Yönlendirme Protokolü İhtiyaçları Açısından Uçan Tasarsız Ağlar (FANETs)

Transkript

1 Yönlendirme Protokolü İhtiyaçları Açısından Uçan Tasarsız Ağlar (FANETs) Nihat AKILLI 1, Şamil TEMEL 2, Levent TOKER 1 1 Ege Üniversitesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, İzmir 2 Hava Astsubay Meslek Yüksek Okulu, Bilgisayar Programcılığı Programı, İzmir Özet: Elektronik ve iletişim teknolojilerindeki gelişmeler ile mikro-elektromekanik alanındaki ilerlemeler İnsansız Hava Aracı (İHA) teknolojilerinin gelişmesine önayak olmuş, askeri, sivil ve akademik birçok alanda İHA lardan istifade edilmeye başlanmıştır. İHA lar tarafından icra edilmesi beklenen görevlerde, tek ve büyük bir İHA sistemi kullanmak yerine daha küçük boyutlu ve çok sayıda İHA nın bir arada kullanılmasının birçok avantajı bulunmasına rağmen, İHA ların birbirleriyle sürekli ve etkin bir şekilde haberleşmelerinin gerekliliği, yeni yönlendirme ihtiyaçları doğurmuştur. Ayrıca, düğümlerinin hareketliliği, düğümler arası mesafeler ve icra edilen görevlerin niteliği gibi birçok konuda klasik Hareketli Tasarsız Ağlar (HTA lar) dan ayrılan bu ağları, İHA ların gökyüzünde oluşturduğu merkezi altyapı içermeyen ağlar olarak tanımlanan Uçan Tasarsız Ağlar (UTA) olarak ele almak daha uygun olacaktır. Bu çalışmada, çoklu bir İHA sisteminde ağ katmanı yönlendirme işleminin etkin olarak gerçekleştirilebilmesi için gerekli olan temel gereksinimler ile UTA lar için geliştirilecek yönlendirme protokollerinin sahip olması gerektiği değerlendirilen temel özellikler açıklanmıştır. Anahtar Sözcükler: Uçan Tasarsız Ağlar (UTA lar), Hareketli Tasarsız Ağlar (HTA lar), Yönlendirme Protokolü, İnsansız Hava Aracı (İHA). Abstract: Advances in electronic and communication technologies with microelectromechanical improvements facilitated the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technologies and UAVs have widely used in military, civilian and academical applications. Although using multiple and small UAVs instead of one large UAV have many advantages, effective coordination and collaboration needs between UAVs comes up with new routing challenges. Also node mobility, node distances and mission differences between classical Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs) and infrastructure less UAV networks require a new network family definition: Flying Ad-Hoc Networks (FANETs). In this study, basic requirements of FANET routing issues and bases of communication needs in a multi UAV system are explained. Keywords: Flying Ad-Hoc Networks (FANETs), Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs), Routing Protocols, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) discussed.

