Soutenance mémoire
Types des réseaux de capteurs sans fil
Selon l’environnement de déploiement des nœuds capteurs, on peut distinguer différents types de réseaux confrontés à différents défis et limites, tels que les réseaux de capteurs terrestre, sous-marin, souterrain, multimédia et mobile.
Les réseaux de capteurs terrestres Les nœuds capteurs terrestres sont déployés dans un environnement dense pour communiquer efficacement les données collectées vers la station de base. La fiabilité de cette communication représente un enjeu très important pour ce type de réseau. Ainsi la limitation en termes d’énergie de capteur est un autre défi, lorsque sa batterie ne peut être rechargeable. Cependant, pour certaines applications, les nœuds capteurs terrestres peuvent être équipés d’une source d’alimentation alternative telle que l’énergie solaire. Dans tous les cas, il est important de minimiser la consommation énergétique des nœuds capteurs. Pour un réseau de capteurs terrestre, l’énergie peut être conservée à travers un acheminement optimal multi-saut des données, une agrégation des données du réseau, en éliminant la redondance des données, en réduisant les délais de transmission et en utilisant les opérations à faible rapport cyclique.
Les réseaux de capteurs souterrains Les réseaux de capteurs souterrains [3, 4] sont formés d’un ensemble de nœuds capteurs enterrés sous sol ou dans une grotte ou une mine utilisés pour observer et contrôler les conditions souterraines. Le coût d’un réseau de capteurs souterrain est plus cher qu’un réseau de capteurs terrestre et cela est dû aux équipements et aux difficultés de déploiement et de maintenance. Les nœuds capteurs souterrains sont coûteux parce que les pièces d’équipements appropriés doivent être bien choisies pour garantir une communication fiable à travers le sol, les roches, l’eau et autres contenus minéraux. Le milieu souterrain rend la communication sans fil conflictuelle en raison des pertes du signal et des niveaux élevés d’atténuation. Contrairement aux réseaux de capteurs terrestres, le déploiement d’un réseau de capteurs souterrain nécessite une planification minutieuse et une considération d’énergie et de coût. L’énergie est un facteur important dans les réseaux de capteurs souterrains. Comme dans un réseau de capteurs terrestre, les nœuds capteurs souterrains sont équipés d’une source d’alimentation limitée, une fois déployée sous terre il est difficile de la recharger ou de la remplacer. Comme préalable, l’objectif essentiel est de conserver l’énergie afin d’augmenter la durée de vie d’un réseau qui peut être atteint par l’implémentation d’un protocole de routage efficace.
Les réseaux de capteurs sous-marins Les réseaux de capteurs sous-marins [5, 6] sont constitués des nœuds ancrés dans le fond marin ou amarrés aux véhicules autonomes mobiles déployés sous l’eau. A la différence des réseaux de capteurs terrestres, les nœuds capteurs sous-marins sont plus chers et leur déploiement est moins dense. Les véhicules sous-marins autonomes sont utilisés pour l’exploration ou la collecte des données de nœuds capteurs. Comparé à un déploiement dense des nœuds capteurs dans un réseau de capteurs terrestre, un déploiement clairsemé de nœuds capteurs est placé sous l’eau. Les communications sans fil sous-marines sont établies par transmission d’ondes acoustiques. Ce moyen de transmission est confronté à plusieurs défis tels que la bande passante limitée, le temps de propagation très élevée. Un autre défi est la défaillance du nœud capteur en raison des conditions environnementales. Les nœuds capteurs sous-marins doivent être capables de s’auto-configurer et de s’adapter à l’environnement dur de l’océan. Les nœuds capteurs sous-marins sont équipés d’une batterie limitée qui ne peut être remplacée ou rechargée. La conservation de l’énergie pour les réseaux de capteurs sousmarins consiste à développer des techniques efficaces de routage et de communication sousmarine.
