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[UIC2013.git] / bare_conf.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
3 \ifCLASSINFOpdf
4   
5 \else
6   
7 \fi
8
9 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
10
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37
38 \begin{document}
39
40 \title{Coverage and Lifetime Optimization in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
41
42 %Activity Scheduling for Coverage and Lifetime Optimization in  Wireless Sensor Networks}
43
44 % author names and affiliations
45 % use a multiple column layout for up to three different
46 % affiliations
47 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier }
48 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France \\
49 Email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
50 %\email{\{ali.idness, karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier\}@univ-fcomte.fr}
51 %\and
52 %\IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
53 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
54 %\and
55 %\IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
56 %\IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute, UMR CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
57 }
58
59 \maketitle
60
61 \begin{abstract}
62 One of  the fundamental challenges in Wireless  Sensor Networks (WSNs)
63 is  the coverage  preservation  and  the extension  of  the  network  lifetime
64 continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
65 region) of interest. In this paper a coverage optimization protocol to
66 improve the lifetime in  heterogeneous energy wireless sensor networks
67 is proposed.   The area of  interest is first divided  into subregions
68 using a  divide-and-conquer method and then the scheduling  of sensor node
69 activity  is  planned for  each  subregion.   The proposed  scheduling
70 considers  rounds during  which  a small  number  of nodes,  remaining
71 active  for  sensing, is  selected  to  ensure  coverage.  Each  round
72 consists  of   four  phases:  (i)~Information   Exchange,  (ii)~Leader
73 Election, (iii)~Decision,  and (iv)~Sensing.  The  decision process is
74 carried  out  by  a  leader  node which  solves  an  integer  program.
75 Simulation  results show that  the proposed  approach can  prolong the
76 network lifetime and improve the coverage performance.
77 \end{abstract}
78
79 %\keywords{Area Coverage, Wireless Sensor Networks, lifetime Optimization, Distributed Protocol.}
80  
81 \IEEEpeerreviewmaketitle
82
83 \section{Introduction}
84
85 \noindent Recent years have witnessed significant advances in wireless
86 communications and embedded micro-sensing MEMS technologies which have
87 led to the  emergence of wireless  sensor networks  as one  of the  most promising
88 technologies~\cite{asc02}.   In fact, they  present huge  potential in
89 several  domains ranging  from  health care  applications to  military
90 applications.  A sensor network is  composed of a large number of tiny
91 sensing  devices deployed  in a  region of  interest. Each  device has
92 processing  and wireless communication  capabilities, which  enable it to
93 sense its environment, to compute, to store information, and to deliver
94 report messages to a base station.
95 %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.
96 One of the main design issues in Wireless Sensor Networks (WSNs) is to
97 prolong the  network lifetime,  while achieving acceptable  quality of
98 service for applications.  Indeed, sensor nodes have limited resources
99 in terms of memory, energy, and computational power.
100
101 Since sensor nodes have limited battery life and without being able to
102 replace batteries,  especially in remote and  hostile environments, it
103 is desirable that  a WSN should be deployed  with high density because
104 spatial redundancy can  then be exploited to increase  the lifetime of
105 the network. In such a high  density network, if all sensor nodes were
106 to be  activated at the same  time, the lifetime would  be reduced. To
107 extend the lifetime  of the network, the main idea  is to take advantage
108 of  the overlapping  sensing regions  of some  sensor nodes  to save
109 energy  by  turning  off  some  of  them  during  the  sensing  phase.
110 Obviously, the deactivation of nodes  is only relevant if the coverage
111 of the monitored area  is not affected.  Consequently, future softwares
112 may  need to  adapt  appropriately to  achieve  acceptable quality  of
113 service  for  applications.  In  this  paper  we  concentrate on  the area
114 coverage  problem,  with  the  objective  of  maximizing  the  network
115 lifetime  by using  an adaptive  scheduling. The  area of  interest is
116 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
117 planned for  each subregion. 
