.
211
212 %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. \\ 
213
214 \begin{figure}[ht!]
215 \centering
216 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
217 \caption{Multi-round coverage protocol}
218 \label{fig1}
219 \end{figure} 
220
221 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
222 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
223 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
224 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
225 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
226 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
227 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
228 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
229 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
230 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
231 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
232 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
233 information (including their residual energy) at the beginning of each
234 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
235 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
236 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
237 each phase in more details.
238
239 \subsection{Information exchange phase}
240
241 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
242 the number of local neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
243 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
244 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
245 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
246 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
247 active mode.
248
249 %\subsection{\textbf Working Phase:}
250
251 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
252
253 \subsection{Leader election phase}
254 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
255 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
256 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
257 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
258 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
259 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
260 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
261 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
262 equality, larger index.
263
264 \subsection{Decision phase}
265 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
266 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
267 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
268 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
269 %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.
270 %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. 
271
272 \subsection{Sensing phase}
273 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
274 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
275 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
276 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
277 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
278 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
279 starting a new round.
280
281 %\subsection{Sensing coverage model}
282 %\label{pd}
283
284 %\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.
285 %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 $R_s$.
286 \indent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
287 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
288 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
289 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
290 covered by this sensor. We also assume that the communication range is
291 at   least  twice    the size of the   sensing  range.   In  fact,   Zhang  and
292 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the
293 previous  hypothesis, a  complete coverage  of a  convex  area implies
294 connectivity among the working nodes in the active mode.
295 %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}:
296
297 %\begin{figure}[h!]
298 %\centering
299 %\begin{tabular}{cc}
300 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
301 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
302 %\end{tabular}
303 %\caption{Unit Circle in radians. }
304 %\label{fig:cluster1}
305 %\end{figure}
306
307 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
308 %We choose to representEach wireless sensor node will be represented into a selected number of primary points by which we can know if the sensor node is covered or not.
309 % Figure ~\ref{fig:cluster2} shows the selected primary points that represents the area of the sensor node and according to the sensing range of the wireless sensor node.
310
311 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each
312 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
313 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all the primary points of
314 this sensor are covered.
315 %\begin{figure}[h!]
316 %\centering
317 %\begin{tabular}{cc}
318 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
319 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
320 %\end{tabular}
321 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
322 %\label{fig:cluster2}
323 %\end{figure}
324 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
325 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
326 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
327 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
328 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
329 sensors, instead of using all the points in the area.
330
331 \indent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
332 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
333 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
334 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
335 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
336 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
337 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
338 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
339 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
340 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
341 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
342 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
343 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
344 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
345 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
346 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
347 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
348
349  \begin{figure}[h!]
350 %\centering
351 % \begin{multicols}{6}
352 \centering
353 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
354 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
355 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
356 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
357 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
358 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
359 %\end{multicols} 
360 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
361 \label{fig2}
362 \end{figure}
363
364 \section{Coverage problem formulation}
365 \label{cp}
366 %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}:\\
367
368
369 %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}:\\
370
371 \indent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
372 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
373 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
374 integer program, which forces undercoverage and overcoverage of targets
375 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
376 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
377 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$,  which  determine  the
378 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
379 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
380 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
381
382 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
383 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
384 \begin{equation}
385 \alpha_{jp} = \left \{ 
386 \begin{array}{l l}
387   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
388  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
389   0 & \mbox{otherwise.}\\
390 \end{array} \right.
391 %\label{eq12} 
392 \end{equation}
393 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
394 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
395 \begin{equation}
396 X_{j} = \left \{ 
397 \begin{array}{l l}
398   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
399   0 &  \mbox{otherwise.}\\
400 \end{array} \right.
401 %\label{eq11} 
402 \end{equation}
403 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
404 \begin{equation}
405  \Theta_{p} = \left \{ 
406 \begin{array}{l l}
407   0 & \mbox{if the primary point}\\
408     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
409   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
410 \end{array} \right.
411 \label{eq13} 
412 \end{equation}
413 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
414 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
415 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
416 by:
417 \begin{equation}
418 U_{p} = \left \{ 
419 \begin{array}{l l}
420   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
421   0 & \mbox{otherwise.}\\
422 \end{array} \right.
423 \label{eq14} 
424 \end{equation}
425
426 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
427 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
428 \left \{
429 \begin{array}{ll}
430 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
431 \textrm{subject to :}&\\
432 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
433 %\label{c1} 
434 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
435 %\label{c2}
436 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
437 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
438 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
439 \end{array}
440 \right.
441 \end{equation}
442 \begin{itemize}
443 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
444   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
445 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
446   one that are covering the primary point $p$;
447 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
448   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
449 \end{itemize}
450
451 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
452 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
453 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
454 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
455 objectives.  First, we limit the overcoverage of primary points in order to
456 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
457  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
458 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
459 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
460 round.
