Search

Günümüzde kablosuz ağ tasarlanırken, resmi birimler tarafından düzenlenen vekontrol edilen sabit spektrum lisans dağıtım sözlesmeleri dikkate alınır. Budağıtılan spektrumun büyük bir kısmı düzensiz bir sekilde kullanıldığındanspektrum bantları verimsiz kullanılmaktadır. Yetkili kurumlar tarafındanstatik olarak dağıtılmıs olan spektrumun kullanımını dinamik hale getirerekkullanımdaki verimsizliğin giderilmesi amaçlanmaktadır. Bu bağlamda, BilisselRadyo adı verilen teknoloji ile, kablosuz kullanıcılara değisik frekanslarda dinamikolarak çalısma olanağı tanınmaktadır. Bilissel radyolar dinamik spektrumerisim teknikleri ile bu sorunları çözmek için önerilmis bir teknolojidir. Buteknoloji temeliyle olusturulan ağlara Bilissel Radyo Ağları denmekte, bu ağınkullanıcılarına, seyrek kullanılan lisanslı frekanslar arasında geçis yaptırılarak,iletisim olanağı verilmektedir. Bilissel Radyo Ağlarında olusturulan spektrumyönetimi, spektrumu kullanma hakkına sahip birincil kullanıcılara engel olmadan,elverisli spektrum bandlarının bulunması ve bunun ikincil kullanıcılar arasındapaylastırılması olarak tanımlanabilir. Bilissel ağ kullanıcısına sağlanan budinamik özellik, frekansın lisanslı gerçek kullanıcısıyla girisim yapmamasıkosuluyla verilmektir. Böylece bilisim radyo ağı kullanıcıları, lisanslı kullanıcılarınsahip olduğu frekansı seyrek kullanmasından faydalanarak, o frekansta iletisimegeçmektedir. Lisanslı kullanıcının sahip oluğu bu frekansa geri dönmesihalinde, bilissel kullanıcılar frekansı bosaltmakla ve lisanslı kullanıcıyla girisimegeçmemekle yükümlüdürler. Buradaki elverisli spektrum bandları, değisikspektrum sezme teknikleriyle belirlenir. Elverisli spektrum sadece hattınzaman degisim karakteristiklerinden değil, birincil kullanıcıların spektrumukullanma aktivitelerine göre değisiklik gösterir. Ikincil kullanıcılar (Bilissel ağkullanıcıları) için elverisli spektruma erisim teknikleri, bilissel radyonun en uygunspektrum bandını seçmesine olanak sağlamaktadır. Bunun yapılabilmesi içingerçeklestirilen fonksiyonlardan biri Spektrum Sezme'dir. Burada, kullanılmayanspektrum bandlarının saptanabilmesi ve bu bandların, birincil kullanıcılarıniletisimine engel olabilecek çakısmalara sebep olmadan ikincil kullanıcılarlapaylasılabilmesi esas alınır. Bir diğer fonksiyon, Spektruma Karar Verme'dir. Buislev, bilissel ağ kullanıcıları tarafından sezilen birden fazla spektrum bosluğuvarsa bunlardan en uygun olanının bilissel ağ kullanıcılarının istediği serviskalitesine göre kullanımına karar verilmesidir. Bir diğer temel fonksiyon olanSpektrum Paylasma, birincil kullanıcıların iletisiminin etkilemeden aynı spektrumbandını kullanan ikincil kulllanıcılar arasında hem adil hem de yüksek debili birpaylasım sağlanabilmesidir. Tanımlabilecek baska bir fonksiyon olan SpektrumHareketliliği islevi, ikincil kullanıcıların spektrumun gerçek sahibi geldiğindespektrumunu değistirebilmesidir.Bilissel ağlarda spektrum yönetimini olusturan spektrum sezme, spektruma kararverme ve spektrum paylasımı fonksiyonlarında çözülmesi ve iyilestirilmesi gerekenbirçok sorun bulunmaktadır. Bu bağlamda, bu tezde, bu üç islev ayrı ayrıincelenmektetir:• Spektrum sezilme fonksiyonu sırasındaki etkinliği arttırmak amacıyla yenibir birincil kullanıcı modellemesi ihtiyacı olusturulmustur. Tasarlanan yenimodelde, birincil kullanıcı aktivitelerinin kısa süreli salınımlarının sezilmesive modellenmesi bir kümeleme algoritması tasarlanarak gerçeklestirilmis,elverisli spektrum bosluklarının matematiksel olarak modellenmesi ise, aktivitedatasının korelasyon bağıntısı kullanılarak hesaplanmıstır.• Ikincil kullanıcılar için bir ,spectruma kara verme yapısı modellenmis, bumodelde hem birincil kullanıcı aktivitelerinin kısa zamanlı değisimleri, hemde ikincil kullanıcıların servis kalite istekleri göz önüne alınmıstır.• Bilissel tasarsız ağlar için, ağdaki diğer bilissel kullanıcıların bilgilerininde kullanıldığı müsterek ve dağıtık bir spektruma karar verme yapısıtasarlanmıstır.• Ikincil kullanıcıların servis istekleri ve birincil kullanıcılarının kısa zamanlıspektrum kullanımındaki değisimler dikkate alınarak bir spektrum paylasımyapısı tasarlanmıs ve modellenmistir.