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3 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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12 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
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41
42 \begin{document}
43 %
44 % paper title
45 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
46 \title{Coverage and Lifetime Optimization \\
47 in Heterogeneous Energy Wireless Sensor Networks}
48
49 \author{\IEEEauthorblockN{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, 
50 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, 
55 raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}}
56
57 \maketitle
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
64 to  improve  the  lifetime  in heterogeneous  energy  wireless  sensor
65 networks  is proposed.   The area  of interest  is first  divided into
66 subregions using  a divide-and-conquer method and  then the scheduling
67 of sensor node  activity is planned for each  subregion.  The proposed
68 scheduling  considers rounds  during which  a small  number  of nodes,
69 remaining active  for sensing, is  selected to ensure  coverage.  Each
70 round consists  in 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,
79 Optimization, Scheduling.
80 \end{IEEEkeywords}
81 %\keywords{Area Coverage, Network lifetime, Optimization, Distributed Protocol}
82  
83 \IEEEpeerreviewmaketitle
84
85 \section{Introduction}
86
87 %\indent  The fast  developments  in the  low-cost  sensor devices  and
88 %wireless  communications have  allowed  the emergence  the WSNs.   WSN
89 %includes  a large  number  of small,  limited-power  sensors that  can
90 %sense, process  and transmit data over a  wireless communication. They
91 %communicate   with   each    other   by   using   multi-hop   wireless
92 %communications, cooperate  together to  monitor the area  of interest,
93 %and the  measured data can be  reported to a  monitoring center called
94 %sink  for analysis it~\cite{Sudip03}.  There are  several applications
95 %used  the WSN  including  health, home,  environmental, military,  and
96 %industrial applications~\cite{Akyildiz02}. The coverage problem is one
97 %of the fundamental challenges  in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in
98 %monitoring    efficiently    and     continuously    the    area    of
99 %interest. Thelimited  energy of sensors represents  the main challenge
100 %in the  WSNs design~\cite{Sudip03}, where  it is difficult  to replace
101 %and/or  recharge their  batteries  because the  the  area of  interest
102 %nature  (such  as  hostile  environments)  and the  cost.  So,  it  is
103 %necessary  that  a WSN  deployed  with  high  density because  spatial
104 %redundancy  can then  be exploited  to  increase the  lifetime of  the
105 %network. However, turn on all the sensor nodes, which monitor the same
106 %region at the same time leads to decrease the lifetime of the network.
107
108 Recent   years  have  witnessed   significant  advances   in  wireless
109 communications and embedded micro-sensing MEMS technologies which have
110 led to the emergence of Wireless  Sensor Networks (WSNs) as one of the
111 most promising  technologies \cite{Akyildiz02}. In  fact, they present
112 huge   potential  in   several  domains   ranging  from   health  care
113 applications to military applications. A sensor network is composed of
114 a  large  number of  tiny  sensing devices  deployed  in  a region  of
115 interest.  Each  device  has  processing  and  wireless  communication
116 capabilities, which enable it to sense its environment, to compute, to
117 store information  and to  deliver report messages  to a  base station
118 \cite{Sudip03}.  One of  the main design issues in  WSNs is to prolong
119 the network  lifetime, while  achieving acceptable quality  of service
120 for  applications. Indeed,  sensors  nodes have  limited resources  in
121 terms of memory, energy and computational power.
122
123 Since sensor nodes have limited battery life and since it is impossible to
124 replace batteries,  especially in remote and  hostile environments, it
125 is desirable that  a WSN should be deployed  with high density because
126 spatial redundancy can  then be exploited to increase  the lifetime of
127 the network. In such a high  density network, if all sensor nodes were
128 to be  activated at the same  time, the lifetime would  be reduced. To
129 extend the lifetime of the network, the main idea is to take advantage
130 of the overlapping sensing regions of some sensor nodes to save energy
131 by turning  off some of them during  the sensing phase~\cite{Misra05}.
