Hareketli küme tabanlı taşıtlara ilişkin geçici ağlar (VANET) için etkin ve güvenilir işbirlikli MAC protokolü


İlhan H.(Executive)

TUBITAK Project, 2019 - 2020

  • Project Type: TUBITAK Project
  • Begin Date: March 2019
  • End Date: March 2020

Project Abstract

Son zamanlarda, akıllı ulaşım sistemleri (intelligient transportation systems, ITS) için taşıtlara ilişkin ağların tasarımına daha fazla ilgi gösterilmektedir. Taşıtlara ilişkin ağlar taşıttan taşıta (vehicle to vehicle) veya taşıttan yol kenarı istasyonlarına (vehicle to roadside stations) olan haberleşmeye olanak sağlamaktadır. Geçici ağlar için, orta erişim kontrolü (MAC) protokolü en önemli bölümlerden biridir, çünkü etkin ve güvenilir veri iletimi doğrudan MAC protokolüne bağlıdır. Sürekli hareketlilik, hızlı topoloji değişimleri ve yeni topoloji tasarımındaki bilgi değişimi VANET (vehicular adhoc networks) ağlarının kilit özelliğidir. Bu olumsuz etkileri hafifletmek ve haberleşme kalitesini yükseltmek, aynı yönde hareket eden yakın mesafeli taşıtları kümeler (clusters) biçiminde gruplanarak sağlanabilir. Bu durum sürekli  kümelenen taşıtların sinyalizasyon mesaj yükünü engelleyebilmektedir. Ayrıca, çekişmenin olduğu ağa rastgele erişim düzeni nedeniyle, yüksek yoğunluklu ağa erişmedeki gecikme önemli ölçüde artacaktır. Ancak, kümeleşme kanala erişim çekişmesini kısıtlayabilmekte ve küme kapsamında adil kanal erişimi sağlayabilmektedir. VANET ağlar için el değiştirme (handover), hızlı hareket eden araçlar için zorlayıcı bir durumdur. Kümeleşme, el değiştirme sürecini, el değiştirme isteklerinin toplanmasıyla büyük ölçüde kolaylaştırmaktadır. Küme tabanlı MAC yapılarında küme mantığı, VANET ağlarını küçük gruplara ayrıştırarak kanala erişim çakışmasını sınırlandırır ve ağ topolojisinin etkin olarak kontrol edilmesini sağlar. Dahası, VANET’lerde araçlar arası bağıl hareketlilik yüksek düğüm noktası hareketliliği, çarpışma (collision) ve paket kaybına (packet loss) yol açan dengesiz haberleşme ve sık bağlantı kopukluğu ile hızlı topoloji değişimlerine yol açabilmektedir. Buna bir çözüm olarak, işbirlikli haberleşme (cooperative communication) veya hoplamalı sistemler (hopping systems), kullanıcı hareketliliği sebebiyle kablosuz kanal bozulmasını hafifleterek, VANET’ lerdeki haberleşme ağlarına bağlanmadaki güvenilirliği sağlayabilmektedir. Bu nedenle, küme tabanlı işbirlikli MAC protokolü kullanarak kaynağın veri bilgisi röleler/yardımcılar vasıtasıyla güvenilir ve daha hızlı bir şekilde alıcıya iletimi sağlanmaktadır. Bu projede, VANET ağlar için yeni küme tabanlı işbirlikli MAC protokolleri 3 iş paketi kapsamında önerilmektedir. Özellikle, küme sayısı ve istatistikleri (örneğin; birikimli dağılım fonksiyonu (cumulative distribution function, CDF)), hizmet dışı kalma olasılığı, paket kaybı olasılığı, güvenilirlik, kararlılık, iş yapma, paket düşüş hızı (packet droping rate, PDR) ve erteleme ifadelerinin matematiksel formları elde edilmesi hedeflenmektedir. Bu işpaketlerinde yapılması hedeflenenler şöyle verilebilir.

İşpaketi 1’de, öncelikle küme oluşum süreci ele alınacak bu kapsamda taşıtların kümeye katılma ve kümeyi terk etme süreçlerinin nasıl olacağı incelenecek ve aynı kapsama alanı içindeki farklı kümelerin birleşme süreci ele alınacaktır. Her kümeden küme üyeleri (cluster member, CM) arasındaki ve yol kenarındaki ağ geçitleri sayesinde küme dışındaki haberleşmeyi yönetecek edecek küme başı (cluster head, CH) seçilecek ve yeni optimum CH seçim mekanizmaları önerilecektir. Buna ek olarak, küme boyutunun büyümesi, sistem performansını önemli ölçüde düşüreceği ve geniş coğrafik alanın yüksek iletim hataları doğuracağı ve buda taşıtlar arasında yüksek paket çarpışması meydana getirecektir. Aksine, küçük boyutlu küme, kümedeki taşıtların yetersiz sayıda olmasından ve kümede oluşan düşük trafik talebinden dolayı, uygun radyo kaynaklarından faydalanamayacaktır. Bu yüzden, ideal küme boyutunun belirlenmesi çok önemlidir ve bu işpaketinde ayrıntılı incelenecektir.

