Gecikme toleranslı ağ tabanlı çoklu insansız hava aracı sistemleri için bir ortam erişim kontrol protokolü
A medium access control protocol for delay tolerant network based multiple unmanned aerial vehicle systems
Yazar: TOLGAHAN TÜRKER
Danışman: DOÇ. DR. İLKER BEKMEZCİ
Hava Harp Okulu Komutanlığı / Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yazılım Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Son yıllarda elektromekanik sistemler ve kablosuz haberleşme teknolojilerinde yaşanan gelişmeler, farklı problem alanlarına alternatif çözümler sunan insansız hava aracı (İHA) sistemlerinin geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Yüksek maliyetle üretilen, büyük boyutlara ve güçlü donanımlara sahip yalnızca bir İHA'nın kullanıldığı tekli İHA sistemlerinden, yaklaşık son yirmi yıldır birçok uygulama alanında başarılı sonuçlar alınmaktadır. Öte yandan, günümüzde gömülü sistem teknolojisinde yaşanan küçülme eğilimi ile birlikte daha az maliyet ile çok daha küçük boyutlarda İHA'lar üretilebilmektedir. Boyutlardaki bu küçülme, beraberinde azami kalkış yükü kapasitesinde azalmayı getirdiğinden, uygulamaya özel kullanılacak görev faydalı yüklerin daha kısıtlı kabiliyetlere sahip donanımlar ile oluşturulması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bunun sonucunda, belirli uygulamalarda ihtiyaç duyulan verimlilik, küçük boyutlu tek bir İHA kullanılması ile elde edilememektedir. Buradan yola çıkılarak, birden fazla İHA'nın aynı amaç doğrultusunda kullanıldığı çoklu İHA sistemlerinin farklı uygulama alanlarında birçok açıdan daha etkin çözümler sunacağı değerlendirilmektedir. Çoklu İHA sistemlerinde birden fazla İHA'nın kullanılması, hata toleranslı bir yapı kurulmasına olanak sağlamakla birlikte, görev paylaşımı ile aynı anda birden fazla konumda görev yapabilme avantajıyla da aynı görevin daha kısa sürede tamamlanmasını sağlayabilmektedir. Bununla birlikte çoklu İHA yaklaşımı kendine özgü birçok zorlayıcı tasarım problemini de beraberinde getirmektedir.
Haberleşme, çoklu İHA sistemlerinde en önemli tasarım problemlerinden birini oluşturmaktadır. Tipik bir keşif/gözetleme görevi icra edecek bir çoklu İHA uygulamasında temel maksat, görevin bir yerine birden fazla İHA'ya dağıtılması ile hem görevin başarı oranını hem de süre verimliliğini artırmaktır. Sistem dâhilindeki her İHA'nın kendisini ilgilendiren bölgeden gerekli veriyi toplayarak mümkün olan en kısa sürede işlenmek üzere belirli bir yer istasyonuna aktarması gerekmektedir. Bu tip uygulamalarda, veri toplanacak bölgeler ile bu verinin aktarılacağı hedef yer istasyonu arasındaki mesafenin, kullanılan kablosuz teknolojinin sağladığı azami haberleşme menzilinden daha fazla olması durumunda, İHA'lar ile hedef yer istasyonu arasında uçtan uca veri transferi sağlayacak bir iletişim yapısı tesis edilmesi oldukça güçtür.
Belirli bir operasyon bölgesinden gerekli verinin toplanarak bir yer istasyonuna iletilmesine yönelik senaryolar kapsamında görev icra edecek çoklu İHA uygulamalarında, toplanan verinin yer istasyonuna aktarılmasının gecikmeye belirli ölçüde toleranslı olduğu durumlar için veri transferinin anında gerçekleştirilmesine ihtiyaç duyulmayacağı aşikârdır. Dolayısıyla gecikmeye toleranslı verinin ilgili operasyon bölgelerinden toplanarak İHA'lar üzerindeki bellekte saklanması ve veri aktarımının gerçekleştirilebileceği uygun haberleşme menzili dâhiline girene kadar taşınarak veri transferinin gerçekleştirilmesi ihtiyaçları ortaya çıkmaktadır. Bu sebeple, bahse konu çoklu İHA uygulamalarında, benzer ihtiyaçlara yönelik geliştirilmiş olan Gecikme Toleranslı Ağ (GTA) modelinin kullanılmasının önemli avantajlar sağlayacağı değerlendirilmektedir.
Çoklu İHA uygulamalarında GTA modeli kullanılması durumunda, verinin aktarılacağı yer istasyonuna örtüşen zamanlarda ulaşarak veri transferini gerçekleştirmek isteyen İHA'lar için bu süreçte bağlantı katmanı paket çakışması problemi ortaya çıkmaktadır. Genellikle bu tip uygulamalarda IEEE 802.11, 3G ya da LTE gibi kullanıma hazır teknolojiler veri aktarımı için kullanılmaktadır. Ancak bu teknolojilerin temel amacı, çok sayıda haberleşme unsuruna mümkün olduğunca adil kanal kullanımı sağlamaktır. Söz konusu çoklu İHA uygulamaları ise her ne kadar GTA modeli kapsamında görev icra ediyor olsa da, belirli senaryolar dâhilinde toplanan verilere ait bir son gönderim zamanı kısıtı bulunabilmektedir. Dolayısıyla bu tip senaryolar kapsamında görev yapacak çoklu İHA sistemlerinde yer istasyonuna veri aktarımı yapılırken en önemli ihtiyaçlar, toplanan verilerin yer istasyonuna son gönderim zamanı kısıtlarının dikkate alınarak kanal tahsisinin yapılması, başlayan bir veri transferinin mümkün olduğunca kesintisiz bir şekilde gerçekleştirilmesi ve böylece İHA'ların bir an önce görevlerine devam edebilmelerinin sağlanmasıdır.
