İnsansız hava araçları için minimum gecikme koşulu altında optimum yol atama yöntemleri
Path optimization under minimum delay constarint for unmanned aerial vehicles
Yazar: OKTAY ÖĞÜTCÜ
Danışman: PROF. DR. TOLGA GİRİCİ ; DOÇ. DR. AYŞE MELDA YÜKSEL TURGUT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kablosuz sensör ağları = Wireless sensor networks ; Çoklu erişim = Multiple access ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Günümüzde bilgiye erişim oldukça önemli bir ihtiyaçtır. Kablosuz haberleşme sistemlerinin çeşitli uygulamaları bu ihtiyacı karşılayabilmektedir. Son zamanlarda akademideki ve sanayideki çalışmalarda önemli yeri olan İnsansız Hava Araçları (İHA), insanların hayatlarını birçok alanda kolaylaştırdığı gibi kablosuz haberleşme alanında da çeşitli uygulamalar ile bilgiye erişimi kolaylaştırmaktadır. Bu tez kapsamında, bilgiye erişimin zaman açısından kritik uygulamalar için sensör ağlarında İHA destekli bir sistem ile yapılması incelenmiştir. İHA ile veri toplama, birçok pratik uygulamaya sahip yeni bir teknolojidir. İHA'nın topladığı verinin olabildiğince hızlı bir şekilde kullanılacağı veri merkezine getirilmesi gerekmektedir. Yapılan akademik çalışmalarda İHA'nın topladığı veriyi veri merkezine getirmesindeki gecikme, problemlere bilgi yaşı (Age of Information, AoI) parametresi ile amaç veya kısıt olarak girmektedir. Bu çalışmada bilgi yaşı, hem haberleşme süresinin hem de uçuş süresinin etki ettiği bir performans metriği olarak kullanılmaktadır. Literatürde çok fazla bulunan İHA'nın sensörleri teker teker gezip veri toplama işlemini gerçekleştirmesi fikri yerine, bu çalışmada sensörler gruplar halinde ele alınmıştır. Gruplandırma fikrinin performansa etkisini görmek için bu çalışmada ikili sensör grupları üzerinde çalışılmıştır. Veri merkezinden yola çıkan İHA, gruplardaki sensörler arasında oluşan doğru parçaları üzerinde bir noktada havada durarak çoklu erişim kanalı ile veri toplayıp ardından veri merkezine geri dönmeyi amaçlamaktadır. İkili sensör gruplarının oluşması ile İHA, her sensörü ayrı ayrı ziyaret etmeyeceğinden gideceği yörüngede daha kısa yol izleyebilecek ve çoklu erişim kanalı haberleşmesiyle daha kısa haberleşme sürelerine ulaşabilecektir. Sensörlerde biriken en yüksek bilgi yaşı parametresini en aza indirmek için iki yörünge tasarım algoritması önerilmiştir. Her iki algoritmada da İHA, çoklu erişim kanalı aracılığıyla her gruptaki sensörlerle iletişim kurar. İlk algoritmada İHA, doğru parçası üzerinde haberleşme süresi optimal noktada havada durur ve veri toplama işlemini gerçekleştirir. İkinci algoritmada, yol uzunluğu optimal noktalarda havada durarak veri toplamaktadır. Algoritmalar, zaman paylaşımlı haberleşme senaryolarıyla ve tüm sensörlerin ayrı ayrı ziyaret edildiği durumla karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, sensörler birbirinden çok uzak olmadığında ve paket uzunlukları uzun olduğunda çoklu erişim haberleşmesine göre yörünge tasarımının optimal olduğunu, paket uzunlukları kısa olduğunda yol uzunluğu optimal yörüngesinin daha iyi olduğunu ortaya koymaktadır.

Abstract:
Nowadays, access to information is a very important need. This need can also be met by the applications of wireless communication systems in various fields. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), which has an significant place in studies in academia and industry, not only makes people's lives easier in many areas, but also have various applications in the field of wireless communication. Within the scope of this thesis, accessing information with a UAV-assisted system in sensor networks for time-critical applications has been examined. Data collection with UAV is a new technology with many practical applications. The data collected by the UAV should be brought to the data center where it will be used as quickly as possible. In academic studies, the delay in bringing the data collected by the UAV to the data center is entered into problems with the Age of Information (AoI) parameter as a objective or constraint. In this study, AoI is used as a performance metric that affects both communication time and flight time. Instead of the idea that the UAV, which is very common in the literature, travels the sensors one by one and performs the data collection process, the sensors are discussed in groups in this study. In this study, dual sensor groups were studied to see the effect of grouping idea on performance. Starting from the data center, the UAV aims to hover at one point on the line segments formed between the sensors in the groups, collect data via multiple access channels and then return to the data center. With the formation of dual sensor groups, the UAV will not be able to visit each sensor separately, so it will be able to follow a shorter path in its trajectory and reach shorter communication times with multiple access channel communication. Two trajectory design algorithms are proposed to minimize the maximum AoI in the sensors. In both algorithms, the UAV communicates with the sensors via multiple access channel. In the first algorithm, the UAV hovers on the line segment at the optimal point of communication time and performs data collection. In the second algorithm, the UAV hovers on the path length optimal locations and collects data by hovering. Algorithms are compared with time-sharing communication and single user scenarios. The results reveal that the trajectory design with multiple access communication optimal locations is better when the sensors are not too far apart and the packet lengths are long. On the other hand, path length optimal trajectory is better when the packet lengths are short.