2 1. Giriş İçerisinde insan bulunmayan ve çoğunlukla otonom olarak hareket edebilen İnsansız Hava Araçları (İHA), elektronik ve iletişim teknolojilerindeki gelişmeler ile mikro-elektromekanik alanındaki ilerlemeler neticesinde askeri, sivil ve akademik birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır İHA lar, sivil alanda deprem, sel, yangın, volkan patlaması gibi doğal afetlerin gözlemlenmesi ve hasar tespit çalışmaları, atmosfer çalışmaları, hava durumu tahmini, arazi haritası çıkarılması, taşıt trafik yoğunluğunun tespit edilmesi gibi alanlarda kullanılmaktadır. Askeri alanda ise; keşif, istihbarat ve gözetleme görevleri, tehlikeli bölgelerin izlenmesi, hedef tanıma ve takip, yük taşıma, sınır izleme gibi birçok görevde İHA lardan yararlanılmaktadır [1]. Tek ve büyük bir İHA sistemi kullanmak yerine daha küçük boyutlu ve çok sayıda İHA nın bir arada kullanılmasının sağladığı birçok yararın yanı sıra, İHA ların birbirleriyle sürekli ve etkin bir şekilde haberleşmelerine imkân sağlayacak ağ gereksinimlerine ihtiyaç doğurması, bu ağları yeni bir mobil ağ türü olarak ele almayı gerekli kılmıştır. Bildirinin ikinci bölümde İHA ların bir arada kullanılmasının öneminden bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde klasik Hareketli Tasarsız Ağlar ile İHA ağlarının farklılıkları ve benzerlikleri ele alınmış olup dördüncü ve beşinci bölümlerde ise bu ağlarda yönlendirme ihtiyaçları ve bu ağların karakteristikleri karşılaştırmalı olarak açıklanmıştır. Son bölümde ise bundan sonraki çalışmalarda yapılabilecekler ele alınarak çalışma tamamlanmıştır. 2) İnsansız Hava Araçlarının Bir Arada Kullanımı İHA lar tarafından icra edilmesi beklenen görevlerde, tek ve büyük bir İHA sistemi kullanmak yerine daha küçük boyutlu ve çok sayıda İHA nın bir arada kullanılmasının çeşitli avantajları vardır. Bu avantajlar şu şekilde sıralanabilir [2]: Büyük ve pahalı donanımlar kullanmak yerine küçük ve maliyeti daha az donanımların tercih edilmesiyle bakım ve idame masrafları daha düşük olacaktır. Birden fazla küçük İHA nın ihtiyaç duyulan farklı bölgelerde konumlanmasıyla, kapsanması beklenen toplam alan ihtiyaca göre artırılabilecek olup ölçeklenebilirlik açısından daha esnek bir çözüm ortaya koyulmasına olanak sağlanacaktır. Birden çok İHA nın aynı anda görev yapmasıyla görevlerin daha kısa sürelerde icra edilebilmesi sağlanacaktır. Görev esnasında herhangi bir İHA nın görevini icra etmesine engel olacak bir durumla karşılaşıldığında diğer İHA lar ile görevin devam etmesi ve başarıyla tamamlanması sağlanabilecektir. Ancak, söz konusu avantajların yanında, çok sayıda İHA nın bir arada kullanılması durumunda, İHA ların birbirleriyle sürekli ve etkin bir şekilde haberleşmelerine imkân sağlayan yeni ağ protokollerine ihtiyaç duyulmaktadır [3]. 3) Hareketli Tasarsız Ağlar (HTA lar) ve Uçan Tasarsız Ağlar (UTA lar) HTA lar, (Mobile Ad-hoc Networks,

3 MANETs) önceden tanımlanmış altyapı veya merkezi bir kontrol sistemi olmaksızın, rastgele ya da belirli bir rotada hareket eden düğümlerin oluşturduğu ağdır. Bu ağlar günümüzde, ticari ve askeri birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. İHA ların gökyüzünde oluşturduğu merkezi altyapı içermeyen ağlar ise FANET (Flying Ad hoc Network) olarak adlandırılmaktadır [1]. Bu çalışmada, FANET ler için Uçan Tasarsız Ağ (UTA) adı kullanılmıştır [4]. Şekil 1 de örnek bir UTA uygulama senaryosu gösterilmiştir. Düğümlerin