• Hem birinci (fiziksel) hem de ikinci (veri bağı) katmanlarındaki bilgilermodellenerek bir çapraz katman yapısı olusturulmustur.Tezde tasarlanan tüm modeller genis bir basarım incelemesiyle, literatürdekigüncel bilissel ağ çalısmalarıyla karsılastırılmıstır. The problems of the spectrum scarcity, as well as the unbalanced and sporadicusage of the fixed spectrum assignment, have been addressed by a newcommunication paradigm, called Cognitive Radio (CR). This key enablingtechnology uses dynamic spectrum access techniques in order to achieve aneffective spectrum management paradigm in the licensed bands. In the spectrummanagement of CR networks, the vacant spectrum bands of primary users (PUs)are opportunistically shared by the CR users. Since PUs have priority toutilize the licensed spectrum, their communication should not be interruptedor interfered by any other user. Therefore, CR users should intelligently senseand determine the ongoing PU activities in a licensed spectrum band to avoidinterference with PUs. This concept is also called the spectrum sensing functionin CR spectrum management paradigm. In spectrum sensing, the PU activitiesneed to be accurately modeled so that CR users can evacuate the band withoutaffecting PU activities. CR users also need to detect spectrum holes to identifytransmission opportunities so that the spectrum usage is maximized. Moreover,considering the PU activity, the CR users should decide on the best availablespectrum bands for their transmissions. This is the part of the spectrum decisionfunction of the spectrum management paradigm in CR networks. It is seenthat the spectrum decision, must be organized carefully by considering thechallenges in the spectrum availability over time, the short term fluctuationsin the availability, and the heterogeneous Quality of Service (QoS) requirementsof the CR users. Since CR users should share the available spectrum bandswith other CR users without causing harmful interference to the PUs, spectrummanagement in CR networks should also be designed with effective spectrumsharing function. To achieve this function, first, CR users should intelligentlymonitor and determine the presence of PUs. When CR users managed to detectthe spectrum holes to identify transmission opportunities, they should share theavailable spectrum according to their heterogeneous QoS requirements. Moreover,the assignments of the available spectrum bands should be realized according tothe activities of the PUs in the spectrum as well as the throughput requirementsof the CR users. Besides, another important point in the spectrum managementis that CR users should evacuate the spectrum band when the PU of that bandstarts using it again. Therefore, a spectrum mobility function in the spectrummanagement is needed in order to organize the spectrum switching issues of theCR network.This thesis has contributions related to spectrum sensing, decision and sharingfunctions of the spectrum management paradigm. When working on eachcontribution, our final aim was to enhance the performance of overall cognitive radio spectrum management system. Our contributions could be itemized brieflyas below:• A novel PU activity model based on the first-difference filter clustering andenhanced with temporal correlation statistics is introduced to analyze andmodel the spectrum sensing function in CR networks.• A QoS aware spectrum decision framework is proposed, in which theavailable spectrum and the heterogeneous QoS requirements of CR users arecharacterized. This framework is used to model the spectrum decision functionin centralized CR networks,• In order to use the available spectrum as efficient as possible, a cooperative anddistributed spectrum decision mechanism is proposed, to model the spectrumdecision function in CR ad-hoc networks (CRAHNs).• A QoS-based spectrum sharing mechanism, where the heterogeneous QoSrequirements of CR users are characterized, is proposed to enhance thespectrum sharing function.• A physical layer-data link layer based cross-layer spectrum assignment forcentralized CR networks is proposed to analyze the affects of the cross-layerapproaches in spectrum sharing.Each proposed scheme for the spectrum management functions is evaluated withthorough performance analysis and compared with the existing architectures inthe CR network literature. 129

Cisco teknik raporuna göre (Visual Networking Index, VNI), internete bağlı hareketli cihaz sayısı dünya genelinde hızla artmaktadır. Rapora göre, 2017 yılında 8.6 milyar olarak tespit edilen cihaz sayısının 2022 yılı itibarıyla 12.3 milyara ulaşması beklenmektedir. Cihaz sayısında öngörülen artış dikkate alındığında, bu cihazlar tarafından üretilen mobil veri trafiğinin de artması kaçınılmazdır. Aynı rapora göre, dünya genelinde aylık mobil veri trafiği 2017 yılında 12 Exabyte iken, 2022 yılında 77 Exabyte olması öngörülmektedir. Söz konusu artışın mevcut karasal ağ alt yapıları ile yönetilmesi son derece zordur. Bu sebeple, yenilikçi ağ alt yapılarına duyulan gereksinim günden güne ortaya çıkmaktadır. İnternete bağlı cihaz sayısı ve bu cihazların ürettiği mobil veri trafiğinde yaşanan artışa paralel olarak, günümüzde gelişen teknolojilerden biri de havasal ağlardır. Uluslararası İnsansız Araç Sistemleri Derneği (Association for Unmanned Vehicle Systems International) raporuna göre, Amerika Birleşik Devletleri için İnsansız Hava Aracı (İHA) endüstrisinden doğan doğrudan ekonomik etki 2015 yılında 1.2 milyar amerikan doları iken, 2025 yılında 5.1 milyar amerikan doları olması beklenmektedir. Aynı raporda, İHA'ların uygulama