Çoklu insansız hava araçları arası altyapısız ağlar için yeni bir konum bilgisi paylaşımlı ve yönlü ortam erişim kontrol protokolü
A novel location oriented directional medium access control protocol for ad hod unmanned air vehicle networks
Yazar: ŞAMİL TEMEL
Danışman: DOÇ. DR. İLKER BEKMEZCİ
Hava Harp Okulu Komutanlığı / Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Ağ sistemleri = Network systems ; Bilgisayar ağ protokolleri = Computer network protocols

Özet:
İnsansız Hava Araçları (İHA) sistemleri, başta arama-kurtarma ve uzaktan algılama işlemleri olmak üzere son yirmi yıldır hem askeri hem de sivil uygulamalarda başarı ile kullanılmaktadır. Havacılıkta, tekli İHA sistemleri günümüze kadar başarı ile kullanılmış olsa da küçük boyutlu İHA'lardan oluşan çoklu sistemlerin kullanımının çok daha avantajlı yönleri mevcuttur. Buna karşılık çoklu İHA sistemleri kullanımının kendisine özgü birçok zorlayıcı problemi de ortaya çıkmaktadır. Bu problemlerin başında, gökyüzünde yüksek hızlarda seyreden İHA'lar arasında sağlam bir iletişim altyapısı tesis edilmesi gerekliliğidir. En nihayetinde, günümüzde büyük boyutlu ve yüksek maliyetli İHA'ların daha küçük ve düşük maliyetli İHA'lar ile ikame edilmesi mümkün olmuştur. 
Bu tez kapsamında, İHA'ların gökyüzünde oluşturduğu ad-hoc (altyapısız) ağa FANET (Flying Ad-hoc Network) ismi verilmiştir. FANET'ler diğer mobil ağ teknolojilerinin yanında yeni tür bir mobil ağ olarak değerlendirilmektedir. Geleneksel mobil ad-hoc ağ teknolojileri FANET'lere özgü iletişim ihtiyaçlarını karşılamaktan uzaktır. Zira son yıllarda FANET'ler için birçok yeni fiziksel katman teknolojileri ile özgün MAC ve yönlendirme (ağ) protokolleri önerilmeye başlanmıştır. Tüm bu teknoloji ve protokollerinin yanı sıra, FANET'lerde terminallerin konumlarının tespiti ve konum bilgilerinin terminaller arasında paylaşımının, sürekli ve emniyetli iletişim açısından hayati önemi haiz olduğu görülmüştür. Literatürde yer alan ve/veya önerilen çalışmaların çoğunluğu, konum tespiti ve paylaşımı işlemlerinin üst katmanlar tarafından gerçekleştirildiğini varsayar. Söz konusu işlemlerin MAC katmanında gerçekleştirildiği çalışmalara ise nadiren rastlanmaktadır. 
FANET'lerde geleneksel olarak her-yöne (omni) antenler kullanılmaktadır. Bu durum, İHA'ların daha geniş mesafelerde çalıştırılması ve uzaysal geri kullanım ihtiyaçları açısından son derece yetersiz kalmaktadır. Yönlü antenlerin FANET'lerde kullanılması ile birlikte ağın kapasitesi ve ortalama gecikme değerlerinde büyük ölçüde iyileşmeler görülmektedir. Buna mukabil, yönlü antenlerin FANET'lerde kullanılması ile ilgili gereksinimleri karşılayacak yeni bir ortam erişim katmanı (MAC) protokolü tasarlanması gerekliliği doğar. Bu tez kapsamında, FANET'ler için yönlü bir MAC protokolü önerilmiştir. Ağda yer alan terminaller iki adet alıcı-verici devresi (tranceiver) ile donatılmıştır. Bu alıcı-verici devrelerinden bir tanesi konum tespiti/paylaşımı ve iletişim kontrolü işlemlerinden sorumlu iken diğer alıcı-verici devresi sadece veri alışverişi işlemleri için kullanılmaktadır. Konum bilgisi paylaşımı işlemi yönlü antenler kullanılarak, her GPS aralığında, önerilen MAC protokolü yardımı ile gerçekleştirilmektedir. Dolayısı ile ağ içerisinde konum verisi paylaşımı işlemi çok daha gerçekçi olarak elde edilmekte ve MAC katmanı üst katmanlara konum verisi sağlayan bir protokol durumuna yükselmektedir. Önerilen yeni MAC protokolü üç boyutlu (3D) uçuş senaryolarında çalışmaktadır ve  "Çoklu İnsansız Hava Araçları Arası Altyapısız Ağlar İçin Yeni Bir Konum Bilgisi Paylaşımlı ve Yönlü Ortam Erişim Kontrol Protokolü" (Location Oriented Directional MAC (LODMAC) Protocol) olarak isimlendirilmiştir. Gerçekleştirilen simülasyon çalışmalarında yönlü anten kullanımının her-yöne anten kullanımına olan üstünlüğü ortaya konmuştur. Ayrıca önerilen LODMAC protokolünün literatürde sıklıkla rastlanan DMAC (Directional MAC) protokolüne göre üstünlüğü paket iletim başarımı ve ortalama ağ gecikmesi ölçütleri ile incelenmiştir. LODMAC protokolüne ait durum geçiş diyagramı, program akış şeması ve program kodları EK'LER bölümünde sunulmuştur.

Abstract:
For the last two decades, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been in use for both military and civillian posts ranging from search and rescue operations to remote sensing etc. Although single-UAV systems have been successfully implemented and used in aviation so far, there is a tendency in shifting to multi-UAV systems. 
