Mitigating broadcast storm problem and enhancing dissemination in swarm UAV communication
Sürü İHA haberleşmesinde yayın fırtınası probleminin azaltılması ve yayılımın geliştirilmesi
- Tez No: 959086
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Electrical and Electronics Engineering, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
21. yüzyılda hızla değişen güvenlik ortamı, ülkelerin savunma sanayisine olan yatırımlarını önemli ölçüde artırmalarına neden olmuştur. Özellikle asimetrik tehditlerin artması, hızlı karar alma gereksinimlerinin ön plana çıkması ve düşük maliyetli operasyonel çözümlerin aranması, savunma alanında yeni nesil teknolojilere olan ilgiyi yoğunlaştırmıştır. Bu kapsamda insansız hava araçları (İHA'lar), hem sivil hem askeri birçok senaryoda keşif, gözetleme, taarruz, iletişim ve lojistik gibi çeşitli görevleri yerine getirebilen esnek platformlar olarak ön plana çıkmaktadır. Tekil İHA'ların sunduğu imkânların ötesine geçmek isteyen kullanıcılar ve araştırmacılar, bu sistemleri koordineli, kolektif ve otonom biçimde çalıştırmaya yönelik yeni yaklaşımlar geliştirmektedir. Bu bağlamda doğadan ilham alan sürü sistemleri (swarm systems) kavramı, insansız platformların birlikte karar alma, görev paylaşımı, çevresel adaptasyon ve esnek görev yürütme gibi yeteneklerle daha güçlü ve etkili bir yapı kazanmasını sağlamaktadır. Merkeziyetsiz kontrol mimarisi, otonom navigasyon, yapay zekâ destekli karar alma ve dinamik görev değişimi gibi kabiliyetler, bu sistemlerin geniş alan arama-kurtarma, elektronik harp, keşif, sınır güvenliği ve afet yönetimi gibi kritik senaryolarda çarpan etkisi yaratmasına olanak tanımaktadır. Dünya genelinde bu alana yönelik çalışmalar hız kazanmış; ABD'nin mikro-İHA sürü denemeleri, Almanya'nın AirShield projesi ve Çin'in kitlesel gösteri uçuşları, sürü teknolojisinin yalnızca bir araştırma konusu değil, sahada uygulanabilir bir sistem olarak gelişmekte olduğunu ortaya koymuştur. Bu gelişmeler, sürü İHA sistemlerinin yakın gelecekte savunma alanında yaygın biçimde kullanılacak ileri teknolojilerden biri olacağının açık göstergesidir. Ancak bu sistemlerin gerçek potansiyeline ulaşabilmesi, onları bir arada tutan ve yönlendiren temel unsur olan sürü içi haberleşmenin güvenli, verimli ve kesintisiz şekilde sağlanmasına bağlıdır. Sürüdeki her bir İHA, hem çevresini algılamalı hem de bu algıya dayalı bilgileri diğer bireylerle paylaşarak ortak karar süreçlerine katkı sunmalıdır. Bu noktada devreye giren FANET (Flying Ad Hoc Network) mimarisi, yüksek mobiliteye sahip, merkeziyetsiz ve sürekli değişen topolojileriyle klasik ağ yapılarından farklılık göstermektedir. Her bir İHA, hem veri üreten bir uç istasyon hem de diğer İHA'lara veri yönlendiren bir ara düğüm olarak görev yapar. Böylece ağ, kendi kendini organize eden, dağıtık ve ölçeklenebilir bir iletişim yapısına kavuşur. FANET mimarisi, sürüdeki bireylerin yalnızca konum değil; hız, görev durumu, yönelim ve tehdit algısı gibi verileri gerçek zamanlı paylaşabilmesini mümkün kılarken, bu avantajlı yapısı bazı önemli iletişim problemlerini de beraberinde getirir. Özellikle broadcast (genel yayın) temelli iletim stratejileri kullanıldığında, aynı mesajın birden fazla İHA tarafından tekrar tekrar iletilmesi ciddi bir ağ yüküne neden olur. Bu durum, iletişim sürecinde üç temel problemle kendini gösterir: Contention (çekişme): Birden fazla İHA'nın aynı anda radyo kanalına erişmeye çalışması, kanalın kontrolsüz şekilde paylaşılmasına neden olur. Bu durum gecikmelere, erişim adaletsizliklerine