alanlarından bir tanesi de haberleşme sistemleri olarak belirtilmektedir. Belirtilen gelişmeler doğrultusunda, İHA kullanılarak oluşturulan havasal ağ topolojileri son yıllarda yayın olarak kullanılmaktadır. Havasal ağlar tek başlarına bir servis alt yapısı oluşturmak üzere kullanıldığı gibi gibi karasal ağ ekipmanlarına yardımcı olmak üzere de kullanılır. Her iki kullanım amacının ortak özelliklerinden birisi havasal ağların kısa zamanlı ve göreve özel olmasıdır. Ağın havadaki fiziksel varlığını sürdürebilmek için bir güç kaynağına ihtiyaç duyulması, bu durumun en önemli sebebi olarak gösterilebilir. Bu bağlamda, enerji farkındalığı, havasal ağlarda asgari bakım maliyeti ile daha uzun bir dayanıklılık sağlamak için üzerinde durulması gereken en önemli konulardan biri olarak ele alınmaktadır. Literatürdeki çalışmalarda, havasal ağlar için enerji farkındalığı sağlamak üzere bir çok çalışma yapılmış olsa da, bu çalışmaların sadece bir kısmı ağın havadaki varlığını sürdürmesi için gerek duyduğu zorunlu enerjiyi dikkate alır. Havasal ağlarda, hesaplama ve haberleşme için harcanan ernerji miktarının, ağı havada tutmak için gereken enerji miktarına göre çok daha az olduğu bilinmektedir. Dahası, bir İHA'nın uçarken harcadığı enerji miktarı; uçuş yönü, uçuş hızı gibi bir çok parametreye ve maruz kaldığı fiziksel kuvvetlere göre farklılık gösterir. Bu sebeple, bu tezde, bir İHA'nın uçuş karakteristiği ile enerji tüketimi ilişkisi göz önüne alınarak, havasal ağın sürekliliğini sağlamak için gerek duyulan İHA değişimleri sırasında, enerji farkında bir uçuş planlaması sunulur.Havasal ağlarda, bir İHA'nın enerji tüketimini etkileyen en önemli faktör, İHA'nın maruz kaldığı fiziksel kuvvetlerdir ve uygun bir enerji farkındalığı sağlamak için dikkate alınması gerekir. İHA'ya etki eden bileşenler arasında, yer çekimi kuvveti, en belirleyici kuvvettir ve bir İHA'nın hareketi esnasında harcadığı enerji ile doğrudan ilişkilendirilebilir. Bu sebeple, tezde, enerji tüketimiyle ilişkili bir topoloji grafı modellenmektedir. Bu grafta, İHA konumları düğümlerle, bir yolu katetmek için gereken enerji tüketim maliyetleri ise kenarlarla ifade edilmektedir. Önerilen yaklaşımın doğrulanması için üç farklı yönlü ve tamamlanmış graf modeli sunulur ve her bir graph modelinde yer çekimine karşı yapılan hareketler farklı şekilde maliyetlendirilir. Topoloji grafı oluşturulduktan sonra, bir optimizasyon problemi sağlamak ve belirlenen algoritmik bir yaklaşımla bir çözüm kümesi önermek için Tamsayılı Doğrusal Programlama (Integer Linear Programming, ILP) ile birlikte bir Havasal Toplama ve Dağıtma Problemi (Aerial Pickup and Delivery Problem, APDP) tanıtılır. Sunulan topoloji modeli ve optimizasyon problemi göz önüne alındığında, İHA değişimine gerek duyulan bir t anında, en az enerji tüketimine sahip uçuş planlamasını sağlamak üzere bir Mekansal Uçuş Planlayıcısı (Spatial Flight Planner) önerilir. Uçuş planlayıcısının gerçeklenmesi için Dinamik Programlama (Dynamic Programing, DP) yaklaşımıyla Bellman-Ford algoritması kullanılarak topoloji grafı üzerindeki en az maliyetli uçuş planı araştırılır. Ayrıca, önerilen sistem, havasal ağın tüm operasyonel zamanını göz önünde bulunduran ve sadece t zamanındaki minimum enerji tüketimini değil, aynı zamanda küresel arama alanını tarayan Zamansal Uçuş Planlayıcısı (Temporal Flight Planner) adlı bir uçuş planlama algoritması ile ilave bir geliştirme daha ortaya koyar. Genişleyen arama alanını makul bir sürede taramak üzere Genetik Algoritmalar (Genetic Algorithms, GA) yaklaşımı kullanılır. Böylece, olası çözüm kümesinin bir kısmı elenerek optimuma yakın bir alt çözüm kümesi taranır ve sistemden daha kısa sürede yanıt alınır. Önerilen sistemin gerçeklenmesinden sonra, algoritmaların zaman ve bellek karmaşıklıklarını ölçmek üzere bir dizi analiz yürütülmekedir. Tezde incelenen havasal ağ için belirlenen uygulama alanı ve çalışılan senaryolar dikkate alındığında, sonuçların uygun sınır dahilinde olduğu belirtilebilir.Önerilen sistemin değerlendirilmesi ve topoloji hakkında enerji farkındalığı gözetmeyen geleneksel bir yaklaşım ile karşılaştırılması için kapsamlı bir simülasyon ortamı sunulmaktadır. Bu sebeple, üç farklı senaryo ölçeği göz önüne alınarak farklı sayıda İHA, karasal son kullanıcı ve kapsama alanı belirlenir. Dahası, simülasyon ortamının oluşturulması ve çıktıların elde edilmesi için gereken bir dizi simülasyon aracı tanıtılır. Ayrıca, simülasyon boyunca kullanılacak ağ mimarisine ilişkin tüm varsayımlar açıkca sunulur. Tezde tanıtılan sistemin değerlendirmesi için, çeşitli boyut ve kanat tipine sahip İHA'lardan en yaygın olarak kullanılan, döner kanatlı dronlar kullanılmaktadır. Simülasyon ortamında test edilen havasal ağın bir sosyal etkinlik için bir araya toplanan kullanıcılara hizmet sağladığı düşünülmektedir. Önerilen sistem ve geleneksel yaklaşım için her bir senaryo ölçeği dört saat çalıştırılarak