İşbrliğine dayalı ortam erişim kontrol protokolü tasarımı ve analizi

Abstract

Tasarsız araç ağları (Vehicular adhoc networks, VANETs) ulaşım verimliliği veyol güvenliğini arttırdığından dolayı son zamanlarda otomasyon ve akıllı ulaşım sistemleri (intellegent transportation systems, ITSs) alanında oldukça ilgi görmektedir.VANET ağlar, hem araçlar arası iletişimi (vehicle to vehicle, V2V) hem de araç ve altyapı (vehicle to infrastructure, V2I) arasındaki iletişimi içermektedir. VANET ağlar, iletişimdeki güvenlik mesajları (safety messages, sm) ve güvenlikle ilgili olmayan mesajlar (non-safety messages, nsm) olarak kategorize edilebilen çok sayıda uygulamayı kolaylaştırır. VANET ağlarda verimli ve güvenilir veri iletimi için ortamerişim kontrolü (medium access control, MAC) protokolünün tasarımı çok önemlidir. VANET ağlarda araçlar arasında yüksek hareketlilik, sık bağlantı kopmasına, çarpışmaya ve paket kaybına neden olan dengesiz iletişim ile hızlı topoloji değişikliklerine neden olabilir. ̇İşbirlikli iletimin kullanımı iletişim güvenilirliğini artırabilir. Ayrıca işbirliğine dayalı iletişim VANET ağlardaki hareketliliğin neden olduğu kablosuz kanal bozukluklarını azaltarak daha düşük gecikmeyle iletişim hızını artırabilir. IEEE 802.11 standardı, araç ortamlarında (wireless access in vehicularenvironments, WAVE) kablosuz erişimi desteklemek ve VANET ağlarda MAC ve fiziksel (PHY) katman özelliklerini sağlamak için elektrik ve elektronik mühendisleri enstitüsü (institute of electrical and electronics engineers, IEEE) tarafından detaylıca açıklanmıştır. IEEE 802.11 standardında, dağıtılmış koordinasyon işlevi(distributed coordination function, DCF) kanal ortamına erişmek için kullanılan temel mekanizmadır ve MAC katmanında çekişmeye dayalı önceliklendirilmiştir. Bu tez çalışmasında öncelikle IEEE 802.11 standardı için DCF’in performansı modellenmiş ve iki boyutlu (2D) Markov zincir modeline dayalı analitik bir analiz sunulmuştur. Türetilmiş performans modeli sayısal sonuçlarla doğrulanmıştır. Ayrıca PHY katmanının etkisini görmek için Nakagami-m ve Rayleigh sönümlemeli kanal yapıları kullanılmıştır. VANET ağlarda göreceli hareketlilik ve araçların yüksek hareketliliği, paket kaybı ve çarpışma ile sonuçlanan sık bağlantı kesilmeleriyle dengesiz iletişime neden olan hızlı topoloji değişikliklerine yol açabilmektedir. Çözüm olarak, işbirliğine dayalı iletişim, kullanıcı hareketliliği nedeniyle kablosuz kanal bozukluklarını azaltarak VANET ağların performansını artırabilir. Zamanla değişen bir kanal üzerinden iletişim güvenilirliğini ve iletim hızını artırmak ve ayrıca ağ genelinde iletişim gecikmesini, iletim gücünü, paraziti, kanal sönümlemesinin etkisini azaltmak, iletim aralığını genişletmek ve kesinti olasılığını azaltmak işbirlikli iletişimin temel faydaları arasındadır. Kablosuz ağlarda işbirliği her zaman veya her durumda yararlı olmayabilir veya gerekli olmayabilir. ̇İşbirliği yapmanın kazancı (üretim ve enerji verimliliği vb.) maliyetini telafi etmek için çok küçük olduğunda gereksiz hale gelir. Bu nedenle, verilerin doğrudan mı yoksa işbirliği içinde mi aktarılacağını bilmek için bir mekanizmaya ihtiyaç vardır. Buradan hareketle IEEE 802.11p MAC protokolünün performansını incelemek için doymamış durum (unsaturated condition) altında Markov zincir modeline dayalı analitik bir model sunulmuştur. VANET ağların performansını etkileyebilecek parametrelerden çarpışma olasılığı, başarılı iletim olasılığı, başarısız iletim olasılığı, hatalı çerçeve iletim olasılığı, veri hızı ve gecikme ile performans ölçütleri arasındakiilişki elde edilmiştir. VANET ağlar için işbirlikli iletim ortam erişim kontrolü(cooperative relaying medium access channel, CR-MAC) protokolünün Nakagami-mkanal sönümlemesi üzerine performansı araştırılmıştır. M-PSK modülasyonu kullanılarak bit hata oranı (bit error rate, BER) hesaplanmıştır. Ayrıca elde edilen performans modeli benzetim sonuçları ile doğrulanmıştır. Çarpışmadan kaçınma ile taşıyıcı duyarlı çoklu erişim tekniği (carrier sense multipleaccess with collision avoidance, CSMA/CA) kullanımı, düşük trafik yoğunluğunda iyidir, ancak trafik