Designing and performance analysis of efficient and reliable medium access control protocols for vehicular ad hoc networks
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2020
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: A F M SHAHEN SHAH
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): Hacı İlhan
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Araçsal tasarsız aglar (VANET'ler) son zamanlarda otomasyon ve akıllı ulaşım sistemine (ITS) ilgi duymaktadır. VANET'ler nakliye verimliliğini ve yol güvenliğini arttırmaktadır. VANET'ler araç ile araç iletişimi (V2V, araç-araç) ve araç ile altyapı (V2I, araç-altyapı) arasındaki iletişimi içerir. VANET'ler güvenlik mesajları (sm) ve güvenlik dışı veriler (nsd) olarak sınıflandırılabilecek sayısız uygulamayı kolaylaştırır. Bununla birlikte, faydalı uygulamalara sahip olmak için araçlar ile mevcut ağ altyapıları arasındaki iletişim verimli olmalıdır. Herhangi bir tasarsız (ad hoc) ağ için, orta erişim kontrolü (MAC) protokolü en önemli bölümlerden biridir, çünkü verimli ve güvenilir veri iletimi doğrudan MAC protokolüne bağlıdır. IEEE 802.11p standardı, IEEE tarafından araç ortamlarındaki (WAVE) kablosuz erişimi desteklemek ve VANET'ler için MAC ve Fiziksel (PHY) Katman özelliklerini sağlamak için ana hatlarıyla belirtilmiştir. Daha sonra IEEE 802.11 standardı, IEEE 802.11p'yi içermekteydi. IEEE 802.11p ve IEEE 802.11'de, dağıtılmış koordinasyon fonksiyonu (DCF) orta ve gelişmiş dağıtılmış kanal erişim fonksiyonuna (EDCAF) erişmek için temel mekanizmadır ve MAC katmanındaki çekişmeli öncelikli Servis Kalitesi (QoS) desteği için tasarlanmıştır. Bu tez çalışmasında, hem IEEE 802.11p hem de IEEE 802.11 için DCF ve EDCAF performansı modellenmiş ve analiz edilmiştir. Markov zincir modeline dayanan analitik bir analiz sunulmuştur. Türetilmiş performans modeli sayısal sonuçlarla doğrulanmıştır. Sonra kanal sönümlemesi ve yakalama etkisinin etkisini araştırılmıştır. Nakagami, Rayleigh ve Rician sönümlemeli kanallar göz önünde bulundurulmuştur. Ancak, hem IEEE 802.11p hem de IEEE 802.11, VANET'lerin performans kriterlerini yerine getirememektedir. VANET'lerde, araçlar arasında yüksek ve göreceli hareketlilik, sık bağlantı kopması, çarpışma ve paket kaybına neden olan dengesiz iletişim ile hızlı topoloji değişikliklerine neden olabilir. Alternatif olarak, VANET'lerin kanal çekişmesini sınırlayan ve ağ topolojisini verimli bir şekilde kontrol eden küçük gruplar halinde kümeleme yapılabilir. Bu tezde, VANET'ler için kümelemeye dayalı yeni bir MAC (CB-MAC) protokolü önerilmiştir. Küme oluşum süreci tanımlanmıştır. Ayrıca, küme içi ve küme dışında verimli iletişim için küme başı (cluster head, CH) seçimi ve küme birleştirme işlemleri açıklanmaktadır. IEEE 802.11'de tanımlanan mekanizma, sadece doğrudan iletişim için özel olarak tasarlanmış ve küme tabanlı iletişim için uygun değildir. Bu nedenle, yeni kontrol paketleri tanıtılmakta ve mevcut kontrol paketi formatı küme tabanlı iletişimi desteklemek için değiştirilmektedir. Etkili MAC protokolü tasarımı için gönderme niteliğinde olan sm için gönderme isteği (RTS) / göndermeye hazır (CTS) mekanizması kullanılmaz. Öte yandan, RTS / CTS mekanizması nsd teslimi için gizli düğüm problemini ortadan kaldırmak için kullanılır. Önerilen CB-MAC protokolünün performansını incelemek için Markov zincir modeline dayalı analitik model sunulmuştur. Önerilen protokol, sayısal çalışmalar ile doğrulanmıştır. Sayısal sonuçlar, önerilen CB-MAC protokolünün sistem performansını iyileştirdiğini ve sm için 100 ms'lik gecikme kısıtlamasını sağladığını göstermektedir. Diğer taraftan, işbirliğine dayalı iletim, VANET'lerdeki hareketliliğin neden olduğu kablosuz kanal bozulmalarını hafifleterek iletişim güvenilirliğini artırabilir ve düşük gecikmeli iletişim hızını artırabilir. Bu tez çalışmasında, VANET'ler (RECV-MAC) için hem sm hem de nsd iletimi için tasarlanmış yeni ve güvenilir bir işbirlikli MAC protokolü önerilmiştir. RECV-MAC, hem göndericiye hem de alıcıya iyi kanal koşulu olan yardımcıların yardımıyla güvenilir ve verimli iletim sağlar. İşbirliğine dayalı iletişimi desteklemek için yeni kontrol mesajları tanıtılmıştır. Mekanizma uygun aktarım modunu seçmek ve en uygun yardımcıyı seçmek için tanımlanmıştır. Önerilen RECV-MAC protokolünün performansını araştırmak için Markov zincir modeline dayalı analitik analiz yapılmıştır. Önerilen RECV-MAC protokolü, sayısal çalışmalar ile doğrulanmıştır. RECV-MAC protokolünün performansı, IEEE 802.11p'yi temel alan geleneksel MAC modeliyle karşılaştırılıp ve mevcut işbirlikli MAC şemalarıyla performans açısından karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmada, RECV-MAC'in IEEE 802.11p ve mevcut işbirlikli MAC şemalarından daha iyi performans gösterdiği açıktır. Sayısal sonuçlar, RECV-MAC protokolünün performansı daha yüksek verimlilikle geliştirdiğini, PDR'yi azaltarak iletişimin güvenilirliğini arttırdığını ve özellikle de gecikmeyi azalttığını, özellikle sm için 100 ms'lik gecikme sınırını karşıladığını göstermektedir. IEEE 802.11p, IEEE 802.11 ve CB-MAC'in performansı optimize edilmiş ve performans optimizasyon mekanizmaları sunulmuştur. IEEE 802.11p ve IEEE 802.11 arasındaki karşılaştırma sağlanmıştır. Mikroskopik mobilite modeli pratik senaryo için SUMO'da üretilmiştir. Analitik analizi doğrulayan Monte Carlo simülasyon sonuçları sunulmuştur. Ayrıca, karmaşıklık analizi sunulmuş ve karmaşıklık analizi arasındaki karşılaştırma gösterilmiştir.