132 Obviously, the deactivation of nodes  is only relevant if the coverage
133 of the monitored  area is not affected. In  this paper, we concentrate
134 on  the area coverage  problem \cite{Nayak04},  with the  objective of
135 maximizing the network lifetime  by using an adaptive scheduling.  The
136 area of interest is divided into subregions and an activity scheduling
137 for sensor nodes is planned for each subregion.  In fact, the nodes in
138 a subregion  can be seen  as a cluster  where each node  sends sensing
139 data  to  the  cluster  head  or  the  sink  node.   Furthermore,  the
140 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster
141 stops due to too many  node failures.  Our scheduling scheme considers
142 rounds,  where a  round  starts  with a  discovery  phase to  exchange
143 information between sensors of the  subregion, in order to choose in a
144 suitable manner a sensor node  to carry out a coverage strategy.  This
145 coverage strategy  involves the solving  of an integer  program, which
146 provides the  activation of the sensors  for the sensing  phase of the
147 current round.
148
149 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
150 % Section~\ref{rw}
151 reviews the related work in the field.  Section~\ref{pd} is devoted to
152 the    scheduling     strategy    for    energy-efficient    coverage.
153 Section~\ref{cp} gives  the coverage model formulation,  which is used
154 to schedule  the activation  of sensors.  Section~\ref{exp}  shows the
155 simulation results obtained using the discrete event simulator OMNeT++
156 \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness of  the proposed
157 approach.  Finally,  we give  concluding remarks and  some suggestions
158 for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
159
160 \section{Related works}
161 \label{rw}
162 \indent In this section, we only review some recent works dealing with
163 the coverage lifetime maximization  problem, where the objective is to
164 optimally  schedule  sensors'  activities  in  order  to  extend  WSNs
165 lifetime.
166
167 In \cite{chin2007}, the author proposed a novel distributed heuristic,
168 called Distributed Energy-efficient  Scheduling for k-coverage (DESK),
169 which  ensures  that  the  energy  consumption among  the  sensors  is
170 balanced and the lifetime  maximized while the coverage requirement is
171 maintained.   This  heuristic works  in  rounds,  requires only  1-hop
172 neighbor information,  and each sensor  decides its status  (active or
173 sleep)   based   on  the   perimeter   coverage   model  proposed   in
174 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.    More    recently,   Shibo   et
175 al. \cite{Shibo}  expressed the coverage  problem as a  minimum weight
176 submodular  set cover  problem  and proposed  a Distributed  Truncated
177 Greedy Algorithm (DTGA) to solve it. They take in particular advantage
178 from  both temporal and  spatial correlations  between data  sensed by
179 different sensors.
180
181 The  works  presented  in  \cite{Bang,  Zhixin, Zhang}  focus  on  the
182 definition  of  coverage-aware,  distributed  energy-efficient  and
183 distributed clustering  methods respectively.  They aim  to extend the
184 network  lifetime  while ensuring  the  coverage.   S.   Misra et  al.
185 \cite{Misra05} proposed a localized algorithm which conserves energy and
186 coverage  by  activating  the  subset  of  sensors  with  the  minimum
187 overlapping area. It preserves  the network connectivity thanks to the
188 formation of the  network backbone. J.~A.~Torkestani \cite{Torkestani}
189 designed a Learning  Automata-based Energy-Efficient Coverage protocol
190 (LAEEC)  to construct  a Degree-constrained  Connected  Dominating Set
191 (DCDS)  in   WSNs.   He  showed   that  the  correct  choice   of  the
192 degree-constraint  of DCDS  balances the  network load  on  the active
193 nodes and leads to enhance the coverage and network lifetime.