yoğunluğu arttığında veri hızı düşer ve daha yüksek çarpışmanedeniyle gecikme artar. Öte yandan, dik frekans bölmeli çoklu erişim (orthogonalfrequency division multiple access, OFDMA) kullanımı ile yüksek veri hızı ve daha düşük gecikme sağlanabilir. Fiziksel katmanındaki dik frekans bölmeli çoğullama (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM), sınırlı spektrumda yüksek spektral verimlilik sağlayan ve gizli düğüm problemini çözen frekans ve zaman çoğullamayı birleştirir. Bu tezde VANET ağlar için hem sm hem de nsmxx mesajlarının iletimi için tasarlanmış yeni, güvenilir ve verimli işbirliğine dayalı MAC (OEC-MAC) protokolü tasarlanmıştır. OEC-MAC, hem gönderen hem de alıcı için iyi kanal koşullarına sahip rölelerin yardımıyla güvenilir ve verimli iletim sağlamaktadır. ̇İşbirlikli iletişimi desteklemek için yeni kontrol mesaj paketleri tanıtılmış ve kullanılan mekanizma, uygun aktarım modunu seçmenin yanı sıra en uygun röleyi seçmek için tanımlanmıştır. Önerilen OEC-MAC protokolünün performansı 2D-Markov zincir modeline dayalı olarak analiz edilmiş ve OEC-MAC protokolünün performansı sayısal sonuçlarla doğrulanmıştır. OEC-MAC protokolünün performansı, IEEE 802.11 standardındaki geleneksel MAC modeli için önerilen parametreler kullanılarak sunulmuştur. OEC-MAC protokolünün IEEE 802.11ve işbirliğine dayalı MAC sistemlerinden daha iyi performans gösterdiği yapılan karşılaştırma eğrilerinden açıkça gözükmektedir. Elde edilen sayısal sonuçlar, OEC-MAC protokolünün performansı daha yüksek verimle geliştirdiğini, paket düşme oranını (packet dropping rate, PDR) azaltarak iletişimin güvenilirliğini arttırdığını ve özellikle gecikmeyi azalttığını, sm mesajlar için 100 msn’lik gecikme kısıtlamasını karşıladığını göstermektedir. PHY katmanındaki çok-girişli çok-çıkışlı (multiple input multiple output, MIMO)teknoloji, aynı anda birden fazla anten kullanır ve çok yollu yayılma yoluyla veri hızını artırabilir. MIMO sistemi teorik olarak, verici ve alıcıda çoklu antenlere sahip bir sistem olarak bağlantı kapasitesinin doğrusal büyümesini sağlar. OFDM, kablosuz kanallar üzerinden sinyal iletimi için popüler bir çoklu taşıyıcı modülasyon teknolojisi haline gelmiştir. Bu tekniklerin birleştirilmesi, iyi kapsama alanı, verimli iletim, yüksek veri hızları ve yüksek spektral verimlilik dahil olmak üzere, bir görüş hattı ortamında ihtiyaç duyulan cihaz gereksinimlerini karşılayacaktır. Çeşitli anten konfigürasyonlarının kullanıldığı MIMO-OFDM sistemindeki MAC katmanın tasarımları üzerine literatürde yeterince araştırılma yapılmadığı görülmüştür. Birden fazla antene sahip verici ve alıcı iletişim sistemleri, alıcıdaki sinyal-gürültü oranını(signal-to-noise ratio, SNR) ve kanal kapasitesini önemli ölçüde arttırarak hızlı veri iletişimini sağlamaktadırlar. Ayrıca, yüksek spektral verimliliği nedeniyle OFDM, kablosuz iletişim sistemlerinde sinyalleri iletmek için yaygın olarak kullanılır. Yüksek spektral verimliliğe sahip MIMO ve OFDM haberleşme sistemlerinin birleşiminden oluşan MIMO-OFDM yapısı, yeni nesil haberleşme sistemlerinde çok önemlidir konuma sahiptir. Buradan esinlenerek hem sm hem de nsm mesajlarının iletimi MIMO-OFDM yapısı VANET ağlarında kullanılarak gerçeklenmiş ve kanal sönümlemesi ile performans analizi IEEE 802.11 standardındaki parametreler kullanılarak ele alınmıştır. Haberleşme sistemlerinde ele alınan bit hata olasılığı, VANET ağların performansı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bu etkiler göz önüne alınarak parametreler ve performans ölçütleri arasındaki ilişki, doymamış koşullar altında üç boyutlu (3D) Markov zincir modeline dayalı teorik çalışma ile çıkarılmıştır. Ayrıca önerilen MIMO-OFDM sistemin BER ve kesinti olasılığı ifadeleri Nakagami-mve Rayleigh sönümlemeli kanallar için türetilmiştir. Çarpışma olasılığı, başarılı iletim olasılığı, veri hızı, paket düşme oranı ve gecikme analizi ifadeleri ele alınmıştır. Bu tezin son kısmında, IEEE 802.11’in performansı optimize edilmiş ve performans optimizasyon mekanizması sunulmuştur. Ayrıca, tezde önerilen CR-MAC, OEC-MACve MIMO-OFDM protokollerin hesaplanma süreleri de karşılaştırılmıştır