simülasyon ortamından veriler toplanır ve tezde tanıtılan üç performans kriteri üzerinden bir karşılaştırma sağlanır. Bu performans kriterlerinden δ, simülasyon boyunca harcanan toplam enerji miktarının normalize edilmesiyle elde edilir ve 0-100 arası değerler almaktadır. Değerlendirme sonucuna göre, önerilen sistem, δ parametresi dikkate alındığında %20'ye varan enerji tasarrufu sağlamaktadır. Performans kriterlerinden ikincisi, γ parametresi, havasal ağın varlığı boyunca, hava-kara arasında, ihtiyaç duyulan toplam dron değiştirme sayısını göstermektedir. Bir başka deyişle, hizmet süresi boyunca enerji kaynağını tüketen ve yerdeki yedek dronlardan biri ile değiştirilmesi gereken toplam dron sayısıdır. Elde edilen bulgulara göre, önerilen sistem kullanıldığında, %15'e kadar daha az sayıda dron enerji kaynağını tüketerek değişime ihtiyaç duymaktadır. Performans kriterlerinden üçüncüsü ise, η, bir dronun ortalama havada kalma süresini işaret etmektedir. Önerilen sistem ile bu değer %18 oranında artırılmaktadır. Değerlendirme sonuçlarından elde edilen bulgulara göre, önerilen sistemin, geleneksel bir yönteme göre daha başarılı bir enerji farkındalığı yarattığı vurgulanabilir. Dahası, arama alanının zaman ekseninde genişletilmesi sonucu elde edilen bulguların, belirli bir t anı için elde edilen bulgulara göre daha da iyi olduğu gösterilmektedir. Öte yandan, geniş arama alanında tarama yaparak makul bir sürede çözüm bulmak için kullanılan evrimsel algoritmalar, (Evolutionary Algorithms), rassal yapıları gereği her zaman en iyi sonucu bulmayı garanti etmemektedir. Bu sebeple, GA yönteminin kullanılması ile elde edilen sonuçların evrensel optimum sonuca ne kadar yakın olduğu, sistemin başarımının kanıtlanması açısından, incelenmektedir. Buna göre, Zamansal Uçuş Planlayıcısı'nın DP ve GA yaklaşımları ile gerçeklenmesi sonucu elde edilen bulgular birbirleriyle karşılaştırılır. GA gerçeklemesi ile elde edilen bulguların, DP gerçeklemesi ile elde edilen bulgulara göre %5'e kadar daha kötü enerji farkındalığına sebep olduğu; ancak, GA gerçeklemesi ile sistemin 30 kata kadar daha kısa sürede yanıt vermesinin sağlandığı gösterilmektedir. Bu sebeple, sistemin uygun bir şekilde hizmet verebilmesi için GA yaklaşımının kullanımı onaylanmaktadır. Sonuç olarak, önerilen sistem kullanıldığında, çalışmada ele alınan geleneksel yaklaşımdan daha uygun bir enerji farkındalığı sağlandığı ve önerilen sistemin evrimsel algoritmalar kullanılarak gerçeklenmesinin, daha makul sürede yanıt vermeye yardımcı olurken, sağlanan çözümlerin üstünlüğüne zarar vermediği savunulabilir.Simülasyonlar sırasında önerilen sistem tarafından bulunan çözümlerde, uçuş planlamasının havadaki dronlar arasında yer değiştirmeler içerdiği rapor edilmektedir. Bu sebeple, karasal son kullanıcıların servis taleplerini kesintisiz olarak karşılamak üzere, dronlar üzerine konuşlandırılmış Havasal Baz İstasyonları (HBİ) arasında kullanıcı devri yapılması gerekmektedir. Elde edilen bulgulara göre, önerilen sistem, geleneksel bir yönteme kıyasla %14'e kadar daha fazla kullanıcı devri sayısına (Ψ) sebep olmaktadır. Literatürdeki çalışmalara göre, kullanıcı devri sayısının artması durumunda son kullanıcı performansına dair bazı parametrelerde düşüş yaşandığı görülmektedir. Bu nedenle, önerilen sistemin sebep olduğu kullanıcı devri sayısının, son kullanıcı performansına etkisini araştırmak üzere, simülasyon ortamı genişletilerek ortalama kullanıcı düzlemi gecikmesi parametresi (average access link latency) ve paket kayıp oranı parametresi (packet loss ratio) incelenmektedir. İncelemede, gerçek zamanlı ve gerçek zamanlı olmayan uygulamaların ürettiği heterojen bir son kullanıcı trafiği göz önünde bulundurulur. Değerlendirme sonuçlarına göre, önerilen sistemin %10'a kadar daha fazla ortalama kullanıcı düzlemi gecikmesine ve %19'a kadar daha fazla paket kaybı oranına neden olduğu belirlenir. Sonuç olarak, önerilen sistemin son kullanıcı perspektifinde bir bozulmaya neden olduğu, ancak enerji farkındalığı perspektifinden ise önemli miktarda bir enerji tasarrufu sağladığı sonucuna varılmaktadır. Dahası, literatürde yer alan teknik raporlar incelendiğinde, son kullanıcı performansında meydana gelen kötüleşmenin kabul edilebilir bir seviyede olduğu ortaya konmaktadır. Ayrıca, önerilen sistemin son kullanıcı performansı üzerindeki olumsuz etkisini sınırlandırmak adına, bir Kullanıcı Devri Faktörü İyileştiricisi (Handover Factor Optimizer) algoritması sisteme eklenir. Böylece, son kullanıcı performansında meydana gelebilecek bozulma, önceden belirlenen bir kullanıcı faktörü değeri ile sınırlandırılır. Önerilen eklenti üzerinde gerçekleştirilen zaman karmaşıklığı ve bellek karmaşıklığı analizleri de tezde sunulmaktadır.Son olarak, önerilen sistemin farklı trafik istekleri olan son kullanıcılar üzerindeki etkisini daha ayrıntılı incelemek üzere, sadece gerçek zamanlı ve sadece gerçek