194  
195 The main  contribution of our approach addresses  three main questions
196 to build a scheduling strategy.\\
197 %\begin{itemize}
198 %\item 
199 {\indent \bf  How must the  phases for information  exchange, decision
200   and sensing be  planned over time?}  Our algorithm  divides the timeline into rounds.  Each round contains 4 phases: Information Exchange,
201 Leader Election, Decision, and Sensing.
202
203 %\item 
204 {\bf What are the rules to decide which node has to be turned on
205   or off?}  Our algorithm tends to limit the overcoverage of points of
206   interest  to avoid  turning on  too many sensors covering  the same
207   areas  at the  same time,  and tries  to prevent  undercoverage. The
208   decision  is  a  good   compromise  between  these  two  conflicting
209   objectives.
210
211 %\item 
212 {\bf Which  node should make such  a decision?}  A  leader node should
213 make such  a decision. Our work  does not consider only  one leader to
214 compute and to  broadcast the scheduling decision to  all the sensors.
215 When  the network  size increases,  the network  is divided  into many
216 subregions and the decision is made by a leader in each subregion.
217 %\end{itemize}
218
219 \section{Activity scheduling}
220 \label{pd}
221
222 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
223 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
224 density to ensure initially a full coverage of the interested area. We
225 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
226 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
227 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
228 through hardware  such as embedded  GPS or through  location discovery
229 algorithms.   The   area  of  interest   can  be  divided   using  the
230 divide-and-conquer strategy  into smaller areas  called subregions and
231 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
232 simultaneously.   Our protocol  works in  rounds fashion  as  shown in
233 figure~\ref{fig1}.
234
235 \begin{figure}[ht!]
236 \centering
237 \includegraphics[width=85mm]{FirstModel.eps} % 70mm
238 \caption{Multi-round coverage protocol}
239 \label{fig1}
240 \end{figure} 
241
242 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
243 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
244 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
245 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
246 in rounds.   On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
247 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
248 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
249 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
250 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
251 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
252 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
253 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
254 information (including their residual energy) at the beginning of each
255 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
256 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
257 they do not  join the network to monitor the  area. Below, we describe
258 each phase in more details.
259
260 \subsection{Information exchange phase}
261
262 Each sensor node $j$ sends  its position, remaining energy $RE_j$, and
263 the number of local neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
264 its subregion by using an INFO  packet and then listens to the packets
265 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
266 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
267 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
268 active mode.
269
270 %\subsection{\textbf Working Phase:}
271
272 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
273
274 \subsection{Leader election phase}
275 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
276 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
277 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
278 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
279 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
280 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
281 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
282 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
283 equality, larger index.
284
285 \subsection{Decision phase}
286 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
287 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
288 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
289 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
290 %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.
291 %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. 
292
293 \subsection{Sensing phase}
294 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
295 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
296 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
297 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
298 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
299 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
300 starting a new round.
301
302 %\subsection{Sensing coverage model}
303 %\label{pd}
304
305 %\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.
306 %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 $R_s$.
307 \indent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
308 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
309 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
310 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
311 covered by this sensor. We also assume that the communication range $R_c \geq 2R_s$ ~\cite{Zhang05}. 
312
313
314
315 %\begin{figure}[h!]
316 %\centering
317 %\begin{tabular}{cc}
318 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
319 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
320 %\end{tabular}
321 %\caption{Unit Circle in radians. }
322 %\label{fig:cluster1}
323 %\end{figure}
324
325 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
326 %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.
327 % 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.
328
329 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each
330 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
331 sensing disk defined  by a sensor is covered if  all the primary points of
332 this sensor are covered.
333 %\begin{figure}[h!]
334 %\centering
335 %\begin{tabular}{cc}
336 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
337 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
338 %\end{tabular}
339 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
340 %\label{fig:cluster2}
341 %\end{figure}
342 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
343 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
344 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
345 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
346 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
347 sensors, instead of using all the points in the area.
348
349 \indent  We can  calculate  the positions  of  the selected  primary
350 points in  the circle disk of  the sensing range of  a wireless sensor
351 node (see figure~\ref{fig2}) as follows:\\
352 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
353 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
354 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
355 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
356 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
357 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
358 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
359 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
360 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
361 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
362 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
363 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
364 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
365 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
366
367  \begin{figure}[h!]
