Geri Dön

Utilizing LoRa for control link in software-defined aerial networks

Yazılım tanımlı hava ağlarında kontrol baglantısı için LoRa kullanımı

PDF İndir

  1. Tez No: 864173
  2. Yazar: ZEYNEP BETÜL ARSLANBENZER
  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: 2024
  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: 71

Özet

İnsansız Hava Aracı (İHA), yaygın olarak“drone”olarak bilinen, herhangi bir insan müdahalesine gerek kalmadan otonom olarak veya uzaktan kumandayla kontrol edilebilen bir hava aracı türüdür. Bu cihazlar veri toplama, gözlem, taşıma ve daha birçok görevi yerine getirebildiği için hem askeri hem de sivil sektörde vazgeçilmez bir teknolojik araç haline geldi. Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte İHA'lar daha uygun fiyatlı ve erişilebilir hale gelmiş, birçok uygulamada kullanımları artmıştır. Ancak etkili bir operasyon sağlamak için İHA'ların, özellikle sıklıkla konuşlandırıldıkları uzak veya erişilemeyen alanlarda güvenilir ve uzun menzilli bağlantılara ihtiyacı vardır. Bu nedenle, İHA görevlerinin başarısı için istikrarlı ve sürekli bağlantının sağlanması, İHA'ların gerçek zamanlı olarak kontrol edilmesi ve izlenmesi büyük önem taşımaktadır. Uçan Ad-Hoc Ağlar (FANET: Flying Ad-Hoc Network), karmaşık operasyonları işbirliği içinde ve tek büyük İHA sistemlerinden daha verimli bir şekilde gerçekleştiren, belirli bir şekilde organize edilmiş birden fazla İHA sisteminden oluşan gruplardır. Bu ağlar, uçtan uca sürekliliği sağlamak için olası bağlantı kesintilerinin önlenmesini gerektirir. Yazılım Tanımlı Ağ (SDN: Software Defined Networking) uygulamarıyla bu sorunun çözülmesini mümkündür. SDN, İHA'ların FANET'lerdeki yüksek hareketliliğe ve olası bağlantı kesintilerine uyum sağlamasına olanak tanıyan merkezi kontrol sunar. Bu, veri akışlarının gerçek zamanlı izlenmesi ve otomatik olarak yeniden yönlendirilmesi ve ağ kaynaklarının dinamik yönetimi yoluyla elde edilir. Genellikle İHA'lar ve yer kontrol istasyonları arasında kısa ve orta menzilli haberleşme için Wi-Fi, Bluetooth ve özel radyo sistemleri gibi çeşitli protokoller kullanılır. Yaygın olarak kullanılmasına rağmen Wi-Fi, doğası gereği İHA'ların haberleşme gereksinimleri için yetersiz kalabilmektedir. Kısa haberleşme menzili, girişime karşı duyarlılığı ve bant genişliği kısıtlamaları, genişletilmiş kapsama alanı, yüksek kaliteli veri iletimi ve güvenilir bağlantılar gerektiren uygulamalardaki etkinliğini engellemektedir. İHA'lar, uzun menzilli bağlantılar kurmak için mevcut hücresel ağlardan (3G, 4G, 5G) ve LoRa'dan yararlanabilir, bu da İHA'ların daha uzak mesafelerde çalışmasına ve gerçek zamanlı veri akışı almasına olanak tanır. Hem LoRa hem de hücresel ağlar uzun menzilli haberleşme sağlama kapasitesine sahip olsa da güç tüketimi, menzil ve maliyet açısından önemli ölçüde farklılık gösterir. LoRa teknolojisi düşük güçlü, uzun menzilli iletişim için tasarlanırken, hücresel ağlar daha kısa mesafelerde yüksek hızlı veri aktarımı için optimize edilmiştir. LoRa teknolojisi, yayılmış spektrum modülasyonu kullanılması sayesinde girişime karşı dayanıklıdır ve kentsel alanlar veya uzak yerleşim alanları gibi zorlu ortamlarda bile güvenilir haberleşme sağlar. Bu nedenle LoRa çeşitli uygulamalarda İHA'ların haberleşme gereksinimlerini karşılamak için ideal bir seçimdir. Çalışma kapsamında Wi-Fi ve LoRa teknolojilerinin performansı karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmanın ana amacı İHA'lar ile yer kontrol istasyonu arasındaki mesafenin artmasının ağ gecikmesi üzerindeki