PERFORMANCE AND COMMUNICATION QUALITY IMPROVEMENT OF UNDERWATER INTERNET OF THINGS

Abstract

L’Internet des Objet sous-marins (IoUT) correspond à des réseaux de capteurs sans fil sous-marins composés d’un certain nombre de noeuds de capteurs,appareils de détection, robots et de véhicules intelligents inter-connectés avec les bases terrestres pour renforcer le réseau de l’internet des Objets (IoT). La recherche dans ce domaine a conduit au déploiement de plusieurs applications d’objets autonomes sous-marins.Ces objets ont plusieurs applications, telles que:l’exploration, la surveillance ou la collection des données sur des vastes zones maritimes inexplorées. Parmi ces applications, nous pouvons noter l’analyse des effets du changement climatique sur les récifs coralliens. Une autre application de ce domaine est la détection de l’activité sismique et la surveillance des pipelines. Malgré l’importance et l’utilité de ces applications, les noeuds des capteurs sous-marins demeurent très chers et moins déployés contrairement aux réseaux des capteurs terrestres. Dans l’environnement marin, les ondes électromagnétiques sont inutilisables (sauf à très basses fréquences et à faible débit) et les ondes optiques ne fonctionnent que sur quelques dizaines de mètres, même dans le domaine bleu-vert dont les caractéristiques de propagation sont particulièrement favorables. Les communications sans fil sous-marines sont établies par transmission d’ondes acoustiques qui constituent le seul support physique fiable pour la transmission d’informations sans fil dans l’environnement marin. La communication acoustique sous-marine est connue par sa bande passante limitée, le long temps de propagation et l’évanouissement du signal, en plus de ses faibles performances en termes de perte de paquets lors de la transmission. Dans le milieu aquatique, les protocoles traditionnels du transport TCP (Transmission Control Protocol) sont très sensibles à la perte de paquets, ce qui rend leur intégration dans les réseaux sous-marins très difficile. En effet, ceci est dû aux paramètres de communication terrestre utilisés par défaut dans le milieu marin alors qu’ils ne sont pas adaptés à ce type d’environnement. Cependant, il n’y a pas suffisamment d’études de recherches sur le comportement du TCP dans l’environnement sous-marin. Il est donc nécessaire d’étudier le comportement de ces protocoles afin d’ajuster leurs paramètres pour parvenir à un fonctionnement plus efficace dans ce milieu aquatique. D’autre part, les noeuds de capteurs sous-marins sont équipés d’une batterie limitée qui ne peut être ni remplacée ni rechargée. La puissance de transmission élevée et la longue durée de la transmission de paquets de données consomment une quantité d’énergie importante vu la difficulté du type de communication dans cet environnement. Résoudre l’enjeu de la conservation de l’énergie pour les réseaux de capteurs sous-marins consiste à développer des méthodes de routage et des techniques de communication efficaces qui aident à réduire le taux de consommation d’énergie. Dans cette thèse, nous visons à étudier et évaluer les performances des protocoles traditionnels TCP dans les UWSNs afin d’améliorer leurs performances dans l’environnement marin. Nous sommes donc particulièrement intéressés par l’étude de l’effet du contrôle de la fenêtre maximale et ajuster la valeur du temps de parcours RTT de TCP NewReno dans le réseau sous-marin sous différents scénarios. Les résultats de ces études ont permis de présenter un nouveau protocole de transport bien adapté à cet environnement sous-marin appelé U-NewReno. Dans le cadre de nos travaux réalisés, les simulations effectuées montrent l’efficacité de notre protocole proposé en terme de gain de livraison de paquets et de taux de retransmission de livraison de paquets. D’un autre côté, les environnements sous-marins sont soumis à des conditions variables qui pourraient dégrader la qualité des communications. Les noeuds de capteurs sous-marins doivent être capables de s’auto-configurer et de s’adapter aux plus dures conditions de cet environnement. De ce fait, nous introduisons un mécanisme de contrôle adaptatif pour contrôler la mobilité des capteurs thermocline afin d’améliorer la stabilité de la liaison dans les réseaux sous-marins, en utilisant la théorie de l’apprentissage Automata (LA). Les résultats rapportés montrent la capacité de notre algorithme à trouver les positions optimales des capteurs pour une meilleure surveillance du réseau. Par ailleurs, nous proposons également une approche d’optimisation pour améliorer la qualité de surveillance des UWSN en recourant au concept d’apprentissage automatique de la diversité. Nous concevons une procédure d’optimisation multi-agents capable à la fois de réduire la redondance entre les lectures des capteurs et de maximiser la diversité de manière distribuée et adaptative. Les positions des capteurs mobiles sont ajustées de manière itérative à l’aide d’un type de gradient de mises à jour. Des simulations basées sur des conditions d’environnement réalistes ont été réalisées, et leurs résultats coïncident avec les résultats théoriques, et illustrent la performance de notre approche. En outre, nous nous sommes intéressés à étudier l’impact de l’utilisation de l’approche de logique floue dans un protocole de routage pour évaluer la performance énergétique d’un réseau de capteurs sans fil sous-marin. Nous implémentons le protocole de routage FLOVP (Fuzzy Logic Optimized Vector Protocol) qui est une version améliorée du protocole de routage VBF (Vector Based Forwarder). Les résultats des simulations affirment l’efficacité énergétique du Protocol FLOVP par rapport au Protocole original de routage VBF.