zamanlı olmayan trafik istekleri üreten simülasyon ortamları ayrı ayrı incelenmektedir. Böylece, önerilen sistem nedeniyle kullanıcı performansında meydana gelen düşüş farklı trafik isteklerine göre detaylıca ele alınmaktadır ve önerilen sistemin farklı kullanım senaryoları için uygulanabilirliği araştırılmaktadır. Değerlendirme sonuçlarına göre, gerçek zamanlı olmayan trafik istekleri ile ele alınan senaryoda, daha fazla kullanıcı düzlemi gecikmesi ve paket kaybı oranı olduğu görülmektedir. Bu nedenle, önerilen sistemin, gerçek zamanlı olmayan trafik isteği bulunan son kullanıcılar için dikkatli bir şekilde görevlendirilmesi gerektiği vurgulanır. Bununla birlikte, önerilen sistemin uygulama alanı ve tezde incelenen senaryolar dikkate alındığında, genel olarak Hiper-Metin Transfer Protokolü (Hypertext Transfer Protocol Version 3, HTTP3) ve Hızlı Kullanıcı-Datagram-Protokolü İnternet Bağlantıları (Quick User-Datagram-Protocol (UDP) Internet Connections, QUIC) gibi yeni nesil gerçek zamanlı protokoller kullanan son kullanıcı uygulamarı karşımıza çıkmaktadır. Sonuç olarak, bir son kullanıcı tarafından üretilebilecek her iki trafik tipi için, önerilen sistem nedeniyle meydana gelen performans düşüşünün, sistemdeki enerji tasarrufu göz önüne alındığında, kabul edilebilir düzeyde olduğu iddia edilir. The number of networked mobile devices has increased excessively all around the world and the data traffic requests generated by such devices has begun to overwhelm conventional network infrastructures, recently. At the same time, the proliferation of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) in different application areas has also increased. Eventually, these two concepts have been interacting with each other in these days and UAVs becomes one of the most popular tools interacting with computer networking to compose aerial networks. The deployment of such networks provides a flexible and efficient management of traffic requests with a mission specific temporary intention, especially for short duration scenarios. Beside the opportunities provided in aerial networks, there are some major challenges should be carefully recognized to provide the existence of the network in a reasonable and proper way. Energy awareness is one of the major challenges in aerial networks to provide a longer endurance with minimum maintenance cost. There is a considerable amount of interest in the literature to provide energy efficiency for an aerial network. However, the compulsory energy demand to maintain the existence on the air is neglected in most of them. Thus, in the thesis, the major energy consumer of an aerial network is determined as the flying capability and an energy aware endurance framework is presented by taking the flight path planning into account.The energy awareness for a flight planning in an aerial network can be understand in a proper way by considering the fact that there is a relation between energy consumption and flight characteristic of a UAV. The physical forces exposed by a UAV determine the amount of energy consumption during a path traversal. For this purpose, an energy consumption related topology graph is presented in the thesis by accounting a digraph model that has a UAV in each vertex and also has energy consumption cost on each edge. The gravity force is taken into account for graph modeling because of being the determinant one that cause a compulsory energy consumption and three different digraph model are presented for the validation of the proposed approach. Moreover, an Aerial Pick-up and Delivery Problem (APDP) is presented with Integer Linear Problem (ILP) to provide an optimization problem and to recommend a solution set with an algorithmic approach. Considering the graph model provided, a Spatial Flight Planner is implemented using Bellman-Ford algorithm with Dynamic Programming (DP) approach and a flight planning is provided with minimum energy consumption cost when new flight routes is required in the topology at a certain time t. A further improvement is presented in the proposed model with another flight planning algorithm named Temporal Flight Planner that considers the entire operational time of the aerial network and seeks out not only the minimum energy consumption at time t, but also the global search space. The Genetic Algorithms (GA) fashion is utilized to implement Temporal Flight Planner in order to prune some of the solution candidates in the enlarged search space and respond in a reasonable amount of time. Subsequent to the implementation, a complexity analysis for time and memory requirements of the algorithms is also conducted and it is presented that the outcomes are restricted within an appropriate boundary considering the deployment purposes of studied scenarios. A certain case study is presented to evaluate the proposed framework and compare it with a conventional