Hareketliliği: Hıza bağlı olarak UTA larda yer alan düğümlerin ağ topolojileri HTA lara oranla çok daha hızlı bir şekilde değişmektedir. Görev Niteliği: UTA larda düğümler planlı ve çok daha hassas görevleri yerine getirirler. Bundan dolayı UTA larda düğümleri oluşturan elemanların fiziksel, elektronik ve mekanik özelliklerinin çok daha güvenilir ve uzun ömürlü olması beklenir. Düğümlerin Yoğunluğu: UTA larda düğümler arası mesafeler HTA lara göre çok daha fazladır. Her hangi bir çarpışmayı önlemek için UTA düğümleri birbirlerinden kaçınmak zorundadır. UTA ların karakteristik özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir [1,2]: Düğümlerin yüksek hızlarda hareket etmeleri (10-60 m/sn) Şekil 1- Örnek UTA Uygulama Senaryosu [5] UTA ları, HTA ların bir alt kümesi olarak değerlendirmek mümkün olsa da UTA ların kendine özgü ihtiyaçlarından dolayı yeni tür bir mobil ağ çeşidi olarak değerlendirmek daha uygun olacaktır. UTA ların klasik HTA lardan bazı farklılıkları aşağıda maddeler halinde özetlenmiştir [1]: Hareketlilik Modelleri: UTA larda düğümler (İHA lar), HTA lara göre çok daha hızlı ve hareketlidirler. HTA larda hız olarak genellikle insanların yürüme hızı ve araçların hızları referans alınırken, UTA larda çok daha yüksek hızlarda gökyüzünde uçan İHA ların hızı esas alınmaktadır. Bu durum UTA ların hareketlilik modellerini HTA lardan ayırmaktadır. Düğüm sayısının sınırlı olması (2-20 adet) Tüm düğümlerin üzerinde GPS ünitelerinin bulunması ve düğümler arasında konum paylaşımı İletişim kapsama alanının geniş olması ihtiyacı Sağlam ve güvenilir bir haberleşme altyapısı ihtiyacı UTA ların bazı uygulama alanları şunlardır [1,2]: İHA Görevlerinde Ölçeklenebilirliğin Arttırılması: İHA lar arasında altyapılı bir ağ iletişimi (infrastructure communication) kurulduğu durumlarda görev alanı altyapının kapsama alanı ile sınırlı olacaktır. Çünkü İHA lar iletişim için söz konusu altyapıya dolayısı ile tek

4 bir alıcı noktaya bağlı kalmak zorundadır. Ancak UTA lar sayesinde İHA lar arasında bir iletişim ağı kurulmasıyla sadece bazı İHA ların altyapı merkezinin kapsama alanında kalmasıyla görev alanının oldukça genişlemesi mümkün olacaktır. Şekil 2 de bu durum görsel olarak anlatılmıştır. Şekil 2- UTA lar ile Ölçeklenebilirliğin Arttırılması [1] İHA Sistemleri Arası Güvenli İletişim Sağlanması: İHA sistemlerinin genellikle oldukça dinamik bir çevrede görev yapmaları gerekir. Bu durum, görev esnasında hava şartlarındaki değişimler ya da coğrafi engeller gibi başlangıç şartlarının değişmesine sebep olabilir. Eğer İHA lar arasında bu değişime ayak uydurabilecek bir ağ yapısı bulunmazsa görevin icrasında engeller ortaya çıkacaktır [3]. Bu durum Şekil 3 te gösterilmiştir. Şekil 3- Görev Esnasında Başlangıç Şartlarının Değişmesi [1] Bugüne kadar HTA lar için geliştirilmiş çok çeşitli yönlendirme protokolleri bulunmaktadır. Yönlendirme protokollerinin ortak amacı kaynak ile hedef düğümler arasındaki en etkin yolu tespit ederek bu yolun iletişim amaçlı kullanılmasının ve bu yolun iletişim süreci boyunca idame ettirilmesinin sağlanmasıdır. 