Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
636993		Resilient ultra dense networks under UAV coverage for disaster management / Afet yönetiminde İHA'lar ile dayanıklı ultra yoğun ağlar Yazar:ELİF BOZKAYA Danışman: DOÇ. DR. BERK CANBERK Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı Konu:Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control Dizin:İletişim ağları = Communication networks ; İletişim şebekeleri = Communication networks ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle	Onaylandı Doktora İngilizce 2020 94 s.
İletişim ağlarında dayanıklılık; hatalara, çevresel problemlere, teknolojiye dayalı kesintilere veya kötü niyetli saldırılara karşı, haberleşmenin işlevselliğini kabul edilebilir bir seviyede devam ettirebilmesidir. Ancak, günümüz iletişim ağları alt yapısının statik ve değişikliklere kolay adapte olamayan bir yapıda olduğu düşünüldüğünde, çok yönlü bir afet durumunda ağı yeniden düzenlemek, çok fazla zaman harcanmasına neden olmaktadır. Bir afet yönetiminde, durum değerlendirmesi, hasarlara karşı hızlı ve etkili önlem alınması, ve etkin iyileştirme mekanizmaları sunulması dayanıklı bir iletişim ağı ile mümkündür. Son yıllarda internete bağlı mobil cihaz sayısının artışıyla birlikte günümüzde aylık ortalama 17 exabytes olan global veri trafiğinin, 2021 yılında aylık ortalama 49 exabytes olması tahmin edilmektedir. Bu şartlar altında, baz istasyonları servis dışı kaldığında, günümüz mobil ağ sistemlerinde, mobil trafik akışını yönetebilecek başka yapılar bulunmamaktadır. Bu problemler, mobil haberleşme ağlarının tek bir noktadan esnek ve dinamik yönetilmemesinden kaynaklanır. Bu sorunu çözebilmek için, mobil veri trafiğinin adaptif bir şekilde yönetilmesi gerekmektedir. Son yıllarda iklimsel değişikliklerle meydana gelen afetler önlenememektedir. Bir doğal afet meydana geldiğinde, en önemli konu insan hayatlarının korunmasıdır. Böyle durumlarda, arama ve kurtarma çalışmalarının büyük oranda başarıya ulaştığı ilk 72 saat oldukça kritik bir zaman dilimidir. Diğer yandan, iletişimde ve durumsal farkındalıkta meydana gelebilecek eksiklikler, kurtarma görevlerinin etkinliğini azaltmaktadır. Örneğin, 2011 Japonya depreminden sonra, 4 gün boyunca baz istasyonlarının çoğu devre dışı kalmış ve ancak 7. günün sonunda İnternet servisi verilmeye başlanmıştır. Kurtarma ekipleri tarafından sadece ses için kullanılan uydu telefonlarının servis kalitesinde sıkıntılar yaşanmıştır. Benzer bir durum, 2010 yılında Haiti'deki deprem sonrasında da yaşanmıştır ve hasar gören servis sağlayıcı alt yapıları nedeniyle uzun süreli iletişim problemi ortaya çıkmıştır. Amerika kıtasının farklı yaşam alanlarında benzer doğa olayları her yıl tekrarlanmaktadır. Ayrıca, yaşadığımız coğrafyada Marmara depremi sonrası, iletişim ağları tamamen hasar görmüş ve kullanılamaz hale gelmiştir. Belirtilen felaket senaryolarında, mevcut kablosuz haberleşme altyapısında meydana gelen hasarlarla birlikte, altyapının kısıtlı fiziksel kaynaklarıyla veri taleplerinin karşılanması mümkün değildir. Bu maksatla, artan mobil trafik akışını ve baz istasyonlarının servis dışı kalması ile ortaya çıkan ağ yönetim sorunlarını çözmek için yeni uygulamalara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu maksatla, bu çalışmada İnsansız Hava Araçlarının iletişim altyapısını desteklemek için kullanımı önerilmektedir. Servis dışı kalan baz istasyonlarının yerine havasal baz istasyonları son kullanıcılara hizmet verebilirler. Bu çalışmada amaç, felakete dayalı senaryolara karşı havasal baz istasyonları ile dayanıklı bir iletişim ağı tasarlamaktır. Dayanıklı ağ ise, afet yönetiminde havasal ağlarda meydana gelen ve iletişim ağlarını etkileyebilecek problemlere karşı iletişim ağının işlevselliğini kabul edilebilir bir seviyede devam ettirebilmesi olarak tanımlanmıştır. Bunun yanında, havasal baz istasyonların dayanıklı bir iletişim ağında kullanılması ile, havasal baz istasyonlarının iletişim ağı üzerinde olası etkileri artacaktır. En önemli problemlerden biri, havasal baz istasyonlarının uygun konumlara yerleştirilmesidir. Aksi takdirde, havasal baz istasyonlarının kapsama alanları, servis veren diğer karasal baz istasyonlarının kapsama alanları ile örtüşebilir. Böyle bir durumda, dayanıklı bir ağ elde edilmesi mümkün olmayacaktır. Özellikle, örtüşen bölgelerde bulunan son kullanıcıların hangi baz istasyonlarına tanımlanacağı ve örtüşmenin minimum düzeyde tutulacağı bir topoloji yönetimi tasarlamak oldukça önemlidir. Bunun yanında, havasal baz istasyonlarının yerleştirilmesi