Afet sonrası haberleşme için mobil ağlarda iş çıkarım tabanlı cihazdan cihaza yeni bir keşif algoritması
A new device-to-device discovery algorithm based on throughput in mobile networks for post-disaster communication
Yazar: VEDAT MARTTİN
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT BAYILMIŞ ; PROF. DR. UĞUR YÜZGEÇ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Bir afet durumunda haberleşme önemli olduğu kadar afet meydana geldikten sonra insanların birbiriyle haberleşebilmesi ve afet yönetim kurumları arasında etkili iletişim hayati önem taşımaktadır. Afet sonrası haberleşme ağının fiziksel olarak zarar görmesi veya aşırı çağrı trafiği nedeniyle haberleşme ağının çökmesi ile karşılaşılabilmektedir. Cihazdan cihaza (D2D) keşif ve iletişim, bu tür zor durumlarda haberleşme ağ altyapısına ihtiyaç duymadan ve hücresel iletişim ağlarında çağrı trafiğini azaltarak iletişim hizmetleri sağlamaktadır. Günümüzde hemen hemen herkesin akıllı bir mobil cihaz (UE-kullanıcı ekipmanı) kullandığı göz önüne alındığında, D2D iletişim yöntemi afet sonrası durum için uygun bir çözüm olarak görülmektedir. Bu yöntem LTE (Uzun Süreli Evrim) ve özellikle beşinci nesil (5G) iletişim ağlarında önemli bir rol oynamaktadır. Cihaz keşfi veya UE keşfi, D2D haberleşmesinde temel bir unsurdur. Cihaz keşfi olmadan cihazların birbiriyle haberleşebilmesi mümkün olamamaktadır. Bu çalışmada, afet sonrası bir durumda Kamu Güvenlik Ağı (PSN) üzerindeki cihazlar arasında D2D eşlerini bulmak için bir İş çıkarım Tabanlı Keşif Algoritması (TDA) önerilmiştir. Önerilen algoritmanın performansını test etmek için örnek senaryolar oluşturulmuştur. TDA yapısı, SINR (Sinyal-Girişim + Gürültü Oranı) tabanlı keşif algoritmalarından en kısa mesafeye göre keşif algoritması (SDA), mesafe limiti olmayan en yüksek SINR Oranına göre keşif algoritması (MSNA) ve mesafe limiti olan en yüksek SINR oranına göre keşif algoritması (MSLA) ile karşılaştırılmıştır. Önerilen TDA yapısının, hizmet verme durumu veya SINR kesinti oranı ve keşfedilen ortalama SINR çifti sayısı bakımından afet bölgesinde D2D keşfi için diğer SINR tabanlı keşif (MSNA, SDA ve MSLA) algoritmalarından daha iyi performans gösterdiği gözlenmiştir.
Tez kapsamında SINR tabanlı keşif algoritmaları ile farklı parametrelerin tek bir yerden girilebilmesi ve sonuçların tek bir ekran üzerinden görülebilmesi için PSN-D2D Keşif Simülatörü adında bir grafiksel arayüz geliştirilmiştir. Simülatörde farklı senaryolarla D2D ve PSN ağların keşif algoritmaları ile farklı yol kaybı, çevresel etki değerleri gibi parametrelerden elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir.

Anahtar kelimeler: Cihazdan cihaza keşif, eş cihaz keşfi, Kamu güvenlik ağı (PSN), LTE, PSN-D2D Simülatör

Abstract:
Communication is important in the event of a disaster, as well as communication between people and effective communication between disaster management institutions after a disaster is vital. After the disaster, the communication network may be physically damaged or the communication network collapsed due to excessive call traffic. Device-to-device (D2D) discovery and D2D communication ensure communication services in such difficult situations, without the need for communication network substructure and by decreasing call traffic in cellular communication networks. Given that almost everybody uses a mobile device (UE-user equipment) today, the D2D communication technique is seen as a suitable solution for the post-disaster situation. This method plays a substantial role in LTE and especially in fifth-generation communication (5G) networks. Device or UE discovery, is a key element in D2D communications. It is not possible for devices to communicate with each other, without device discovery. In this study, the Throughput-based Discovery Algorithm (TDA) is recommended to find D2D matches among devices on Public Safety Network (PSN) in a post-disaster situation. Sample scenarios were composed to test the performance of the proposed algorithm. TDA was compared with SINR (signal-to-interference-plus-noise ratio)-based discovery algorithms, such as Shortest Distance Discovery Algorithm (SDA), Maximum SINR with No limit on the distance of discovery Algorithm (MSNA), and Maximum SINR with Limit on the distance of discovery Algorithm (MSLA). The proposed algorithm TDA was observed to outperform other SINR-based discovery (MSNA, SDA, and MSLA) algorithms for D2D discovery in the calamity area in terms of failure to service or outage of SINR and the average number of SINR pairs discovered. 
Within the scope of the thesis, a Matlab GUI called PSN-D2D Discovery Simulator has been developed to enter different parameters with the help of a single interface with SINR-based discovery algorithms and to view the results from a single interface. The results obtained from parameters such as different path loss and environmental impact values with the discovery algorithms of D2D and PSN networks with different scenarios were evaluated in the simulator.

Keywords: D2D discovery, Peer discovery, PSN, LTE, PSN-D2D Simulator