Routage multi-sauts dans un réseau de drones pour la surveillance routière

Multi-hop routing in a drone network for road surveillance

• Auteur / Autrice : Nouman Bashir
• Direction : Saadi Boudjit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingenieur
• Date : Soutenance le 31/05/2022
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de traitement et transport de l'information (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Marcelo Dias De Amorim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marcelo Dias De Amorim, Anthony Claude Busson, Samia Bouzefrane, Nadjib Ait Saadi, Nathalie Mitton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anthony Claude Busson, Samia Bouzefrane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drones

Surveillance électronique

Autoroutes

Mots clés libres

Réseaux collaboratifs

Routage tolérant aux pannes

Surveillance des autoroutes

Collaborative networks

Fault-Tolerant routing

Highway surveillance

Résumé

Les systèmes de surveillance routière existants sont soit trop coûteux, comme les hélicoptères, en raison de leurs coûts d'exploitation et de maintenance élevés, soit inadéquats pour faire face à la nature dynamique du trafic sur les autoroutes, comme les radars routiers, en raison de leur couverture limitée et des contraintes de mobilité. Des drones autonomes appelés communément UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) et dotés de capacités de prise de vues efficaces peuvent être une solution d'avenir pour des systèmes de surveillance de nouvelle génération. Les drones peuvent fonctionner de façon collaborative en mode ad hoc pour contrer les ressources énergétiques limitées et les contraintes de portée de transmission associées à l'utilisation d'un seul drone. Cependant, la mobilité indépendante des drones et la difficulté de maintien des liens dans une topologie fortement dynamique nécessitent des solutions de routage adéquates et tolérantes aux pannes. De plus, pour un déploiement d'une flotte de drones dans un environnement urbain avec des incertitudes du système de navigation et des problèmes de sécurité qui en découlent, un processus efficace de planification de trajectoire est nécessaire. Dans cette thèse, nous avons exploré les possibilités de faire collaborer des drones avec d'autres architectures pour proposer des solutions de surveillance routière de bout en bout efficaces. Dans un premier temps, une solution de routage pour une flotte de drones est proposée afin d'améliorer la connectivité du réseau en présence de plusieurs stations de base (BS) au sol. Cette solution est améliorée en utilisant les services d'un réseau véhiculaire ad hoc (VANET) dans le cas de non-disponibilité d'une station de base au sol à proximité du réseau de drones. L'approche ainsi proposée de la récupération anticipée d'une perte de connectivité avec les stations de base au sol, assure une meilleure continuité de transmission de bout en bout en prenant en compte les pertes de liaisons dues à la topologie fortement dynamique du réseau. La deuxième partie présente un travail collaboratif entre des drones et des capteurs sans fil déployés au sol pour améliorer la connectivité et l'efficacité de la surveillance sur une autoroute. Le réseau de capteurs est l'épine dorsale de cette architecture et fournit des services de routage aux drones en plus de les guider dynamiquement vers le point de surveillance où le taux d'infractions est le plus élevé. Ce travail suit une solution de routage inter-couches pour augmenter la durée de vie du réseau de La dernière partie de cette thèse concerne la planification des trajectoires des drones dans un environnement urbain pour assurer respectivement, la connectivité du réseau et la sécurité de la flotte de drones en évitant les collisions

Existing road surveillance systems are either too expansive such as helicopters, due to their high operating and maintenance costs, or inadequate to tackle the dynamic nature of traffic on highways such as roadside traffic radars due to their limited coverage and mobility constraints. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with excellent maneuvering skills have a promising future for next-generation surveillance systems. UAVs work together in an ad-hoc manner to counter limited energy resources and lower transmission range constraints associated with a single UAV. However, multiple UAVs with dynamic topology suffer frequent link failures and require specific fault-tolerant routing solutions. In addition to this, a robust path planning process is inevitable as the deployment of a UAV fleet in an urban environment with navigation system uncertainties raises safety concerns.To this end, instead of restricting solely to UAVs, this thesis explores UAV's collaboration with other architectures to come up with robust end-to-end surveillance solutions.At first, a less overhead bearing routing solution is presented for a fleet of UAVs to enhance backhaul connectivity in the presence of multiple Base Stations (BS). This work is enhanced to seek services of a Vehicular Ad hoc Network (VANET) during the non-availability of a nearby UAV to compensate for link failures. The proposed anticipatory network recovery approach ensures a better end-to-end link continuity by taking care of link failures arising due to the permanent displacement of a UAV.The second part presents a collaborative work of UAV and Wireless Sensor Network (WSN) to enhance connectivity and surveillance efficiency on a highway. WSN is the backbone of the network and provides routing services to the UAV besides dynamically guiding it to target the best hotspot for catching maximum speed violations. This work follows a cross-layer routing solution to increase WSN lifetime by reducing the chances of collisions along a path. The last part of the thesis introduces connectivity-aware and collision-free UAV path planning in an urban environment to ensure backhaul connectivity and UAV fleet safety, respectively