İşpaketi 2’de ise, işbirlikli haberleşme ve hoplamalı sistem prosedürleri üzerinde çalışılacaktır. Sistem performansını en iyi hale getirmek için, farklı veri iletim modları önerilecektir. Kablosuz ağlardaki işbirliği, her zaman veya her durumda yararlı veya hatta gerekli bile olmayabilir. İşbirliği karmaşıklık, sinyalizasyon mesaj yükü v.b. başlattığından dolayı, kazanılan işbirliği (iş yapma ve enerji verimliliği v.b.) maliyetini çok az karşıladığı zaman, gereksiz hale gelmektedir. Bu sebeple, verinin doğrudan mı yoksa işbirliği yaparak mı gönderileceğinin bilinmesi için bir mekanizma gereklidir. Ayrıca, işbirliğinin yararlı olup olmadığı röle veya yardımcıya bağlı olmaktadır. En uygun rölenin seçimi için röle seçim algoritmaları incelenerek ve yenileri önerilecektir. Röle seçimi esnasında gerekli matematiksel çıkarımlar ayrıntılı olarak incelenecektir.

İşpaketi 3’te ise, amacımız, VANET ağlar için küme tabanlı işbirlikli MAC protokolünün performansını incelemektir. IEEE 802.11 protokolünde, dağıtım koordinasyon işlevi (distributed coordination function, DCF), iletim ortamına erişmek için asıl mekanizmadır ve gelişmiş dağıtım kanalına erişim işlevi (enhanced distributed channel access function, EDCAF) ise MAC katmanındaki çekişme tabanlı (contention-based) Hizmet Kalitesi (quality of service, QoS) desteği için tasarlanmıştır. QoS desteği, yararlı ve popüler VANET'lerin MAC protokollerini tasarlamak için çok önemlidir. Ayrıca, QoS, gereksinimlerin çeşitliliği nedeniyle farklı uygulamalar için değişmektedir. Bir MAC protokolü, trafik farklılaştırması ve heterojen hizmetler için destek sağlamalıdır. Önerilen yeni küme tabanlı işbirlikli MAC protokolleri, hem IEEE 802.11 DCF hem de EDCAF göz önünde bulundurarak tasarlanacaktır. MAC protokolünün performansını incelemek için Markov zincir modeli tabanlı analitik bir model sunulacak ve geçerliliği bilgisayar simülasyonları ile kanıtlanacaktır. Ayrıca optimum çekişme penceresi boyutu bulunup sistemdeki very hızının nasıl etkileneceği incelenecektir.

Sonuç olarak, bu projedeki katkılar akıllı ulaşım sistemleri (ITS) için taşıtlara ilişkin geçici ağların MAC protokollerinin tasarımına yardımcı olacaktır. MAC katmanı taşıt ağlarında istenilen performansı sağlaması için en kritik katman özelliğindedir. Bu proje ile yeni çerçeve yapılarına sahip doğrudan, işbirlikli ve küme tabanlı iletişim gibi dinamik bağlantılara izin veren şuanda kullanılan protokollerle uyumlu yeni MAC protokolleri önerilecektir. Performansı analiz etmek için sıkı analitik ve sayısal çalışmalar kullanılacaktır. Ford, Google, Mercedes-Benz, Tesla ve Uber gibi firmalar, 2021'de ABD'de insansız otomobiller ve kamyonlar yollarda olacaklarını açıkça beyan ettiler (IEEE Spectrum, 2017). Tasarlanan MAC protokolleri, gecikmeyi azaltarak böylesine akıllı bir nakliye sağlayacaktır. Ayrıca önerilen MAC protokolünün performansını doğrulamak için simülasyon sonuçları sunulacaktır. Bildiğimiz kadarıyla, taştlara ilişkin geçici ağlar için önerilen bu küme tabanlı kooperatif MAC protokolü, hem emniyetli mesajı hem de emniyetsiz veri iletimi için tasarlanmış küme tabanlı işbirliği iletiminde ilk çalışmadır. Bu proje ile önerilen yenilikleri yapmanın tam zamanıdır, çünkü VANET ağlarındaki standartlaşma devam ediyor ve standartları etkilemek istiyoruz.