118  In fact, the nodes in a  subregion can be seen as a cluster where
119   each node sends  sensing data to the cluster head  or the sink node.
120   Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even
121   if another cluster stops due to too many node failures.
122 Our scheduling  scheme considers rounds,  where a round starts  with a
123 discovery  phase  to  exchange  information  between  sensors  of  the
124 subregion,  in order to  choose in  a suitable manner  a sensor  node to
125 carry  out a coverage  strategy. This  coverage strategy  involves the
126 solving of  an integer  program which provides  the activation  of the
127 sensors for the sensing phase of the current round.
128
129 The remainder of the paper is organized as follows.  The next section
130 % Section~\ref{rw}
131 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
132 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
133 Section~\ref{cp} gives the coverage model formulation which is used to
134 schedule  the  activation  of  sensors.  Section~\ref{exp}  shows  the
135 simulation  results obtained  using  the discrete  event simulator OMNeT++  \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness  of the
136 proposed  approach.   Finally, we  give  concluding  remarks and  some
137 suggestions for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
138
139 \section{Related works}
140 \label{rw}
141
142 \noindent This section is dedicated to the various approaches proposed
143 in  the literature  for  the coverage  lifetime maximization  problem,
144 where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
145 order to  extend network lifetime  in a randomly deployed  network. As
146 this problem is subject to a wide range of interpretations, we have chosen
147 to recall the main definitions and assumptions related to our work.
148
149 %\begin{itemize}
150 %\item Area Coverage: The main objective is to cover an area. The area coverage requires
151 %that the sensing range of working Active nodes cover the whole targeting area, which means any
152 %point in target area can be covered~\cite{Mihaela02,Raymond03}.
153
154 %\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}. 
155
156 %\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}.
157 %\end{itemize}
158 {\bf Coverage}
159
160 The most  discussed coverage problems in literature  can be classified
161 into two types \cite{ma10}: area coverage (also called full or blanket
162 coverage) and target coverage.  An  area coverage problem is to find a
163 minimum number of sensors to work, such that each physical point in the
164 area is within the sensing range  of at least one working sensor node.
165 Target coverage problem  is to cover only a  finite number of discrete
166 points  called targets.   This type  of coverage  has  mainly military
167 applications. Our work will concentrate on the area coverage by design
168 and implementation of a  strategy which efficiently selects the active
169 nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
170 connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
171 sensor  network.   But  requiring  that  all physical  points  of  the
172 considered region are covered may  be too strict, especially where the
173 sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
174 by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
175 number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
176 minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
177 simultaneously).
178
179 {\bf Lifetime}
180
181 Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
182 network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
183 related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
184 The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
185 of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
186 amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
187 area or targets of interest). In this work, we assume that the network
188 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
189 sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
190 during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
191 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
192 transmit information on an event in the area that it monitors.
193
194 {\bf Activity scheduling}
195
196 Activity scheduling is to  schedule the activation and deactivation of
197 sensor nodes.  The  basic objective is to decide  which sensors are in
198 what states (active or sleeping mode)  and for how long, so that the
199 application  coverage requirement  can be  guaranteed and  the network
200 lifetime can be  prolonged. Various approaches, including centralized,
201 distributed, and localized algorithms, have been proposed for activity
202 scheduling.  In  distributed algorithms, each node  in the network
203 autonomously makes decisions on whether  to turn on or turn off itself
204 only using  local neighbor information. In  centralized algorithms, a
205 central controller  (a node or  base station) informs every  sensors of
206 the time intervals to be activated.