konusunda 3. boyutun da hesaplamalara dahil edilerek optimum yüksekliğin bulunması, dayanıklı bir ağ tasarımı için oldukça önemlidir. Dayanıklı bir ağ tasarımı için yukarıda bahsedilen problemlere ilave olarak havasal baz istasyonlarının enerji yönetiminin sağlanması, afet senaryolarının sürekliliği açısından önemlidir. Bir diğer önemli problem ise, aşırı yoğun ağlarda hizmet veren baz istasyonu sayısının fazlalığı ağın kapasitesini artırmaktadır. Bununla birlikte, baz istasyonu sayısının fazla olmasından dolayı hareketli kullanıcıların yol boyunca gerçekleştirecekleri geçiş sayısı da artmaktadır. Geçiş prosedürü kaynak ve hedef baz istasyonları arasında kontrol ve veri trafiğine ihtiyaç duymaktadır. Geçiş sıklığının artmasıyla kaynak ve hedef baz istasyonları arasındaki kontrol trafiği, kaynakların ve enerjinin daha fazla tüketilmesine neden olmaktadır. Aynı zamanda, hareketli kullanıcıların baz istasyonları arasındaki geçişlerde harcanan süreleri yani gecikmeleri artmaktadır ve bu durum kullanıcıların servis kalitesinde düşüşlere neden olmaktadır. Sonuç olarak, yukarıda belirtilen ve günümüz iletişim ağları alt yapısı için tasarlanan 2 boyutlu algoritmalar ve yöntemler, topolojiye havasal baz istasyonu dahil edildiğinde devre dışı kalacaktır. Bunun en başta gelen nedenlerinden biri, havasal baz istasyonlarının, 3 boyutlu hareketliliği ve herhangi bir yol topolojisine sınırlı kalmadan hareket edebilme kabiliyetidir. Bu tez çalışmasında, havasal baz istasyonlarının dayanıklı bir ağ tasarımında kullanılması durumunda, (i) havasal baz istasyonlarının konumlandırılması, (ii) enerji yönetimi, (iii) yol planlaması ve organizasyonu ile (iv) havasal baz istasyonları arasında gerçekleşebilecek handover (geçiş) prosedürünün yönetimi için, artan mobil veri trafiği ve dinamik topoloji değişikliklerine duyarlı, esnek ve merkezi bir yapı ile çözüm sunulmaktadır. Yazılım-tabanlı bir model ile kontrolör üzerinden havasal baz istasyonlarının yönetilmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, karasal baz istasyonlarının servis dışı kaldığında bir kontrolör üzerinden gerçeklenecek fonksiyonlar ile havasal baz istasyonlarının güvenilir ve devamlı bir iletişim sağlaması için bir model önerilmiştir. Tez çalışmasının ilk kısmında, verilen bir coğrafi alanda, ihtiyaç duyulacak minimum sayıda havasal baz istasyonu sayısını tanımlayarak, 3 boyutlu konumlandırma problemi ele alınmıştır. Önerilen konumlandırma algoritması ile havasal baz istasyonlarının kapsama alanları tanımlanmış ve enerji yönetimi ile havada kalma süreleri kontrol edilmiştir. Özellikle, havasal baz istasyonlarının sınırlı kapasitede bataryaları olduğu ve havasal ağlara yeni katılan ya da ağdan ayrılan havasal baz istasyonları için ağın yeniden organize olması gerektiği düşünüldüğünde, mevcut havasal baz istasyonlarından en etkin şekilde yararlanmak oldukça önemlidir. Bu maksatla son kullanıcılara kabul edilebilir bir servis kalitesinde hizmet vermeleri için havasal baz istasyonlarının enerji yönetim mekanizmaları ile yeniden şarj edilebilmesi için ikmal istasyonlarının etkin yönetimi üzerinde bir model önerilmiştir. Havasal baz istasyonlarının değişken ve olası bağlantı kesintileri, kaynak tahsisi ve kanal planlamasında problemlere neden olmaktadır. Bu maksatla, havasal baz istasyonlarının yönetimi için ağ fonksiyonlarını yönetmek ve kritik zamanlarda, bu problemlere yönelik çözümler sunmak gerekmektedir. Özellikle, havasal baz istasyonlarında gerçek zamanlı izleme, uyarı tetikleme gibi kritik ortamlarda veri aktarımında meydana gelebilecek bir gecikme ağ fonksiyonlarının merkezi yönetimi ile gerçekleştirilebilir. Bu maksatla, tez çalışmasının son kısmında ise, havasal baz istasyonları arasında gerçekleşebilecek geçiş prosedürünün yönetimi için bir ağ mimarisinin gerçeklenmesi hedeflenmiştir. Karasal baz istasyonları için belirtilen geçişe bağlı problemler, havasal baz istasyonu kullanıldığında da geçerliliğini korumaktadır. Ek olarak, bu problem havasal baz istasyonlarının zaten kısıtlı olan kaynaklarını ve enerjilerini daha hızlı tüketmesine neden olmaktadır. Bu problemin çözümünde geçiş sıklığının ve dolayısıyla havasal baz istasyonlarının kullanıcı başına harcadığı enerjinin azaltılması için yazılım tabanlı ağ mimarisinde bir geçiş karar verme ve geçiş gerçekleştirme mekanizmaları önerilmektedir. Böylece dinamik ağ topolojilerine duyarlı, havasal baz istasyonları ile desteklenebilen ve havasal baz istasyonlarının kullanımından kaynaklanan problemleri minimize eden merkezi ve esnek bir yaklaşım önerilmiştir.