368 %\centering
369 % \begin{multicols}{6}
370 \centering
371 %\includegraphics[scale=0.10]{fig21.pdf}\\~ ~ ~(a)
372 %\includegraphics[scale=0.10]{fig22.pdf}\\~ ~ ~(b)
373 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.eps}
374 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
375 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
376 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
377 %\end{multicols} 
378 \caption{Sensor node represented by 13 primary points}
379 \label{fig2}
380 \end{figure}
381
382 \section{Coverage problem formulation}
383 \label{cp}
384
385
386 \indent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
387 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
388 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
389 integer program, which forces undercoverage and overcoverage of targets
390 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
391 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
392 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$,  which  determine  the
393 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
394 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
395 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
396
397 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
398 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
399 \begin{equation}
400 \alpha_{jp} = \left \{ 
401 \begin{array}{l l}
402   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
403  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
404   0 & \mbox{otherwise.}\\
405 \end{array} \right.
406 %\label{eq12} 
407 \end{equation}
408 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
409 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
410 \begin{equation}
411 X_{j} = \left \{ 
412 \begin{array}{l l}
413   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
414   0 &  \mbox{otherwise.}\\
415 \end{array} \right.
416 %\label{eq11} 
417 \end{equation}
418 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
419 \begin{equation}
420  \Theta_{p} = \left \{ 
421 \begin{array}{l l}
422   0 & \mbox{if the primary point}\\
423     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
424   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
425 \end{array} \right.
426 \label{eq13} 
427 \end{equation}
428 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
429 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
430 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
431 by:
432 \begin{equation}
433 U_{p} = \left \{ 
434 \begin{array}{l l}
435   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
436   0 & \mbox{otherwise.}\\
437 \end{array} \right.
438 \label{eq14} 
439 \end{equation}
440
441 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows\\
442 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
443 \left \{
444 \begin{array}{ll}
445 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
446 \textrm{subject to :}&\\
447 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
448 %\label{c1} 
449 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
450 %\label{c2}
451 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
452 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
453 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
454 \end{array}
455 \right.
456 \end{equation}
457 \begin{itemize}
458 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
459   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
460 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
461   one that are covering the primary point $p$;
462 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
463   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
464 \end{itemize}
465
466 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
467 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
468 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
469 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
470 objectives.  First, we limit the overcoverage of primary points in order to
471 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
472  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
473 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
474 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
475 round.
476  
477 \section{Simulation results}
478 \label{exp}
479
480 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
481 efficiency  and the relevance of  our approach,  using the  discrete event
482 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. We  performed  simulations for  five
483 different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
484 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
485 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. 
486 More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in
487   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
488   field with the given sensing range.
489 10~simulation  runs  are performed  with
490 different  network  topologies for  each  node  density.  The  results
491 presented hereafter  are the  average of these  10 runs.  A simulation
492 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
493 disconnected (some nodes may not be  able to send, to a base station, an
494 event they sense).
495
496 Our proposed coverage protocol uses the radio energy dissipation model
497 defined by~\cite{HeinzelmanCB02} as  energy consumption model for each
498 wireless  sensor node  when  transmitting or  receiving packets.   The
499 energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
500 range 24-60~joules, and each sensor node will consume 0.2 watts during
501 the sensing period, which will last 60 seconds. Thus, an
502 active  node will  consume  12~joules during the sensing  phase, while  a
503 sleeping  node will  use  0.002  joules.  Each  sensor  node will  not
504 participate in the next round if its remaining energy is less than 12
505 joules.  In  all  experiments,  the  parameters  are  set  as  follows:
506 $R_s=5~m$, $w_{\Theta}=1$, and $w_{U}=|P^2|$.