207
208 {\bf Distributed approaches}
209
210 Some      distributed     algorithms      have      been     developed
211 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}  to perform the
212 scheduling.   Distributed algorithms typically  operate in  rounds for
213 a predetermined  duration. At  the  beginning of  each  round, a  sensor
214 exchanges information with its neighbors and makes a decision to either
215 remain turned  on or to  go to sleep  for the round. This  decision is
216 basically made on simple greedy criteria like  the largest uncovered
217 area   \cite{Berman05efficientenergy},   maximum   uncovered   targets
218 \cite{1240799}.   In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme  is divided
219 into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by
220 a sensing phase.  Each sensor  broadcasts a message containing the node ID
221 and the node location  to its neighbors at the beginning  of each round. A
222 sensor determines  its status by  a rule named off-duty  eligible rule
223 which tells  him to  turn off if  its sensing  area is covered  by its
224 neighbors. A  back-off scheme is  introduced to let each  sensor delay
225 the decision process  with a random period of time,  in order to avoid
226 simultaneous conflicting decisions between nodes and  lack of coverage on any area.
227 \cite{Prasad:2007:DAL:1782174.1782218}  defines a model  for capturing
228 the dependencies  between different cover sets  and proposes localized
229 heuristic  based on this  dependency.  The  algorithm consists  of two
230 phases, an initial  setup phase during which each  sensor computes and
231 prioritizes the  covers and  a sensing phase  during which  each sensor
232 first decides  its on/off status, and  then remains on or  off for the
233 rest  of the  duration.  Authors  in \cite{chin2007}  propose  a novel
234 distributed  heuristic named  Distributed  Energy-efficient Scheduling
235 for k-coverage  (DESK) so  that the energy  consumption among  all the
236 sensors  is balanced,  and  network lifetime  is  maximized while  the
237 coverage requirement  is being  maintained.  This algorithm  works in
238 round, requires only  1-sensing-hop-neighbor information, and a sensor
239 decides  its status  (active/sleep)  based on  its perimeter  coverage
240 computed  through the k-Non-Unit-disk  coverage algorithm  proposed in
241 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
242
243 Some other approaches do  not consider a synchronized and predetermined
244 period  of time  where the  sensors are  active or  not.  Indeed, each
245 sensor  maintains its  own timer  and its  wake-up time is randomized
246 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei05} over time.
247 %A ecrire \cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}p33
248
249 %The scheduling information is disseminated throughout the network and only sensors in the active state are responsible
250 %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
251 %period of time.
252
253  %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. 
254
255 %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. 
256
257 {\bf Centralized approaches}
258
259 Power  efficient  centralized  schemes  differ  according  to  several
260 criteria \cite{Cardei:2006:ECP:1646656.1646898},  such as the coverage
261 objective  (target coverage  or  area coverage),  the node  deployment
262 method (random or deterministic) and the heterogeneity of sensor nodes
263 (common sensing range, common battery lifetime). The major approach is
264 to divide/organize  the sensors into  a suitable number of  set covers
265 where each  set completely covers  an interest region and  to activate
266 these set covers successively.
267
268 The first algorithms  proposed in the  literature consider that  the cover
269 sets  are  disjoint: a  sensor  node appears  in  exactly  one of  the
270 generated  cover  sets.    For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak
271 \cite{Slijepcevic01powerefficient}   propose    an   algorithm   which
272 allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area
273 divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by
274 including in  priority the sensor  nodes which cover  critical fields,
275 that  is to  say fields  that are  covered by  the smallest  number of
276 sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$
277 is the number of  sensors.  \cite{cardei02}~describes a graph coloring
278 technique  to achieve energy  savings by  organizing the  sensor nodes
279 into a maximum number of  disjoint dominating sets which are activated
280 successively. The dominating sets do not guarantee the coverage of the
281 whole        region        of        interest.        Abrams        et
282 al.~\cite{Abrams:2004:SKA:984622.984684}  design  three  approximation
283 algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the
284 objective is to partition the sensors into covers such that the number
285 of covers that  includes an area, summed over  all areas, is maximized.
286 Their        work        builds        upon       previous        work
287 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient} and the  generated cover sets do
288 not provide complete coverage of the monitoring zone.
