Le routage dans les réseaux de capteurs sous-marins

Le routage dans les réseaux de capteurs sous-marins

La différence entre réseaux de capteurs terrestre et sous-marins:

Les réseaux de capteurs sous-marins sont très différents des réseaux de capteurs terrestres , il existe plusieurs points de divergences entre eux, ces différences sont résumées dans les points suivants :

• Méthode de communication: les réseaux de capteurs terrestres utilisent des ondes électromagnétiques mais dans les réseaux sous-marins, en raison des caractéristiques suivantes (grand délais, longue distance de communication) du réseau, la communication est invoquée dans les moyens physiques tels que les sons acoustiques pour transmettre le signal. Les réseaux traditionnels qui utilisent RF pourraient ne pas fonctionner de manière efficace dans les réseaux sous-marins.
• Protocoles: En raison de la dynamique des réseaux distincts, les protocoles de communication dans les réseaux terrestres ne sont pas adaptés à l’environnement sous-marin. La faible bande passante et la latence importante entraînent des défis en termes de fiabilité de transfert de données et le contrôle de congestion du trafic.
• Coût: les équipements des réseaux de capteurs terrestres sont coûteux en raison de l’avancement de la technologie, mais les capteurs sous-marins sont encore des dispositifs coûteux. Cela est dû à la protection supplémentaire requise pour l’environnement sous-marin et l’utilisation des émetteurs-récepteurs plus complexes.
• Déploiement: réseaux terrestres sont densément déployés, alors que dans les réseaux sous-marins le déploiement est moins dense en raison des défis impliqués dans le déploiement lui-même et le coût aussi impliqué des équipements.  Mobilité du Nœud: la mobilité des nœuds de réseaux terrestre peut être prédite alors que dans les réseaux sous-marins la prédiction de la mobilité du nœud est difficile, en raison de la densité et la variation de débit de l’eau.
• Corrélation spatiale: les lectures prises par les réseaux des capteurs terrestres sont souvent corrélés, mais ce n’est pas le cas dans les réseaux sous-marins puisque la distance est plus grande entre les capteurs.
• Mémoire : les capteurs sous-marins ont besoin d’avoir une grande capacité de stockage par rapport aux capteurs terrestres comme le canal sous-marin est intermittent.
• Puissance: Plus de puissance est nécessaire dans les communications sous-marines dues à des distances supérieures et les plus complexes de traitement du signal au niveau des récepteurs.

Le routage dans les réseaux de capteurs sous-marins:

Le routage est une méthode d’acheminement des informations vers une destination donnée dans un réseau de connexion. Le problème de routage consiste à déterminer un acheminement optimal des paquets à travers le réseau au sens d’un certain critère de performance comme la consommation énergétique. Le problème consiste à trouver l’investissement de moindre coût qui assure le routage du trafic nominal et garantit la qualité de service.
Chaque nœud participe donc au routage ce que lui permet de découvrir les chemins existants afin d’atteindre les autres nœuds du réseau. Le fait que la taille d’un réseau puisse être importante, surtout dans le cas des réseaux de capteurs.
L’objectif principal d’un protocole de routage pour un réseau Ad-hoc est l’établissement correct et efficace d’itinéraires entre une paire de nœuds afin que des messages puissent être acheminés. Les protocoles de routage sont conçus différemment pour répondre aux objectifs d’un réseau de capteurs sans fil sous-marins. Plusieurs applications de ce type de réseau exigent un routage efficace, sécurisé et économe en énergie assurant une bonne qualité de service et des temps de traitement et de transmission adéquats. Suivant la manière dont sont créées et maintenues les routes lors de l’acheminement des données, les protocoles de routage peuvent être séparés en plusieurs catégories. En plus, le routage dans les capteurs sous-marins consiste en général, à acheminer les données collectées par les nœuds du réseau vers un seul ou plusieurs destinations qui sont les puits (Sink). Ces données sont caractérisées par une corrélation spatiale et temporaire très importante relative à la densité élevée du déploiement des nœuds.

Les principaux défis dans le développement des protocoles de routage pour les réseaux de capteurs sous-marins:

Actuellement, de nombreux protocoles de routage sont disponibles pour les réseaux de capteurs sans fil terrestres. Toutefois, les propriétés spécifiques du milieu sous-marin font les protocoles de routage existants inapproprié sous l’eau. Les principaux défis dans le développement de protocoles de routage efficaces pour les environnements sous-marins sont les suivants:
-Délai de propagation élevé : Les signaux radio ne fonctionnent pas de manière efficace sous l’eau et ce problème encourage l’utilisation de canal acoustique comme méthode de communication. Cependant, les principaux problèmes de canal acoustique sont les faibles bandes passantes et les délais de propagation élevés.
-la mobilité des nœuds : En raison de courants d’eau, les nœuds peuvent fluctuer ou déplacer s’ils ne sont pas ancrés au fond de la mer. Cette situation se traduit par une topologie de réseau dynamique. En outre, les véhicules sous-marins autonomes AUV et des robots utilisés pour l’exploration et les commandes peuvent être utilisées pour acheminer les données de nouveau.
-Erreur du canal acoustique sous-marin : les canaux acoustiques ont la capacité de bande passante très faible, ils souffrent du problème du taux d’erreur binaire élevé.
– énergie limitée : comme dans les réseaux de capteurs terrestres sans fil, la majorité des nœuds de capteurs dans un environnement aquatique sont alimentés par batterie. En effet, il y a une forte dépendance entre la durée de vie d’un nœud capteur et la durée de vie de la batterie.
– environnement de déploiement dur : les nœuds sont dispersés aléatoirement dans la région du phénomène à surveiller, les informations de positions des capteurs dispersés aléatoirement sur une zone à surveiller sont difficiles à connaître ou à prévoir.
En plus de ces défis, tout en développant un protocole de routage sous-marine, il est important d’éviter l’overhead dans les messages échangés ou l’utilisation des mécanismes de découverte de la route à base d’inondations puisque l’énergie et la consommation de bande passante de ces techniques est élevé.

