Mécanismes pour les réseaux ad hoc de drones

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Solutions pour les reseaux de communi-cations

Gr^ace au progres dans le domaine des telecommunications, on vit au-jourd’hui dans un monde connect gr^ace aux di erents types de technologies disponibles. En e et, il est possible de faire communiquer deux extremites distant a l’aide d’une ou plusieurs technologies sans l. Ainsi, pour faire communiquer plusieurs drones entre eux et avec leur(s) station(s) de contr^ole, plusieurs possibilites existent comme les communications satellites, cellulaires ou ad hoc.

Reseaux satellite

A n de faire communiquer deux points tres eloignes l’un de l’autre, situes dans des regions ou il est impossible d’avoir une infrastructure xe, les com-munications satellites sont la meilleure solution.
Il existe deux types de satellites qui assurent la communication. Le pre-mier type est le satellite geostationnaire ; il reste xe par rapport a une posi-tion geographique puisque il tourne autour de la terre avec la m^eme vitesse que cette derniere. Ces satellites couvrent une zone geographique xe bien determinee.
Le deuxieme type de satellite est le satellite orbital qui, contrairement aux satellites stationnaires, couvre des zones geographiques di erentes puisque il se deplace sur une orbite autour de la terre.
Ce type de communication est souvent utilise pour la television, les com-munications aeronautiques, maritimes militaires et les missions du contr^ole des di erentes zones geographiques sur la surface de la terre, etc. ( gure 1.4)
Les satellites peuvent assurer la communication aussi entre la station sol et le drone dans les systemes mono-drone. Par consequent, pour les systemes multi-drones, chaque aeronef peut communiquer avec la station de base a travers un satellite. Ainsi, les communications entre drones peuvent aussi passer de la m^eme maniere. Cependant, cette approche a quelques point faibles comme par exemple l’importante latence de transmission et le co^ut de lacement du satellite. De plus, les drones ainsi que la station de contr^ole doivent ^etre sur la ligne de visee du satellite. En e et, pour certaines mis-sions, des arbres ou des b^atiments peuvent ^etre des obstacles contre le signal echang entre les drones et leur satellite relais.
Par ailleurs, la performance des systemes satellitaires est liee a la puis-sance d’emission des emetteurs au sol, ce qui peut ^etre un inconvenient pour les mini ou micro-drones qui sont equipes avec des batteries a faible capacite.

Reseaux cellulaires

Un autre type de communication, le plus utilise de nos jours, est les reseaux de communications cellulaires ( gure 1.5). Basee sur une topologie centralisee, cette technologie consiste a decouper un territoire en zone (cel-lules), chacune est desservie par une station de base (le point central). Toute les communications doivent passer par ce point central qui a pour r^ole de les acheminer a leurs destinations.
Les communications cellulaires sont la base des technologies de la telephonie mobile comme le GSM, GPRS, UMTS, LTE [Mis04] et les communications de donnees sans l comme le Wi-Fi et le WiMAX ([BGL08], [Ete08]) puisque ils o rent une extr^eme libert pour les utilisateurs nomades. Contrairement aux reseaux satellitaires, les reseaux cellulaires utilisent des emetteurs de faible puissance. Pour cela, il peuvent ^etre une solution pour faire communiquer les drones en utilisant l’infrastructure des operateurs telephoniques deja existante pour eliminer les contrainte de la portee et de la mobilite.
Cependant, le co^ut de communication n’est pas negligeable dans ce cas d’utilisation, m^eme avec l’installation d’une nouvelle infrastructure. En plus, il est di cile de couvrir toute les zones et de garder cette infrastructure dans certains cas comme apres les catastrophes naturelles.

Reseaux Ad hoc

Contrairement aux reseaux satellites ou cellulaires, les reseaux ad hoc mobiles (MANET pour Mobile Ad hoc NETwork) ne necessitent pas une infrastructure xe (des antennes relais ou satellite) pour acheminer les mes-sages d’un n ud vers un autre ( gure 1.6). Le principe des reseaux ad hoc est base sur la cooperation entre les di erents n uds du reseau. En e et, chaque n ud communique directement avec ses voisins qui se chargent de retrans-mettre les messages jusqu’a leur destination. Chaque n ud est un relais qui permet de retransmettre les paquets a leurs destination nale.
Cette cooperation permet aux n uds de bouger librement ce qui peut causer des changements frequents et rapides de la topologie du reseau. Un changement qui peut causer la coupure de lien et en m^eme temps la creation de nouveaux . Ainsi, pour faire face aux changements dynamiques, frequents et rapides de la topologie, le systeme ad hoc necessite des protocoles de com-munications speci ques puisque c’est un systeme autonome qui a le pouvoir de s’organiser automatiquement. Les protocoles de routage sont un exemple de ces protocoles. Ils sont responsables de detecter ce changement brusque et d’etablir des chemins vers chaque destination. En e et, un chemin est la liste des n uds intermediaires (relais) a traverser par un paquet a n d’atteindre sa destination nale.
Par consequent, les reseaux ad hoc sont bien adaptes aux systemes de communication mobiles, dynamiques, ayant une topologie distribuee maillee, sans oublier leurs co^uts raisonnable puisqu’ils ne necessitent aucune infra-structure xe.

