Hücresel ağlar için yeni bir aktif kuyruk yönetimi algoritması tasarımı
Modelling a new active queue management algorithm for cellular networks
Yazar: MUHAMMET ÇAKMAK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZAFER ALBAYRAK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Aktif kuyruk yönetimi = Active queue management ; Ağ benzetimi = Network simulation ; Bilgisayar ağları = Computer networks

Özet:
Günümüzde internet içeriğinin çoğu hücresel ağlar ile sağlanmaktadır. Hücresel ağlar yüksek kaliteli video, ses, veri indirme, bulut tabanlı uygulamalar, akıllı ev yönetimi, otonom araç kontrolü, artırılmış gerçeklik ve sanal gerçeklik gibi uygulamalara erişim ve yönetimde kilit bir role sahiptir. Hücresel ağların kullanım sahasının genişlemesi, internet kullanıcılarının sayısındaki hızlı artış ve mobil internet kullanımında artan talepler karşısında hücresel ağlarda kaynakların yönetimi daha fazla önem kazanmıştır. Hücresel ağ operatörleri, ağ donanımı geliştiren sanayi kuruluşları ve araştırmacılar hücresel ağ sistemlerinin geliştirilmesi, performanslarının iyileştirilmesi ve artan mobil internet taleplerinin karşılanması için yeni çözümler üretmektedir. Hücresel Uzun Vadeli Evrim (LTE - Long Term Evolution) ağında, veri iletiminde kapasiteyi aşan ani bir artış olduğunda kullanıcı kuyruklarında aşırı paket yığılması oluşur. Eğer kullanıcı kuyruk boyutları yeterli değilse kuyruklardaki fazla paketler düşer. Bu durum ağdaki kaynakların boşuna harcanmasına, uçtan uca verimin
azalmasına ve kuyruk gecikmelerine neden olur. Ağdaki meydana gelebilecek tıkanıklık sorunlarının çözülmesi için kuyruk yönetim algoritmaları kullanılır.  Kuyruk yönetim algoritmaları ağda yaşanabilecek muhtemel tıkanıklıkları önceden tespit ederek tıkanıklık oluşmadan ağı kontrol eder ve tıkanıklık oluşması durumunda tıkanıklıktan kurtulma mekanizmalarını çalıştırır. Tıkanıklık sorunlarının çözümü için uygun algoritmanın seçimi, ağın çalışmasına doğrudan etki etmektedir.
Bu tez çalışmasında, hücresel LTE ağlarında yaşanan tıkanıklık ve darboğaz problemlerinin çözümü için Radyo Bağlantısı Kontrolü (RLC - Radio Link Control) katmanında çalışan yeni bir aktif kuyruk yönetim algoritması geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritma iki adımda çözüm üretmektedir. İlk adımda kuyruk doluluğunu kontrol edilmesini sağlayan sanal kuyruk yapısını kullanılmaktadır. Sanal kuyruk, gerçek ortalama kuyruk boyutunu kontrol ederek ağın ani salınımlardan korunmasını sağlamaktadır. İkinci adımda ise Evrimleşmiş Düğüm B'deki (eNodeB - Evolved Node B) kullanıcı kuyruklarında yaşanan kuyruk taşması problemini çözmek için paket düşürme olasılık değeri ağdaki yük durumuna göre adaptif şekilde yeniden hesaplamaktadır. Geliştirilen Adaptif Sanal Kuyruk Tabanlı RED (AVRED-r) algoritması uçtan uca ortalama verim, gecikme, paket teslim oranı ve adalet indeksi değerleri açısından Rastgele Erken Tespit (RED - Random Early Detection), DropTail, Geliştirilmiş Orantılı İntegral Denetleyici (PIE - Proportional Integral Controller Enhanced), Paket Sınırlı İlk Giren İlk Çıkış Sırası (pFIFO - Packet Limited First In First Out Queue) ve Kontrollü Gecikme (CoDel -Controlled Delay) algoritmalarına göre daha iyi sonuç üretmektedir.
Geliştirilen algoritma RLC tamponun farklı yük değerlerinde dengeli çalışmasını sağlamaktadır. Ayrıca Paket Veri Yakınsama Protokolü (PDCP - Packet Data Convergence Protocol) katmanına iletilecek olan Servis Veri Birimlerinin (SDU - Service Data Unit) RLC tamponun tıkanıklık seviyesine göre iletilmesine katkı sunmaktadır.

Abstract:
Most internet content is provided by cellular networks today. Cellular networks play a key role in accessing and managing high-quality video, audio, data download, cloud-based applications, smart home management, autonomous vehicle control, augmented reality and virtual reality. The management of resources in cellular networks has gained more importance in the face of the expansion of the usage area of cellular networks, the rapid increase in the number of internet users and the increasing demands in mobile internet usage. Cellular network operators, industry organizations that develop network hardware, and researchers are creating new solutions for the development of cellular network systems, improving their performance and meeting the increasing mobile internet demands.
In Long Term Evolution (LTE) network, when there is a sudden increase in data transmission that exceeds the capacity, excessive packet congestion occurs in user
queues. If the user queue sizes are not enough, the excess packages in the queues will drop. This results in wasted resources on the network, reduced end-to-end throughput, and queue delays. Queue management algorithms are used to solve congestion problems that may occur in the network. Queue management algorithms detect possible congestions in the network in advance and control the network before congestion occurs, and in case of congestion, it operates the mechanisms to get rid of congestion. Choosing the proper algorithm for the solution of congestion problems directly affects the performance of the network.
In this thesis, a new active queue management algorithm working on the Radio Link Control (RLC) layer has been developed to solve congestion and bottleneck problems in cellular LTE networks. The developed algorithm finds solutions in two steps. In the first step, the virtual queue structure is used to control the queue occupancy. The virtual queue ensures that the network is protected from sudden oscillations by controlling the real average queue size. In the second step, the packet drop probability value is adaptively recalculated according to the load on the network to solve the queue overflow problem in the user queues. 
The proposed Adaptive Virtual Queue Based RED (AVRED-r) algorithm gives better results than RED (Random Early Detection), DropTail, Proportional Integral Controller Enhanced (PIE), Packet Limited First In First Out Queue (pFIFO-) and Controlled Delay (CoDel) algorithms in terms of end-to-end average throughput, delay, Packet Delivery Fraction (PDF) and fairness index values.
The proposed AVRED-r algorithm ensures stable operation of the RLC buffer at different load values. It also contributes to the transmission of the Service Data Units (SDU) to be transmitted to the Packet Data Convergence Protocol (PDCP) layer according to the congestion level of the RLC buffer.