Energy efficient underwater acoustic sensor networks
Réseaux de capteurs acoustiques sous-marins écoénergétiques
par Chaima ZIDI sous la direction de Ahmed MEHAOUA
Thèse de doctorat en Réseaux
ED 130 Informatique, Télécommunications et Electronique

Soutenue le Thursday 08 March 2018 à Sorbonne Paris Cité

Sujets
  • Acoustique sous-marine
  • Réseaux de capteurs (technologie)

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Mots clés
Réseaux de capteurs acoustiques sous-marins (UW-ASN), Problème du sink hole, Évitement de collisions, Efficacité énergétique, Communication multi canal, Partition virtuelle de grille, Attribution de créneaux, Allocation de canaux, Système de quorum
Resumé
Les réseaux de capteurs acoustiques sous-marins (UW-ASN) sont les plus nouveaux achèvements technologiques en termes de communication. Les UW-ASN visent à observer et à explorer les lacs, les rivières, les mers et les océans. Récemment, ils ont été soumis à une attention particulière en raison de leur grand potentiel en termes d'applications prometteuses dans divers domaines (militaires, environnementaux, scientifiques ...) et aux nouvelles questions scientifiques qu'ils suscitent. Un problème majeur dans les UW-ASN est l'épuisement rapide de l'énergie, car une grande puissance est nécessaire pour la communication acoustique, tandis que le budget de la batterie des capteurs est limité. Par conséquent, les protocoles de communication énergétiques revêtent une importance primordiale pour faire usage judiciaire du budget énergétique disponible. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier les principales caractéristiques des capteurs acoustiques sous-marins difficiles afin de concevoir des protocoles de communication énergétiques, plus spécifiquement au niveau routage et MAC. Tout d'abord, nous abordons le problème des trous énergétiques dans UW-ASN. Le problème du « sink-hole » se produit lorsque les capteurs les plus proches du sink épuisent leur énergie plus rapidement en raison de leur charge plus lourde. En effet, ces capteurs, en particulier ceux qui sont à un seul saut du sinkstatique, agissent comme des relais pour tous les autres capteurs, ce qui leur épuise sévèrement l'énergie.A la couche de routage,en particulier, nous proposons de distribuer la charge transmise par chaque capteur parmi plusieurs voisins potentiels, en supposant que les capteurs peuvent ajuster leur gamme de communication entre deux niveaux lorsqu'ils envoient ou transmettent des données. Plus précisément, nous déterminons pour chaque capteur l'ensemble des prochains sauts avec les poids de charge associés qui entraînent un épuisement équitable d'énergie entre tous les capteurs du réseau. Ensuite, nous étendons notre stratégie de routage équilibrée en supposant que chaque capteur n'est pas seulement capable d'ajuster sa puissance d'émission à 2 niveaux mais aussi jusqu'à n niveaux où n> 2. Par conséquent, à la couche de routage, pour chaque valeur possible de n, nous déterminons pour chaque capteur l'ensemble des éventuels sauts avec les poids de charge associés qui mènent à une consommation d'énergie équitable chez tous les capteurs du réseau. En outre, nous obtenons le nombre optimal de puissances de transmission n qui équilibre la consommation d'énergie de tous les capteurs pour chaque configuration de réseau. En plus de cela, il convient de souligner que notre protocole de routage étendu utilise un modèle de canal à variation de temps plus réaliste qui tient compte de la plupart des caractéristiques fondamentales de la propagation acoustique sous-marine. Les résultats analytiques montrent que notre protocole de routage assure une réduction importante de la consommation d'énergie. Deuxièmement, pour atténuer les impacts de collision spectaculaires gaspillant l'énergie, nous concevons un protocole MAC multicanal (MC-UWMAC) évitant les collisions pour les UW-ASNs. MC-UWMAC fonctionne avec un canal de contrôle (décomposé en créneaux de temps) et un ensemble de canaux de données à bande passante égale. Les créneaux du canal de contrôle sont dédiés à l'échange RTS / CTS permettant à une paire de capteurs communicants de s'accorder sur l'heure de début de la communication sur un canal de données pré-alloué. Dans cette thèse, nous proposons deux nouvelles procédures associées d'allocation des créneaux du canal de contrôle et d'attribution des canaux de données sans nécessiter de frais de négociation supplémentaires. En conséquence, chaque capteur peut initier l'échange RTS / CTS uniquement à son créneau assigné, calculé à l'aide d'une procédure d'allocation basée sur une partition virtuelle de grille de la zone de déploiement. (...)