507
508 We  evaluate the  efficiency of  our approach by using  some performance
509 metrics such as: coverage ratio,  number of active nodes ratio, energy
510 saving  ratio, energy consumption,  network lifetime,  execution time,
511 and number of stopped simulation runs.  Our approach called strategy~2
512 (with two leaders)  works with two subregions, each  one having a size
513 of $(25 \times 25)~m^2$.  Our strategy will be compared with two other
514 approaches. The first one,  called strategy~1 (with one leader), works
515 as strategy~2, but considers only one region of $(50 \times 25)$ $m^2$
516 with only  one leader.  The  other approach, called  Simple Heuristic,
517 consists in uniformly dividing   the region into squares  of $(5 \times
518 5)~m^2$.   During the  decision phase,  in  each square,  a sensor  is
519 randomly  chosen, it  will remain  turned  on for  the coming  sensing
520 phase.
521
522 \subsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
523
524 In this experiment, the coverage ratio measures how much the area of a
525 sensor field is  covered. In our case, the  coverage ratio is regarded
526 as the number  of primary points covered among the  set of all primary
527 points  within the field.  Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
528 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
529 for the  three approaches.  It can be  seen that the  three approaches
530 give  similar  coverage  ratios  during  the first  rounds.  From  the
531 9th~round the  coverage ratio  decreases continuously with  the simple
532 heuristic, while the two other strategies provide superior coverage to
533 $90\%$ for five more rounds.  Coverage ratio decreases when the number
534 of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
535 thanks to  strategy~1 or~2,  other nodes are  preserved to  ensure the
536 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor  network, it leads to
537 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~2 is
538 slightly more efficient than strategy 1, because strategy~2 subdivides
539 the region into 2~subregions and  if one of the two subregions becomes
540 disconnected,  the coverage   may  be  still  ensured   in  the  remaining
541 subregion.
542
543 \parskip 0pt 
544 \begin{figure}[h!]
545 \centering
546 \includegraphics[scale=0.37]{CR1.eps} %\\~ ~ ~(a)
547 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
548 \label{fig3}
549 \end{figure} 
550
551 \subsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
552
553 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
554 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
555 network lifetime.  This point is  assessed through the  Active Sensors
556 Ratio (ASR), which is defined as follows:
557 \begin{equation*}
558 \scriptsize
559 \mbox{ASR}(\%) = \frac{\mbox{Number of active sensors 
560 during the current sensing phase}}{\mbox{Total number of sensors in the network
561 for the region}} \times 100.
562 \end{equation*}
563 Figure~\ref{fig4} shows  the average active nodes ratio versus rounds
564 for 150 deployed nodes.
565
566 \begin{figure}[h!]
567 \centering
568 \includegraphics[scale=0.37]{ASR1.eps} %\\~ ~ ~(a)
569 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
570 \label{fig4}
571 \end{figure} 
572
573 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the  superiority of
574 both proposed  strategies, the strategy  with two leaders and  the one
575 with a  single leader,  in comparison with  the simple  heuristic. The
576 strategy with one leader uses less active nodes than the strategy with
577 two leaders until the last  rounds, because it uses central control on
578 the whole sensing field.  The  advantage of the strategy~2 approach is
579 that even if a network is disconnected in one subregion, the other one
580 usually  continues  the optimization  process,  and  this extends  the
581 lifetime of the network.
582
583 \subsection{Impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
584
585 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy.
586 This metric, called Energy Saving Ratio (ESR), is defined by:
587 \begin{equation*}
588 \scriptsize
589 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
590 {\mbox{Total number of sensors in the network for the region}} \times 100.
591 \end{equation*}
592 The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are
593 switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
594 Figure~\ref{fig5} shows the average  Energy Saving Ratio versus rounds
595 for all three approaches and for 150 deployed nodes.
596
597 \begin{figure}[h!]