289
290 %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.
291
292 In~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098},   the  authors   propose  a
293 heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to
294 compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a
295 maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer
296 programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they
297 design a heuristic to compute  the final number of covers. The results
298 show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of
299 produced  DSC in comparison  to~\cite{Slijepcevic01powerefficient}, but
300 it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed
301 integer      programming     solving.       %Cardei      and     Du
302 \cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098} propose a method to efficiently
303 compute the maximum  number of disjoint set covers  such that each set
304 can  monitor all  targets. They  first  transform the  problem into  a
305 maximum  flow   problem  which  is  formulated  as   a  mixed  integer
306 programming (MIP). Then their heuristic  uses the output of the MIP to
307 compute  disjoint  set  covers.  Results  show  that  this  heuristic
308 provides  a   number  of  set  covers  slightly   larger  compared  to
309 \cite{Slijepcevic01powerefficient}  but with  a larger  execution time
310 due  to the complexity  of the  mixed integer  programming resolution.
311 Zorbas  et  al.  \cite{Zorbas2007}  present  B\{GOP\},  a  centralized
312 coverage   algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization
313 depending on their  coverage status and the notion  of critical target
314 to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of
315 sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
316 $n$ is the number of sensors,  and $m$ the number of targets. Compared
317 to    algorithm's    results     of    Slijepcevic    and    Potkonjak
318 \cite{Slijepcevic01powerefficient},  their   heuristic  produces  more
319 cover sets with a slight growth rate in execution time.
320 %More recently Manju and Pujari\cite{Manju2011}
321
322 In the  case of non-disjoint algorithms  \cite{Manju2011}, sensors may
323 participate  in more  than  one cover  set.   In some  cases this  may
324 prolong  the lifetime  of the  network in  comparison to  the disjoint
325 cover set algorithms, but  designing algorithms for non-disjoint cover
326 sets  generally induces a  higher order  of complexity.   Moreover, in
327 case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling policies are less
328 resilient and less  reliable because a sensor may  be involved in more
329 than one  cover sets.  For instance,  Cardei et al.~\cite{cardei05bis}
330 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
331 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
332 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
333 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
334 lifetime         increases        compared         with        related
335 work~\cite{Cardei:2005:IWS:1160086.1160098}.   In~\cite{berman04}, the
336 authors  have formulated  the lifetime  problem and  suggested another
337 (LP)  technique to  solve this  problem. A  centralized  solution  based      on      the     Garg-K\"{o}nemann
338 algorithm~\cite{garg98}, provably near
339 the optimal solution,    is also proposed.
340
341 {\bf Our contribution}
342
343 There are  three main questions which  should be addressed  to build a
344 scheduling strategy. We  give a brief answer to  these three questions
345 to describe our  approach before going into details  in the subsequent
346 sections.
347 \begin{itemize}
348 \item {\bf How must the  phases for information exchange, decision and
349   sensing be planned over time?}   Our algorithm divides the time line
350   into a number  of rounds. Each round contains  4 phases: Information
351   Exchange, Leader Election, Decision, and Sensing.
352
353 \item {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
354   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
355   interest  to avoid  turning on  too many sensors covering  the same
356   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
357   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
358   objectives.
359
360 \item {\bf Which  node should make such a  decision?}  As mentioned in
361   \cite{pc10}, both centralized  and distributed algorithms have their
362   own  advantages and  disadvantages. Centralized  coverage algorithms
363   have the advantage  of requiring very low processing  power from the
364   sensor  nodes which  have usually  limited  processing capabilities.
