Designing and performance analysis of efficient and reliable medium access control protocols for vehicular ad hoc networks
Araçsal tasarsız ağlar için verimli ve güvenilir ortam erişim kontrol protokollerinin tasarımı ve performans analizi
- Tez No: 619782
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HACI İLHAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 172
Özet
Araçsal tasarsız aglar (VANET'ler) son zamanlarda otomasyon ve akıllı ulaşım sistemine (ITS) ilgi duymaktadır. VANET'ler nakliye verimliliğini ve yol güvenliğini arttırmaktadır. VANET'ler araç ile araç iletişimi (V2V, araç-araç) ve araç ile altyapı (V2I, araç-altyapı) arasındaki iletişimi içerir. VANET'ler güvenlik mesajları (sm) ve güvenlik dışı veriler (nsd) olarak sınıflandırılabilecek sayısız uygulamayı kolaylaştırır. Bununla birlikte, faydalı uygulamalara sahip olmak için araçlar ile mevcut ağ altyapıları arasındaki iletişim verimli olmalıdır. Herhangi bir tasarsız (ad hoc) ağ için, orta erişim kontrolü (MAC) protokolü en önemli bölümlerden biridir, çünkü verimli ve güvenilir veri iletimi doğrudan MAC protokolüne bağlıdır. IEEE 802.11p standardı, IEEE tarafından araç ortamlarındaki (WAVE) kablosuz erişimi desteklemek ve VANET'ler için MAC ve Fiziksel (PHY) Katman özelliklerini sağlamak için ana hatlarıyla belirtilmiştir. Daha sonra IEEE 802.11 standardı, IEEE 802.11p'yi içermekteydi. IEEE 802.11p ve IEEE 802.11'de, dağıtılmış koordinasyon fonksiyonu (DCF) orta ve gelişmiş dağıtılmış kanal erişim fonksiyonuna (EDCAF) erişmek için temel mekanizmadır ve MAC katmanındaki çekişmeli öncelikli Servis Kalitesi (QoS) desteği için tasarlanmıştır. Bu tez çalışmasında, hem IEEE 802.11p hem de IEEE 802.11 için DCF ve EDCAF performansı modellenmiş ve analiz edilmiştir. Markov zincir modeline dayanan analitik bir analiz sunulmuştur. Türetilmiş performans modeli sayısal sonuçlarla doğrulanmıştır. Sonra kanal sönümlemesi ve yakalama etkisinin etkisini araştırılmıştır. Nakagami, Rayleigh ve Rician sönümlemeli kanallar göz önünde bulundurulmuştur. Ancak, hem IEEE 802.11p hem de IEEE 802.11, VANET'lerin performans kriterlerini yerine getirememektedir. VANET'lerde, araçlar arasında yüksek ve göreceli hareketlilik, sık bağlantı kopması, çarpışma ve paket kaybına neden olan dengesiz iletişim ile hızlı topoloji değişikliklerine neden olabilir. Alternatif olarak, VANET'lerin kanal çekişmesini sınırlayan ve ağ topolojisini verimli bir şekilde kontrol eden küçük gruplar halinde kümeleme yapılabilir. Bu tezde, VANET'ler için kümelemeye dayalı yeni bir MAC (CB-MAC) protokolü önerilmiştir. Küme oluşum süreci tanımlanmıştır. Ayrıca, küme içi ve küme dışında verimli iletişim için küme başı (cluster head, CH) seçimi ve küme birleştirme işlemleri açıklanmaktadır. IEEE 802.11'de tanımlanan mekanizma, sadece doğrudan iletişim için özel olarak tasarlanmış ve küme tabanlı iletişim için uygun değildir. Bu nedenle, yeni kontrol paketleri tanıtılmakta ve mevcut kontrol paketi formatı küme tabanlı iletişimi desteklemek için değiştirilmektedir. Etkili MAC protokolü tasarımı için gönderme niteliğinde olan sm için gönderme isteği (RTS) / göndermeye hazır (CTS) mekanizması kullanılmaz. Öte yandan, RTS / CTS mekanizması nsd teslimi için gizli düğüm problemini ortadan kaldırmak için kullanılır. Önerilen CB-MAC protokolünün performansını incelemek için Markov zincir modeline dayalı analitik model sunulmuştur. Önerilen protokol, sayısal çalışmalar ile doğrulanmıştır. Sayısal sonuçlar, önerilen CB-MAC protokolünün sistem performansını iyileştirdiğini ve sm için 100 ms'lik gecikme kısıtlamasını sağladığını göstermektedir. Diğer taraftan, işbirliğine dayalı iletim, VANET'lerdeki hareketliliğin neden olduğu kablosuz kanal bozulmalarını hafifleterek iletişim güvenilirliğini artırabilir ve düşük gecikmeli iletişim hızını artırabilir. Bu tez çalışmasında, VANET'ler (RECV-MAC) için hem sm hem de nsd iletimi için tasarlanmış yeni ve güvenilir bir işbirlikli