Discussion

Dans les systemes aeronautiques cooperatifs sans pilote, plusieurs drones collaborent entre eux pour achever un but commun. Ces systemes exigent une coordination totale entre leurs di erents agents. Par consequent, les aeronefs doivent avoir une idee actualisee en temps reel sur l’etat et le deroulement des t^aches des autres avions a n d’assurer la coordination entre eux et de pouvoir adapter leurs t^aches a ce changement si necessaire, comme par exemple le systeme TARF [TBV13] etudi pour les drones Paparazzi. Il s’agit d’une fonction dynamique permettant aux drones de s’auto-allouer de nouvelles t^aches en cas d’evenements soudains comme l’atterrissage d’urgence de l’un des aeronefs.
Par consequent, les drones doivent echanger regulierement des messages entre eux dans un environnement mobile dynamique. Pour cela, il faut choisir le systeme de communication le plus adapte aux caracteristiques des systemes de mini-drones cooperatifs.
Les mini-drones sont caracterises par un poids leger, une capacite de charge limitee, et une capacite en energie restreinte. En e et, un micro-drone ne peut pas supporter trop de charge puisque plus le materiel est leger plus l’engin peut atteindre de hautes altitudes et plus son endurance est longue [CYCG07].
Par ailleurs, les drones sont concus pour ^etre utilises dans les endroits les plus dangereux et les plus di ciles a atteindre par l’homme. Il est dif-cile d’avoir une couverture cellulaire dans ces endroits a cause de la com-plexit d’implementation des relais xes dans ces lieux. De plus, apres les catastrophes naturelles, ces infrastructures risquent d’^etre endommages. En outre, il ne faut pas oublier le co^ut elev de cette infrastructure et de sa maintenance ou m^eme le co^ut de l’utilisation des relais deja implementes par les operateurs de telephonie mobile.
Par consequent, les reseaux ad hoc sont bien adaptes pour le reseau de communications d’une otte de drones.

Contributions

Le reseau ad hoc est une solution raisonnable pour faire communiquer les drones entre eux, a l’interieur d’une otte, et avec la station sol tout en respectant leur libert de mouvement. De plus, les reseaux ad hoc sont rentables par rapport aux autres reseaux qui necessitent une infrastructure couteuse qui, dans certaines situations, risque d’^etre endommagees.
Pour les systemes multi-agents, ou di erentes entites collaborent ensemble pour atteindre un but commun, plusieurs t^aches complementaires sont at-tribuees a chaque agent. Ces t^aches ont di erents niveaux d’importance ou de priorite et chacune d’eux necessite des informations speci ques et o re des resultats di erents des autres. En appliquant ce genre de paradigme sur une otte de drones, chaque aeronef aura une t^ache d’un niveau d’importance ou de priorite di erents des autres. En consequence, les drones echangeront une variet de types de messages selon leurs resultats et leurs besoins. Ainsi, chaque drone aura des demandes speci ques en termes de communication.
Par exemple, dans le cadre de missions de contr^ole d’une zone geographique, une otte de drones collabore en contr^olant chacun une pe-tite section. Ces drones transmettent de la video ainsi que la temperature mesuree a la station de contr^ole. La temperature qui est une information envoyee regulierement est moins gourmande en ressources que la video. De plus, le drone qui s’occupe de la section la plus dangereuse doit envoyer une video avec une meilleure qualite que les autres, ainsi ce tra c necessite plus de debit. Ces besoins peuvent evoluer au cours du temps, puisque les t^aches de chaque drone peuvent changer a n’importe quel instant.
Le systeme de communication utilise pour ce genre de mission doit ^etre conscient de ces besoins ainsi que de leur evolution au cours du temps. Il doit ^etre capable de di erencier le service et fournir a chaque classe de tra c la qualite de service demandee. Nous proposons dans cette these une ar-chitecture de communication concue pour repondre a ces exigences. Cette architecture est adaptee aux reseaux des ottes de drones cooperatifs. Elle est etudiee pour pouvoir realiser ce genre de systeme avec Paparazzi. En e et, elle est implementee sur des drones reels Paparazzi et testee dans un environnement reel.
Avant son integration au systeme Paparazzi, les performances de cette architecture de communication sont evaluees par simulation en utilisant le simulateur de reseau OMNET++. Cette simulation est realisee dans un en-vironnement proche de la realit a n de predire les problemes qui peuvent a ecter le systeme dans son environnement reel. Pour cette raison, un modele de mobilite reproduisant les mouvements reels de drones Paparazzi est cree.
L’objectif de cette etude est de creer un nouveau systeme de communica-tion Paparazzi permettant de contr^oler une otte de drone cooperatifs tout en respectant les di erents besoins en terme de communication pour chaque aeronef a n de garantir les meilleures performances pour les operations.