365   Distributed  algorithms  are  very  adaptable  to  the  dynamic  and
366   scalable nature of sensors network.  Authors in \cite{pc10} conclude
367   that there is a threshold in  terms of network size to switch from a
368   localized  to  a  centralized  algorithm.  Indeed  the  exchange  of
369   messages  in large  networks may  consume a  considerable  amount of
370   energy in a centralized approach  compared to a distributed one. Our
371   work does not  consider only one leader to  compute and to broadcast
372   the scheduling decision  to all the sensors.  When  the network size
373   increases,  the network  is  divided into  many  subregions and  the
374   decision is made by a leader in each subregion.
375 \end{itemize}
376
377 \section{Activity scheduling}
378 \label{pd}
379
380 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
381 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
382 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
383 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
384 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
385 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
386 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
387 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
388 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
389 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
390 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
391 figure~\ref{fig1}.
392
393 %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. \\ 
394
395 \begin{figure}[ht!]
396 \centering
397 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
398 \caption{Multi-round coverage protocol}
399 \label{fig1}
400 \end{figure} 
401
402 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
403 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
404 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
405 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
406 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
407 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
408 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
409 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
410 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
411 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
412 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
413 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
414 information (including their residual energy) at the beginning of each
415 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
416 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
417 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
418 each phase in more details.
419
420 \subsection{Information exchange phase}
421
422 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
423 the number of local neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
424 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
425 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
426 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
427 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
428 active mode.
429
430 %\subsection{\textbf Working Phase:}
431
432 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
433
434 \subsection{Leader election phase}
435 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL)
436 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
437 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
438 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
439 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
440 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
441 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
442 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
443 equality, larger index.
444
445 \subsection{Decision phase}
446 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
447 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
448 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
449 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
450 %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.
451 %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. 
452
453 \subsection{Sensing phase}
454 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
455 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
456 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
457 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
458 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
459 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
460 starting a new round.
461
462 %\subsection{Sensing coverage model}
463 %\label{pd}
464
465 %\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.
466 %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 $R_s$.
467 \noindent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
468 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
469 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
470 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
471 covered by this sensor. We also assume that the communication range is
472 at   least  twice    the size of the   sensing  range.   In  fact,   Zhang  and
473 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the
474 previous  hypothesis, a  complete coverage  of a  convex  area implies
475 connectivity among the working nodes in the active mode.
476 %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}:
477
478 %\begin{figure}[h!]
479 %\centering
480 %\begin{tabular}{cc}
481 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
482 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
483 %\end{tabular}
484 %\caption{Unit Circle in radians. }
485 %\label{fig:cluster1}
486 %\end{figure}
487
488 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
489 %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.
490 % 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.
491
492 \noindent Instead of working with the coverage area, we consider for each
493 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
494 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all the primary points of
495 this sensor are covered.
496 %\begin{figure}[h!]
497 %\centering
498 %\begin{tabular}{cc}
499 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
500 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
501 %\end{tabular}
502 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
503 %\label{fig:cluster2}
504 %\end{figure}
505 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
506 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
507 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
508 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
509 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
510 sensors, instead of using all the points in the area.
511
512 \noindent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
513 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
514 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
515 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
516 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
517 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
518 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
519 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
520 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
521 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
522 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
523 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
524 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
525 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
526 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
527 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
528 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
529
530  \begin{figure}[h!]
531 %\centering
532 % \begin{multicols}{6}
533 \centering
534 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
535 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
536 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
537 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
538 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
539 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
540 %\end{multicols} 
541 \caption{Wireless sensor node represented by 13 primary points}
542 \label{fig2}
543 \end{figure}
544
545 \section{Coverage problem formulation}
546 \label{cp}
547 %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}:\\
548
549
550 %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}:\\
551
552 \noindent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
553 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
554 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
555 integer program which forces undercoverage and overcoverage of targets
556 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
557 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
558 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$  which  determine  the
559 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
560 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
561 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
562
563 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
564 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
565 \begin{equation}
566 \alpha_{jp} = \left \{ 
567 \begin{array}{l l}
568   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
569  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
570   0 & \mbox{otherwise.}\\
571 \end{array} \right.
