Akademik Veri Yönetim Sistemi
TÜBİTAK Projesi, 2019 - 2020
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.