Strategies for connectivity issues, fault tolerance, and device authentication in drone networks
Dron ağlarında bağlantı konuları, hata toleransı ve cihaz yetkilendirme için stratejiler
- Tez No: 771455
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ORHAN DAĞDEVİREN, DOÇ. DR. GÖKHAN DALKILIÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ege Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uluslararası Bilgisayar Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgi Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 207
Özet
Dron teknolojisi son yıllarda, özellikle özerklik, sürü operasyonları ve dron ağları yönünde hızla gelişmektedir. Kablosuz tasarsız ağların yeni bir alt kümesi olan dron ağları, diğer kablosuz ağ türleriyle benzerliklerinin yanında oldukça farklı özelliklere de sahiptir. Örneğin, dronların batarya ömrü çok kısadır, çok yüksek hızlarda hareket edebilirler ve güçlü işlemciler barındırabilirler. Bu tezde, esnek, hatalara dayanıklı ve güvenli dron ağlarının tasarımı ve işletilmesindeki zorluklar incelenmiş ve yeni çözümler sunulmuştur. Enerji verimliliği sürü operasyonlarının optimizasyonunda önemli bir faktördür. Fakat dron ağları için geçerli verimlilik kriterleri diğer ağ türlerinden farklı olabilmektedir. Sürü operasyonlarını daha verimli hale getirmek, ancak dronların nasıl enerji harcadıkları, havada nasıl iletişim kurdukları ve grup halinde nasıl hareket ettiklerini kavramakla mümkündür. Dolayısıyla, bu tez kapsamında bütüncül bir enerji modeli oluşturulmuştur, bir havadan havaya kanal modeli önerilmiş ve genişletilmiştir ve de dron sürüleri için hazırlanmış sürü hareketlilik modelleri araştırılmıştır. Ayrıca, sıradan dronlarla ağ bağlantılı sürüler oluşturmaya imkan tanıyan bir aygıt mimarisi önerilmiştir. Ağ bağlantılı sürülerin esas amaçlarından biri, bir grup dronun birlikte bir alanı, bir hattı, bir dizi noktayı, veya hareketli hedefleri kapsadığı (örneğin, algıladığı, gözlemlediği veya hizmet ettiği) kapsama görevleridir. Bu görevler, özellikle de alan kapsama, ağın bağlılığını korurken maksimum kapsama elde etme konusunda ciddi bir ikilem doğurmaktadır. Zira, daha geniş bir kapsama alanı elde etmek için dronları birbirinden olabildiğince uzağa yerleştirmek gerekir; halbuki bu, kablosuz bağlantıyı sağlıklı bir şekilde sürdürmek için yapılması gerekenin tam tersidir. Bu probleme çözüm olarak MAX-Tree adı verilen yeni bir ağaç şekilli geometrik topoloji dizilimi önerilmiştir. Bu dizilim deterministik olarak üretilir, maksimum alan kapsama garantisi verir ve düğüm sayısından bağımsız olarak 1-bağlılığı korur. Diğer yandan, maksimum alan kapsama ve 1-bağlılık özelliklerine sahip fakat deterministik olmayan düğüm yerleşimleri elde etmek için de bir çözüm önerilmiştir. Dron ağları, dronların çok hareketli olmaları ve fiziksel olarak ulaşılabilir olmaları nedeniyle arıza ve sorunlara açıktır. Sürüdeki bir dron, hava olayları nedeniyle sürüklenebilir, vurularak düşürülebilir, donanım arızaları olabilir veya bataryaları bitebilir. Bu gibi durumlarda, tüm sürünün bağlantısı kopabilir veya bozulabilir. Bunlar önlenemese de kritik görevleri yerine getiren otonom bir sürünün kendi ağ bağlantısını onarması gerekir. Bu tezde, bağlantısı kesilerek parçalara bölünmüş bir sürünün, Steiner ağaçları ve noktaları yardımıyla ağ bağlantısını nasıl onarabileceği tarif edilmektedir. Ayrıca, $k$-bağlılık onarımına dair yöntemler de etraflıca tartışılmaktadır. Bağlılık onarımı, bir sürünün bir olay nedeniyle kendinden ayrılmış parçalarının bir müddet sonra tekrar buluşmasıyla olur. Bu durum ağın parçaları için güvenlik riskleri doğururur ve tüm görevi riske atabilir. Zira ayrılmış parçalar, saldırganlar tarafından ele geçirilmiş olabileceğinden, ekosistemdeki dronların güvenliğinden emin olunamaz. Bu sorunu çözmek için, context-aware mutual authentication protocol (CoMAD) adlı yeni bir protokol geliştirilmiştir. Protokol, sürüden kopmuş parçalar ve ağın ana gövdesi arasında, bağlantıyı kopmadan önce üzerinde uzlaşılan bazı bağlam bilgilerinin (yürütülen görevle ilgili veriler) istenmesine ve açık anahtar altyapısına dayanan bir yetkilendirme prosedürü çalıştırarak güvenliğini sağlar.
