Geri Dön

Mac sublayer protocol design and optimization for aerial swarms

Sürü dronları için mac alt katmanında protokol tasarımı ve optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 826651
  2. Yazar: ESİN ECE AYDIN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SEÇİNTİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 63

Özet

Bu tezin birincil hedefi, tasarsız ağ olarak da adlandırılabilen tasarsız ağlar için TCP/IP ikinci katmanı olan Veri Bağlantı Katmanının altında hizmet sunacak bir iletişim protokolü tasarlamak ve optimize etmek suretiyle iletişim güvenilirliğini artırmaktır. Tasarsız ağlarda kullanılan İHA (İnsansız Hava Aracı) diğer adıyla drone birimleri, çeşitli ekstrem ortamlarda kullanılmaları için kolaylık sağlayan basit ve uygun maliyetli bir yapıya sahiptirler. Aynı zamanda olağanüstü manevra kabiliyetleri ile dikkat çekmektedirler. UAV birimleri arasındaki iletişimde yaygın olarak kullanılan Wi-Fi iletişim standardı (IEEE 802.11), özellikle sınırlı hareketlilik ve topolojide az sayıda değişiklik görüldüğü ağlar için tasarlandığından, yüksek hareketlilik ve topolojide sık değişikliklerinin olduğu ağlarda kullanıldığında çeşitli sorunlar oluşturmaktadır. Bu sorunlar, özellikle hava ağlarında güvenilirliğin önemli olduğu ve yüksek bant genişliğine sahip iletişim kanallarında iyice ortaya çıkarak sistemin hizmet niteliğini (Quality of Service - QoS) gereksinimlerini karşılamada yetersiz kalır. Bu nedenle, bu tezde, ad hoc ağlar için özelleştirilmiş bir ikinci katman (data link katmanı) protokolü tasarlayarak ve optimize ederek, mevcutta kullanılan standartların kısıtlamalarını aşmayı hedefliyoruz. Yüksek veri güvenilirliği ve yüksek bant genişliği gereksinimlerini karşılamak üzere özel olarak geliştirilen bu protokol, iletişim güvenilirliğini artırmayı ve hizmet kalitesini iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Bu protokol, hava ağlarının dinamik doğasını ve topolojideki değişiklikleri dikkate alarak, öncelikle TDMA tabanlı bir yapıyı kullanmaktadır. Rastgele paket gönderimlerinin yapılmasından ziyade zamanı slotlara ayırmak bu tarz bir ağ yapısı için daha uygundur. Bu nedenle bu tez çalışması kapsamında dronlara slot atamalarının sağlanması, ağın kendi kendini yönetmesi ve iletişimin optimize edilmesi için çalışılmıştır. Bu sayede, sürü dronlarının oluşturduğu ağlarda daha güvenilir ve verimli iletişim sağlanması hedeflenmektedir. Ad hoc ağların dinamik ve tahmin edilemez doğasından kaynaklanan sorunlar çözümlenemezse ağda aktif olarak yer alan dronların iletişimini zaman zaman tehlikeye atabilir. Bu nedenle, bu tezde, bu sorunlara çözüm üretebilmek için kendi kendini yönetebilen, organize eden yeni bir TDMA (time division multiple access) tabanlı protokol tanıtılmıştır. Bu protokol, bahsedilen yapıdaki ağlardaki iletişimde yaşanabilecek sıkıntıların üstesinden gelmeyi ve iletişim sürecini optimize etmeyi hedefleyerek; akıllı topoloji yönetimi, dinamik slot atama, birimler arasında slot değişimi ve ağdan ayrılmak ya da iletişimi sonlandırmak isteyen birimin atanmış slotlarını bırakması gibi temel bileşenleri içermektedir. Tanıtılan protokol, iletişim güvenilirliğini artırmak ve ad hoc ağların özel ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla bir dizi özelliği birleştirmektedir. Öncelikle, protokol, ağın dinamik doğasını dikkate alarak iletişimde yaşanabilecek problemlerle başa çıkmayı hedeflemektedir. Tasarsız ağlardaki sürekli değişen topolojiyi yönetmek ve iletişim kesintilerini minimize etmek için akıllı topoloji yönetimi yapılmaktadır. Ayrıca, protokol, ağdaki trafik yoğunluğunu ve birimlerin kendi ihtiyaçlarını dikkate alarak dinamik slot atama özelliğine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu sayede, ağ kaynaklarının verimli bir şekilde kullanılması ve çakışmaların önlenmesi sağlanmaktadır. Protokol ayrıca slot atama bilgilerinde değişiklik yapma özelliklerini entegre etmektedir. Tasarsız ağlarda sürekli olarak değişen topolojiye uyum sağlamak için slotlar dinamik olarak yeniden düzenlenmekte ve kullanılmayan slotlar serbest bırakılmaktadır. Bu sayede, ağın mevcut durumuna uygun bir şekilde iletişim kaynakları tahsis edilmekte ve iletişim güvenilirliği artırılmaktadır. Veri bağlantı katmanının alt katmanı olan MAC katmanında uygulanan bu protokol, dronlar arasında dağıtık bir koordinasyona olanak tanır ve merkezi bir yönetici birimin varlığına olan gereksinimini ortadan kaldırır. Bu da, ağın daha esnek, güvenli ve ölçeklenebilir olmasını da sağlar. Ayrıca, protokolün dinamik olarak değişen ortamlarda ve koşullarda kendi kendini