Les réseaux de capteurs multimédias Les réseaux de capteurs multimédias [7] ont été proposés pour permettre la surveillance et le suivi des événements du type multimédia comme la vidéo, l’audio et l’image. Les réseaux de capteurs multimédias se composent d’un certain nombre de nœuds capteurs à faible coût équipés de caméras et de microphones. Ces nœuds capteurs interconnectent les uns avec les autres via une connexion sans fil pour la restitution, le traitement, la corrélation et la compression de données. Les nœuds capteurs multimédias sont déployés de manière préplanifiée dans l’environnement pour garantir une large couverture. Les défis dans les réseaux de capteurs multimédias comprennent une forte demande de bande passante, une forte consommation d’énergie, une qualité de service (QoS), des techniques de traitement et de compression de données et une conception inter-couche (cross-layer design). Le contenu multimédia comme un flux vidéo nécessite une bande passante élevée afin que le contenu puisse être délivré. En conséquence, un débit élevé de données entraîne une consommation d’énergie élevée. Les techniques de transmission qui prennent en charge une bande passante élevée et une faible consommation d’énergie doivent être développées. L’approvisionnement de la qualité de service est une tâche difficile dans un réseau de capteurs multimédias en raison des deux paramètres, le retard et la capacité du canal. Il est important qu’un certain niveau de qualité de service doit être atteint pour une livraison fiable de contenu. En réseau, le traitement, le filtrage et la compression peuvent améliorer considérablement les performances du réseau en termes de réduction des bruits et d’extraction d’informations redondantes et les contenus qui fusionnent. De même, l’interaction cross-layer entre les couches peut améliorer le processus de traitement et de livraison.
Les réseaux de capteurs mobiles Les réseaux de capteurs mobiles se composent d’un nombre de nœuds capteurs qui peuvent se déplacer par leurs propres moyens et d’interagir avec l’environnement physique. Comme le cas des nœuds statiques, les nœuds mobiles ont la capacité de collecter, calculer et communiquer. Une différence clé est que les nœuds mobiles ont la possibilité de repositionner et de s’organiser en réseau. Un réseau de capteurs mobiles peut commencer avec un déploiement initial et les nœuds peuvent alors s’étaler pour recueillir des informations.L’information recueillie par un nœud mobile peut être communiquée à un autre nœud mobile se trouvant dans sa couverture radio. Une autre différence essentielle est la distribution des données. Dans un réseau de capteurs statique, les données peuvent être distribuées à l’aide de routage ou par inondation alors que le routage dynamique est utilisé dans un réseau de capteurs mobiles. Les challenges dans un réseau de capteurs mobiles comprennent le déploiement, la localisation, l’auto-organisation, la navigation et le contrôle, la couverture, l’énergie, l’entretien et le traitement des données. Les applications des réseaux de capteurs mobiles incluent la surveillance de l’environnement, le suivi de cible, la recherche, le sauvetage et la surveillance en temps réel des matières dangereuses. Pour la surveillance de l’environnement dans les zones sinistrées, le déploiement manuel pourrait ne pas être possible. Avec les nœuds capteurs mobiles, ils peuvent se déplacer dans les zones d’événements après le déploiement pour fournir la couverture nécessaire. Dans la surveillance et le suivi militaire, les nœuds capteurs mobiles peuvent collaborer et prendre des décisions fondées sur la cible. Les nœuds capteurs mobiles peuvent atteindre un degré de couverture et une connectivité plus élevés par rapport aux nœuds capteurs statiques. En présence d’obstacles sur le terrain, les nœuds capteurs mobiles peuvent être planifiés à l’avance et déplacés de manière appropriée aux régions obstruées pour augmenter l’exposition de la cible.
Domaines d’applications des réseaux de capteurs
Les RCSFs disposent d’un ensemble très vaste d’applications dans multiples domaines, parmi lesquels, on peut noter les applications militaires, environnementales, médicales et industrielles.
• Le domaine militaire : Comme dans le cas de plusieurs technologies, le domaine militaire a été un moteur initial pour le développement des RCSFs permettant la détection et la collection d’informations sur la position de l’ennemi, la surveillance des zones hostiles (contaminées) et la détection d’agents chimiques et bactériologiques dans l’air.