etkisini gözlemlemektir. Wi-Fi'nin kısa mesafelerde daha iyi çalıştığı, ancak daha uzun mesafelerde yer kontrol istayonu ile iletişim kurmak için birden fazla atlama noktası gerektirdiği ve bunun da daha yüksek ağ gecikmesine yol açtığı gözlemlenmiştir. Öte yandan LoRa teknolojisi, özellikle birkaç kilometrelik menzilde çalışırken daha tutarlı ve güvenilir performans sağlar. Son araştırmalara göre FANET sistemlerde SDN kullanılarak ağın operasyonel verimliliği artırılabilir, bu da paket kaybının azalmasına, gecikmenin azalmasına ve daha iyi bağlantıların kurulmasına olanak sağlar. Ayrıca LoRa'nın FANET teknolojisiyle entegrasyonu ile LoRa'nın uzun menzilli iletişiminden ve düşük enerji tüketiminden yararlanılabilir. Bu çalışma, FANET'lerde LoRa teknolojisini SDN yapısıyla entegre eden yeni bir mimari önermektedir. Bu sistem, veri paketlerinin İHA'lar arasında yönlendirilmesini yönetmek için SDN altyapısını kullanır. LoRa'nın uzun menzilinden yararlanan bu yaklaşım, İHA'larla sürekli ve güvenilir iletişim sağlayarak kesintisiz veri aktarımına ve gelişmiş operasyonel verimliliğe olanak tanır. SDN mimarisinde anahtarlar ve yazılım tabanlı kontrolörler arasındaki iletişimi standartlaştırmak için OpenFlow protokolü geliştirilmiştir. Bu çalışmanın temel amaçlarından biri FANET'lerde OpenFlow protokolünün kullanılmasıdır. Önerilen mimaride her İHA bir OpenFlow anahtarı olarak çalışırken, yer istasyonları merkezi kontrolör görevi görmektedir. Kontrolör merkezi bir kontrol noktası sağlarken, İHA'lar kontrolörden aldıkları talimatlara göre paket yönlendirme işlemlerini gerçekleştirir. Çalışma aynı zamanda Wi-Fi ve LoRa teknolojilerini tek bir sisteme entegre ederek FANET'i kontrol etmek için yeni bir yaklaşım önermektedir. Önerilen mimaride İHA'lar arasındaki paket aktarımları Wi-Fi üzerinden yapılırken, İHA'lar ile kontrolör arasındaki iletişim LoRa üzerinden sağlanmaktadır. Önerilen mimaride FANET'lerdeki paket trafiği yönetimine ek olarak, İHA'lardan gerçek zamanlı veri toplanması amaçlanmıştır. MAVLink, İHA'lar gibi otonom sistemler için özel olarak tasarlanmış bir haberleşme protokolüdür. İHA'lar ve yer kontrol istasyonları arasında gerçek zamanlı telemetri alışverişini kolaylaştıran açık kaynaklı ve hafif bir protokoldür. Bu iletişim, GPS koordinatları, sensör okumaları ve pil durumu gibi temel verileri içerir. Mesaj tabanlı bir protokol olan MAVLink kullanıcıların özel mesajlar tanımlayabilmesine olanak sağlar. Bu da onu çeşitli donanım ve yazılım platformlarına uyarlanabilir hale getirir. Çalışmada İHA'lar ile yer kontrol istasyonu arasında LoRa üzerinden MAVLink paketlerinin gönderilmesi üzerine de analizler yapılmıştır. Simulasyonlarda temel olarak ağdaki gecikme ve paket teslim oranlarının (PDR: Packet Delivery Ratio) ölçümüne odaklanılmıştır. Önerilen yapıyı simüle etmek için OMNET++ simülasyon ortamından yararlanılmıştır. INET, haberleşme ağlarını ve çeşitli ağ protokollerini modellemek ve simüle etmek için tasarlanmış için açık kaynaklı bir simülasyon kütüphanesidir. OMNET++ ortamında geliştirilmiş olan açık kaynak LoRa kütüphanesi ve INET'in sağladığı ağ protokolleri kullanılarak LoRa ve Wi-Fi fiziksel katmanlari gerçeğe oldukça yakın bir şekilde simüle edildi. OpenFlow protokolü kablolu ağlar için tasarlanmıştır ve bu protokolün FANET'ler gibi telsiz haberleşme kullanan ağlara uyarlanması başlı başına bir araştırma konusudur. SDN yapısını basitleştirmek amacıyla çalışmada kablolu ağlardakine benzer bir OpenFlow yapısı benimsendi. OpenFlow algoritmasındaki yönlendirme algoritmaları, her