Nowadays, UAVs are considered to be the alternative and substitution for the missions which are considered to be dirty, dull and dangerous for humans. There has been an enormous technological development for the last two decades with the advance in electro-mechanics and microprocessors. The versatile and economic advantages over manned flights enabled the usage of UAVs for various missions. Such examples of missions are: search and destroy, search and rescue, border security, wildfire monitoring, relay for wireless networks, metrological estimations, disaster management, remote sensing and traffic monitoring. Instead of deploying a high cost UAV for such missions, it is now more resilient to deploy a group of small UAVs for search and rescue or military surveillance posts. 
Along with the superiority of reduced costs, multi-UAV systems may provide a more fault tolerant mission accomplishment infrastructure. However, it is a non-trivial and a challenging task to accomplish a robust communication infrastructure between highly mobile terminals.   
Utilization of a group of small UAVs has many advantages however, multi-UAV systems have also unique challenges. One of the most prominent challenge for multi-UAV systems is to establish a robust communication infrastructure between highly mobile UAVs up in the sky. In this thesis, the ad-hoc networks between UAVs is named as Flying Ad-Hoc Networks (FANETs) which can be viewed as a special form of mobile ad-hoc network where traditional ad-hoc Medium Access Control protocols fail response the characteristic demands of FANETs. 
When equipped with traditional omni-directional antennas, the spatial reuse and overall network capacity remain very limited. On the other hand, with directional antennas, more effective results can be achieved. In addition, most of the studies in the literature assume that the location information is maintained by the upper layers and don't propose a robust solution in the MAC layer. Location information sharing among neighbours is vital in FANETs in the sense of reliability and security.  Hence, in this study, we propose a directional FANET MAC protocol which utilizes directional antennas. 
Unlike other studies, the UAV nodes in the network are equipped with a pair of tranceivers one of which is responsible for the location estimation/sharing and communication control issues and the other one is responsible for only data tramsmission. The proposed MAC protocol is named as Location Oriented MAC (LODMAC) protocol for FANETs which also adresses the needs for three dimensianal (3D) flight scenarios. 
The possession of the exact locations of the neighboring nodes is vital for FANETs. Also in the directional antenna case, a node has to be provided with the neighbor location information in advance of a data transmission session because the antenna has to be oriented towards the receiver in advance. Although there are studies which propose location estimation via broadcasting, flooding or angle-of-arrival estimation, most of these methods depend on the usage of traditional omnidirectional antennas and they are far from being reliable on mission critical FANET posts. Also, the dissemination of the location information among the nodes with an ad hoc manner remains as an unsolved issue. Yet, the majority of the directional antenna based MAC protocols assume that the location estimation problem is provided from the upper layers which is not a realistic assumption. Thus, unlike these studies, in this study we propose the LODMAC (Location Oriented Directional MAC Protocol) which provides both an effective way to utilize data transmission over directional antennas and a method to determine and disseminate the exact locations of the neighboring nodes in every GPS update interval sequence.
In this thesis, we assume that the transceivers are equipped with switched beam directional antennas. Basically, the first transceiver, is responsible both for the location estimation and control packet exchange (RTS, CTS and BTS) facilities. The other one is just responsible for the data transmission. Our proposed method ensures that the determination of neighbors' locations is finished within every second (GPS interval). 
Separating the control and data channel result in increased network capacity and in order to mitigate and suppress the interference among the two antennas, we assume that the two transceivers work on different frequencies and physically they are installed on the vehicle at optimal points. 
In this thesis, we present and summarize some of the prominent challenges and some design guidelines for directional antenna based FANETs which are listed in the following paragraphs:
•	The dissemination of the location information in FANET networks should be achieved in the MAC layer. The FANET MAC protocol should provide both an effective way to utilize data transmission over directional antennas and a method to determine and disseminate the exact locations of the neighboring nodes in every GPS update interval sequence.
•	In a FANET, all the packets should be sent directionally and FANET communication protocols should handle two transmitters which utilize switched beam directional antennas on UAV nodes. The first transceiver should be responsible both for the control packet exchange facilities and the other one should be dedicated only for the transmission of data packets only. By separating the control and the data channels, better throughput results can be achieved.
•	The performance of the communication protocols which are proposed for FANET usage should be evaluated over 3D assumed mobility modes which necessitate novel 3D flight models.
•	The mitigation of the well-known deafness problem can be achieved by defining a novel control packet which enables a busy receiver to respond to a sender that it conducts a transmission and will not be available for a specific amount of time.
•	FANETs should be adaptable to the spontaneous changes in the network infrastructure, mission updates or operational failures.
•	Single UAV based missions and traditional MANET routing protocols often fail to respond to the delay-intolerant nature of FANET applications. Deployment of a group of mini-UAVs which are equipped with directional antennas has a positive impact on minimizing the network latency which puts the directional antenna deployment strategy to be a robust alternative.
In conclusion, FANET is a novel and upcoming mobile wireless ad hoc network type which bears many open research issues. In FANETs, the communicating nodes in the network are UAVs and in order to overcome many of the constraints imposed by the utilization of traditional omnidirectional antennas on UAV nodes, directional antennas can be used as an alternative. In study, we propose a novel directional MAC protocol, LODMAC, which utilize a pair of transceivers and directional antennas. Along with successfully addressing the well-known location estimation and deafness problems of directional MAC protocols, LODMAC increases the spatial reuse and overall network capacity of FANETs in 3D space. Simulation results show that LODMAC protocol outperforms IEEE 802.11 DCF and DMAC protocols and it is a good alternative for directional MAC protocols specifically for FANET usage.