Bu tez çalışmasında, GTA tabanlı çoklu İHA sistemleri için bağlantı katmanı paket çakışmalarını ortadan kaldıracak, başlayan bir veri transferini olası diğer transfer istekleri ile kesintiye uğratmayarak İHA'ların görev bölgelerine en kısa sürede dönmelerini sağlayacak ve bunları gerçekleştirirken kanal tahsisinde öncelik ölçütü olarak toplanan verinin yer istasyonuna son gönderim zamanı bilgisini kullanacak bir Ortam Erişim Kontrolü (OEK) protokolü önerilmektedir. Kanal tahsisindeki temel kıstas, toplanan verinin yer istasyonuna son gönderim zamanı olduğundan, önerilen OEK protokolü, "Son Gönderim Zamanına Duyarlı Ortam Erişim Kontrolü" ifadesinin İngilizce kısaltması olan DSMAC (Deadline Sensitive Medium Access Control) olarak isimlendirilmiştir. DSMAC protokolü ile merkezi ve iki farklı iletişim kanalının kullanıldığı bir OEK modeli sunulmaktadır. DSMAC protokolüne ilişkin test çalışmaları NS2 (Network Simulator 2) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. DSMAC protokolünün, günümüzde çokça kullanılan IEEE 802.11 protokolünün yine merkezi bir OEK modeli sunan PCF (Point Coordination Function) moduna göre üstünlüğü, ortalama bekleme süreleri ve son gönderim zamanı karşılama oranı ölçütleri ile analiz edilmiştir. Benzetim çalışmaları sonucunda, DSMAC protokolü ile sunulan kanal tahsisi planlama mekanizması ve merkezi OEK modelinin söz konusu çoklu İHA uygulamaları için sağladığı üstünlükler ortaya konulmuştur.

Abstract:
Recent advances in electromechanical systems and wireless communication technologies have enabled the development of unmanned aerial vehicle (UAV) systems which offer alternative solutions to different problem domains. Single-UAV systems, which consist of only one large UAV produced at relatively high costs and having powerful hardware, have provided successful results in many application areas for about the last twenty years. On the other hand, nowadays, with the downsizing trend experienced in embedded systems, much smaller UAVs can be produced with lower costs. This decrease in size of UAVs causes decrease in maximum take-off load capacity so the necessity that application-specific payloads should be established by using equipment with limited capabilities emerges. Consequently, required efficiency for some UAV applications cannot be achieved by using a single small UAV. Hence, it is considered that in many aspects, multi-UAV systems, which is composed of multiple UAVs used for the same purpose, may offer more efficient solutions in different application domains. Using multiple UAVs allows establishing a fault tolerant structure together with providing task completion in a shorter period of time with the advantage of its capability of simultaneous task execution in multiple locations. Nevertheless, multiple UAV approach brings many distinctive challenging design problems.
Communication is one of the most important design problems for multi-UAV systems. The main objective for a multi-UAV application which performs a typical reconnaissance/surveillance mission is increasing the success rate of the mission together with the time efficiency by distributing the tasks on multiple UAVs. It is required for each individual UAVs in the system to collect required data from its own area of interest and transfer it to the ground station as soon as possible for further image/video processing phase. In such applications, it is difficult to setup a reliable end-to-end communication link between UAVs and the ground station in cases which locations to be visited for data collection remain out of the communication range provided by the ground station.
For multi-UAV applications that perform tasks which require collecting data in a certain operation area and then deliver it to a ground station, it is clear that there is no need for immediate or real-time data transmission in cases which the application-specific data has a certain degree of delay tolerance. Thus, the need for collecting delay tolerant data from the operation area and storing it into the on-board memory of UAVs, and carrying it until reaching the communication range provided by the ground station for transmission arise. Therefore, it is considered that using Delay Tolerant Network (DTN) model, which have been developed for similar needs, may provide considerable advantages for the multi-UAV applications mentioned above.
For DTN based multi-UAV applications, the problem of link layer packet collisions may occur when multiple UAVs arrive at the ground station and attempt to transfer their data simultaneously. In general, COTS technologies such as IEEE 802.11, 3G, and LTE are used for data transmission in such applications. However, the main objective of these technologies is providing medium sharing as fair as possible for large number of stations. Although multi-UAV applications perform their tasks by using DTN model, there may be some deadline constraints for data collected within certain scenarios. Therefore, the most important need for multi-UAV systems which perform their tasks under such scenarios is providing channel allocation by taking deadline constraints of data into account and data transmission without any interruption so ensuring UAVs to continue their tasks as soon as possible.
In this thesis study, a MAC protocol for DTN based multi-UAV systems is proposed which eliminates the link layer packet collisions, ensures UAVs to return their operation area as soon as possible by providing data transmission without suspending it because of any other possible transfer requests, and uses deadline information of data collected as priority measure for channel allocation. Because the main criteria for channel allocation is deadline for transmission of data to the ground station, the proposed MAC protocol is named as "Deadline-sensitive Medium Access Control" (DSMAC). DSMAC protocol provides a centralized medium access model using two different communication channel. Tests for DSMAC protocol are conducted by using NS2 (Network Simulator 2). DSMAC's superiorities over PCF (Point Coordination Function) mode of widely used IEEE 802.11 protocol are analyzed through performance metrics such as average waiting time and deadline meeting rate. Simulation results show that channel allocation scheduling mechanism and centralized MAC model provided by DSMAC protocol outperforms IEEE 802.11 PCF in terms of average waiting time and deadline meeting rate for aforementioned multi-UAV applications.