Critères de performances d’un protocole de routage:

L’efficacité d’un protocole de routage permet à un réseau de capteurs de mener sa mission jusqu’à la fin et pour une longue durée. Ainsi, on dit qu’un protocole de routage est efficace s’il répond aux propriétés suivantes :
• Extensibilité
Il supporte le passage à l’échelle sans présenter de goulots d’étranglement.
• Mobilité des nœuds
La position des capteurs sur la zone de captage n’est pas toujours constante. Un nœud capteur peut devenir mobile et changer sa position selon les besoins de l’utilisateur. Des traitements spécifiques pour la maintenance des liens et la mise à jour des informations de routage sont à prévoir lors de la conception d’un protocole de routage.
• Consommation énergétique
Le facteur le plus important à prendre en considération est l’énergie consommée dans les réseaux de capteurs lors de la détection et de la transmission des données, sa conservation est indispensable pour garantir une longue durée de vie aux réseaux puisqu’il est généralement impossible de recharger les batteries des capteurs. Cette consommation est optimisée quand le nombre de messages retransmis et le nombre de messages redondants aux réceptions sont réduits.

Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les réseaux de capteurs sous-marins (UWSNs)
I.1 Introduction
I.2 Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF)
I.3 Applications des réseaux de capteurs sans fil
I.3.1 Applications militaires
I.3.2 Applications médicales
I.3.3 Applications environnementales
I.3.4 Applications commerciales
I.3.5 Agriculture
I.3.6 Applications à la surveillance
I.3.7 Applications domestiques
I.4 Les réseaux de capteurs sous-marins
I.4.1 Définition
I.4.2 Architecture interne d’un capteur sous-marin
I.4.3 Techniques de communication sans fil aquatique sous-marin
I.4.3.1 Ondes électromagnétiques
I.4.3.1.a Onde EM en eau douce
I.4.3.1.b Onde EM dans l’eau de mer
I.4.3.2 Ondes optiques
I.4.3.3 Ondes acoustiques
I.4.4 Comparaison des techniques de communication sans fil aquatique
I.4.5 Les caractéristiques uniques des réseaux de capteurs acoustiques sous-marins
I.4.6 L’Architecture de communication
I.4.6.1 Réseaux de capteurs à une dimension
I.4.6.2 Réseaux de capteurs à Deux dimensions
I.4.6.3 Réseaux de capteurs sous-marins en trois dimensions
I.4.6.4 Les réseaux de capteurs avec véhicules sous-marins autonomes
I.4.7 Les applications des capteurs aquatiques
I.4.7.1 Les applications de la surveillance
I.4.7.2 Catastrophe
I.4.7.3 Militaire
I.4.7.4 Navigation assistée
I.4.7.5 Sports
I.5 La différence entre réseaux de capteurs terrestre et sous-marins
I.6 Conclusion
Chapitre II : Etat de l’art sur les protocoles de routages conçus pour les (UWSNs)
II.1 Introduction
II.2 Le routage dans les réseaux de capteurs sous-marins
II.3 Les principaux défis dans le développement des protocoles de routage pour les réseaux de capteurs sous-marins
II.4 Critères de performances d’un protocole de routage
II.5 Classification des protocoles de routage pour les réseaux de capteurs sous-marins
II.5.1 La mobilité
II.5.1.1 Le protocole de routage Basé sur la Profondeur « DBR »
II.5.1.2 Le protocole de routage basé sur l’acheminement par vecteur « VBF »
II.5.2 Réseaux clairsemées
II.5.2.1 Le protocole de routage adaptive
II.5.2.2 Le protocole de routage Saut par saut VBF « HH-VBF»
II.5.3 Réseaux denses
II.5.3.1 Le protocole de routage axé par faisceau « FBR »
II.5.4 Routage fiable
II.5.4.1 Le protocole de Routage Directionnel à Base d’Inondation « DFR »
II.5.5 Efficacité énergétique
II.5.5.1 Le protocole de routage de regroupement des coûts minimum « MCCP »
II.5.6 Mécanismes spéciaux
II.5.6.1 le protocole de routage Délai d’une approche tolérante mobile « DDD »
II.6 Comparaison entre les protocoles étudiés
II.7 Conclusion
Chapitre III : Évaluations des performances du routage dans les UWSNs
III.1 Introduction
III.2 Outil de simulation
III.3 Choix du simulateur NS2
III.4 Simulateur NS2
III.5 Aqua-Sim
III.6 Objectifs de la simulation
III.7 Métriques d’évaluation
III.8 Méthodologie expérimentale
III.8.1 Création du modèle de simulation
III.8.2 L’influence de la densité des nœuds
III.8.2.1 Etude du délai de transmission
III.8.2.2 Etude de l’énergie consommée
III.8.3 Etude de l’influence de rayon de la pipe
III.8.3.1 Etude du délai de transmission
III.8.3.2 Etude de l’énergie consommée
III.8.4 Comparaison entre les performances du « VBF » et« HH-VBF »
III.8.4.1 Etude du délai de transmission
III.8.4.2 Etude de l’énergie consommée
III.9 Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Conclusion générale
Perspectives
Bibliographie
Annexe
Résumé

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