Cluster-based MAC protocol for UAVs ad hoc networks in 5G and beyond
5G ve ötesindeki İHA'ların tasarsız ağları için küme tabanlı MAC protokolü
- Tez No: 941060
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AFM SHAHEN SHAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 112
Özet
İnsansız hava araçları (İHA'lar), askeri, ticari, çevresel ve daha birçok alanda geniş uygulama alanına sahip otonom platformlardır. Teknolojik gelişmelerle birlikte sürekli kablosuz bağlantının sağlanması, özellikle 5G ve ötesi iletişim teknolojilerinin gelişimi açısından kritik hale gelmiştir. Çoklu İHA sistemleri, acil durumlarda kara baz istasyonlarının (base station, BS) yetersiz kaldığı durumlarda önemli rol oynayan uçan tasarsız ağlar (flying ad-hoc networks, FANETs) oluşturur. Bu nedenle, İHA tabanlı FANET'ler; esneklik, hızlı konuşlanma ve uzaktan kontrol özellikleri sayesinde gerekli kapsama alanı sağlama ve uzun mesafeli veri iletimi için iletişim röleleri kurma konusunda hayati öneme sahiptir. Bu ağı kurabilmek için İHA'lar arası verimli iletişim sağlanması gerekmektedir. Ancak, hareketlilik nedeniyle ağ topolojisi sürekli değişmekte, bu da çakışmalara ve paket kayıplarına yol açmaktadır. Bu tezde, topolojinin geri çekilme (back-off) mekanizmasıyla kontrol edildiği ve İHA'ların farklı irtifalarda hareket ederken ağ bağlantısının sürdürüldüğü küme tabanlı bir FANET yapısı önerilmektedir. Bu yapı, 3B hareketlilik modeli kullanılarak göreli hız hesaplamalarıyla desteklenmiştir. Etkili küme oluşturma ve küme başı (cluster head, CH) belirleme yöntemleri sunulmuştur. Veri hızını artırmak amacıyla, çoklu giriş çoklu çıkış (multiple input multiple output, MIMO) ve ortogonal frekans bölmeli çoklu erişim (orthogonal frequency division multiple access, OFDMA) tabanlı bir ortam erişim kontrol (medium access control, MAC) protokolü geliştirilmiştir. Ayrıca, makro hücre BS alanlarını minimum sayıda İHA ile desteklemek için 3B Markov zincir modeliyle kapsama optimizasyonu yapılmıştır. Paket varış hızı (packet arrival rate, PAR) ve hareketliliğe bağlı olarak çalışan yeni bir hareketlilik uyumlu dinamik (mobility adaptive dynamic, MAD-MAC) protokolü önerilmiştir. Sistem performansı; veri hızı, gecikme, paket düşme oranı (PDR), kesinti olasılığı (outage probability, OP), sinyal-gürültü oranı (signal-to-noise ratio, SNR) ve bit hata oranı (bit error rate, BER) gibi ölçütlerle; Rayleigh, Nakagami-m ve Rician sönümleme kanalları altında değerlendirilmiştir. Monte Carlo benzetim sonuçları, analitik modelleri doğrulamakta ve mevcut yöntemlere göre önemli iyileşmeler göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Unmanned aerial vehicles (UAVs) are autonomous platforms with versatile applications in military, commercial, environmental domains and more. With rapid advancements in technology, ensuring continuous wireless connectivity is crucial, especially for the evolution of 5G and beyond. Multi-UAV systems form flying ad-hoc networks (FANETs), especially vital in emergency scenarios where terrestrial base stations (BSs) fail. For that reason, UAV-based FANETs play a vital role due to their flexibility, quick deployment, and remote-control capabilities for providing required coverage as well as communication relays to send data over long distances. To establish this network, efficient communication between the UAVs is the most vital point. Additionally, due to mobility, topology changes frequently, leading to potential collisions and packet losses. Therefore, in this thesis, cluster-based FANETs have been proposed where the topology is controlled by a back-off mechanism and network connectivity is maintained even when the UAV is moving at different altitudes by calculating the relative velocity on a 3D platform while considering the 3D mobility model. An efficient cluster build-up process and a method for determining the position of the cluster head (CH) are introduced to control the cluster proficiently. To enhance throughput, a multiple input multiple output orthogonal frequency division multiple access (MIMO-OFDMA)-based medium access control (MAC) protocol has been introduced. Analytical models, including a 3D Markov chain, are developed to optimize coverage with a minimum number of UAVs supporting macro cell BS areas. The thesis also introduces a novel mobility adaptive dynamic (MAD-MAC) protocol, governed by packet arrival rate (PAR) and mobility. System performance is evaluated in terms of throughput, delay, packet dropping rate (PDR), outage probability (OP), signal-to-noise ratio (SNR), and bit error rate (BER) under Rayleigh, Nakagami-m, and Rician fading channels, and various modulation schemes. Monte Carlo simulation results validate the analytical models, demonstrating significant improvements over existing methods.
Benzer Tezler
- 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
A F M SHAHEN SHAH
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HACI İLHAN
- 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
1997
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMRE HARMANCI
- Resource aware adaptive binary quantizer design for target tracking in wireless sensor networks
Telsiz duyarga ağlarda hedef takibi için kaynak duyarlı uyarlanır nicemleme tasarımı
ABDULKADİR KÖSE
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYeditepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ENGİN MAŞAZADE
- Mobil tasarsız ağlar için kümeleme tabanlı yönlendirme katmanı tasarımı
Cluster-based routing layer design for mobile ad-handless networks
AZİZ CAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBaşkent ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇAĞATAY BERKE ERDAŞ
- Cluster based sensors scheduling in a target tracking application with particle filter method
Parçacık süzgeçleme ile hedef izleme uygulamasında topak tabanlı algılayıcı çizelgeleme
ÖZGÜR ÖZFİDAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiIşık ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. ULUĞ BAYAZIT