adapte edebilmesi ve iletişimdeki kopuklukları minimize edebilme yeteneği, ağın veri iletimindeki güvenilirliğini artırır. Bu tez çalışmasının amacı, yukarıda belirtilen gereksinimleri karşılayabilen bir protokolün tasarımını sunmak ve bu protokolü belirtilen kapsamda simüle etmektir. Bu sayede, ad hoc ağlarının ihtiyaç duyduğu güvenilir ve etkili iletişimi sağlamak için bir çözüm sunulmuş olur. Bu protokolün tasarımı ve simülasyonu, ad hoc ağlarının gelecekteki kullanımlarında önemli bir rol oynayabilir. Merkezi bir birime olan bağımlılığı ortadan kaldıran ve dinamik ortamlarda iletişimi sürekli kılan bu protokol, askeri operasyonlardan acil durumlara kadar çeşitli alanlarda etkili bir iletişim altyapısı sunabilir. Bu çalışma, ad hoc ağlarının daha güvenilir, esnek ve ölçeklenebilir hale gelmesi için önemli bir adımdır ve gelecekteki araştırma ve geliştirme çabalarına katkı sağlamaktadır. Bu tez, araştırma alanındaki mevcut durumun ayrıntılı bir şekilde incelenmesi ve modellemesiyle başlar. Bu analiz ve modelleme süreci, protokolün gereksinimlerini belirlemek için bir temel oluşturur. Ardından, protokol tasarım aşamasına geçilir, bu aşamada servislerin ana hatları, mesaj formatları ve iletişim ile ilgili kuralları belirlenir. Ayrıca, protokolün başarılı çalışmasına katkıda bulunan sıralama (sequence) diyagramları oluşturulur. Protokolün yapısını ve işleyişini göstermek için oluşturulan bu sıralama diyagramları; protokolün adımlarını, mesaj alışverişlerini ve durum geçişlerini görsel olarak temsil eder. Protokolün doğru şekilde çalışabilmesi için bu diyagramlar büyük önem taşır. Protokol tasarımı, bir dizi önemli servisi içerir. Bunlar arasında slot işlemleri; yani düğümlere slot atama, slot aktarımı ve slot serbest bırakma işlemleri yer alır. Bu işlemler, protokolün dinamik yapısını destekleyerek ağın esnekliğini ve ölçeklenebilirliğini artırır. Ayrıca, çerçeve (frame) boyutu değişiklikleri, ağın verimliliğini optimize ederken mevcut kaynakları tüm düğümlere sunabilmeye yardımcı olur. Topoloji yönetimi ise ağdaki düğümlerin konumlarının takibi ve yönetimiyle ilgilenir, böylece ağın dengeli bir yapıya sahip olmasını sağlar. Son olarak, paket çakışmalarından kaçınma mekanizmaları, veri iletimi sırasında çakışmaların önlenmesine yardımcı olur ve iletişim güvenilirliğini artırır. Protokol tasarımının ardından, tezin bir sonraki aşamasında doğrulama süreci yer alır. Bu süreçte, OMNeT++ simülasyon ortamı kullanılarak protokolün performansı test edilir. STDMA protokolü enerji verimliliği, kontrol trafiğinin boyutu, paket teslim oranı ve ortalama kanal kullanımı olmak üzere dört metrik altında değerlendirilmiştir. Simülasyon sonuçları, protokolün ad hoc ağlarında nasıl davrandığını ve eklenen özelliklerin ne derecede etkili olduğunu gösterir. Elde edilen sonuçlar, protokolün etkinliği ve performansı hakkında değerli bilgiler sağlar. Bu şekilde, tez, araştırma alanındaki mevcut durumun analizinden başlayarak protokol tasarımına ve simülasyon sürecine kadar geniş bir çalışma sunar. Bu simülasyonlar, protokolün ağa katılımı sırasında düğümlerin kendi kendini yapılandırabilme becerisini göstermektedir. Elde edilen sonuçlar, önceki çalışmalara kıyasla STDMA olarak adlandırılabilecek bu protokolün genel kanal kullanımında %55'e varan önemli bir iyileştirme sağlarken aynı zamanda kontrol trafiğini %13 oranında azaltmaktadır. Bu sonuçlar, önerilen protokolün ağ performansını ve kaynak kullanımını geliştirmedeki etkinliğini vurgulamaktadır. Bu sonuçlar, protokolün performansı ve değişen ağ koşullarına uyum sağlama becerisi hakkında da önemli bilgiler sunmaktadır. Bu tez çalışması, ad hoc ağlar için güvenilir iletişimi sağlamak amacıyla geliştirilen protokolün tasarımını, analizini ve doğrulamasını içeren kapsamlı bir araştırmadan oluşmaktadır. Protokol, iletişim güvenilirliğini artırmak, merkezi bir birime olan ihtiyacı ortadan kaldırmak ve dinamik ortamlarda sürekli iletişimi sağlamak için veri bağlantı katmanında uygulanmaktadır. Ayrıca, protokolün mevcut MAC katmanı protokollerinden farklı olarak, genel ad hoc ağ gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlandığı belirtilmelidir. Bu çalışma, ad hoc ağlarının gelecekteki gelişimine katkıda bulunmak ve güvenilirliğini sağlamak için önemli bir adımdır. Protokol tasarımı, analizi ve doğrulama süreci, ad hoc ağlarının etkinliğini ve performansını artırmak için iyi bir temel oluşturmaktadır. Elde edilen sonuçlar, protokolün ad hoc ağlarında nasıl davrandığını gösterirken, önerilen protokolün güvenilir ve hızlı iletişimi sağlama potansiyelini vurgulamaktadır.