ve kritik mesajların iletiminde aksamalara yol açar. Collision (çakışma): Çekişmenin kaçınılmaz sonucu olarak aynı anda gönderilen mesajlar birbirine çarparak bozulur ve yeniden iletilmek zorunda kalınır. Bu da hem bant genişliğini tüketir hem de gecikmeyi artırır. Redundancy (gereksiz tekrar): Aynı içeriğin farklı düğümler tarafından tekrarlı biçimde iletilmesi, sistemin enerji kaynaklarını israf eder ve bilgi yayılımında verimsizliğe yol açar. Bu üçlü sorun grubu, literatürde“broadcast storm”problemi olarak tanımlanır ve sürü sistemlerinin gerçek zamanlılık, enerji verimliliği ve güvenilirlik kriterlerini ciddi şekilde tehdit eder. FANET'lerde etkili haberleşme stratejilerinin geliştirilmesi, sadece teknik bir gereklilik değil, aynı zamanda sürü sistemlerinin genel başarımı açısından vazgeçilmezdir. Bu tez çalışmasında, sürü içi haberleşme sırasında ortaya çıkan broadcast storm problemini önlemeye yönelik olarak iki aşamalı bir çözüm yaklaşımı sunulmuştur. Geliştirilen sistemin temel amacı, hem gereksiz mesaj iletimlerini azaltarak ağ yükünü düşürmek, hem de kritik bilgilerin sürünün tüm bireylerine güvenli ve verimli bir şekilde ulaştırılmasını sağlamaktır. İlk aşamada, sürü içerisindeki gereksiz mesaj tekrarlarını en aza indiren bir haberleşme algoritması tasarlanmıştır. Bu algoritma, her bir İHA'nın kendi belleğinde tuttuğu bilgi listesi (InfoList) üzerinden çevresel farkındalığını hesaplar. İHA'lar, daha önce hangi mesajı ne zaman, kimden aldığına dair hafıza tutarak zaman, kaynak ID ve içerik bilgilerini değerlendirir. Aynı içerikli mesajların kısa süre içerisinde tekrar alınması durumunda, bu mesajların iletilmesi engellenir. Ayrıca, alınan mesajların hangi komşulara ulaşmış olduğu tahmin edilerek, iletime gerçekten ihtiyaç duyulan durumlar belirlenir. Böylece sadece faydalı ve gerekli olan iletimler gerçekleşir; bu da ağdaki iletim sayısını ciddi şekilde azaltır, enerji verimliliğini artırır ve çekişme (contention) problemini sınırlar. İkinci aşamada, önemli bir bilginin sürü genelinde yayılımını sağlayan bir dissemination algoritması geliştirilmiştir. Bu yapı, her bir İHA'nın sahip olduğu komşu bilgileri üzerinden kapsama tahmini yapmasına ve iletim yapıldığında hangi yeni bireylere ulaşılabileceğini önceden değerlendirmesine olanak tanır. Sürüdeki her birey, kendi konum bilgisi, geçmişte aldığı mesajlar ve komşularının kapsama durumu üzerinden bir yayılım planı (broadcast plan) oluşturur. Bu plan, sürü genelinde mesajın en hızlı ve minimum tekrar ile yayılabileceği bireyleri seçerek yalnızca o düğümlerin yayın yapmasına izin verir. Böylece sistem hem verimli hem de ölçeklenebilir bir yayılım stratejisi oluşturur. Geliştirilen algoritmanın performansı MATLAB ortamında gerçekleştirilen senaryolarla test edilmiş ve genel ağ verimliliği, enerji dengesi ve bilgi yayılım başarımı açısından olumlu çıktılar elde edilmiştir. Önerilen yöntemin, özellikle geniş ölçekli sürü yapılarında, mevcut yöntemlere kıyasla daha dengeli ve uygulanabilir bir haberleşme stratejisi sunduğu gözlemlenmiştir. Bu tez çalışması yalnızca teknik bir katkı sunmakla kalmamakta, aynı zamanda Türkiye'nin yerli ve milli sürü sistemleri geliştirme vizyonuna doğrudan hizmet etmektedir. Geliştirilen haberleşme altyapısı, sahada uygulanabilirliği yüksek bir çözüm önererek, ülkemizin savunma teknolojileri alanındaki bağımsızlığına katkı sunmayı hedeflemektedir. Bu doğrultuda çalışmanın, sürü sistemlerinin daha verimli, daha güvenilir ve daha akıllı bir şekilde görev icra etmesine katkı sağlayacağı inancındayım.