461  
462 %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
463 %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.
464 %\subsection{Notations and assumptions}
465
466 %\begin{itemize}
467 %\item $m$ : the number of targets
468 %\item $n$ : the number of sensors
469 %\item $K$ : maximal number of cover sets
470 %\item $i$ : index of target ($i=1..m$)
471 %\item $j$ : index of sensor ($j=1..n$)
472 %\item $k$ : index of cover set ($k=1..K$)
473 %\item $T_0$ : initial set of targets
474 %\item $S_0$ : initial set of sensors
475 %\item $T $ : set of targets which are not covered by at least one cover set
476 %\item $S$ : set of available sensors
477 %\item $S_0(i)$ : set of sensors which cover the target $i$
478 %\item $T_0(j)$ : set of targets covered by sensor $j$
479 %\item $C_k$ : cover set of index $k$
480 %\item $T(C_k)$ : set of targets covered by the cover set $k$
481 %\item $NS(i)$ : set of  available sensors which cover the target $i$
482 %\item $NC(i)$ : set of cover sets which do not cover the target $i$
483 %\item $|.|$ : cardinality of the set
484
485 %\end{itemize}
486
487 \section{Simulation results}
488 \label{exp}
489
490 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
491 efficiency  and the relevance of  our approach,  using the  discrete event
492 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
493 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
494 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
495 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
496 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
497   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
498   field with the given sensing range.
499 10~simulation  runs  are performed  with
500 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
501 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
502 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
503 disconnected (some nodes may not be  able to send, to a base station, an
504 event they sense).
505
506 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
507 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
508 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
509 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
510 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
511 the sensing period, which will last 60 seconds. Thus, an
512 active  node will  consume  12~joules during the sensing  phase, while  a
513 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
514 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
515 joules.  In  all  experiments,  the  parameters  are  set  as  follows:
516 $R_s=5~m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
517
518 We  evaluate the  efficiency of  our approach by using  some performance
519 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
520 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
521 and number of stopped simulation runs.  Our approach called strategy~2
522 (with two leaders)  works with two subregions, each  one having a size
523 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
524 approaches. The first one,  called strategy~1 (with one leader), works
525 as strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
526 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
527 consists in uniformly dividing   the region into squares  of $(5 \times
528 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
529 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
530 phase.
531
532 \subsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
533
534 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
535 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
536 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
537 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
538 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
539 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
540 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
541 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
542 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
543 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
544 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
545 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
546 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
547 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~2 is
548 slightly more efficient than strategy 1, because strategy~2 subdivides
549 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
550 disconnected,  the coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
551 subregion.
552
553 \parskip 0pt 
554 \begin{figure}[h!]
555 \centering
556 \includegraphics[scale=0.5]{TheCoverageRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
557 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
558 \label{fig3}
559 \end{figure} 
560
561 \subsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
562
563 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
564 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
565 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
566 Ratio (ASR), which is defined as follows:
567 \begin{equation*}
568 \scriptsize
569 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
570 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
571 for the region}} \times 100.
572 \end{equation*}
573 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
574 for 150 deployed nodes.
575
576 \begin{figure}[h!]
577 \centering
578 \includegraphics[scale=0.5]{TheActiveSensorRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
579 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
580 \label{fig4}
581 \end{figure} 
582
583 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
584 both proposed  strategies, the strategy  with two leaders and  the one
585 with a  single leader,  in comparison with  the simple  heuristic. The
586 strategy with one leader uses less active nodes than the strategy with
587 two leaders until the last  rounds, because it uses central control on
588 the whole sensing field.  The  advantage of the strategy~2 approach is
589 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
590 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
591 lifetime of the network.
592
593 \subsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
594
595 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
596 This metric, called Energy Saving Ratio (ESR), is defined by:
597 \begin{equation*}
598 \scriptsize
599 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
600 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
601 \end{equation*}
602 The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are
603 switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
604 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
605 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
606
607 \begin{figure}[h!]
608 %\centering
609 % \begin{multicols}{6}
610 \centering
611 \includegraphics[scale=0.5]{TheEnergySavingRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
612 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
613 \label{fig5}
614 \end{figure} 
615
616 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
617 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
618 expected, the strategy with one leader is usually slightly better than
619 the second  strategy, because the  global optimization permits  to turn
620 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
621 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
622 number of  rounds increases  the two leaders'  strategy becomes  the most
623 performing one, since it takes longer  to have the two subregion networks
624 simultaneously disconnected.
625
626 \subsection{The percentage of stopped simulation runs}
627
628 We  will now  study  the percentage  of  simulations, which  stopped due  to
629 network  disconnections per round  for each  of the  three approaches.