Özet (Çeviri)
Drone technology has been rapidly evolving throughout recent years, especially regarding autonomy, swarm operations, and drone networks. Drone networks is a new subclass of wireless ad-hoc networks. Besides its similarities with other network concepts, it has some unique properties. Drones have a limited lifetime, can move at extreme speeds, and may carry powerful processors. This thesis studies the challenges in designing and operating resilient, fault-tolerant, and secure drone networks; and proposes novel solutions. Energy efficiency is a key factor in optimizing swarm operations. But what is efficient and not is vastly different in drone networks compared to other networks. Designing efficient swarm operations requires a broad understanding of how drones consume their energy, communicate within a group, and move as a group. Accordingly, this thesis constructs a holistic energy model, finds and extends an air-to-air channel model, and investigates suitable swarm mobility models for drone networks. Moreover, it proposes a drone architecture to enable networked swarm applications. One main objective of networked swarms is coverage missions, where a fleet of drones collectively cover (e.g., sense, observe, or serve) an area, a line, a set of points, or moving targets. Coverage missions bring a major optimization challenge concerning achieving maximal coverage while sustaining the network's connectivity. Because better coverage can be obtained by placing the drones as far as possible from each other, which is the opposite of what should be done to keep the radio connectivity healthy. A novel tree-shaped geometric topology formation, called MAX-Tree, is proposed as a solution. It is deterministic, provides maximal area coverage, and maintains 1-connectivity with any node numbers. Another solution is proposed to achieve non-deterministic node placement with maximal area coverage and 1-connectivity. Drone networks are susceptible to failures due to drones' highly mobile and physically exposed nature. A drone in a swarm may easily be shot down, affected by weather conditions, or may face hardware failures and battery outages. In such cases, the connectivity of the entire swarm could be broken or degraded. While those incidents may not be avoidable, an autonomous swarm performing critical missions is expected to restore its network connectivity. This thesis explains how a disconnected (i.e., partitioned) swarm can restore its connections using Steiner trees and points. Moreover, methods for recovering $k$-connectivity are also discussed. Connectivity restoration involves once-separated partitions of a swarm meeting and joining together later. Such situations bring security risks to the network(s) and may put the mission at risk because disconnected partitions cannot ensure the security and trustfulness of other drones in the ecosystem since adversaries might have compromised them at some point. To address the issue, a brand-new protocol has been developed: context-aware mutual authentication protocol (CoMAD). It guarantees the security of the swarm through an authentication procedure between disconnected partitions and the main body of the network by asking for context information (i.e., data related to the ongoing mission) agreed on before the incident and by using the public key infrastructure.
Benzer Tezler
- Türkiye'deki geleneksel ahşap çerçeve sistem konut yapılarında dış duvarların ısıl ve nemsel performansının değerlendirilmesi
Hygrothermal performance assessment of exterior walls of traditional timber framed houses in Türkiye
SEDA NUR ALKAN
Doktora
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATİH YAZICIOĞLU
- Mobil uygulama aracılı veri sömürgeciliği: Bağımsız mobil uygulama geliştiricilerine yönelik bir araştırma
Mobile app-mediated data colonialism: Research on indie mobile app developers
ÖMÜR TALAY
- Data clustering using swarm intelligence
Swarm intelligence kullanarak veri kümeleme
SAYEDPEDRAM HAERI BOROUJENI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Aydın ÜniversitesiYazılım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ELNAZ PASHAEI
- Hybridization of probabilistic graphical models and metaheuristics for handling dynamism and uncertainty
Değişimin ve belirsizliğin ele alınması için olasılıksal çizgesel biçelerin ve sezgi-üstlerinin melezleştirilmesi
GÖNÜL ULUDAĞ
Doktora
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE ŞİMA UYAR
- The perspectives of secondary school EFL teachers on online teaching in the shadow of the COVID-19 pandemic
Ortaokuldaki EFL öğretmenlerinin COVID-19 pandemisinin gölgesinde çevrimiçi eğitime ilişkin perspektifleri
ÖMER FARUK YAŞAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Eğitim ve ÖğretimÇağ Üniversitesiİngiliz Dili Eğitimi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEDEN TUYAN