İşbirliğine dayalı ortam erişim kontrol protokolü tasarımı ve analizi
Cooperative medium access control protocol design and analysis
Yazar: MUHAMMET ALİ KARABULUT
Danışman: DOÇ. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Tasarsız araç ağları (Vehicular adhoc networks, VANETs) ulaşım verimliliği ve yol güvenliğini arttırdığından dolayı son zamanlarda otomasyon ve akıllı ulaşım sistemleri (intellegent transportation systems, ITSs) alanında oldukça ilgi görmektedir. VANET ağlar, hem araçlar arası iletişimi (vehicle to vehicle, V2V) hem de araç ve altyapı (vehicle to infrastructure, V2I) arasındaki iletişimi içermektedir. VANET ağlar, iletişimdeki güvenlik mesajları (safety messages, sm) ve güvenlikle ilgili olmayan mesajlar (non-safety messages, nsm) olarak kategorize edilebilen çok sayıda uygulamayı kolaylaştırır. VANET ağlarda verimli ve güvenilir veri iletimi için ortam erişim kontrolü (medium access control, MAC) protokolünün tasarımı çok önemlidir.
VANET ağlarda araçlar arasında yüksek hareketlilik, sık bağlantı kopmasına, çarpışmaya ve paket kaybına neden olan dengesiz iletişim ile hızlı topoloji değişikliklerine neden olabilir. İşbirlikli iletimin kullanımı iletişim güvenilirliğini artırabilir. Ayrıca işbirliğine dayalı iletişim VANET ağlardaki hareketliliğin neden olduğu kablosuz kanal bozukluklarını azaltarak daha düşük gecikmeyle iletişim hızını artırabilir. IEEE 802.11 standardı, araç ortamlarında (wireless access in vehicular environments, WAVE) kablosuz erişimi desteklemek ve VANET ağlarda MAC ve fiziksel (PHY) katman özelliklerini sağlamak için elektrik ve elektronik mühendisleri enstitüsü (institute of electrical and electronics engineers, IEEE) tarafından detaylıca açıklanmıştır. IEEE 802.11 standardında, dağıtılmış koordinasyon işlevi (distributed coordination function, DCF) kanal ortamına erişmek için kullanılan temel mekanizmadır ve MAC katmanında çekişmeye dayalı önceliklendirilmiştir. 
Bu tez çalışmasında öncelikle IEEE 802.11 standardı için DCF'in performansı modellenmiş ve iki boyutlu (2D) Markov zincir modeline dayalı analitik bir analiz sunulmuştur. Türetilmiş performans modeli sayısal sonuçlarla doğrulanmıştır. Ayrıca PHY katmanının etkisini görmek için Nakagami-m ve Rayleigh sönümlemeli kanal yapıları kullanılmıştır.
VANET ağlarda göreceli hareketlilik ve araçların yüksek hareketliliği, paket kaybı ve çarpışma ile sonuçlanan sık bağlantı kesilmeleriyle dengesiz iletişime neden olan hızlı topoloji değişikliklerine yol açabilmektedir. Çözüm olarak, işbirliğine dayalı iletişim, kullanıcı hareketliliği nedeniyle kablosuz kanal bozukluklarını azaltarak VANET ağların performansını artırabilir. Zamanla değişen bir kanal üzerinden iletişim güvenilirliğini ve iletim hızını artırmak ve ayrıca ağ genelinde iletişim gecikmesini, iletim gücünü, paraziti, kanal sönümlemesinin etkisini azaltmak, iletim aralığını genişletmek ve kesinti olasılığını azaltmak işbirlikli iletişimin temel faydaları arasındadır. Kablosuz ağlarda işbirliği her zaman veya her durumda yararlı olmayabilir veya gerekli olmayabilir. İşbirliği yapmanın kazancı (üretim ve enerji verimliliği vb.) maliyetini telafi etmek için çok küçük olduğunda gereksiz hale gelir. Bu nedenle, verilerin doğrudan mı yoksa işbirliği içinde mi aktarılacağını bilmek için bir mekanizmaya ihtiyaç vardır. 