572 %\label{eq12} 
573 \end{equation}
574 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
575 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
576 \begin{equation}
577 X_{j} = \left \{ 
578 \begin{array}{l l}
579   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
580   0 &  \mbox{otherwise.}\\
581 \end{array} \right.
582 %\label{eq11} 
583 \end{equation}
584 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
585 \begin{equation}
586  \Theta_{p} = \left \{ 
587 \begin{array}{l l}
588   0 & \mbox{if the primary point}\\
589     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
590   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
591 \end{array} \right.
592 \label{eq13} 
593 \end{equation}
594 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
595 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
596 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
597 by:
598 \begin{equation}
599 U_{p} = \left \{ 
600 \begin{array}{l l}
601   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
602   0 & \mbox{otherwise.}\\
603 \end{array} \right.
604 \label{eq14} 
605 \end{equation}
606
607 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
608 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
609 \left \{
610 \begin{array}{ll}
611 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
612 \textrm{subject to :}&\\
613 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
614 %\label{c1} 
615 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
616 %\label{c2}
617 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
618 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
619 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
620 \end{array}
621 \right.
622 \end{equation}
623 \begin{itemize}
624 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
625   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
626 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
627   one that are covering the primary point $p$;
628 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
629   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
630 \end{itemize}
631
632 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
633 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
634 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
635 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
636 objectives.  First we limit the overcoverage of primary points in order to
637 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
638  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
639 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
640 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
641 round.
642  
643 %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
644 %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.
645 %\subsection{Notations and assumptions}
646
647 %\begin{itemize}
648 %\item $m$ : the number of targets
649 %\item $n$ : the number of sensors
650 %\item $K$ : maximal number of cover sets
651 %\item $i$ : index of target ($i=1..m$)
652 %\item $j$ : index of sensor ($j=1..n$)
653 %\item $k$ : index of cover set ($k=1..K$)
654 %\item $T_0$ : initial set of targets
655 %\item $S_0$ : initial set of sensors
656 %\item $T $ : set of targets which are not covered by at least one cover set
657 %\item $S$ : set of available sensors
658 %\item $S_0(i)$ : set of sensors which cover the target $i$
659 %\item $T_0(j)$ : set of targets covered by sensor $j$
660 %\item $C_k$ : cover set of index $k$
661 %\item $T(C_k)$ : set of targets covered by the cover set $k$
662 %\item $NS(i)$ : set of  available sensors which cover the target $i$
663 %\item $NC(i)$ : set of cover sets which do not cover the target $i$
664 %\item $|.|$ : cardinality of the set
665
666 %\end{itemize}
667
668 \section{Simulation results}
669 \label{exp}
670
671 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
672 efficiency  and the relevance of  our approach,  using the  discrete event
673 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
674 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
675 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
676 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
677 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
678   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
679   field with the given sensing range.
680 10~simulation  runs  are performed  with
681 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
682 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
683 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
684 disconnected (some nodes may not be  able to send, to a base station, an
685 event they sense).
686
687 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
688 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
689 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
690 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
691 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
692 the sensing period which will last 60 seconds. Thus, an
693 active  node will  consume  12~joules during the sensing  phase, while  a
694 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
695 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
696 joules.  In  all  experiments  the  parameters  are  set  as  follows:
697 $R_s=5~m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
698
699 We  evaluate the  efficiency of  our approach by using  some performance
700 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
701 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
702 and number of stopped simulation runs.  Our approach called strategy~2
703 (with two leaders)  works with two subregions, each  one having a size
704 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
705 approaches. The first one,  called strategy~1 (with one leader), works
706 as strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
707 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
708 consists in uniformly dividing   the region into squares  of $(5 \times
709 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
710 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
711 phase.
712
713 \subsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
714
715 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
716 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
717 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
718 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
719 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
720 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
721 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
722 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
723 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
724 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
725 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
726 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
727 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
728 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~2 is
729 slightly more efficient than strategy 1, because strategy~2 subdivides
730 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
731 disconnected,  the coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
732 subregion.