replenishment approach that does not take any information about the topology into account. To this end, three different scale of simulation scenarios and a set of simulation tools are introduced for the evaluation. Moreover, the assumptions about the network architecture is presented clearly and the type of UAVs to be deployed are determined as rotary wings i.e. drones. Eventually, the energy awareness for the end-system perspective is evaluated with respect to a normalized energy consumption value during the operational time (δ), the number of total replenishments between the ground and air named as the replenishment factor (γ), and an average endurance per drone (η). According to the evaluation outcomes, up to 20% less δ value is obtained that corresponds to a remarkable amount of energy saving with the deployment of the proposed framework to compared with a conventional one. Similarly, γ value is decreased with a ratio up to 15% and η value is increased with 18% indicating less number of terrestrial replenishments and more average endurance per drone, respectively. Moreover, considering the stochastic improvement characteristic of evolutionary algorithms, an investigation for GA implementation is conducted to determine the optimality closeness of the provided solution to the global optimum. As a consequence, it can be inferred from the evaluation that the proposed framework is able to provide an energy aware topology maintenance compared with a conventional replenishment approach and the implementation of the proposed framework using evolutionary algorithms does not damage the optimality of provided solutions; rather, it helps to respond in more reasonable duration.The effect of the proposed framework from an end-user perspective is also investigated because it is reported during the simulations that the proposed solution includes some replacement between the drones on the air. Hence, this situation corresponds a more number of end-system initiated handovers for a terrestrial end-user in average. To this end, the number of end-system initiated handovers i.e. the handover factor (Ψ) is investigated for both of the proposed model and a conventional one. A difference up to 14% is reported between these two approaches where the proposed model causes more handovers. Accordingly, the effect of number of end-system initiated handovers is examined with respect to some end-user Quality of Experience (QoE) parameters including average access link latency and packet loss ratio. A heterogeneous end-user traffic generated by real time and non-real time applications is considered in the evaluation. According to the evaluation results, it is presented that the proposed framework causes 10% more average access link latency and 19% more packet loss ratio. As a conclusion, it is deduced from the evaluation that the proposed framework provides causes a disruption on end-user perspective whereas it provides a significant amount of energy saving from the end-system perspective. The trade off between them is also verified in the literature and a Handover Factor Optimizer algorithm is appended to the proposed framework in order to bound the deterioration inside admissible level through a predefined handover factor value. The analyzes for the additional algorithm is also presented.A final investigation is conducted for the effect of the proposed framework on the end-user parameters under different traffic request including only real time traffic requests and non-real time traffic requests. Hence, the deterioration level for different traffic requests is identified and feasibility of the proposed framework is questioned. According to the evaluation results, it is seen that there are more access link latency and packet loss ratio under the case with non-real time traffic requests. Nonetheless, the application field for the proposed system and scenarios studied in the thesis are real time in general because of recent application protocols used by terrestrial end-users such as Hypertext Transfer Protocol Version 3 (HTTP3) and Quick User-Datagram-Protocol (UDP) Internet Connections (QUIC). As a consequence, it can be claimed that the performance degradation of an end-user for both traffic types are in acceptable level considering the energy savings in the end-system. 110