598 %\centering
599 % \begin{multicols}{6}
600 \centering
601 \includegraphics[scale=0.37]{ESR1.eps} %\\~ ~ ~(a)
602 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
603 \label{fig5}
604 \end{figure} 
605
606 The simulation  results show that our strategies  allow to efficiently
607 save energy by  turning off some sensors during  the sensing phase. As
608 expected, the strategy with one leader is usually slightly better than
609 the second  strategy, because the  global optimization permits  to turn
610 off more  sensors. Indeed,  when there are  two subregions  more nodes
611 remain awake  near the border shared  by them. Note that  again as the
612 number of  rounds increases  the two leaders'  strategy becomes  the most
613 performing one, since it takes longer  to have the two subregion networks
614 simultaneously disconnected.
615
616 \subsection{The percentage of stopped simulation runs}
617
618 We  will now  study  the percentage  of  simulations, which  stopped due  to
619 network  disconnections per round  for each  of the  three approaches.
620 Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
621 runs per  round for 150 deployed  nodes.  It can be  observed that the
622 simple heuristic is  the approach, which  stops first because  the nodes
623 are   randomly chosen.   Among  the  two   proposed  strategies,  the
624 centralized  one  first  exhibits  network  disconnections.   Thus,  as
625 explained previously, in case  of the strategy with several subregions
626 the  optimization effectively  continues as  long  as a  network in  a
627 subregion   is  still   connected.   This   longer   partial  coverage
628 optimization participates in extending the network lifetime.
629
630 \begin{figure}[h!]
631 \centering
632 \includegraphics[scale=0.36]{SR1.eps} 
633 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
634 \label{fig6}
635 \end{figure} 
636
637 \subsection{The energy consumption}
638
639 In this experiment, we study the effect of the multi-hop communication
640 protocol  on the  performance of  the  strategy with  two leaders  and
641 compare  it  with  the  other  two  approaches.   The  average  energy
642 consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated
643 by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
644 receiving  packets during  the network  lifetime. This  average value,
645 which  is obtained  for 10~simulation  runs,  is then  divided by  the
646 average number of rounds to define a metric allowing a fair comparison
647 between networks having different densities.
648
649 Figure~\ref{fig7} illustrates the energy consumption for the different
650 network  sizes and  the three  approaches. The  results show  that the
651 strategy  with  two  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
652 consumption point  of view.  A  centralized method, like  the strategy
653 with  one  leader, has  a  high energy  consumption  due  to  many
654 communications.   In fact,  a distributed  method greatly  reduces the
655 number  of communications thanks  to the  partitioning of  the initial
656 network in several independent subnetworks. Let us notice that even if
657 a  centralized  method  consumes  far  more  energy  than  the  simple
658 heuristic, since the energy cost of communications during a round is a
659 small  part   of  the   energy  spent  in   the  sensing   phase,  the
660 communications have a small impact on the network lifetime.
661
662 \begin{figure}[h!]
663 \centering
664 \includegraphics[scale=0.37]{EC1.eps} 
665 \caption{The energy consumption}
666 \label{fig7}
667 \end{figure} 
668
669 \subsection{The impact of the number of sensors on execution time}
670
671 A  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
672 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
673 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
674 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
675 Table~\ref{table1} gives the average  execution times  in seconds
676 on a laptop of the decision phase (solving of the optimization problem)
677 during one  round.  They  are given for  the different  approaches and
678 various numbers of sensors.  The lack of any optimization explains why
679 the heuristic has very  low execution times.  Conversely, the strategy
680 with  one  leader, which  requires  to  solve  an optimization  problem
681 considering  all  the  nodes  presents  redhibitory  execution  times.
682 Moreover, increasing the network size by 50~nodes   multiplies the time
683 by  almost a  factor of  10. The  strategy with  two leaders  has more
684 suitable times.  We  think that in distributed fashion  the solving of
685 the  optimization problem  in a  subregion  can be  tackled by  sensor
686 nodes.   Overall,  to  be  able to  deal  with  very  large  networks,  a
687 distributed method is clearly required.