• La surveillance environnementale : La taille miniaturisée et les capacités relativement pertinentes en termes de calcul et de communication des nœuds capteurs permettent de les placer à des endroits très dangereux ou voir impossible d’être accédés par l’être humain, par exemple les volcans, les profondeurs des océans, les régions polaires, ou encore d’autres planètes que la terre [8]. Ainsi, l’intégration des capteurs dans de grandes structures telles que les ponts ou les bâtiments aidera à détecter les fissures et les altérations dans la structure suite à un séisme ou au vieillissement de la structure. Le déploiement d’un réseau de capteurs de mouvement peut constituer un système d’alarme qui servira à détecter les intrusions dans une zone de surveillance [9].
• Le domaine industriel : Les industriels s’intéressent aux potentialités des capteurs pour diminuer les coûts du contrôle et de la maintenance des produits, de la gestion de l’inventaire, de la télésurveillance après vente, …etc [10]. En particulier, l’intégration de la technologie RFID (Radio Frequency IDentification) aux réseaux de capteurs, constitue une direction prometteuse de recherche dans l’industrie.
• Les domaines urbains et domotiques : Les capteurs entrent de plus en plus dans nos vies quotidiennes. Dans le milieu urbain, les capteurs sont déjà utilisés pour la localisation des bus, pour des tickets électroniques et pour la sécurité. Une des applications est la surveillance du trafic routier avec les réseaux de capteurs déployés sur les autoroutes [11]. De plus, les maisons, les bâtiments, les bureaux équipés de capteurs intelligents permettent de construire des systèmes pervasifs [12], où l’information est omniprésente.
• Le domaine médical : La recherche sur l’usage des capteurs intelligents dans le domaine médical inclut les moyens d’hospitalisation à domicile, l’intégration des micro-capteurs « sur ou dans » le corps (BAN : Body Area Network) et la gestion des urgences [13]. Parmi les applications les plus utiles, on cite la télésurveillance des signes vitaux et des niveaux d’activité à domicile des personnes âgées ou handicapées ainsi que le contrôle à distance des données physiologiques.
Différentes techniques de communication sans fil aquatique
La demande de disposer des systèmes de communications sans fil aquatique pour des applications scientifique, industrielle et militaire se révèle sans cesse croissante. Pour répondre à cette demande, trois techniques de transmission radio, optique et acoustique, sont mises en œuvre.
Communication par onde radio Les normes de transmission sans fil dans le milieu aérien, utilisent des ondes électromagnétiques qui atteignent le domaine des gigahertz (GHz), citons l’exemple des normes: Wi-Fi, Bluetooth, Home RF qui opèrent dans la bande ISM (2.4 GHz et 5 GHz). Cependant, ces normes utilisées dans l’air libre sont inutilisables sous l’eau. L’atténuation dans l’eau pour les hautes fréquences s’avère extrêmement élevée. Par exemple, l’atténuation dans le cas de la norme Bluetooth (de 2.4 GHz) arrive à 1695 dB/mètre dans la mer et à 189 dB/mètre dans l’eau fraîche. Cette atténuation dépend fortement de la conductivité électrique du milieu, qui est de 4 Ω−1/m dans l’eau de mer et de 0.05 Ω−1/ m dans l’eau fraîche [17]. Ainsi, les rayonnements électromagnétiques ne pénètrent pas le milieu marin au-delà de quelques dizaines de mètres dans le meilleur des cas. L’utilisation de haute fréquence dans le domaine des télécommunications est justifiée par deux avantages principaux à savoir l’augmentions du débit et la réduction des antennes d’émission/réception (la taille des antennes est proportionnelle à la longueur d’onde λ et donc inversement proportionnelle à la fréquence, λ = c/f ). Pour les très basses fréquences (30 à 300 Hz), l’atténuation est réduite, mais la propagation de l’onde électromagnétique sur de longues distances nécessite alors des antennes d’émission-réception de grande taille et des puissances d’émission élevées par rapport à la dimension et au niveau d’énergie d’un nœud capteur.