Structure du memoire

Ce memoire est organise en six chapitres. Le premier presente le travail realis durant cette these ainsi que son cadre d’application et de deploiement.
Le deuxieme introduit les reseaux ad hoc de drones et presente ces ca-racteristiques par rapport aux autres classes des MANET. Par la suite, il presente les di erents techniques et protocoles abordes dans ce cadre d’etudes dans le but de pouvoir choisir les protocoles MAC et routage qui repondent a nos exigences.
Ensuite, il presente les di erents mecanismes de gestion de la qualite de service (QdS) dans les reseaux laires et ad hoc utilises au niveau MAC et routage ainsi que des structures de di erenciation de service.
La suite de ce chapitre presente les deux moyens que nous allons utiliser pour evaluer l’architecture de communication proposee : la simulation et l’experimentation reelle. Pour cette raison, il presente les di erents modeles de mobilite utilises pour les simulations des systemes de communication ad hoc dans le but de creer un environnement de simulation realiste. Ensuite, il introduit des plateformes de tests des ottes de drones deja realisees.
Le troisieme chapitre resume les exigences des systemes de drones cooperatifs et presente, par la suite, l’architecture de communication que nous proposons dans ce memoire et detaille le fonctionnement de chacun de ses modules.
Le quatrieme chapitre est dedi a l’etude d’evaluation des performances de l’architecture de communication proposee par simulation. Il est organisee en deux sections. La premiere section presente le modele de mobilite que nous avons cre dans le but de reproduire les mouvements de drones Papa-razzi et construire un environnement de simulation proche de la realit . Nous detaillons le principe de ce modele ainsi que l’etude realisee pour valider son fonctionnement. Par la suite, la deuxieme section aborde l’etude par simu-lation realisee pour le systeme de communication propose : elle presente les di erents scenarios et analyse leurs resultats.
Dans le cinquieme chapitre, les experimentations reelles realisees sont abordees. Ces experimentations permettent d’evaluer et valider le fonction-nement de notre proposition dans son environnement de deploiement reel. D’abord, nous detaillons les di erentes modi cations materielles et logicielles realisees pour le systeme Paparzzi a n de pouvoir deployer notre architecture de communication. Par la suite, nous detaillons les scenarios des di erents tests realises et nous analysons les resultats obtenus.
Le dernier chapitre conclue ce memoire. Il resume le travail e ectu ainsi que les contributions. Il est suivi d’un ensemble de perspectives pouvant per-mettre de completer ce travail et d’explorer de nouvelles idees prometteuses pour les domaines des reseaux de communication et des drones.

Conclusion

A n de reussir une mission concue pour une otte de drones cooperatifs, un echange de donnees continue est necessaire permettant d’atteindre un niveau de coordination eleve entre les aeronefs et leur station de contr^ole. Par consequent, la communication joue un r^ole important dans la reussite de ces operations. Les reseaux ad hoc sont une solution prometteuse pour les communications entre les drones et avec la station sol.
Au cours d’une operation collaborative, les drones jouent di erents r^oles et echangent une variet de messages demandant di erents besoins en termes qualite de service (debit, delai, pertes, etc.). Par consequent, un systeme de communication conscient de ces demandes doit ^etre utilise pour gerer les ressources dans le reseau.
Ce chapitre a introduit le contexte de cette these et a donne des exemples sur les missions concues pour des ottes de drones civils. Ensuite, une dis-cussion autour des di erents systemes de communication a et presentee a n de trouver le systeme approprie. Finalement, notre contribution a ete intro-duite. Le chapitre suivant presente les di erentes propositions etudiees pour faire communiquer les drones a l’interieure d’une otte.

Taxonomie des MANET

Les MANET sont adaptes aux reseaux distribues moyennement dense qui permettent de de nir des routes entre les di erents n uds. Chaque systeme peut ^etre caracteris par des propres criteres comme les conditions de son environnement d’application (densite, interference, changement de topologie, etc), la capacite des equipements utilises (portee radio, autonomie, energie, etc). Par consequent, il existe plusieurs sous-classes de MANET classi ees selon leurs utilisations, objectifs, deploiements ou types de communications. Les reseaux ad hoc vehiculaires VANET (Vehicular Ad hoc NETwork) ainsi que les reseaux ad hoc aeronautiques AANET (Aeronautical Ad hoc NET-work) sont deux classes de MANET.

