Techniques Naturelles et Bio-inspirées pour le Routage dans les Réseaux Sans Fil Mobiles
Abdelkader Mekkaoui , Omar Smail
كلية العلوم الدقيقة-جامعة مصطفى اسطمبولى معسكر · الجزائر
Au cours des dernières décennies, les réseaux sans fil ont connu un développement fulgurant, soutenu par la miniaturisation des dispositifs électroniques, l’évolution rapide des technologies de communication, et la demande croissante en connectivité permanente et en temps réel. Le réseau MANET (Mobile Ad hoc Network) est un réseau sans fil auto-organisé composé d’un ensemble de nœuds mobiles interconnectés, capables de communiquer entre eux sans infrastructure préexistante ni point d’accès centralisé. Chaque nœud agit simultanément comme terminal utilisateur et comme routeur, assurant le transfert des données vers d’autres nœuds via des liens multi-sauts.Cependant, la nature dynamique et distribuée de ces réseaux soulève des défis importants, no- tamment en matière de routage efficace. Le routage désigne l’ensemble des mécanismes permettant d’établir et de maintenir des chemins de communication entre des nœuds mobiles, dans un environ- nement dépourvu d’infrastructure fixe. En raison de la mobilité des nœuds, de la variabilité des liens et de la nature distribuée du réseau, les protocoles de routage doivent être capables de s’adapter dynamiquement à des changements fréquents de topologie. Ils doivent également gérer efficacement l’utilisation des ressources limitées, notamment l’énergie, la bande passante, etc.De nombreux protocoles de routage ont été proposés pour les réseaux MANETs, s’appuyant principalement sur des méthodes exactes ou approchées. Bien que les méthodes exactes garantissent une solution optimale, leur complexité computationnelle limite leur applicabilité dans des réseaux dynamiques. Les méthodes approchées, plus rapides, n’assurent pas toujours l’optimalité des so- lutions. C’est dans ce contexte que les méthodes bio-inspirées ont émergé, offrant une approche plus flexible et adaptative pour résoudre ces problèmes complexes. Le parallèle entre la dynamique des réseaux MANETs et les mécanismes naturels justifie l’usage des méthodes bio-inspirées pour concevoir des solutions de routage adaptatives.Dans cette perspective, nous entamons cette thèse par la modélisation du problème afin de représenter avec précision le comportement des entités réelles constituant notre système. Par la suite, nous proposons deux nouveaux protocoles de routage multi-chemins qui reposent sur la mé- taheuristique évolution différentielle (Diferential Evolution) pour les réseaux MANETs. Ainsi, nous proposons un protocole de routage multi-chemins pour les réseaux FANETs. Ce protocole est basé sur un algorithme bio-inspiré appelé recherche coucou (Cuckoo Research) qui fait partie de la famille des algorithmes d’intelligence en essaim. Il sélectionne les chemins optimaux entre une source et une destination en fonction de deux contraintes : énergie et stabilité. Enfin, nous proposons un pro- tocole de routage multi-chemins pour les réseaux WBANs. Cette solution est basée sur l’algorithme évolutionnaire évolution différentielle. L’objectif principal de ce protocole est de choisir le chemin qui garantit une consommation d’énergie minimale en privilégiant des liaisons stables. Il introduit un modèle objectif basé sur l’éfficacité énergétique des nœuds et la stabilité des liens afin d’évaluer les chemins valides. Comparées aux protocoles de routage abordés dans la littérature, nos approche sont présenté à travers les études expérimentales des résultats très satisfaisants. (In recent decades, wireless networks have experienced rapid growth, driven by the miniaturization of electronic devices, the fast evolution of communication technologies, and the increasing demand for permanent and real-time connectivity. A MANET (Mobile Ad hoc Network) is a self-organizing wireless network composed of a set of interconnected mobile nodes capable of communicating with one another without any pre-existing infrastructure or centralized access point. Each node functions simultaneously as a user terminal and as a router, forwarding data to other nodes through multi-hop links.However, the dynamic and distributed nature of these networks poses significant challenges,particularly with regard to efficient routing. Routing refers to the set of mechanisms that enable the establishment and maintenance of communication paths between mobile nodes in an environment lacking fixed infrastructure. Due to node mobility, link variability, and the decentralized structure of the network, routing protocols must be capable of dynamically adapting to frequent topology changes. They must also efficiently manage the use of limited resources, such as energy, bandwidth,and more.Numerous routing protocols have been proposed for MANETs, primarily based on exact or approximate methods. While exact methods guarantee an optimal solution, their computational complexity limits their applicability in dynamic network environments. Approximate methods, al-though faster, do not always ensure solution optimality. In this context, bio-inspired methods have emerged, offering a more flexible and adaptive approach to solving such complex problems. The similarity between the dynamic behavior of MANETs and natural mechanisms justifies the use ofbio-inspired techniques to design adaptive routing solutions.In this perspective, we begin this thesis by modeling the problem in order to accurately represent the behavior of the real entities within our system. Subsequently, we propose two new multipath routing protocols based on the Differential Evolution metaheuristic for MANETs. In addition, weintroduce a multipath routing protocol for FANETs, which is based on a bio-inspired algorithm known as Cuckoo Search, belonging to the family of swarm intelligence algorithms. This protocol selects optimal paths between a source and a destination based on two key constraints : energy and stability. Finally, we present a multipath routing protocol for WBANs, which also relies on the Differential Evolution algorithm. The main objective of this protocol is to select paths that ensure minimal energy consumption while prioritizing stable links. It introduces an objective model based on node energy efficiency and link stability to evaluate valid paths. Compared to the routing protocols discussed in the literature, our approaches have demonstrated highly satisfactory results in experimental evaluations)