Communication par l’onde optique Parmi les moyens de communication les plus utilisés on peut trouver les ondes optiques (lumière visible, l’infrarouge et le laser). L’utilisation de ce type d’ondes en milieu marin, ne pose pas le problème d’atténuation du signal, mais c’est le phénomène de la dispersion qui constitue le principal inconvénient de la propagation de la lumière dans l’eau. Ce problème de dispersion exige du nœud en émission une précision élevée de visée [19], ce qui est impossible à garantir, car les capteurs sont souvent mobiles dans l’eau et les positions relatives de l’un par rapport à l’autre ne sont pas figées. D’autre part, l’inhomogénéité du milieu, la variation de l’indice de réfraction et la présence des obstacles et de microorganismes marins constituent un handicap devant la propagation de l’onde optique.
Communication par l’onde acoustique Les systèmes de communication aquatique sans fil utilisent l’onde acoustique comme principal support physique de transmission de l’information dans l’eau, contrairement à la communication sans fil dans l’espace libre (l’air) qui est basée sur les ondes électromagnétiques. Cela est dû aux meilleures performances que présente l’onde acoustique dans le milieu marin, comparées aux autres types d’ondes (optiques et électromagnétiques) [20,21]. En effet, les océans sont presque opaques à la lumière et aux ondes radioélectriques et transparents aux ondes sonores. Par exemple, pour une longueur d’onde d’un mètre, l’eau est près d’un million de fois plus transparent au son qu’aux ondes radioélectriques. En effet, les ondes acoustiques sont largement utilisées dans les communications sous-marines [22] pour la commande, la poursuite et la localisation des sous-marins, ainsi que la communication avec les côtes. La technologie employée consiste à délivrer les données numériques via un modem utilisant les ondes acoustiques.
Comparaison des techniques de communication sans fil aquatique Les ondes acoustiques ne sont pas le seul moyen pour la transmission sans fil des signaux sous l’eau. Cependant, les ondes radio peuvent se propager dans l’eau pour différentes distances, mais à basse fréquence (30 à 300 Hz) et exigent de grandes antennes et une énorme puissance d’émission [23]. Dans le même contexte, les ondes optiques sont susceptibles de transmettre l’information sous l’eau puisqu’elles ne subissent pas une grande atténuation à faible distance, mais elles sont affectées par le phénomène de dispersion. Par conséquent la transmission des signaux optiques exige la haute précision pour pointer les faisceaux laser. Aussi la communication optique sous-marine est caractérisée par une faible portée de transmission. Bien que la technologie laser soit encore parfaite pour les usages pratiques, les ondes acoustiques restent la meilleure solution pour communiquer sous l’eau dans de mauvaises conditions. La figure II-5 récapitule les caractéristiques de chacune de ces techniques de communication sans fil pour des applications aquatiques. Le coût d’intervention pour remplacement et recharge des batteries en milieu marin est très élevé. Cette contrainte nous amène à donner une grande considération aux problèmes d’autonomie énergétique et à la durée de vie des batteries des nœuds communicants. L’autonomie énergétique ne peut pas être assurée à 100%, car l’exploitation des sources d’énergie en milieu marin est extrêmement difficile et qu’on ne peut pas profiter de l’énergie solaire pour recharger les batteries. Les architectures à faible consommation d’énergie restent le moyen efficace pour l’autonomie de tout système de communication sans fil acoustique en milieu marin. Le spectre fréquentiel ou la bande passante disponible pour le canal acoustique aquatique est très limitée par rapport au canal radio. La fréquence et la vitesse de propagation de l’onde dans l’eau ont une grande influence sur la portée de transmission. Dans le canal aquatique, la vitesse de propagation est cinq fois plus petite qu’en milieu aérien. Aussi. La vitesse de propagation dépend de plusieurs paramètres du milieu marin (la pression, la composition de l’eau et la température) [24]. La communication acoustique sous-marine est caractérisée par :
– un délai de propagation élevé,
– une mobilité importante des nœuds flottants,
– et une capacité du lien acoustique limitée.