Les VANET

Les VANET sont les reseaux de communications ad hoc au sein d’un groupe de vehicules dans le but de communiquer entre eux et avec des equipements xes a portee ( gure 2.1). Ce qui caracterise cette classe de reseau par rapport aux autres est la mobilite des n uds. En e et, les vehicules tendent a se deplacer ensemble d’une maniere organisee suivant des routes bien de nies. Ce mouvement est loin d’^etre au hasard, puisque le choix des trajectoires pour atteindre une position geographique est limite. Il depend du nombre des chemins disponibles.
Un autre critere speci que des VANET est l’energie. Contrairement aux autres equipements des MANET, les vehicules n’ont aucune contrainte sur l’energie.
Les VANET sont la clef des systemes vehiculaires du futur, dans lesquels les vehicules communiquent entre eux pour fournir des informations concer-nant la situation du tra c (comme l’etat de la circulation, les travaux sur les routes, les accidents, etc.) aux conducteurs et aux autorites concernees.

Les AANET

Les reseaux ad hoc aeronautiques sont presentes comme une solution pour augmenter la securit des vols puisque les systemes de communication sol-bord existant comme les communications satellites ou bande L sont limites en termes de capacite, de couverture et de co^ut de deploiement. En e et, l’utilisation des avions comme des relais permet d’etendre la portee des avions et de pouvoir propager ses donnees jusqu’une station sol [Bes13].
Ce systeme peut ^etre utile pour des services pour les passagers ou pour les compagnies aeriennes comme l’enregistrement de la boite noires en temps reel.
Les AANET et les VANET se ressemblent beaucoup en ce qui concerne la mobilite et l’energie puisque les avions aussi suivent des trajectoires bien de nies entre chaque point de depart et point d’arrivee et n’ont pas de contrainte d’energie. Ces deux classes ont des di erences au niveau de la vitesse et l’altitude. En e et, contrairement aux vehicules qui circulent sur le sol, les avions suivent des chemins dans di erents niveaux d’altitude et avec des vitesses beaucoup plus importantes.
En se basant sur ces ressemblances, des chercheurs trouvent que les AANETs et VANET appartiennent a la m^eme categorie comme en [RPG13].

Table des matières

1 Introduction 
1.1 Contexte
1.1.1 D3CoS
1.1.2 Drones dans des opérations civiles
1.1.3 Système Paparazzi
1.2 Solutions pour les réseaux de communications
1.2.1 Réseaux satellite
1.2.2 Réseaux cellulaires
1.2.3 Réseaux Ad hoc
1.2.4 Discussion
1.3 Contributions
1.4 Structure du mémoire
2 Réseaux ad hoc de drones 
2.1 Taxonomie des MANET
2.1.1 Les VANET
2.1.2 Les AANET
2.1.3 Les réseaux Ad hoc de drones
2.2 Mécanismes pour les réseaux ad hoc de drones
2.2.1 Niveau MAC
2.2.2 Niveau routage
2.2.3 Mécanismes de gestion de la QdS
2.3 évaluation des réseaux ad hoc de drones
2.3.1 Simulation
2.3.2 Expérimentation réelle
3 Architecture DAN 
3.1 Recueil d’exigences
3.2 Classes de trafic
3.3 L’architecture de DAN
3.3.1 API DAN
3.3.2 L’agent DAN
3.3.3 Le contr^oleur d’admission
3.3.4 Le classificateur
3.4 La signalisation de DAN
3.5 Le Fonctionnement de DAN
3.5.1 API DAN
3.5.2 L’agent DAN
3.5.3 Le contr^oleur d’admission
3.5.4 Le classificateur
4 évaluation des performances de DAN par simulation 
4.1 Modèle de mobilité PPRZM
4.1.1 Les mouvements des drones Paparazzi
4.1.2 PPRZM
4.1.3 Validation du modèle PPRZM
4.2 évaluation de DAN
4.2.1 évaluation du fonctionnement du Contr^oleur d’admission
4.2.2 étude des minuteurs
4.2.3 Performances générales de DAN
4.2.4 évaluation de l’impact de variation de la charge du réseau
4.2.5 évaluation avec d’ autres protocoles de routage
5 Implémentation et plate-formes de tests 
5.1 Outils utilisés
5.2 Implémentation de DAN
5.3 Résultats et discussion
5.3.1 Validation du fonctionnement du nouveau système de communication Paparazzi
5.3.2 évaluation de DAN
6 Conclusions et perspectives 
6.1 Travaux réalisés
6.1.1 L’architecture DAN
6.1.2 Intégration DAN au système Paparazzi
6.2 Perspectives
6.2.1 Perspectives réseaux
6.2.2 Opérations pour les drones
A Annexe : Outils de simulation

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