4) HTA larda Yönlendirme HTA lar için yönlendirme algoritmaları temelde dört ana kategoride sınıflandırılabilirler: Proaktif (Tabloya Dayalı), Reaktif (İsteğe Bağlı) Hibrit Yönlendirme Algoritmaları ve Konum Tabanlı Yönlendirme Algoritmaları: Proaktif (Tabloya Dayalı) Yönlendirme Algoritmaları: Tüm kaynak ve hedef düğümleri arasında mümkün olan rotaların ihtiyaç duyulmaksızın önceden belirlenerek, belirli aralıklarla güncellenmesi ve bu rotaların yönlendirme tablosunda tutulması esası üzerine kuruludurlar. En belirgin özellikleri, ağ topolojisinde herhangi bir değişme olmasa bile tablo güncelleme mesajları göndermeye devam etmeleridir. Bu durum, çok fazla düğüm içeren HTA lar için ilave paket yükü oluşturacaktır. Proaktif yönlendirme algoritmalarına, OLSR (Optimized Link State Routing) ve DSDV (Destination Sequence Distance Vector) protokolleri örnek olarak verilebilir [6]. Reaktif (İsteğe Bağlı) Yönlendirme Algoritmaları: Proaktif yönlendirme algoritmalarının aksine, düğümler arası rota bilgilerinin sadece gerekli olduğunda oluşturulması esasına dayanır. Yani düğümlerden herhangi biri ağdaki diğer bir düğüme bir paket göndermek istediğinde mevcut rotalar oluşturulur. Bu tür algoritmaların en belirgin dezavantajı ihtiyaç halinde rota oluşturmanın sebep olacağı zaman gecikmeleridir. Bu tür protokollere, AODV (Ad Hoc On Demand Distance

5 Vector Routing) ve DSR (Dynamic Source Routing) örnek olarak verilebilir [6]. Hibrit Yönlendirme Algoritmaları: Bu yaklaşım proaktif ve reaktif yaklaşımların avantajlarını bir arada kullanmayı amaçlar. Temelde belli bir düğüm atlama sayısı ile erişilebilecek düğümler için proaktif, diğer düğümler için reaktif yaklaşım sergileme esasına dayanırlar. Bu tür protokollere ZRP (Zone Routing Protocol) örnek olarak verilebilir [6]. Konum Tabanlı Yönlendirme Algoritmaları: Proaktif ve reaktif protokollerin belirgin özelliklerini içermelerinin yanı sıra, düğümlerin yerlerinin belirlenmesinde GPS (Global Positioning System) kullanırlar. GPS, enlem, boylam ve yükseklik bilgilerini sağlamanın yanı sıra düşük maliyetli olduğundan dolayı yaygın olarak kullanılmaktadır [7]. Bu kapsamdaki protokollere, GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) örnek olarak verilebilir [6]. 5) UTA larda Yönlendirme İHA sistemlerinin karmaşık görevleri etkin şekilde icra edebilmeleri için İHA ların birbirleri ile etkin şekilde haberleşme olanaklarının olması gerekir. Ancak literatürde UTA lar için önerilen yönlendirme protokolü çalışmaları oldukça azdır [3]. Bunun başlıca sebepleri; UTA ların çok yeni olması, dünyada sadece sayılı ülkelerin İHA teknolojisine sahip olması, protokolleri tasarım işlemlerinin İHA ların uçuş dinamikleri gereği oldukça karmaşık olmasıdır. İHA ların yüksek hız ve hareketliliğe sahip olmaları ve İHA lar arası mesafenin mümkün olduğunca fazla olmasının amaçlanması mevcut yönlendirme protokollerinin kullanılmasını zorlaştırmaktadır. UTA larda yönlendirme üzerine yapılmış çok fazla çalışma bulunmamaktadır. UTA ların HTA lardan ayrılan yönlerini karşılayabilecek HTA yönlendirme protokollerinin performansları araştırmaya açık alanlardır [1]. Aynı zamanda, UTA lar için önerilen Ortam Erişim Kontrolü (Medium Access Control, MAC) protokolleri de sınırlı sayıdadır [8-11]. Geliştirilecek yeni yönlendirme protokolleriyle ya da mevcut protokoller üzerinde gerçekleştirilecek modifikasyonlarla iyileştirmelere ihtiyaç olacağı değerlendirilmektedir. Bu kapsamda, çoklu bir İHA sisteminde yönlendirme işleminin etkin olarak gerçekleştirilebilmesi için aşağıdaki gereksinimlerin sağlanması ve UTA lar için geliştirilecek yönlendirme protokollerinin alttaki temel özelliklere sahip olması gerektiği değerlendirilmektedir: Rota Bulma (Route Discovery): Hâlihazırda kullanılmakta olan HTA protokollerinde çoğunlukla, komşu düğümlerin mevcut durumlarının tayin edilmesi işlemi önemli yer teşkil eder. Örneğin, reaktif yönlendirme protokollerinde bu işlem kaynak düğüm tarafından bir hedef düğüme bir paket gönderilmek istendiğinde ve hedef düğüme ait geçerli bir yolun mevcut kaynak düğüm tablosunda bulunmaması durumunda kaynak düğümün bir RREQ (Route Request) paketi yayınlamasıyla (broadcast)

