Store And Forward Scheduling In Clustered Vehicular Networks

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2014Araçlar arası ağlar yüksek derecede hareketliliğe sahip düğümlerden oluşan bir ağ tipidir. Bu ağlar, araçlar ve yol yanı birimlerinden oluşurlar. İlgili ağdaki düğümlerin herbirinde kısa mesafeler arası kablosuz iletişim kurmayı sağlayan araçlar mevcuttur. Bu ağlarda kullanılan araçlar kısa mesafeli kapsama alanı sağladıklarından, ağ topolojisi sık sık parçalanır. Yani, herhangi bir anda ağdaki bir araç hiçbir araçla iletişim kuramayacak bir durumda kalabilir. Araçlar arası ağlar genel anlamda karayolu trafiğindeki araçlar ve ek olarak özel yeteneklere sahip yol yanı birimlerinden oluşurlar. Araçlar arası ağlar; sürücü güvenliği, araç trafiği kontrolü, genel amaçlı uygulama kullanımı gibi amaçlar güden geniş bir araştırma alanıdır. Bu işlerin gerçekleştirildiği yol tipinin karakteristiğine göre haberleşme yordamları da birbirlerinden ayrılırlar. Örneğin, şehir içi ulaşımda araç sayısı fazla, araç hızı azken, otoyollarda araç sayısı az araç hızı fazla, kırsal kesimdeki yollarda da araç sayısı az araç hızı da azdır. Bu çeşitlilikler topolojinin yapısında ve değişkenliğinde kayda değer seviyede farklılıklara yol açtığından ötürü, literatürde tasarımı yapılan algoritmalar da genellikle tek bir yol tipinde çalışmak üzere üretilirler. Araçlar arası ağların özgün karakteristiği, bu ağları diğer türden kablosuz ağlardan ayırmaktadır. Bu yüzden, bu alana özgü bir çok problem doğmaktadır. Bu problemlerin büyük bir kısmı araçların hareket örüntülerinin içinde bulunulan ortama göre ciddi şekilde değişmesinden ve bu örüntülerin öngörülmesinin zorluğundan kaynaklanmaktadır. Bir çok yönlendirme algoritması hem şehir içi yollarda hem de şehir dışı yollarda aynı anda yüksek başarım sağlayamamaktadır. Araçlar arası ağların bu yapısından ötürü, çok sekmeli iletişimler kurabilmek oldukça zor bir problemdir. Sıkça başvurulan yöntemlerin çoğu beklenen başarımı gösterememektedir. Çünkü, çok sekmeli iletişimlerde, araçların hareketliliği yüksek olduğundan iletişim sıklıkla kopmakta, hatta topolojide parçalanmalar olabilmektedir. Çok sekmeli iletişimlerde, iletişim kanalının kapasitesinin yüksek oranda kullanımını sağlamayı amaçlayan yöntemler henüz yaygın değildir. Tez kapsamında tasarlanan modellerde iletişim kanalının yüksek oranda kullanımının sağlanması amaçlandı. Elde edilen başarılı sonuçlara ulaşırken, literatürdeki çoğu yöntemin aksine hücresel ağları, aynı anda ortamda bulunabilen iletişimleri, yönlendirilebilir antenleri ve buna benzer maliyet getiren cihazların kullanılmasından kaçınıldı. Bu tezde, kümelenmiş araçlar arası ağlarda araç - araç - ünite tipi iletişimlerin zamanlamasını yapabilen yöntemler tasarladık. Amacımız, iletişim kanalının yüksek oranda kullanımını sağlamaktır. Bu amaçla, araç kümesinden üniteye yükleme ve üniteden araç kümesine indirme olmak üzere iki zamanlama modeli tasarladık. Tasarladığımız yöntemlerde her bir aracın kendine has veri alış-verişleri olduğunu, aynı verinin alış-verişinin birden fazla araç için yapılmadığı durumu ele aldık. Araç - ünite tipi iletişimlere ek olarak gerçekleşmesini sağladığımız araç - araç - ünite tipi iletişimler sayesinde iletişim kanalının etkin kullanımını sağladık. Araç - araç - ünite tipi iletişimlerin başarıyla gerçekleşmesini sağlamak için sakla ve ilet tipi iletişim kavramından yararlandık. Sakla ve ilet tipi iletişimlerde, ara bağlantı düğümü alıcı ve vericiyle o an için iletişim kuramıyor olsa bile, elindeki mesajı ilgili hedefe gönderene kadar saklar. Bu yöntem gecikmeye toleranslı ağlarda sıkça kullanılsa da, araçlar arası ağlarda kullanılabilmesi için ek işler gerekir. Bu tez içerisinde, araçların sınırlı ve öngörülebilir bir hareketlilik örüntüsüne sahip olmasından faydalanarak sakla ve ilet tipi iletişimleri kullandık. Tezdeki yöntemler, araçların bir küme halinde ilerlediği durum için tasarlanmışlardır. Aynı kümedeki araçlar, aynı yönde hareket eden ve birbirine yakın hızlara sahip olan araçlardır. Her bir kümenin bir küme lideri vardır. Küme lideri, küme içi organizasyonu sağlayan sıradan bir araçtır. Küme liderinin kontrolü altında, ünitenin kapsama alanı içerisindeyken boş zamana sahip olan araçlar, veri transferini tamamlayamayacak durumda olan araçlara gönüllü olarak yardım ederler. Bahsedilen yöntemde araç - ünite tipi iletişimlere ek olarak kullanılacak olan araç - araç - ünite tipi iletişimler, doğrusal programlama yönteminin yardımıyla belirlenir. Hangi aracın hangi araç için ne kadar süreliğine ve hangi andan itibaren gönüllü olacağı probleminin doğrusal programlama problemine dönüşümü, tezin içeriğini oluşturmaktadır. Tasarlanan yöntem küme tabanlı olduğu için, ölçeklenebilirliği yüksektir. Tezde tasarımı