Buradan hareketle IEEE 802.11p MAC protokolünün performansını incelemek için doymamış durum (unsaturated condition) altında Markov zincir modeline dayalı analitik bir model sunulmuştur. VANET ağların performansını etkileyebilecek parametrelerden çarpışma olasılığı, başarılı iletim olasılığı, başarısız iletim olasılığı, hatalı çerçeve iletim olasılığı, veri hızı ve gecikme ile performans ölçütleri arasındaki ilişki elde edilmiştir. VANET ağlar için işbirlikli iletim ortam erişim kontrolü (cooperative relaying medium access channel, CR-MAC) protokolünün Nakagami-m kanal sönümlemesi üzerine performansı araştırılmıştır. $M$-PSK modülasyonu kullanılarak bit hata oranı (bit error rate, BER) hesaplanmıştır. Ayrıca elde edilen performans modeli benzetim sonuçları ile doğrulanmıştır.
Çarpışmadan kaçınma ile taşıyıcı duyarlı çoklu erişim tekniği (carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA/CA) kullanımı, düşük trafik yoğunluğunda iyidir, ancak trafik yoğunluğu arttığında veri hızı düşer ve daha yüksek çarpışma nedeniyle gecikme artar. Öte yandan, dik frekans bölmeli çoklu erişim (orthogonal frequency division multiple access, OFDMA) kullanımı ile yüksek veri hızı ve daha düşük gecikme sağlanabilir. Fiziksel katmanındaki dik frekans bölmeli çoğullama (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM), sınırlı spektrumda yüksek spektral verimlilik sağlayan ve gizli düğüm problemini çözen frekans ve zaman çoğullamayı birleştirir. Bu tezde VANET ağlar için hem sm hem de nsm mesajlarının iletimi için tasarlanmış yeni, güvenilir ve verimli işbirliğine dayalı MAC (OEC-MAC) protokolü tasarlanmıştır. OEC-MAC, hem gönderen hem de alıcı için iyi kanal koşullarına sahip rölelerin yardımıyla güvenilir ve verimli iletim sağlamaktadır. İşbirlikli iletişimi desteklemek için yeni kontrol mesaj paketleri tanıtılmış ve kullanılan mekanizma, uygun aktarım modunu seçmenin yanı sıra en uygun röleyi seçmek için tanımlanmıştır. Önerilen OEC-MAC protokolünün performansı 2D-Markov zincir modeline dayalı olarak analiz edilmiş ve OEC-MAC protokolünün performansı sayısal sonuçlarla doğrulanmıştır. OEC-MAC protokolünün performansı, IEEE 802.11 standardındaki geleneksel MAC modeli için önerilen parametreler kullanılarak sunulmuştur. OEC-MAC protokolünün IEEE 802.11 ve işbirliğine dayalı MAC sistemlerinden daha iyi performans gösterdiği yapılan karşılaştırma eğrilerinden açıkça gözükmektedir. Elde edilen sayısal sonuçlar, OEC-MAC protokolünün performansı daha yüksek verimle geliştirdiğini, paket düşme oranını (packet dropping rate, PDR) azaltarak iletişimin güvenilirliğini arttırdığını ve özellikle gecikmeyi azalttığını, sm mesajlar için 100 msn'lik gecikme kısıtlamasını karşıladığını göstermektedir. 