6 gerçekleşir. Eğer RREQ paketi hedef düğüme ulaşmış ise hedef düğüm geriye bir RREP (Route Reply) paketi yollar. Aradaki düğümler ise aynı RREQ paketlerini tekrardan yayınlarlar. Böylelikle kaynaktan hedefe bir yol tesis edilmiş olur. Bu işlem taşma (flooding) olarak da adlandırılır [12]. Proaktif protokollerde ise reaktif protokollerde istek anında gerçekleşen rota bulma işlemi periyodik olarak gerçekleştiğinden bir paket gönderimi için tekrar rota bulma işleminin gerçekleştirilmesine gerek yoktur ancak, bu durumda da ağdaki periyodik rota bulma paketleri sisteme ilave yük getirecektir. UTA larda ise düğümlerin yüksek hareketliliğinden dolayı hem rotanın gecikme olmaksızın belirlenmesine hem de ağda mümkün olduğunca ek paket yükünün az tutulması oldukça önemlidir. Rota Bakımı (Route Maintanence): İstenilen paketin hedefe ulaşmadığı tespit edildiğinde yeniden rota bulunması için rota bakım işleminin hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilmesi gerekir. Yüksek hızın neden olduğu anlık topoloji değişiklikleri ihtiva eden hareketlilik modeline sahip UTA lar için rota bakımı işleminin sıklığı klasik HTA lardan daha fazla olmalıdır. Etkin İletişim Mesafe ve Kanalı: Fiziksel Katman ve Ortam Erişim Katmanı tarafından yeterli etkin iletişim mesafe kanalının temin edilmesi gerekir. Çünkü UTA larda düğümler arası mesafe HTA lara oranla daha fazla olduğu için rota bakımı gerekliliğinin az olması ve kaynaktan hedefe düğüm atlama sayısının minimum tutulması beklenir. Bu durumda yönlü antenlerin (directional antenna) kullanımının etkin iletişim mesafesini artırırken rota belirlemede düğüm atlama sayısını azaltacağı göz önüne alındığında [8,13] UTA larda yönlendirme işleminin servis kalitesine (QoS) katkı sağlayacağı değerlendirilmektedir. Konum Tespiti: Klasik HTA larda keşif paketleri çoğunlukla ağ servis kalitesi gereksinimleri için yeterli olsa da, UTA larda düğümlerin konum bilgisinin rota bulma ve rota bakım işlemlerinde gerekli olacağı değerlendirilmektedir. Genellikle klasik her-yöne (omni-directional) antenlerin kullanıldığı HTA lardan farklı olarak UTA larda yönlü antenlerin kullanılması fikri ön plana çıkmaktadır. Böylelikle konum tespiti işleminin ortam erişim katmanında gerçekleştirileceği varsayılabilir. Bu durumun UTA lar için hazırlanacak yeni yönlendirme protokolleri için bir avantaj olacağı değerlendirilmektedir [14]. 6) Sonuç Tek ve büyük bir İHA sistemi kullanmak yerine daha küçük boyutlu ve çok sayıda İHA nın bir arada kullanılmasının sağladığı yararların yanı sıra, İHA ların birbirleriyle sürekli ve etkin bir şekilde haberleşmelerine imkân sağlayacak ağ gereksinimlerine olan ihtiyaç UTA ların yeni bir ağ türü olarak ele alınması sonucunu doğurmuştur. UTA lar için uygun yönlendirme protokollerinin geliştirilmesi henüz yeteri kadar araştırılmamış ve geliştirilmeyi bekleyen bir alandır. Bu çalışma kapsamında UTA lar için geliştirilecek yönlendirme protokollerinin temel tasarım ihtiyaçları değerlendirilmiştir.

