Şehir içi trafik yönetim sistemleri için SDN temelli bir vanet mimari önerisi ve sinyalizasyon uygulaması
A proposal of SDN based vanet architecture and signalling application for urban traffic management systems
Yazar: MUSA BALTA
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM ÖZÇELİK
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Ulaşım = Transportation

Özet:
Günümüz şehir içi kavşak yapılarının fiziksel özellikleri ve plansız yol kesişmelerinden dolayı oluşan trafik akımları, zaman/nakit kaybı, stres, daha fazla yakıt tüketimi gibi birçok olumsuz etkiye sebep olmaktadır. Bu nedenle hem akademik hem de ticari çevrelerde bir akıllı şehir uygulaması olan trafik yönetim sistemleri üzerine birçok çalışmalar yapılmaktadır. Son yıllarda yapılan bu çalışmalarda araçların birbirleri arasında veya saha kenarındaki cihazlar ile haberleşmelerini kolayca sağlayarak ilgili trafik verilerinin merkeze taşınmasını sağlayan VANET (Araçsal Ağlar-Vehicular ad hoc networks) mimarisinin çok sık kullanıldığı görülmektedir. Diğer taraftan günümüz geleneksel ağlarında karşılaşılan performans, programlanabilirlik, ölçeklenebilirlik, güvenlik ve yönetim zorluğu gibi sorunlara çözüm getiren yeni bir ağ mimarisi olan SDN (Yazılım tanımlı ağlar-Software defined networks) üzerine de birçok çalışma yapılmaktadır. 

Tüm bunlara bağlı olarak bu tez çalışmasında, hem günümüz trafik yönetim sistem modüllerini daha adaptif bir şekilde kullanabilmek hem de gelecekte eklenecek trafik tabanlı hizmetleri iletişim altyapısı değiştirilmeden istenilen servis kalitesinde sunabilmek için SDN ve VANET ağ paradigmalarının ayrık ve koordineli kavşak yapılarında nasıl birlikte kullanılacağı ile alakalı bir mimari önerisi sunulmuştur. Ayrıca bu çalışmada trafik yönetim sistemlerinin en önemli problemlerinden olan sinyalizasyon üzerine de literatürdeki çalışmaların aksine kavşak içerisindeki taşıt kompozisyonuna ek olarak çevresel etmenler (kaza durumu, öncelikli araç geçişi vb.) ve aktivite bilgisini (yol yapım, yürüyüş, tren geçişi vb.) de hesaba katan 3 aşamalı bir bulanık karar ağacı modeli önerisinde bulunulmuştur. Önerilen bu model kavşak içerisindeki trafik lambalarının yeşil ışık optimizasyonu ve faz düzenini yeniden ayarlamasının haricinde, kavşak içerisindeki SDN etmen araç ve RSU'lar arasındaki kullanılan VANET yönlendirme protokolleri (AODV, DSDV) arasında otomatik seçim yaptıran bir akış girdisi de ürettirmektedir. Trafik yönetim sistemlerinin iletim altyapısı için önerilen SDN temelli VANET mimarisinin ve üzerinde çalışacak 3 aşamalı bulanık-karar ağacı modelinin işlevselliğini ölçebilmek için Adapazarı Şehir Merkezi model alınarak farklı trafik ve ağ senaryoları üzerinde performans testleri yapılmıştır. Yapılan performans testlerinde elde edilen sonuçlara göre önerilen sinyalizasyon modeli ve mimari yapısı literatürdeki çalışmalara göre trafik sinyalizasyon kriterlerinde ortalama %12-14, ağ kriterlerinde ise %30-35 oranında iyileşme sağlamıştır.

Abstract:
One of the main challenges for developed cities is vehicle traffic and its management. Because of physical structures and cross roads of urban intersections, traffic flows may cause time delay, congestion, traffic accidents and more fuel/time consumption. For these reasons, there are many studies on traffic management systems which are a part of smart city applications in both literature and practice. In recent years, it seems that VANET (Vehicular ad hoc networks) architecture has been preferred in these studies, which enables vehicles to easily communicate with each other or devices on the edge of the road and also to transfer the related traffic data to the center. On the other hand, there are many studies on a new network paradigm called SDN (software defined networks) that solves problems such as performance, programmability, scalability, security and management difficulties in today's traditional networks. 

Depending on all this, in this study, we will present an architectural proposal about how to use SDN and VANET network paradigms together in traffic management systems in order to use both existing intersection management system modules more adaptively and future traffic based services to be added in desired service quality without changing the communication infrastructure. Also in this study, a 3-stage fuzzy-decision tree model was proposed for traffic signalling by focusing environmental factors and activity information not only vehicle density unlike other signaling studies in literature. The proposed model also generates/sends a dynamic flow input to SDN agent vehicles and SDN agent RSU in intersection for making VANET routing protocols (AODV, DSDV) selection automatically. In order to measure the functionality of the SDN based VANET architecture and 3 stage fuzzy-decision tree model on it for the transmission infrastructure of the traffic management, performance tests were performed on different traffic and network scenarios on Adapazarı City Centre Model. SDN based VANET architecture was compared with traditional systems according to transmission infrastructure and also proposed 3-stage fuzzy-decision model was compared with signaling techiques in literature such as fixed-time signaling, Webster equation and ant colony algorithm. According to results obtained in the performance tests, the proposed signaling models and architectural structures have better performance about 12-14% in traffic singalling criteria and 30-35% in network criteria according to other signaling techniques.