PHY katmanındaki çok-girişli çok-çıkışlı (multiple input multiple output, MIMO) teknoloji, aynı anda birden fazla anten kullanır ve çok yollu yayılma yoluyla veri hızını artırabilir. MIMO sistemi teorik olarak, verici ve alıcıda çoklu antenlere sahip bir sistem olarak bağlantı kapasitesinin doğrusal büyümesini sağlar. OFDM, kablosuz kanallar üzerinden sinyal iletimi için popüler bir çoklu taşıyıcı modülasyon teknolojisi haline gelmiştir. Bu tekniklerin birleştirilmesi, iyi kapsama alanı, verimli iletim, yüksek veri hızları ve yüksek spektral verimlilik dahil olmak üzere, bir görüş hattı ortamında ihtiyaç duyulan cihaz gereksinimlerini karşılayacaktır. Çeşitli anten konfigürasyonlarının kullanıldığı MIMO-OFDM sistemindeki MAC katmanın tasarımları üzerine literatürde yeterince araştırılma yapılmadığı görülmüştür. Birden fazla antene sahip verici ve alıcı iletişim sistemleri, alıcıdaki sinyal-gürültü oranını (signal-to-noise ratio, SNR) ve kanal kapasitesini önemli ölçüde arttırarak hızlı veri iletişimini sağlamaktadırlar. Ayrıca, yüksek spektral verimliliği nedeniyle OFDM, kablosuz iletişim sistemlerinde sinyalleri iletmek için yaygın olarak kullanılır. Yüksek spektral verimliliğe sahip MIMO ve OFDM haberleşme sistemlerinin birleşiminden oluşan MIMO-OFDM yapısı, yeni nesil haberleşme sistemlerinde çok önemli bir konuma sahiptir. Buradan esinlenerek hem sm hem de nsm mesajlarının iletimi MIMO-OFDM yapısı VANET ağlarında kullanılarak gerçeklenmiş ve kanal sönümlemesi ile performans analizi IEEE 802.11 standardındaki parametreler kullanılarak ele alınmıştır. Haberleşme sistemlerinde ele alınan bit hata olasılığı, VANET ağların performansı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bu etkiler göz önüne alınarak parametreler ve performans ölçütleri arasındaki ilişki, doymamış koşullar altında üç boyutlu (3D) Markov zincir modeline dayalı teorik çalışma ile çıkarılmıştır. Ayrıca önerilen MIMO-OFDM sistemin BER ve kesinti olasılığı ifadeleri Nakagami-m ve Rayleigh sönümlemeli kanallar için türetilmiştir. Çarpışma olasılığı, başarılı iletim olasılığı, veri hızı, paket düşme oranı ve gecikme analizi ifadeleri ele alınmıştır.
Bu tezin son kısmında, IEEE 802.11'in performansı optimize edilmiş ve performans optimizasyon mekanizması sunulmuştur. Ayrıca, tezde önerilen CR-MAC, OEC-MAC ve MIMO-OFDM protokollerin hesaplanma süreleri de karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Vehicular ad hoc networks (VANETs) have recently attracted considerable attention in automation and intelligent transportation system (ITS). VANETs increase transport efficiency and road safety. VANETs include communication vehicle-to-infrastructure (V2I) as well as communication vehicle-to-vehicle (V2V). VANETs facilitate a large number of applications that can be categorized as safety messages (sm) and non-safety messages (nsm). However, to have useful applications, communication between tools and existing network infrastructures must be efficient. For any ad hoc network, the medium access control (MAC) protocol is one of the most important parts because efficient and reliable data transmission depends directly on the MAC protocol.
In VANETs, high mobility between vehicles can cause rapid topology changes, with unstable communication causing frequent disconnection, collision, and packet loss. Cooperative transmission can improve communication reliability and increase communication efficiency with lower latency by reducing wireless channel distortions caused by mobility in VANETs. The IEEE 802.11 standard is detailed by the institute of electrical and electronics engineers (IEEE) to support wireless access in-vehicle environments (WAVE) and to provide MAC and physical (PHY) layer features for VANETs. In IEEE 802.11, the distributed coordination function (DCF) is the basic mechanism used to access the environment and is prioritized based on contention at the MAC layer. 
In this thesis, the performance of DCF for IEEE 802.11 has been modeled and analyzed. An analytical analysis based on the Markov chain model is presented. Numerical results verify the derived performance model. Moreover, the effects of Nakagami and Rayleigh fading channels are considered as physical layer effects.