733
734 \parskip 0pt 
735 \begin{figure}[h!]
736 \centering
737 \includegraphics[scale=0.5]{TheCoverageRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
738 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
739 \label{fig3}
740 \end{figure} 
741
742 \subsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
743
744 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
745 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
746 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
747 Ratio (ASR), which is defined as follows:
748 \begin{equation*}
749 \scriptsize
750 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
751 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
752 for the region}} \times 100.
753 \end{equation*}
754 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
755 for 150 deployed nodes.
756
757 \begin{figure}[h!]
758 \centering
759 \includegraphics[scale=0.5]{TheActiveSensorRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
760 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
761 \label{fig4}
762 \end{figure} 
763
764 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
765 both proposed  strategies, the strategy  with two leaders and  the one
766 with a  single leader,  in comparison with  the simple  heuristic. The
767 strategy with one leader uses less active nodes than the strategy with
768 two leaders until the last  rounds, because it uses central control on
769 the whole sensing field.  The  advantage of the strategy~2 approach is
770 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
771 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
772 lifetime of the network.
773
774 \subsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
775
776 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
777 This metric, called Energy Saving Ratio (ESR), is defined by:
778 \begin{equation*}
779 \scriptsize
780 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
781 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
782 \end{equation*}
783 The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are
784 switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
785 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
786 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
787
788 \begin{figure}[h!]
789 %\centering
790 % \begin{multicols}{6}
791 \centering
792 \includegraphics[scale=0.5]{TheEnergySavingRatio150g.eps} %\\~ ~ ~(a)
793 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
794 \label{fig5}
795 \end{figure} 
796
797 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
798 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
799 expected, the strategy with one leader is usually slightly better than
800 the second  strategy, because the  global optimization permits  to turn
801 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
802 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
803 number of  rounds increases  the two leaders'  strategy becomes  the most
804 performing one, since it takes longer  to have the two subregion networks
805 simultaneously disconnected.
806
807 \subsection{The percentage of stopped simulation runs}
808
809 We  will now  study  the percentage  of  simulations which  stopped due  to
810 network  disconnections per round  for each  of the  three approaches.
811 Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
812 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
813 simple heuristic is  the approach which  stops first because  the nodes
814 are   randomly chosen.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
815 centralized  one  first  exhibits  network  disconnections.   Thus,  as
816 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
817 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
818 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
819 optimization participates in extending the network lifetime.
820
821 \begin{figure}[h!]
822 \centering
823 \includegraphics[scale=0.5]{TheNumberofStoppedSimulationRuns150g.eps} 
824 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
825 \label{fig6}
826 \end{figure} 
827
828 \subsection{The energy consumption}
829
830 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
831 protocol  on the  performance of  the  strategy with  two leaders  and
832 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
833 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
834 by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
835 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
836 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
837 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
838 between networks having different densities.
839
840 Figure~\ref{fig7} illustrates the energy consumption for the different
841 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
842 strategy  with  two  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
843 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the strategy
844 with  one  leader, has  a  high energy  consumption  due  to  many
845 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
846 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
847 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
848 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
849 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
850 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
851 communications have a small impact on the network lifetime.
852
853 \begin{figure}[h!]
854 \centering
855 \includegraphics[scale=0.5]{TheEnergyConsumptiong.eps} 
856 \caption{The energy consumption}
857 \label{fig7}
858 \end{figure} 
859
860 \subsection{The impact of the number of sensors on execution time}
861
862 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
863 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
864 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
865 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
866 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
867 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
868 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
869 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
870 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the strategy
871 with  one  leader which  requires  to  solve  an optimization  problem
872 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
873 Moreover, increasing the network size by 50~nodes   multiplies the time
874 by  almost a  factor of  10. The  strategy with  two leaders  has more
875 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
876 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
877 nodes.   Overall,  to  be  able to  deal  with  very  large  networks,  a
878 distributed method is clearly required.