MAC protokolü önerilmiştir. RECV-MAC, hem göndericiye hem de alıcıya iyi kanal koşulu olan yardımcıların yardımıyla güvenilir ve verimli iletim sağlar. İşbirliğine dayalı iletişimi desteklemek için yeni kontrol mesajları tanıtılmıştır. Mekanizma uygun aktarım modunu seçmek ve en uygun yardımcıyı seçmek için tanımlanmıştır. Önerilen RECV-MAC protokolünün performansını araştırmak için Markov zincir modeline dayalı analitik analiz yapılmıştır. Önerilen RECV-MAC protokolü, sayısal çalışmalar ile doğrulanmıştır. RECV-MAC protokolünün performansı, IEEE 802.11p'yi temel alan geleneksel MAC modeliyle karşılaştırılıp ve mevcut işbirlikli MAC şemalarıyla performans açısından karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmada, RECV-MAC'in IEEE 802.11p ve mevcut işbirlikli MAC şemalarından daha iyi performans gösterdiği açıktır. Sayısal sonuçlar, RECV-MAC protokolünün performansı daha yüksek verimlilikle geliştirdiğini, PDR'yi azaltarak iletişimin güvenilirliğini arttırdığını ve özellikle de gecikmeyi azalttığını, özellikle sm için 100 ms'lik gecikme sınırını karşıladığını göstermektedir. IEEE 802.11p, IEEE 802.11 ve CB-MAC'in performansı optimize edilmiş ve performans optimizasyon mekanizmaları sunulmuştur. IEEE 802.11p ve IEEE 802.11 arasındaki karşılaştırma sağlanmıştır. Mikroskopik mobilite modeli pratik senaryo için SUMO'da üretilmiştir. Analitik analizi doğrulayan Monte Carlo simülasyon sonuçları sunulmuştur. Ayrıca, karmaşıklık analizi sunulmuş ve karmaşıklık analizi arasındaki karşılaştırma gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Vehicular ad hoc networks (VANETs) have recently attracted interest for automation and intelligent transportation system (ITS). VANETs increase transportation efficiency and road safety. VANETs comprise inter-vehicle communication (V2V, vehicle-to-vehicle) as well as communication between vehicle and infrastructure (V2I, vehicle-to-infrastructure). VANETs facilitate numerous applications which can be categorized as safety messages (sm) and non-safety data (nsd). However, to have useful applications the communication between vehicles and with existing networking infrastructures should be efficient. For any ad hoc network, medium access control (MAC) protocol is one of the most significant parts, because efficient and reliable data transmission directly depends on MAC protocol. The IEEE 802.11p standard is outlined by the institute of electrical and electronics engineers (IEEE) to support wireless access in vehicular environments (WAVE) and to provide MAC and Physical (PHY) Layer specifications for VANETs. Later IEEE 802.11 standard incorporated IEEE 802.11p. In IEEE 802.11p and IEEE 802.11, distributed coordination function (DCF) is the fundamental mechanism to access the medium and enhanced distributed channel access function (EDCAF) is sketched to support contention-based prioritized Quality of Service (QoS) at MAC layer. In this thesis, the performance of DCF and EDCAF for both IEEE 802.11p and IEEE 802.11 is modeled and analyzed. An analytical analysis based on Markov chain model is presented. The derived performance model is justified by numerical results. Then we investigated the influence of channel fading and capture effect. Nakagami, Rayleigh, and Rician faded channels are considered. However, both IEEE 802.11p and IEEE 802.11 can not fulfill the performance criteria of VANETs. In VANETs, high mobility and relative mobility among vehicles can result in rapid topology changes with frequent link breakage and unstable communications which cause collision and packet loss. Alternatively, clustering VANETs into small groups which limits channel contention and controls the network topology efficiently. In this thesis, a novel cluster-based MAC (CB-MAC) protocol is proposed for VANETs. The cluster formation process is defined. Moreover, cluster head (CH) election and cluster merging processes are described for efficient