Cisco tarafından yayınlanan teknik rapora göre (Visual Networking Index, VNI), mobil cihazlardan üretilen veri trafiğinin 2021 yılında 49.0 exabayt seviyesine ulaşması beklenmektedir. Bu aşırı trafik yoğunluğu altında, mobil kullanıcıları memnun edebilmek için bu kullanıcıların 5. Nesil (5th Generation, 5G) hizmetlerdeki taleplerine odaklanılmalıdır. Belirtilen bu 5G hizmetleri, Ultra-Güvenilir Düşük Gecikme İletişimi (Ultra-Reliable Low Latency Communication, URLLC) ve Genişletilmiş Mobil Bant (enhanced Mobile Broadband, eMBB) olarak adlandırılır. URLLC hizmetleri araç ağlarında spesifik bir uygulama olan araç takımı (vehicle platoon) ile örneklendirilebilir. Araçların takım halinde ilerlemesi; farklı yol dinamiklerinde bile yakıt ve trafik verimliliğini arttırır ve takım içerisindeki araç arası mesafeleri kontrol ederek sürüş güvenliğini sağlar. Araç ile ağ altyapısı (Vehicle to Infrasructure, V2I) arasındaki 5G bağlantısı sayesinde, takım içerisindeki lider araç kontrol merkezinden trafik akış kontrolü için dinamik kuralları alır ve takım içerisindeki kendisini takip eden araçlara manevra için gerekli verileri IEEE 802.11p bağlantısı üzerinden araçtan araca (Vehicle to Vehicle, V2V) ile iletir. Bu servis, güvenilir veri iletişimi ve katı gecikme (strict latency) şartı gerektirir. Diğer bir yandan; eMBB hizmetleri, eğitim ve oyunlarda kullanılmak üzere 360 derecelik video akışı sağlayan artırılmış ve sanal gerçeklik (Augemented Reality, AR - Virtual Reality, VR) deneyimleri ve yarının otonom arabaları için gerekli veri iletimi olarak tanımlanır. Bu servis; 1080p, 2K, 4K, ve 8K kalitesinde video içeriği sunabilmektedir. Eğlence amaçlı kullanım alanlarında veri iletimindeki gecikme çok önemli olmasa da, otonom araçlarda eMBB servisi hayati rol üstlendiği için çok düşük gecikme ile hizmet vermelidir ve aracın hareketliliği boyunca 5G bağlantısında hiçbir kesinti olmamalıdır.Uluslarası mobil iletişim (International Mobile Communications, IMT-2020) raporuna göre, eMBB ve URLLC servislerinin uçtan uca gecikmesinin (end-to-end Delay, e2eDelay) azaltılarak en fazla birkaç milisaniye (a few miliseconds) olacak şekilde tutulması gerekmektedir. Burada, uzak sunucudan hareketli kullanıcıya aşağı yönde (downlink) akıtılan trafiğin uçtan uca gecikmesi Veri (Data) ve Kontrol (Control) katmanları dikkate alınarak ölçülür. Veri katmanı, Çekirdek (Core) ve Kenar (Edge) ağlarındaki her bir cihazda gerçekleşen kuyrukta bekleme ve işleme süresi olarak modellenmektedir. Kontrol katmanı ise, merkezi kontrolörde hareketlilik prosedürlerinin koşulması için beklenilen işlem süresini içerir. Bu tezde; trafik yoğunluğu ve hareketlilikten doğan problemler düşünülerek, URLLC ve eMBB servisleri için yeni bir uçtan uca gecikme modeli üzerine çalışılmaktadır. Bu nedenle; bu durum kendimize aşağıdaki soruyu sormamıza neden olmaktadır: Aşırı-yoğun ağlarda (Ultra-Dense Networks, UDN) artan trafik heterojenliği ve yoğunluğu altında eMBB ve URLLC hizmetleri için uçtan uca gecikme nasıl en aza indirilir?Bu tezde; eMBB ve URLLC hizmetleri için 5G ağlarında en aza indirilmiş uçtan uca gecikmeyi sunan trafik heterojenliğine ve hareketliliğine duyarlı bir Yazılım Tanımlı Ultra Yoğun Ağ (Software-Defined Ultra-Dense Networks, SDUN) yapısı önerilmektedir. Yukarıda bahsedilen araştırma sorusu, yalnızca önerilen bu SDUN yapısı ile ele alınabilir. Bu yapı topolojiye herhangi bir fiziksel temas gerektirmeden merkezi bir izleme ile dinamik bir şekilde veri katmanını kontrol eder. SDUN, UDN topolojisinde trafik heterojenliğini ve aşırı trafik yoğunluğunu dikkate alan bir yaklaşım sunmak için kenar ve çekirdek ağlarını ortak bir şekilde değerlendirir.Bu konu tezde, şu alt modüllerde detaylı bir şekilde incelenmektedir: Trafik Heterojenliği Yönetimi (Traffic Heterogeneity Management), Trafik Yoğunluğu Yönetimi (Traffic Intensity Management), eMBB servisleri için Devredim Yönetimi (Handover Management for eMBB Services) ve URLLC servisleri için Devredim Yönetimi (Handover Management for URLLC services). Bu alt modüllerin ayrıntılarından aşağıdaki paragraflarda sırasıyla bahsedilmektedir.Trafik heterojenliği yönetimi modülünde; TCP sıkışıklık kontrol mekanizmasındaki kaybolan her paketin zaman aşımı için eklenen ekstra hatta çıkma süresi ve bundan dolayı diğer paketlerin artan kuyrukta bekleme süreleri nedeniyle, UDP (eMBB) trafiğinin TCP (URLLC) trafiğini sıkıştırdığına inanıyoruz. Bu durum; UDP üzerinde taşınan trafiğin bant genişliğini diğer trafik tipiyle dengeli olmayan bir şekilde TCP'nin kullanması beklenen kısımları da kullanmasından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle; ağdaki her cihaz içerisinde hizmet verilen UDP ve TCP üzerinde taşınan trafik sayılarının oranı olarak tanımladığımız trafik heterojenliği parametresi önemli hale gelmektedir. 