688
689 \begin{table}[ht]
690 \caption{EXECUTION TIME(S) VS. NUMBER OF SENSORS}
691 % title of Table
692 \centering
693
694 % used for centering table
695 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
696 % centered columns (4 columns)
697       \hline
698 %inserts double horizontal lines
699 Sensors number & Strategy~2 & Strategy~1  & Simple heuristic \\ [0.5ex]
700  & (with two leaders) & (with one leader) & \\ [0.5ex]
701 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
702 % inserts table
703 %heading
704 \hline
705 % inserts single horizontal line
706 50 & 0.097 & 0.189 & 0.001 \\
707 % inserting body of the table
708 \hline
709 100 & 0.419 & 1.972 & 0.0032 \\
710 \hline
711 150 & 1.295 & 13.098 & 0.0032 \\
712 \hline
713 200 & 4.54 & 169.469 & 0.0046 \\
714 \hline
715 250 & 12.252 & 1581.163 & 0.0056 \\
716 % [1ex] adds vertical space
717 \hline
718 %inserts single line
719 \end{tabular}
720 \label{table1}
721 % is used to refer this table in the text
722 \end{table}
723
724 \subsection{The network lifetime}
725
726 Finally, we  have defined the network  lifetime as the  time until all
727 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network
728 monitoring an area has become disconnected.  In figure~\ref{fig8}, the
729 network  lifetime for different  network sizes  and for  both strategy
730 with two leaders  and the simple heuristic is  illustrated.  We do not
731 consider anymore the centralized strategy with one leader, because, as
732 shown  above, this strategy  results in  execution times  that quickly
733 become unsuitable for a sensor network.
734
735 \begin{figure}[h!]
736 %\centering
737 % \begin{multicols}{6}
738 \centering
739 \includegraphics[scale=0.37]{LT1.eps} %\\~ ~ ~(a)
740 \caption{The network lifetime }
741 \label{fig8}
742 \end{figure} 
743
744 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
745 increases when  the size of  the network increases, with  our approach
746 that leads to  the larger lifetime improvement.  By  choosing the best
747 suited nodes, for  each round, to cover the region  of interest and by
748 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
749 our  strategy efficiently prolonges  the network  lifetime. Comparison
750 shows that  the larger the sensor  number is, the  more our strategies
751 outperform the simple heuristic.   Strategy~2, which uses two leaders,
752 is the best  one because it is robust to  network disconnection in one
753 subregion. It also means that  distributing the algorithm in each node
754 and  subdividing the  sensing field  into many  subregions,  which are
755 managed independently and simultaneously,  is the most relevant way to
756 maximize the lifetime of a network.
757
758 \section{Conclusion and future work}
759 \label{sec:conclusion}
760
761 In this paper,  we have addressed the problem of  the coverage and the
762 lifetime optimization in WSNs. To cope with this problem, the field of
763 sensing  is  divided into  smaller  subregions  using  the concept  of
764 divide-and-conquer method,  and then a  multi-rounds coverage protocol
765 will optimize  coverage and  lifetime performances in  each subregion.
766 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
767 leader election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
768 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
769 the best  representative active  nodes. Results from  simulations show
770 the relevance of the proposed  protocol in terms of lifetime, coverage
771 ratio,  active  sensors  ratio,  energy  saving,  energy  consumption,
772 execution  time, and  the number  of  stopped simulation  runs due  to
773 network  disconnection.  Indeed,  when  dealing with  large and  dense
774 wireless  sensor networks,  a  distributed approach  like  the one  we
775 propose  allows   to  reduce  the   difficulty  of  a   single  global
776 optimization problem by partitioning  it in many smaller problems, one
777 per subregion,  that can  be solved more  easily.  In future  work, we
778 plan to  study a  coverage protocol which  computes all  active sensor
779 schedules in only one step for many rounds,  using optimization  methods
780 such as  swarms optimization or evolutionary algorithms.
781 % use section* for acknowledgement
782 %\section*{Acknowledgment}
783
784 \bibliographystyle{IEEEtran}
785 \bibliography{bare_conf}
786
787 \end{document}
788
789