Applications des RCSF-SMs
• L’échantillonnage dans l’océan :Les capteurs sous-marins et les AUVs (Autonomous Underwater Vehicle) ont la capacité synoptique d’effectuer, l’échantillonnage coopératif et adaptatif à l’environnement marin côtier à trois dimensions afin de construire des bases de données géologiques et biologiques.
• Surveillance de l’environnement :Les réseaux de capteurs sous-marins permettent le suivi de différents types de pollution (chimique, biologique et nucléaire), la surveillance des courants marins et les vents, les prévisions météo, la détection des changements climatiques, la compréhension et la prévision de l’effet des activités humaines sur les écosystèmes marins et la surveillance biologique telles que le suivi de l’activité biologique marine ou l’industrie de l’aquaculture (figure II-12).
• Explorations sous-marines :Les réseaux de capteurs sous-marins peuvent aider à détecter les réservoirs de pétrole sous-marins, la détermination des routes pour la pose de câbles sous-marins, et l’exploration des minéraux précieux (figure II-13). En outre, ils peuvent être utilisés pour l’archéologie sous-marine et la recherche des épaves.
• La prévention des catastrophes :Les réseaux de capteurs sous-marins ont la capacité de mesurer l’activité sismique à distance et cela permet de fournir des alertes au tsunami pour les zones côtières, [40] et aussi d’étudier les effets des tremblements de mer (seaquakes) (figure II-14).
• La navigation assistée :Les capteurs sous-marins peuvent être utilisés aussi pour identifier les dangers sur le fond marin, localiser les roches dangereuses dans les eaux peu profondes, les positions d’amarrage, la localisation des épaves immergées.
• La surveillance tactique Distribuée :Les véhicules autonomes sous-marins (AUV) et les capteurs sous-marins statiques peuvent collaborer pour contrôler des zones de surveillance, de reconnaissance, de position et de détection d’intrusion. Les réseaux de capteurs sous-marins peuvent atteindre plus de précision, que les systèmes traditionnels radar ou sonar, et permettent aussi la détection et la classification des cibles à faible signature par une combinaison de mesures des différents types de capteurs.
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Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Abréviations
Chapitre I. Introduction générale
I Contexte général
II Problématiques et motivations
III Contribution et organisation du manuscrit
Chapitre II. Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil sous-marins
I Introduction
II Les réseaux de capteurs sans fil
II.1 Définition
II.2 Types des réseaux de capteurs sans fil
II.2.1 Les réseaux de capteurs terrestres
II.2.2 Les réseaux de capteurs souterrains
II.2.3 Les réseaux de capteurs sous-marins
II.2.4 Les réseaux de capteurs multimédias
II.2.5 Les réseaux de capteurs mobiles
II.3 Domaines d’applications des réseaux de capteurs
II.4 Contraintes des RCSFs
II.4.1 Passage à l’échelle
II.4.2 Tolérance aux pannes
II.4.3 Contraintes matérielles
II.4.4 Coût de production
II.4.5 Topologie du réseau
II.4.6 Environnement
II.4.7 Media de transport
II.4.8 Consommation d’énergie
III Vers les réseaux de capteurs sans fil sous-marins
III.1 Définition d’un réseau de capteurs sous-marin
III.2 Architecture d’un capteur sous-marin
IV Différentes techniques de communication sans fil aquatique
IV.1 Communication par l’onde radio
IV.2 Communication par l’onde optique
IV.3 Communication par l’onde acoustique
IV.4 Comparaison des techniques de communication sans fil aquatique
V Propagation sonore en milieu marin
V.1 Principe de propagation du son