yapılan yöntemde, küme lideri araçların ivmelerini, hızlarını ve pozisyonlarını anlık olarak bilmektedir. Bu bilginin elde edilmesi için bir çok yöntem kullanılabilir. Küme lideri, henüz yol yanı ünitesinin kapsama alanına girmeden önce, araçların yol yanı ünitesine yükleyeceği veri miktarını bilmektedir. Küme lideri, kümedeki araçların indireceği veri miktarını ise, herhangi bir küme üyesi yol yanı ünitesinin kapsama alanına girdiğinde öğrenir. Bu bilgi sayesinde küme lideri; her bir aracın yol yanı ünitesinin kapsama alanına giriş ve çıkış anlarını, her bir aracın kümedeki bir diğer aracın kapsama alanına ne zaman girip çıktığını bilir. Özetle, küme lideri topolojideki her bir değişikliğin ne zaman ve nerede yaşanacağını bilir. Küme lideri topolojideki her bir değişikliğin bilgisini elde etmesi sayesinde, topolojinin değişmediği en küçük zaman aralıklarını tespit eder. Bu zaman aralıklarında da kümedeki araçlardan hangilerinin birbirleriyle görüşebildiklerini tespit eder. Küme lideri halihazırda hangi aracın ne kadar bir veri transferi yapacağını ve bu transferin hangi yönde gerçekleşeceğini de bilmektedir. Bu sayede, doğrusal programlama yöntemlerini kullanarak; topolojinin değişmediği her bir anda hangi araç ikilisine iletişim verileceği veya hangi aracın yol yanı ünitesi ile iletişime geçebileceği tespit edilir. Topolojinin değişmediği en küçük zaman aralığı birden çok iletişim tarafından zaman paylaşımlı olarak kullanılabilir. Bu durumdan kaynaklı olarak, modelin son adımında topolojinin değişmediği en küçük zaman aralığının içinde bir zamanlama daha yapılır. Tüm bu işlemlerin ardından hangi aracın hangi anda hangi araçla(veya yol yanı ünitesi ile) iletişime geçeceği bilgisi elde edilir. Küme lideri, tasarlanan modeli çalıştırarak elde ettiği sonucu kümedeki tüm araçlara ve yol yanı ünitesine dağıtır. Yol yanı ünitesi ve kümenin diğer elemanları küme liderinin direktiflerine uygun hareket ederek veri transferlerini gerçekleştirirler. Tasarlanan yordam, Java dilinde geliştirilen benzetim yazılımları yardımıyla test edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre; tasarlanan algoritma ilk biten öncelikli ve ilk giren öncelikli şeklinde çalışan zamanlama algoritmalarından açıkça üstün sonuçlar üretmektedir. Ek olarak, tasarlanan yöntem uç test durumları ile denenmiştir. Bu durumların hemen hepsinde diğer algoritmalardan çok daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. Bunun yanında, gerçekçi senaryolarda elde edilen sonuçlar, tasarımın iletişim kanalını neredeyse tamamen kullanabildiğini göstermiştir.Vehicular networks are highly mobile networks which comprise of vehicles and stationary units that are equipped with short range wireless communication devices. Vehicular networks are promising research area to increase driver safety, control vehicular traffic better, enable wider use of infotainment applications and beyond. Vehicular networks' unique nature separates it from other kind of wireless networks with several new challenging problems. In vehicular networks, multi-hop communications with stationary infrastructure (i.e. road-side unit) is a studied problem. However, utilization of this type of communication is not considered lately. We designed models that can utilize communications between vehicles and road-side units avoiding expensive tools such as cellular communications or directional antennas. This thesis considers scheduling of vehicle to vehicle to roadside unit (V2V2R) communications in a clustered vehicular ad-hoc network (VANET) in order to improve communication channel utilization. Two novel communication models are proposed to increase amount of data that can be transferred between cluster of vehicles and the roadside unit, where each vehicle has its own data to be transferred. In addition to direct V2R communications, V2V2R communications are effectively employed for this purpose. A store and forward mechanism is used for scheduling V2V2R communications. Proposed model takes advantage of limited and predictable mobility patterns of the vehicles. It is assumed vehicles constitute a cluster which is a group of vehicles that move towards same direction with slightly similar velocity. Under the control of the cluster head, vehicles which would have idle time while staying in the range of RSU, volunteers to relay other vehicles' data if necessary. V2V2R resource sharing problem is modelled as a linear programming problem without compromising scalability. Simulations proved that the proposed model achieves significantly higher utilization compared to earliest deadline based and first come first served based scheduling algorithms. Presented simulations shows that proposed models are able to almost fully utilizing communication channel.Yüksek LisansM.Sc