630 Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
631 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
632 simple heuristic is  the approach, which  stops first because  the nodes
633 are   randomly chosen.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
634 centralized  one  first  exhibits  network  disconnections.   Thus,  as
635 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
636 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
637 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
638 optimization participates in extending the network lifetime.
639
640 \begin{figure}[h!]
641 \centering
642 \includegraphics[scale=0.5]{TheNumberofStoppedSimulationRuns150g.eps} 
643 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
644 \label{fig6}
645 \end{figure} 
646
647 \subsection{The energy consumption}
648
649 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
650 protocol  on the  performance of  the  strategy with  two leaders  and
651 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
652 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
653 by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
654 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
655 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
656 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
657 between networks having different densities.
658
659 Figure~\ref{fig7} illustrates the energy consumption for the different
660 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
661 strategy  with  two  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
662 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the strategy
663 with  one  leader, has  a  high energy  consumption  due  to  many
664 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
665 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
666 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
667 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
668 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
669 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
670 communications have a small impact on the network lifetime.
671
672 \begin{figure}[h!]
673 \centering
674 \includegraphics[scale=0.5]{TheEnergyConsumptiong.eps} 
675 \caption{The energy consumption}
676 \label{fig7}
677 \end{figure} 
678
679 \subsection{The impact of the number of sensors on execution time}
680
681 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
682 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
683 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
684 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
685 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
686 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
687 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
688 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
689 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the strategy
690 with  one  leader, which  requires  to  solve  an optimization  problem
691 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
692 Moreover, increasing the network size by 50~nodes   multiplies the time
693 by  almost a  factor of  10. The  strategy with  two leaders  has more
694 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
695 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
696 nodes.   Overall,  to  be  able to  deal  with  very  large  networks,  a
697 distributed method is clearly required.
698
699 \begin{table}[ht]
700 \caption{THE EXECUTION TIME(S) VS THE NUMBER OF SENSORS}
701 % title of Table
702 \centering
703
704 % used for centering table
705 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
706 % centered columns (4 columns)
707       \hline
708 %inserts double horizontal lines
709 Sensors number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple heuristic \\ [0.5ex]
710  & (with two leaders) & (with one leader) & \\ [0.5ex]
711 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
712 % inserts table
713 %heading
714 \hline
715 % inserts single horizontal line
716 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
717 % inserting body of the table
718 \hline
719 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
720 \hline
721 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
722 \hline
723 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
724 \hline
725 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
726 % [1ex] adds vertical space
727 \hline
728 %inserts single line
729 \end{tabular}
730 \label{table1}
731 % is used to refer this table in the text
732 \end{table}
733
734 \subsection{The network lifetime}
735
736 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
737 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
738 monitoring  an area has become  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
739 network  lifetime for different  network sizes  and for  both strategy
740 with two  leaders and the simple  heuristic is illustrated. 
741   We do  not consider  anymore the  centralized strategy  with one
742   leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
743   times that quickly become unsuitable for a sensor network.
744
745 \begin{figure}[h!]
746 %\centering
747 % \begin{multicols}{6}
748 \centering
749 \includegraphics[scale=0.5]{TheNetworkLifetimeg.eps} %\\~ ~ ~(a)
750 \caption{The network lifetime }
751 \label{fig8}
752 \end{figure} 
753
754 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
755 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach
756 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing the  best 
757 suited nodes, for each round,  to cover the  region of interest  and by
758 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
759 our strategy efficiently prolonges the network lifetime. Comparison shows that
760 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
761 the simple heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
762 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
763 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
764 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
765 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
766 the lifetime of a network.
767
768 \section{Conclusion and future works}
769 \label{sec:conclusion}
770
771 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
772 optimization  in wireless  sensor networks.   This is  a key  issue as
773 sensor nodes  have limited  resources in terms  of memory,  energy and
774 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
775 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
776 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
777 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
778 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
779 leader election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
780 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
781 the best  representative active nodes that will  optimize the network lifetime
782 while  taking   the  responsibility  of   covering  the  corresponding
783 subregion.   The network lifetime  in each  subregion is  divided into
784 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
785 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
786 select  the  nodes remaining  active  for  the  last phase,  and  (iv)
787 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed
788 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors ratio,
789 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
790 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
791 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
792 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
793 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
794 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
795
796 In  future work, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol, which
797 computes  all  active  sensor  schedules  in  one time,  using
798 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
799 algorithms.  The round  will still  consist of 4  phases, but  the
800   decision phase will compute the schedules for several sensing phases,
801   which aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
802 The computation of all cover sets in one time is far more
803 difficult, but will reduce the communication overhead.
804 % use section* for acknowledgement
805 %\section*{Acknowledgment}
806
807
808
809
810 \bibliographystyle{IEEEtran}
811 \bibliography{bare_conf}
812
813
814 \end{document}
815
816