İHA'nın kendi MAC adresine sahip olmasından yararlanarak portlar yerine MAC adreslerini kullandı. Simülasyonlarda OpenFlow TCP üzerinden çalışır. Başlangıçta her İHA'nın yer kontrol istasyonu ile güvenli bir TCP bağlantısı kurması gerekir. Ağdaki gecikmeyi ölçmek için kurulmuş olan lineer topolojide hedef İHA'ya bir paket gönderildi. Wi-Fi aracılığıyla paketi alan İHA, paketi nereye yönlendireceğini bilmiyorsa LoRa aracılığıyla yer kontrol istasyonuyla iletişim kurarak paketi nereye yönlendireceğini öğrenir. Yapılan simulasyonlarda her İHA yer kontrol istasyonuna periyodik olarak MAVLink paketleri gönderirler. UDP üzerinden gerçekleştirilen bu haberleşmede gönderilen toplam paketlerden ne kadarının yer kontrol istasyonu tarafından başarıyla alındığı gözlemlendi. Ölçümlerde yer kontrol istasyonu ile İHA'lar arasındaki mesafe 500 metre ila 3000 metre arasında değiştirildi. LoRa parametrelerinin ağ özelliklerini nasıl etkilediğini gözlemlemek için farklı yayılma faktörleri (SF: Spreading Factor) ve bant genişlikleri kullanıldı. OpenFlow'un yüksek veri hızları gerektirdiği göz önüne alındığında, LoRa modülasyon parametrelerinin uygun seçilmesi, ağ verimliliğinin artırılmasında çok önemli bir rol oynar. Daha yüksek LoRa SF değerleri daha uzun menzil sağlar ancak daha düşük veri hızlarına yol açar; daha düşük yayılma faktörleri ise daha kısa bir aralıkta daha yüksek veri hızlarına ulaşabilir. Simulasyon sonuçlarına göre yediden büyük SF değerlerinin kullanılması etkili sonuçlar vermedi. Çalışma aynı zamanda daha düşük yayılma faktörlerinin ve daha geniş bant genişliklerinin yakın mesafelerde iyi performans gösterdiğini ancak mesafe arttıkça TCP bağlantılarını zaman aşımına uğramadan düzgün şekilde kuramadıklarını da göstermiştir. Daha geniş bant genişlikleri kullanılarak daha yüksek veri hızlarına ulaşılabilir ancak uzun mesafelerde daha düşük bant genişliklerinin kullanılması daha güçlü performans ve daha düşük ağ gecikmesi sağlar. MAVLink paket gönderme testlerinin sonuçları, 500 kHz bant genişliği kullanılarak alınan PDR değerlerinin uzak mesafelerde 125 kHz ve 250 kHz bant genişliklerinde alınan değerlerden çok daha düşük olduğunu gösterdi. Uyarlanabilir Veri Hızı (ADR: Adaptive Data Rate), LoRa ağlarda cihazların iletişim bağlantısının kalitesine göre iletim parametrelerinin dinamik olarak ayarlamasını sağlayan bir özelliktir. Bu çalışmada önerilen basit ADR mekanizmasına göre yer kontrol istasyonu, ağ performansını artırmak için aldığı son sinyal gücüne göre İHA'nın kendisine olan uzaklığının yaklaşık bir tahminini yapabilir. Uyarlanabilir veri hızı sağlamak amacıyla yer kontrol istasyonu yapılan uzaklık tahminine göre İHA'ların kullandığı LoRa yayılma faktörlerini ayarlayabilir. LoRa teknolojisi bağlamında amaç, daha yüksek veri iletim hızlarına ulaşmak için daha düşük yayılma faktörleri kullanmaktır. Ancak iletişim mesafesi uzadıkça daha yüksek yayılma faktörlerinin kullanılması zorunluluğu ortaya çıkmaktadır. ADR mekanizması sayesinde uzaklığa göre optimal LoRA yayılma faktörünün kullanılması sağlanmıştır. Simulasyon sonuçlarımız, FANET'lerde LoRa teknolojisini içeren SDN uygulamalarının kullanılmasının, birkaç kilometrelik uzun mesafelerde çalışırken olumlu sonuçlar verebileceğini göstermiştir. Paket teslim oranına ilişkin testlerimiz, MAVLink protokolünün 3000 metreye kadar yüzde 95'in üzerinde verimlilikle çalışabildiğini kanıtladı. Ayrıca, ağ kontrolü ve uçuş kontrol verilerinin LoRa kanalları üzerinden kesintisiz iletimini göstermek için konsept kanıtlı bir drone inşa ettik.