879
880 \begin{table}[ht]
881 \caption{The execution time(s) vs the number of sensors}
882 % title of Table
883 \centering
884
885 % used for centering table
886 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
887 % centered columns (4 columns)
888       \hline
889 %inserts double horizontal lines
890 Sensors number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple heuristic \\ [0.5ex]
891  & (with two leaders) & (with one leader) & \\ [0.5ex]
892 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
893 % inserts table
894 %heading
895 \hline
896 % inserts single horizontal line
897 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
898 % inserting body of the table
899 \hline
900 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
901 \hline
902 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
903 \hline
904 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
905 \hline
906 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
907 % [1ex] adds vertical space
908 \hline
909 %inserts single line
910 \end{tabular}
911 \label{table1}
912 % is used to refer this table in the text
913 \end{table}
914
915 \subsection{The network lifetime}
916
917 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
918 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
919 monitoring  an area has become  disconnected.  In  figure~\ref{fig8}, the
920 network  lifetime for different  network sizes  and for  both strategy
921 with two  leaders and the simple  heuristic is illustrated. 
922   We do  not consider  anymore the  centralized strategy  with one
923   leader, because, as shown above, this strategy results  in execution
924   times that quickly become unsuitable for a sensor network.
925
926 \begin{figure}[h!]
927 %\centering
928 % \begin{multicols}{6}
929 \centering
930 \includegraphics[scale=0.5]{TheNetworkLifetimeg.eps} %\\~ ~ ~(a)
931 \caption{The network lifetime }
932 \label{fig8}
933 \end{figure} 
934
935 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
936 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach
937 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing the  best 
938 suited nodes, for each round,  to cover the  region of interest  and by
939 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
940 our strategy efficiently prolonges the network lifetime. Comparison shows that
941 the larger  the sensor number  is, the more our  strategies outperform
942 the simple heuristic.  Strategy~2, which uses two leaders, is the best
943 one because it is robust to network disconnection in one subregion. It
944 also  means   that  distributing  the  algorithm  in   each  node  and
945 subdividing the sensing field  into many subregions, which are managed
946 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize
947 the lifetime of a network.
948
949 \section{Conclusion and future works}
950 \label{sec:conclusion}
951
952 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
953 optimization  in wireless  sensor networks.   This is  a key  issue as
954 sensor nodes  have limited  resources in terms  of memory,  energy and
955 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
956 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
957 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
958 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
959 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
960 leader election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
961 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
962 the best  representative active nodes that will  optimize the network lifetime
963 while  taking   the  responsibility  of   covering  the  corresponding
964 subregion.   The network lifetime  in each  subregion is  divided into
965 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
966 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
967 select  the  nodes remaining  active  for  the  last phase,  and  (iv)
968 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed
969 protocol in  terms of lifetime, coverage ratio,  active sensors ratio,
970 energy saving,  energy consumption, execution time, and  the number of
971 stopped simulation  runs due  to network disconnection.   Indeed, when
972 dealing with  large and dense wireless sensor  networks, a distributed
973 approach like the one we propose  allows to reduce the difficulty of a
974 single global optimization problem  by partitioning it in many smaller
975 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
976
977 In  future work, we plan  to study  and propose  a coverage  protocol which
978 computes  all  active  sensor  schedules  in  one time,  using
979 optimization  methods  such  as  swarms optimization  or  evolutionary
980 algorithms.  The round  will still  consist of 4  phases, but  the
981   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
982   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
983 The computation of all cover sets in one time is far more
984 difficult, but will reduce the communication overhead.
985 % use section* for acknowledgement
986 %\section*{Acknowledgment}
987
988 \bibliographystyle{IEEEtran}
989 \bibliography{bare_conf}
990
991 % that's all folks
992 \end{document}
993
994