7 7) Kaynaklar [1] Bekmezci, I., Sahingoz, O.K., ve Temel, S., Flying Ad-Hoc Networks (FANETs): A Survey, Ad Hoc Networks, Volume 11, Issue 3, May. 2013, sf [2] Sahingoz, O.K., Networking Models in Flying Ad-Hoc Networks (FANETs): Concepts and Challenges, J. Intell. Robotics Syst. 74, 1-2 (Nisan 2014), sf [3] Shah, B., Kim, K., A Survey on Three Dimensional Wireless Ad Hoc and Sensor Networks, International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 2014, sf 20, [4] Bekmezci, I., Eralkan, E., Heterojen Uçan Tasarsız Ağlar için Dinamik Ortamlarda Ağ Bağlılığını Koruyan Merkezi Olmayan Görev Planlama Stratejileri, , Devam Eden Doktora Tezi. [5] Oren, A., Temel, S., İnsansız Hava Araçları Ağlarında (FANET) Ortalama Ağ Gecikmesi ve Operatör Kapasitesine Etkisi, Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU), 2014, sf [6] Boukerche, A., Turgut, B. and Aydin, N., Routing Protocols in Ad Hoc Networks: A Survey, Computer Networks, 55(13), sf , Eyl [7] Ramasamy, D., Madhow, U., Scalable and Efficient Geographic Routing in Mobile Ad Hoc Wireless Networks, IEEE Transactions on Signal Processing, Nis [8] Alshbatat, A.I.; Dong, L.;, Adaptive MAC Protocol for UAV Communication Networks Using Directional Antennas, Networking, Sensing and Control (ICNSC), 2010 International Conference. [9] D. L. Gu, H. Ly, X. Hong, M. Gerla, G. Pei, and Y.-Z. Lee, C-ICAMA, A Centralized İntelligent Channel Assigned Multiple Access For Multilayer Ad-Hoc Wireless Networks with UAVs, in Proc. IEEE WCNC 00, (Chicago, IL), [10] J. Li, Z. Wei, Y. Zhou, M. Deziel, L. Lamont, F.R. Yu, A Token-Based Connectivity Update Scheme for Unmanned Aerial Vehicle Ad Hoc Networks, in IEEE Int. Conference on Comm. (ICC 2012), Haz [11] Y. Cai, F. R. Yu, J. Li, Y. Zhou, L. Lamont, "Medium Access Control for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Adhoc Networks with Full-duplex Radios and Multi-packet Reception Capability," IEEE Transactions on Vehicular Technology, [12] C.E. Perkins, E.M. Royer, S.R. Das, M.K. Marina Performance Comparison of Two On-Demand Routing Protocols for Ad Hoc Networks, IEEE Pers. Commun., 8 (1) (2001), sf [13] Gossain, H., Joshi, T. and Cordeiro, C.M, DRP: An Efficient Directional Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks, IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, Vol. 17, No. 12, Ara [14] Temel, S., Bekmezci I., Scalability Analysis of Flying Ad Hoc Networks (FANETs): A Directional Antenna Approach, Recent Advances in Space Technologies (RAST), 2013, Haz. 2013, sf. 461, 465