Özet (Çeviri)

The main objective of this thesis is to design and optimize a MAC sublayer protocol for ad hoc networks, with a primary focus on maintaining the reliabile communication. Ad hoc networks, comprising aerial swarms, provide benefits such as easy use and operation in diverse environments, thanks to their simple and economical deployment, along with their remarkable maneuverability. However, the communication standard used in these networks -IEEE 802.11 standard, widely known as Wi-Fi- is primarily designed for networks with limited mobility and minimal changes in network topology. As a result, the existing Wi-Fi standards have limitations in accommodating rapidly changing network topology. This limitation becomes particularly problematic for aerial swarms that require reliable and high-bandwidth multi-hop communication links, ultimately leading to an inability to meet the quality of service (QoS) requirements. Due to the dynamic and contested nature of ad hoc networks, ensuring reliable communication can be challenging at times. To address network management challenges in highly decentralized networks, a self-organizing TDMA-based protocol is proposed. This protocol is designed to tackle communication difficulties in ad hoc networks and optimize the overall communication process by incorporating intelligent topology management, dynamic slot assignment, slot migration, and slot releasing as key components. By integrating these features, the protocol aims to enhance communication reliability and address the specific requirements of ad hoc networks. Implementing this protocol at the data link layer allows for decentralized coordination among nodes, removing the requirement for a central unit and assuring continuous communication even in dynamically changing environments and conditions. In contrast to existing MAC-sublayer protocols, the goal of this research is to present and simulate a protocol that meets ad hoc network's specific requirements. The thesis begins with an examination and modeling of the current situation, which is followed by an outline of services, message formats, procedural rules, and sequence diagrams for the subsequent protocol design stage. The protocol's design incorporates a number of notable abilities, such as slot operations, frame size modifications, topology management, optimization in control packet exchange, and collision avoidance, all of which contribute to the protocol's successful operation. To validate the findings of this thesis, the suggested protocol is evaluated using the OMNeT++ simulation environment. In contrast to previous studies, the proposed S-TDMA protocol is assessed based on four key metrics: energy efficiency, control traffic, packet delivery ratio, and average channel utilization. The evaluation results indicate a substantial enhancement in overall channel utilization, reaching up to 55%, while also reducing control traffic overhead by approximately 13%. These outcomes highlight the effectiveness and benefits of the proposed protocol in improving network performance and resource utilization. The results of simulations provide important insights into the protocol's performance and ability to adapt to changing network conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75555

    ATM şebekelerde trafik analizi ve güvenlik

    Başlık çevirisi yok

    HALİL AYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNSEL DURUSOY

  2. Tez No

    68877

    FDDI tabanlı bir ağ sistemi için etkin bir gerçek zamanlı iletişim yapısının tasarımı

    Design of an efficient real time communication structure for an fddi based network system

    FEZA BUZLUCA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMRE HARMANCI

  3. Tez No

    75466

    BAĞ3 protokolü için grup iletişim yöntemleri tasarımı

    Başlık çevirisi yok

    TANER DURSUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET BÜLENT ÖRENCİK

  4. Tez No

    201267

    IEEE 802.15.4 standardına uyumlu RF haberleşme uygulaması

    RF telecommunication application in compliance with IEEE 802.15.4 standart

    SÖNMEZ İSAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÜNAL KÜÇÜK

  5. Tez No

    35780

    A Parallel architecture for dodb protocol processing

    Dodb protokol işletimi için bir paralel mimarı

    LÜTFULLAH KUŞDEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1994

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEMİH BİLGEN

Geri Dön