Özet (Çeviri)

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are now widely used in both military and civilian sectors, performing various tasks such as data collection and transportation. Flying Ad Hoc Networks (FANETs) consist of multiple UAV systems organized in a specific way, allowing them to perform complex operations cooperatively and more efficiently than single large UAV systems. FANETs are notably fragile compared to other ad-hoc networks, necessitating network control solutions to account for their high mobility and potential link outages to maintain adequate end-to-end connectivity. The solution to this problem lies in Software Defined Network (SDN) applications, which offer centralized control, enabling UAVs to adapt to high mobility and possible connection outages in FANETs. This is achieved through real-time monitoring, automatic rerouting of data flows, and dynamic management of network resources. Various communication protocols such as Wi-Fi, Bluetooth, and specialized radio systems are widely employed to establish short- and medium-range connections between UAVs and ground control stations. However, Wi-Fi may not always be sufficient to address the communication requirements of UAVs. To overcome these limitations, UAVs can take advantage of LoRa technology to establish long-range connections, allowing them to operate over greater distances and receive real-time data streams. LoRa technology is known for its resistance to interference due to the use of Spread Spectrum Modulation. Chirp Spread Spectrum (CSS) modulation makes the signal more resilient to noise and other sources. Therefore, LoRa technology is an ideal choice to meet the communication requirements of UAVs in a wide range of applications. This study proposes a novel architecture that combines LoRa technology with SDN structure for FANET networks. This advanced system utilizes SDN infrastructure to manage the routing of data packets between UAVs. By leveraging LoRa's long-range capabilities, this method ensures seamless communication with UAVs, resulting in uninterrupted data transfer and improved operational efficiency. The study recommends the use of the OpenFlow protocol in FANETs, which is a standardized communication approach between switches and software-based controllers in SDN architecture. In the proposed architecture, each UAV functions as an OpenFlow switch, while ground stations function as central controllers. While the controller provides a central control point, UAVs perform packet routing operations based on the instructions they receive from the controller. Moreover, the study suggests integrating Wi-Fi and LoRa technologies into a single system to control FANET. In this proposed architecture, packet transfers between UAVs are conducted via Wi-Fi, while communication between UAVs and the controller is facilitated through LoRa. To collect real-time data from UAVs, the study uses Micro Air Vehicle Link (MAVLink), a lightweight communication protocol for unmanned systems. The simulations we conducted aimed to measure network delay and packet delivery rates using the OMNET++ simulation environment. OpenFlow runs over Transmission Control Protocol (TCP) in these simulations. At the beginning of the simulation, each UAV must establish a secure TCP communication with the ground control station. In order to measure the delay in the network, we sent a packet to the target UAV in the linear topology established. The UAVs also send MAVLink packets periodically to the ground control station over User Datagram Protocol (UDP). In the measurements, the distance between the ground control station and the UAVs was changed between 500m and 3000m. When using OpenFlow, it is important to select appropriate LoRa modulation parameters to optimize network efficiency. Higher LoRa spreading factors provide longer range but lead to lower data rates. Lower spreading factors can achieve higher data rates over a shorter range. Using wider bandwidths can achieve higher data rates, but using lower bandwidths over long distances provides stronger performance and lower network latency. Our study also found that lower spreading factors and wider bandwidths perform well at close distances, but as distance increases, they fail to establish TCP connections properly without timing out. LoRa technology comes equipped with an Automatic Data Rate (ADR) feature that can adjust the data rate for optimal communication efficiency based on the signal quality. The proposed ADR mechanism can also estimate the distance between the ground station and the UAV, which helps improve network performance by using lower spreading factors to achieve higher data transmission speeds. As the communication distance increases, higher spreading factors are needed, and the ADR mechanism ensures that the optimal spreading factor is used according to distance. Our experiments have shown that utilizing SDN applications that incorporate LoRa technology within FANETs can yield favorable outcomes when operating over long distances of several kilometers. Our tests on packet delivery ratio proved that the MAVLink protocol can operate with over 95 efficiency up to 3000 meters. Moreover, to demonstrate the seamless transmission of network control and flight control data over LoRa channels, we constructed a proof-of-concept drone.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    884554