V.2 Caractéristiques de l’onde acoustique sous-marine
VI Différence entre RCSF et RCSF-SM
VII Contraintes des RCSF-SMs
VII.1 Pertes et limitation de la bande passante
VII.2 Phénomène de multi trajets
VII.3 Bruit acoustique
VII.4 Effet Doppler
VII.5 Consommation d’énergie
VII.6 Coût d’un capteur sous-marin
VIII Applications des RCSF-SM
IX Différentes architectures de communication dans les RCSF-SMs
IX.1 Les réseaux de capteur sous-marins à deux dimensions (2D)
IX.2 Les réseaux de capteur sous-marins en trois dimensions (3D)
IX.3 Les réseaux de capteurs avec véhicules sous-marins autonomes
X Différentes problématiques de recherche dans les RCSF-SMs
X.1 Routage efficace dans les RCSF-SMs
X.2 Sécurité et robustesse des RCSF-SMs
X.3 Localisation dans les RCSF-SMs
XI Conclusion
Chapitre III. Le routage dans les réseaux de capteurs sans fil sous-marins
I Introduction
II Architectures de communication dans les RCSF-SMs
III Problèmes de conception d’un protocole de routage pour les RCSF-SMs
III.1 La mobilité du nœud
III.2 Consommation d’énergie
III.3 Déploiement des nœuds
III.4 L’erreur du canal sous-marin acoustique
III.5 Délai de propagation élevé et faible bande passante
III.6 La taille du réseau
III.7 Tolérance aux pannes
III.8 Qualité de service
IV Sources de perte d’énergie d’un RCSF-SM
IV.1 Énergie de communication
IV.2 Énergie de traitement
IV.3 Accès au médium de transmission
V Critères de performances d’un protocole de routage
VI Classification des protocoles de routage dans les réseaux de capteurs sous-marins
VII Exemples de protocoles de routage dans les RCSF-SMs
VII.1 Le protocole de routage « VBF »
VII.2 Le protocole de routage « HH-VBF »
VII.3 Le protocole de routage « FBR »
VII.4 Le protocole de routage « DBR »
VII.5 Le protocole de routage « ICRP »
VII.6 Le protocole de routage « Adaptative »
VII.7 Le protocole de routage « DUCS »
VII.8 Le protocole de routage « MCCP »
VII.9 Le protocole de routage « Pack clonning »
VII.10 Le protocole de routage « LCAD »
VIII Conclusion
Chapitre IV. Le routage basé sur le clustering dans les réseaux de capteurs sans fil sous-marins
I Introduction
II Algorithme FCM (Fuzzy C-Means)
III Contribution
III.1 Le premier algorithme proposé: SH-FEER
III.2 Le deuxième algorithme proposé: MH-FEER
IV Évaluation
IV.1 Hypothèses
IV.2 Modèle d’énergie utilisé
IV.3 Résultats de simulation et analyse
IV.3.1 Simulation I: topologie Statique
IV.3.2 Simulation II : la topologie Dynamique
IV.3.3 Impact de la densité des nœuds
IV.3.4 Impact de la mobilité des nœuds
V Conclusion
Chapitre V. Routage hybride basé sur les métaheuristiques dans les RCSF-SMs
I Introduction
II Routage basé sur les chaînes dans les réseaux de capteurs
III Notions fondamentales sur les métaheuristiques
III.1 Heuristiques et métaheuristiques
III.2 Classification
III.2.1 Les métaheuristiques à solution unique
III.2.2 Les métaheuristiques à population de solutions
IV Les stratégies d’optimisations inspirées de la nature utilisée dans les RCSFs
IV.1 Caractéristiques des systèmes biologiques
IV.2 Avantages et limites
IV.3 L’algorithme de colonie de fourmis
IV.3.1 Construction de la solution
IV.3.2 Mise à jour de phéromones
IV.4 Algorithme ACO pour le problème de voyageur de commerce
V Contribution
V.1 Phase 01: formation des clusters et des chaînes
V.2 Phase 02: sélection du nœud Leader
V.3 Phase 03: transmission des données
VI Évaluation
VI.1 L’efficacité énergétique
VI.2 La durée de vie du réseau
VI.3 Impact de la mobilité
VII Conclusion
Conclusion générale
I Principales contributions
II Perspectives et nouveaux défis
Références
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