Resiliency in communication networks is the maintainability of the communication functionality at acceptable levels against possible errors, environmental problems, network outage due to technological causes or malicious attacks. However, it is tremendously time-consuming to redesign the network in a versatile disaster situation considering today's static and conservative communication network infrastructures. In disaster management; assessing the situation, taking immediate and effective precautions and proposing solutions for the optimization is only possible with a robust communication network infrastructure. Additionally, in the case of base station failures, there is no infrastructure to manage the mobile traffic in today's mobile network provider systems. In order to solve this problem, mobile data traffic should be managed adaptively. In recent years, the disasters which were caused by climatic changes cannot be prevented. In case of a natural disaster, the most important thing is to save people's lives. In a situation like this, the first 72 hours is crucially important to react immediately and this can only be possible with quick and effective search and rescue activities. On the other hand, the lack of awareness and communications will vitiate these activities. For example, after the 2011 Tohoku Earthquake in Japan, most of the base stations became out-of-service and the Internet became available barely after 7 days. Also, the service quality of the satellite phones, which are used only for voice communications by the save and rescue teams had decreased. A similar situation was experienced in 2010 after the earthquake in Haiti and long-term communication problems arose due to damaged service provider infrastructures. Similar natural events in the different habitats of the American continent are repeated every year. In addition, after the Marmara Earthquake in 1999, the communication networks have become completely damaged and unusable. In such cases, the continuity of communication is important. In the mentioned disaster scenarios, it is not possible to meet the data demands with the limited physical resources of the infrastructure along with the damages in the existing wireless communication infrastructure. To this end, novel applications are needed in order to solve the network management problems in case of an unanticipated failure. Today, with the increasing use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV), many new applications are emerging in the communication sector. According to the Association for Unmanned Vehicle Systems International (AUVSI) Report, direct economic impact from the UAV industry in US is about 3.6 Billion Dollar in 2018 and is expected to exceed 5 Billion Dollar by 2025. In this thesis, UAVs are proposed to support the communication infrastructure as Aerial Base Stations (ABS) via a centralized controller to solve the problems for existing network infrastructures. ABSs have become a promising tool for post-disaster communications. ABS deployment assists terrestrial networks to minimize the disruptions caused by unexpected and temporary situations. Thus, it is aimed to design a resilient network management mechanism with ABSs. ABSs which will be located instead of the failed base stations are advantageous because they have low production and maintenance costs, they have error/damage tolerance and they can easily be controlled and located where humans have limited reach. However, because of the physical limitations with low-capacity power supplies, they have limited flying time, limited velocity and communication range. Moreover, the majority of energy consumption in aerial networks is not spent on computing or communication, but on the power required by engines and flying aerial vehicles. For all these reasons, there are various problems in the system design while trying to accomplish real-world problems and complicated duties. Therefore, in order to increase resiliency in aerial networks, a proper positioning management and a flight planning mechanism are both needed considering the relationship between ABS flight characteristics and energy consumption. Considering the stated reasons, we first focus on on-demand communication. Since on-demand communication can change over time and be hard to accurately predict, it needs to be handled in an online manner, accounting also for battery consumption constraints. This thesis presents an efficient software-based solution to operate ABSs by meeting these requirements which maximizes the number of covered users, and a scheduler which navigates and recharges ABSs in an energy-aware manner. To this end, we propose an energy-aware deployment algorithm and use an energy model to analyze the power consumption and thereby, improve the flight endurance. In addition, we evaluate a novel scheduling mechanism that efficiently manages the ABSs' operations. Our simulations indicate that our approach can significantly improve the flight endurance and user coverage. In the second part of the thesis, we consider that the continuity of the service has increased the challenge of providing satisfactory quality of service. The limited battery capacity and vertical movement with direction switching of ABSs result in frequent interruptions with additional problems related to increased interference, handover delay, and failure of the handover procedure. Therefore, the main goal is to model dynamic mobile network topology and create a scalable structure to manage possible handover procedure between ABSs. With this idea, a solution is presented in a flexible and centralized structure, which analyses the resiliency of the network and is sensitive to increased mobile data traffic and dynamic topology changes. We address the handover procedure in aerial networks by integrating a reinforcement based Q-learning framework. The proposed model enables to ABSs to learn the optimal deployment exploring a Temporal-Difference (TD) learning prediction method. Our study gives a centralized handover procedure avoiding additional overhead to the ABSs and the transition probabilities are estimated to decrease the risk of the handover failure ratio.