Relative mobility and high mobility of vehicles in VANET networks can lead to rapid topology changes that cause unstable communication, with frequent disconnections resulting in packet loss and collisions. As a solution, cooperative communication can improve VANETs performance by reducing wireless channel disruptions due to user mobility. The main benefits of cooperative communication; to enhance communication reliability over a time-varying channel, to increase transmission speed and reduce communication delay across the network, to reduce transmission power, to reduce interference, to reduce the effect of channel fading, to widen the transmission range, and to reduce the possibility of an outage. Cooperation on wireless networks may not always be beneficial or necessary in all situations. Cooperation becomes redundant when the gain (production and energy efficiency, etc.) is too small to compensate for its cost. Therefore, a mechanism is needed to know whether data will be transferred directly or cooperatively. The different data transmission modes are explained, and which mode is effective when. A systematic model is presented to examine the performance of the IEEE 802.11p MAC protocol. An analytical model based on the Markov chain model under the saturated state is presented. Among the parameters that can affect the performance of VANET networks, the probability of collision, probability of successful transmission, probability of unsuccessful transmission, probability of error frame transmission, data rate and delay, and performance criteria are obtained. The performance of cooperative relaying medium access channel (CR-MAC) protocol for VANET networks on Nakagami-m channel fading is investigated. The bit error rate (BER) is calculated using the $M$-PSK modulation. Besides, the obtained performance model has been verified with the simulation results.
The use of carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) technique is good at low traffic density, but when traffic density increases, data rate decreases and delay increases due to higher collision. On the other hand, high throughput and lower latency can be achieved by using orthogonal frequency division multiple access (OFDMA). Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in the PHY layer combines frequency and time multiplexing, which provides high spectral efficiency in a limited spectrum and solves the hidden node problem. In this thesis, a novel OFDMA based efficient cooperative MAC (OEC-MAC) protocol is proposed for VANETs designed for both sm and nsm messages transmission. OEC-MAC provides reliable and efficient transmission with the help of relays with good channel conditions for both the sender and the receiver. To support cooperative communication, new control message packets have been introduced. The mechanism has been described for selecting the most suitable relay as well as selecting the appropriate transmission mode. In order to investigate the performance of the proposed OEC-MAC protocol, analytical analysis based on the Markov chain model is provided, and the OEC-MAC protocol is validated with numerical studies. The performance of the proposed OEC-MAC protocol is presented in the traditional MAC model based on IEEE 802.11. It is clear from the comparison made that OEC-MAC outperforms IEEE 802.11 and existing cooperative MAC schemes. The numerical results show that the OEC-MAC protocol improves the performance with higher efficiency, increases the communication's reliability by decreasing the packet drop rate (PDR), and especially reduces the latency. It meets the delay constraint of 100 ms for sm messages.
Multi-input multiple-output (MIMO) technology in the PHY layer uses multiple antennas at the same time and can increase data rate through multi-path propagation. Theoretically, the MIMO system provides linear growth of the link capacity as a system with multiple antennas in the transmitter and receiver. OFDM has become a popular multi-carrier modulation technology for signal transmission over wireless channels. Combining these techniques will meet the device requirements needed in a line-of-sight environment, including good coverage, efficient transmission, high data rates, and high spectral efficiency performance. The MAC layer of the MIMO-OFDM system using various antenna configurations has not been sufficiently studied in the literature. Transmitter and receiver communication systems with multiple antennas meet the demands of fast data communication by significantly improving the signal-to-noise ratio (SNR) and channel capacity due to their advanced diversification. Also, OFDM is widely used in wireless communication systems to transmit signals because of its high spectral efficiency. MIMO-OFDM structure, which consists of high spectral efficiency MIMO and OFDM communication systems, has a significant position in new-generation communication systems. In addition, performance analysis of both sm and nsm messages with channel fading in VANET networks of IEEE 802.11 MAC layer is discussed. The bit error probability considered in communication systems has an impact on the performance of VANETs. Considering these effects, the relationship between parameters and performance criteria has been extracted with a theoretical study based on a three-dimensional Markov chain model under unsaturated conditions. In addition, the BER and outage probability expressions of the proposed MIMO-OFDM system are derived for Nakagami-m and Rayleigh fading channels. Collision probability, probability of successful transmission, throughput, packet dropping rate, and delay analysis expressions are discussed. 
In the last part of the thesis, IEEE 802.11 has been optimized, and the performance optimization mechanism is presented. Moreover, calculation times of the proposed CR-MAC, OEC-MAC, and MIMO-OFDM protocols are compared in the thesis.