Özet (Çeviri)
The rapidly evolving security landscape of the 21st century has significantly increased global investment in the defense industry. The rise of asymmetric threats, the growing need for rapid decision-making, and the demand for low-cost operational solutions have all intensified interest in next-generation technologies within this field. In this context, unmanned aerial vehicles (UAVs) have emerged as flexible platforms capable of carrying out a wide range of tasks such as reconnaissance, surveillance, attack, communication, and logistics in both civilian and military scenarios. Seeking to move beyond the capabilities of individual UAVs, researchers and users have developed new approaches aimed at enabling these systems to operate in a coordinated, collective, and autonomous manner. Inspired by nature, the concept of swarm systems has facilitated more powerful and effective formations, where unmanned platforms can make decisions together, share tasks, adapt to dynamic environments, and execute missions with high flexibility. Features such as decentralized control architecture, autonomous navigation, AI-assisted decision-making, and real-time mission reconfiguration allow these systems to generate a multiplier effect in critical scenarios, including wide-area search and rescue, electronic warfare, reconnaissance, border security, and disaster response. Globally, work in this area has accelerated. The United States has conducted micro-UAV swarm trials, Germany has developed the AirShield project for information gathering in disaster zones, and China has demonstrated large-scale UAV swarm flights. These efforts indicate that swarm technology is no longer just a research concept but is evolving into a field-ready operational capability. Collectively, these developments signal that UAV swarms are poised to become one of the key defense technologies in the near future. However, realizing the full potential of these systems depends on ensuring that intra-swarm communication remains secure, efficient, and uninterrupted. Each UAV within the swarm must be capable of perceiving its environment and sharing that perception with others to support collective decision-making processes. At this point, the concept of Flying Ad Hoc Networks (FANETs) becomes central. Unlike traditional communication networks, FANETs are characterized by high mobility, decentralized control, and constantly changing topologies. In this structure, each UAV functions not only as a data-generating end node but also as an intermediate relay that forwards data to other UAVs. This enables the network to be self-organizing, distributed, and scalable. While the FANET architecture allows the swarm to share not only positional data but also speed, task status, orientation, and threat perception in real time, it also introduces significant communication challenges. In particular, when broadcast-based transmission strategies are employed, the repeated forwarding of the same message by multiple UAVs can cause substantial network congestion. This situation gives rise to three main problems, often referred to collectively in the literature as the“broadcast storm”issue: Contention occurs when multiple UAVs attempt to access the communication channel simultaneously, leading to delays and transmission conflicts. Collision results from these simultaneous transmissions interfering with each other, corrupting the data and requiring retransmission. Redundancy refers to the repeated transmission of identical messages by different nodes, wasting energy resources and reducing the efficiency of information dissemination. Addressing these three intertwined problems is crucial not only from a technical standpoint but also for maintaining the reliability, responsiveness, and energy efficiency of swarm communication systems. Developing effective communication strategies for FANETs is, therefore, indispensable for the overall success of UAV swarms. This thesis presents a two-stage solution approach aimed at mitigating the broadcast storm problem encountered during intra-swarm communication. The primary objective of the proposed system is to reduce unnecessary message transmissions in order to alleviate network load, while ensuring that critical information is delivered to all swarm members in a secure and efficient manner. In the first stage, a communication algorithm is developed to minimize redundant message forwarding within the swarm. Each UAV calculates its local situational awareness using an internal data structure referred to as the InfoList, which stores previously received messages. By keeping track of when, from whom, and what content was received, UAVs are able to evaluate the temporal and contextual attributes of incoming messages. If a message with identical content is received again within a short period, it is suppressed to prevent unnecessary retransmission. Furthermore, by estimating which neighbors have already received the message, the algorithm determines whether additional forwarding is truly needed. As a result, only essential transmissions are performed, which significantly reduces the total number of broadcasts in the network, improves energy efficiency, and helps limit contention on the communication channel. In the second stage, a dissemination algorithm is introduced to ensure that important information can be effectively propagated across the entire swarm. This mechanism enables each UAV to estimate its coverage potential based on its known set of neighbors and to evaluate which new UAVs can be reached if a broadcast is performed. Each UAV constructs a broadcast plan by analyzing its current position, previously received messages, and the known coverage status of its neighbors. This plan identifies which nodes are best suited to forward the message in a way that maximizes propagation speed while minimizing repetition. Only the selected nodes are allowed to rebroadcast, resulting in an efficient and scalable dissemination strategy. The performance of the developed algorithm was evaluated through a series of simulation scenarios conducted in the MATLAB environment. The results indicated improvements in overall network efficiency, energy balance, and the success rate of information dissemination. Especially in large-scale swarm configurations, the proposed method was observed to provide a more balanced and practically applicable communication strategy compared to existing approaches.
Benzer Tezler
- Televizyon reklamlarının çocuklar üzerindeki etkileri
The Effects of television advertising on children
DİLEK SAĞLAM
- Doğrudan satış tekniklerinin farklı ürün grupları için satış etkinliği analizi
Başlık çevirisi yok
İSMAİL MERT
- Alman kamu televizyon haberlerinde sosyal demokrasiyi yeniden okumak ve anlamak: Neoliberalizmin sürdürülebilirliği açısından yeni politikalar ve getirilen çözümler
Rereading and understanding social democracy in German public television news: New policies and solutions for the sustainability of neoliberalism
AHMET SUNAL
Doktora
Türkçe
2024
GazetecilikEge ÜniversitesiRadyo Televizyon ve Sinema Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİMET ÖNÜR
- Deniz araçlarında kullanılan uydu takip sistemlerinde üç eksende anten stabilizasyonunu sağlayan hassas kontrol sisteminin gerçekleştirilmesi
Implementation of a precision control system for three-axis antenna stabilization in satellite tracking systems used in marine vehicles
CİHAN YILDIRIM
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ VEYSEL GÖKHAN BÖCEKÇİ
- On the performance of cooperative diversity with amplify-and-forward relays over weibull fading channels
İşbirlikli kablosuz haberleşme için kuvvetlendir-ve-aktar tipi weibull sönümleme kanalı üzerinden performans analizi
BAKARY GUINDO
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET HAMDİ KAYRAN