    Designing a monitoring system for photovoltaic applications utilizing Lora technology

    Lora teknolojisi kullanılarak fotovoltaik uygulamalar için izleme sistemi tasarlanması

    SAFAA THAMER HAWAS

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Gelişim Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ERCAN AYKUT

  2. Tez No

    839076

    Design and implementation of a multi-source energy harvesting system for smart agriculture applications

    Başlık çevirisi yok

    BURÇ ARDA ALTUĞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilim ve TeknolojiPolitecnico di Torino

    PROF. DANİLO DEMARCHI

    DR. UMBERTO GARLANDO

  3. Tez No

    665400

    UAV-based smart rescue system utilizing a novel wireless communication technique with enhanced security against internal and external attacks

    Başlık çevirisi yok

    JOEL PONCHA LEMAYIAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAntalya Bilim Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. JEHAD HAMAMREH

  4. Tez No

    76590

    Utilizing mathematica software solution of boundary value problems in nuclear engineeringby the greens function method

    Mathematica yazılımı kullanılarak nükleer mühendislikte karşılaşılan sınır değer problemlerinin green fonksiyonu metodu ile çözümü

    DİLEK ŞENER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nükleer Enerji ve Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AKİF ATALAY

  5. Tez No

    768351

    CRISPR/CAS9 sistemi kullanılarak domates (Solanum lycopercium) bitkisinde CCDC124 geninin susturulması

    Utilizing the CRISPR/CAS9 system to silence the CCDC124 gene in tomato (Solanum lycopercium)

    HİLAL CİVELEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyoteknolojiGebze Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UYGAR HALİS TAZEBAY

    PROF. DR. YELDA ÖZDEN ÇİFTÇİ

Geri Dön