communication in the cluster as well as out of the cluster. The mechanism defined in IEEE 802.11 is specially designed for only direct communications and is not suitable for cluster-based communications. Therefore, new control packets are introduced and the existing control packet format is modified to support cluster-based communications. For effective MAC protocol design, the request to send (RTS)/ clear to send (CTS) mechanism is not used for sm which are of broadcast nature. On the other hand, the RTS/CTS mechanism is used for nsd delivery to eliminate hidden node problem. Markov chain model based analytical model is presented to explore the performance of proposed CB-MAC protocol. The proposed protocol is validated by numerical studies. The numerical results exhibit that the proposed CB-MAC protocol improves system performance and satisfies the delay constraint of 100 ms for sm. Another way, cooperative transmission can improve the communication reliability and can enhance communication rate with lower delay by alleviating wireless channel impairments caused by the mobility in VANETs. In this thesis, a novel reliable and efficient cooperative MAC protocol for VANETs (RECV-MAC) is also proposed which is designed both for sm and nsd transmission. RECV-MAC ensures reliable and efficient transmission with the help of helpers which have good channel condition to both the sender and the receiver. New control messages are introduced to support cooperative communication. The mechanism is defined to choose the suitable transmission mode as well as to select the optimal helper. To investigate the performance of the proposed RECV-MAC protocol, Markov chain model based analytical analysis is provided. The proposed RECV-MAC protocol is validated by numerical studies. The performance of the RECV-MAC protocol is compared with the traditional MAC model which is based on the IEEE 802.11p and a quantitative comparison with existing cooperative MAC schemes is presented. It is obvious from the comparison that the RECV-MAC performs better than IEEE 802.11p and existing cooperative MAC schemes. The numerical results demonstrate that the RECV-MAC protocol improves the performance with higher throughput, enhances reliability of communication by decreasing PDR, and decreases delay, in particular, satisfies the delay constraint of 100 ms for sm. The performance of IEEE 802.11p, IEEE 802.11, and CB-MAC is optimized. Performance optimization mechanism is presented. The comparison between IEEE 802.11p and IEEE 802.11is provided. The microscopic mobility model is generated in SUMO for practical scenario. Monte Carlo simulation results are presented which verify analytical analysis. Complexity analysis is presented. Comparison between complexity analysis is illustrated.
Benzer Tezler
- Investigation and improvement of supersonic intake flow characteristics using boundary layer control techniques
Süpersonik bir hava alığındaki akış yapılarının incelenmesi ve sınır tabaka kontrol teknikleri kullanılarak iyileştirilmesi
FERHAT ÇETİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAYRAM ÇELİK
- Computational aerodynamic analysis of flow around Apollo reentry capsule with anisotropic mesh adaptation
Anisotropik mesh adaptasyonu ile Apollo yeniden giriş kapsül çevresindeki akışın hesaplamalı aerodinamik analizi
BADAMASI BABAJI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ŞAHİN
- Toplam kalite özdeğerlendirme modelinin satış fonksiyonlarına uygulanması
Başlık çevirisi yok
ATİK KULAKLI
- Rüzgâr türbini kanatlarındaki buzlanmanın türbin yüklerine etkisinin incelenmesi
Wind turbine load analysis of blade icing condition
CEM ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR
- QoS-based resource management and optimization in CR-based NOMA networks
CR tabanlı NOMA ağlarında QoS tabanlı kaynak yönetimi ve optimizasyonu
ÖMER FARUK AKYOL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMİHA TEDİK BAŞARAN