Çoklu jeton dolaşımı ile uçan tasarsız ağlar içerisinde bilgi alışverişi
Information sharing with multi-token circulation in flying ad hoc networks
Yazar: EYÜP EMRE ÜLKÜ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BUKET DOĞAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖNDER DEMİR
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Bilgisayar ağları = Computer networks ; İletişim ağları = Communication networks

Özet:
Günümüzde, insansız hava araçlarının (İHA) hem sivil hem de askeri alanlarda kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Otonom olarak hareket edebilen İHA' lar, bu özellikleri sayesinde zorlu ve tehlikeli görevleri insan hayatını riske atmadan gerçekleştirebilmektedir. İHA teknolojilerinin maliyetlerindeki düşüş ve minyatürleşme, tek bir İHA yerine, birden fazla mini veya mikro İHA içeren çoklu İHA sistemlerinin ortaya çıkmasını sağlamıştır. İHA grupları ya da İHA takımları olarak adlandırılan bu sistemler, karmaşık ve zorlu görevlerin daha kısa sürede daha verimli bir şekilde tamamlanmasını sağlamaktadır.
Çoklu İHA sistemlerinin sorunsuz bir uçuş gerçekleştirebilmelerinin en önemli şartı İHA' ların birbirleri ile haberleşebilmeleridir. İHA' lar arası haberleşmenin sağlanabilmesinde uçan tasarsız ağ (UTA) yapısı en etkin çözümlerin başında gelmektedir. UTA yapısı ile birlikte, çoklu İHA sistemlerinde haberleşme problemi çözüme ulaştıktan sonra, çözülmesi gereken bir başka problem ise İHA' ların birbirlerinin konum bilgilerini nasıl öğrenecekleridir. 
İHA' ların birbirlerinin konum bilgilerini öğrenmelerinde GPS ve LIDAR sistemleri kullanılabilir ancak bu sistemler çoklu İHA sistemleri için maliyetli çözümlerdir. Bu duruma ek olarak, bu sistemlerin kullanılamadığı ve dezavantajlı olduğu çeşitli durumlar da mevcuttur. Bu sebeplerden dolayı UTA içerisinde İHA' ların birbirlerinin nerede olduğunu öğrenmelerini sağlayacak alternatif bir çözüme ihtiyaç vardır.
Bu tez çalışmasında geliştirilen çoklu jeton dolaşımı tabanlı yaklaşım, İHA' ların birbirlerinin konum bilgilerini öğrenmeleri için LIDAR ve GPS teknolojilerine alternatif ve düşük maliyetli bir çözüm getirmektedir. Bu yaklaşımda, içerisinde İHA' ların koordinat bilgilerini tutan bir jeton paketi UTA içerisinde dolaşarak İHA' ların birbirlerinin konumlarını öğrenmelerini sağlamaktadır. UTA içerisindeki İHA sayısı arttıkça, jeton içerisinde tutulan bilginin boyutu ve jetonun dolaşması gereken düğüm sayısı da artmaktadır. Bu durumda, UTA içerisinde jetonun dolaşım süresi uzamaktadır. Bunun sonucunda, İHA' lar birbirlerinin konumlarını doğru bir şekilde öğrenememektedirler. Bu durumun önüne geçmek için birden fazla jeton kullanılarak dolaşım süresi kısaltılmakta böylelikle İHA' ların birbirlerinin konumlarını daha az hata ile öğrenmeleri sağlanmaktadır. 
Çoklu jeton kullanımında, jetonların çarpışma durumları karşımıza çıkmaktadır. Çarpışma, mesajların (konum bilgilerinin) kaybolmasına veya hatalı ulaşmasına neden olmaktadır. Bu durum da, İHA' ların birbirlerinin konum bilgilerini hatalı veya geç öğrenmelerine sebebiyet verir.
Jetonların çarpışmalarının önüne geçmek amacıyla ikinci bir kanal kullanılmıştır. Böylelikle gerçekleştirilen iki kanallı yapı ile çoklu İHA sistemlerinde konum bilgisinin çoklu jeton tabanlı yaklaşımla dolaştırıldığı bir protokol oluşturuldu. Bu modelde, jetonlar tek bir kanal üzerinden dolaşım gerçekleştirmektedir. İkinci kanal üzerinden ise jeton yönlendirmeleri gerçekleştirilerek çakışmaların önüne geçilmektedir.
Çalışmanın ilk bölümünde, çalışmanın amaç ve önemi, çalışmanın içerisinde yer alan kavramların açıklamaları ve literatür araştırmalarına yer verilmiştir. Materyal ve yöntem bölümünde, geliştirilen algoritma anlatılmaktadır. Üçünde bölümde, geliştirilen yöntem simülasyon ortamında farklı İHA sayısı, İHA hızı, jeton sayısı ve topoloji gibi parametre değerlerine göre test edilerek, elde edilen sonuçlar grafikler yardımıyla açıklanmaktadır. Son bölümde ise, çalışmanın değerlendirilmesine yer verilmektedir.

Abstract:
In recent years, the use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in both civilian and military areas is becoming increasingly widespread. By means of these features, the UAVs, which can act autonomously, can perform difficult and dangerous tasks without risking human life. The decline in costs and miniaturization of UAV technologies has led to the emergence of multi-UAV systems involving multiple mini or micro UAV, rather than a single UAV.  These systems, referred to as UAV groups or UAV teams, enable complex and challenging tasks to be completed more efficiently in a shorter period of time.
The most important condition for the multi-UAV systems to be able to make a smooth flight is that UAVs can communicate with each other. Flying Ad Hoc Network (FANET) structure is one of the most effective solutions for the communication between the UAVs. Another problem that needs to be solved is how the UAVs will learn each other's location information after the communication problem in the multi-UAV systems comes along with the FANET structure.
GPS and LIDAR systems can be used to provide location information of UAVs but these systems are costly solutions for multi-UAV systems. In addition to this situation, there are various situations in which these systems are unavailable and disadvantageous. For these reasons, there is a need for an alternative solution within the FANET that will enable the UAVs to learn where each other is.
The multi-token circulation based approach, developed in this thesis study, provides an alternative and low cost solution to LIDAR and GPS technologies in order to provide the location information of UAVs. In this approach, a token package that holds coordinate information of UAVs circulates in the FANET. As the number of UAVs in the FANET increases, the size of the data in the token and the number of nodes that the token must reach increase. Thus, the duration of token travel time increases. Consequently, UAVs may not receive accurate location information. To avoid this, travel duration is reduced using multi-tokens. Therefore, UAVs know each other's location information with fewer error.  
In the use of multi-tokens, the possibility of collisions of tokens arises. Collisions cause messages (location information) to be lost or misplaced. This situation also causes the UAVs to learn each other's position information incorrectly or late.
A second channel have been used to avoid collisions of tokens. Thus, a protocol has been created in which the location information circulates in a multi-token based approach in multi-UAV systems with the realized two-channel structure. In this model, tokens are circulating through a single channel. A second channel is used to minimize token collisions.
In the first part of the work, the purpose and the importance of the study, the explanations of the concepts in the study, and the literature search have been included. In the material and method section, the developed algorithm has been explained. In the third part, the developed method is tested according to the different parameter values such as number of UAV, UAV speed, number of token and topology in the simulation environment and the results obtained are explained with the help of graphs. In the last section, evaluation of the study is given.