3. Nesil Ortaklık Projesinin (3rd Generation Partnership Project, 3GPP) yayımladığı sürüm 14 teknik özelliklerine göre, geleneksel kendi kendini organize edebilen ağlarda (Long Term Evolution-Self Organize Networks, LTE-SON) komşu baz istasyonları arasındaki trafik yoğunluğu dengelenirken heterojenlik oranını dikkate alınmaz. İncelenen TCP trafiğinin uçtan uca gecikmesini en aza indirebilmek için, her baz istasyonunun trafik yoğunluğu ve trafik heterojenliği parametreleri dikkate alınarak en uygun trafik yolu belirlenmelidir. Bunun için; 5G ağlarında SDUN tabanlı yazılımlaştırma yapısı öneriyoruz ve bunu üç temel katkı çerçevesinde sunuyoruz. Bunlar; topoloji grafının sanallaştırılması, trafik yoğunluğu ($/rho_j$) ve trafik heterojenliği (H/textsubscript{j}) parametrelerine göre uçtan uca gecikme (e2eDelay) optimizasyonu, ve yeni kuyruk teorisi tabanlı OpenFlow ağ anahtar modeli olarak tanımlanmaktadır. Öte yandan; merkezi SDUN kontrolör yapısının darboğaz sorununu hizmet verme süresini hızlandıracak şekilde çözmek için üç yeni öneri sunmaktayız. Bu öneriler ile uçtan uca gecikme optimizasyon algoritmasını ve en kısa yol algoritmasını parallel koşabilecek şekilde tasarlamış oluyoruz. Bu süreçte uçtan uca gecikme parametresi, Kontrol (Control Plane) ve Veri katmanı (Data Plane) etkisi düşünülerek bir matematiksel kapalı form çerçevesinde yeniden düzenlenmiştir. Sonuç olarak; önerilen SDUN tabanlı e2eDelay modeli, LTE-SON ve geleneksel LTE mimarilerine göre /%74 ve /%98 oranında daha az uçtan uca gecikme ile incelenen TCP akışına hizmet verebilmektedir.Trafik yoğunluğu yönetimi modülünde ise; araç takımı ağlarında (platoon networks) otonom araçların güvenilir veri iletimi ve çok düşük gecikme ihtiyacı olduğuna inanıyoruz. Bunlar, URLLC 5G spesifikasyonu altında temel iki ihtiyaç olarak belirtilmektedir. Tezin bu modülünde, URLLC 5G servisi üzerine odaklanılarak uçtan uca gecikmeyi en aza indirmek için Yazılım-Tabanlı Araç Takım Ağı (Software-Defined Platoon Network, SDPN) tasarlanmıştır. Bu SDPN yapısı, araç takım ağlarında V2V ve V2I bağlantılarını göz önüne alarak Karışık Tamsayılı Doğrusal Problem (Mixed-Integer Linear Problem, MILP) ile uçtan uca gecikme optimizasyonu tanımlamaktadır. Ancak önerilen bu problemin çözümü polinomsal zamanda çözülemez ve NP (Non-deterministic Polynomial) karmaşıklıktadır. Bu optimizasyonun en az sürede çözülebilmesi için, problem temel iki alt-seviyeye ayrılmıştır: Araç Takımı Oluşturma (Platooning) ve Yük Dengeleme (Load Balancing). Seviye 1'de (Level 1), araç takımı oluşturmak için araç grafın en uygun küme örtüsünü (set cover) bulan yeni Merkezi Küme Örtüsü algoritması (Centralized Set Cover algorithm) önerilmektedir. Seviye 2'de (Level 2); makro (macrocells) ve küçük hücre (smallcells) katmanları arasındaki trafik yoğunluğu geçişi, uçtan uca gecikme göz önünde bulundurularak optimize edilmekte ve bunun için yeni Yük Dengeleme algoritması (Load Balancing algorithm) önerilmektedir. SDPN kontrolörünü daha da hızlandırmak için, makro ve küçük hücrelerin yük eşiklerini (load thresholds, $/rho_{m,s}$) dinamik olarak belirleyen bir analitik metodoloji tanımlanmıştır. Bu sayede, etkin maliyetli bir SDPN yapısı elde edilmiştir. Performans değerlendirmesine göre ise, önerilen SDPN yapısı uçtan uca gecikmeyi 3.5 milisaniye altında tutarak geleneksel yapıya göre /%45 iyileştirme sağlamaktadır ve topolojide /%70 daha çok trafik yüküne başarılı bir şekilde hizmet verebilmektedir.EMBB servisleri için devredim (handover) yönetimi modülünde ise; günümüz devredim prosedürü Sanal Geliştirilmiş Paket Çekirdeğinde (virtual Evolvel Paket Core, vEPC) hala üç durumlu olarak gerçeklendiği için, 5G gecikme ihtiyacını istenilen ölçüde karşılayamadığına inanıyoruz. Burada, istenilen uçtan uca gecikme 4 milisaniyenin altında olmalıdır ve eMBB servisinin hareketliliği sırasında herhangi bir bağlantı kesintisi yaşanmamalıdır. Bu ihtiyaç doğrultusunda, uçtan uca gecikmenin Markov modeline odaklanılmıştır. Bu gecikme, aşağı yönde akıtılan eMBB trafiğinin kenar (Edge) ve çekirdek (Core) ağındaki gecikmeleri dikkate alınarak hesaplanabilir. Burada aşırı yoğun trafik altında, kenar ağına teslim edilebilen paket sayısının azalması nedeniyle kenar gecikmesi çekirdek ağından kötü yönde etkilenmektedir. Bu nedenle Hedef Baz İstasyonunu (target eNodeB, TeNB) belirlerken sadece kenar ağını dikkate almak uçtan uca gecikme açısından yanlış tercihe neden olabilir. Bu problemi aşabilmek için, kenar ve çekirdek gecikmeleri ortak olarak ele alınması önerilmektedir. Bu gecikmeler devredim prosedürünün her aşamasından farklı şekilde etkilenmektedir. Bu aşamalar (1) hazırlanma (preparation), (2) gerçekleme (execution), ve (3) sonlandırma (conclusion) olarak adlandırılır. Kenar ve çekirdek ağını ortak şekilde en aza indirebilecek ve devredim aşaması (2)'yi tamamiyle prosedüründen kaldırabilecek tek yapının merkezi bir bakış açısıyla devredim yönetimi sunan yeni bir SDUN yapısı olduğuna inanıyoruz. SDUN yapısı; ağı merkezi olarak izleme ile devredimin en uygun zamanda tetiklenmesini; ve sonrasında, önerilen optimizasyon formülüne göre en uygun TeNB'nin belirlenmesini ve buna uygun en kısa çekirdek yolunun OpenFlow ağ anahtarlarının yoğunluğuna göre çizilmesini sağlar. Bu SDUN yapısı, önerilen Paralel Kenar Gecikme Optimizasyonu (Parallel Edge Delay Optimization) ve Paralel En Kısa Gecikme Yolu (Parallel Shortest Delay Path) algoritmaların paralel koşturulabilen yapısı sayesinde uygun maliyetli hale getirilmiştir.Performans değerlendirmesinde ise; ilk olarak SDUN QUIC tabanlı HTTP/3 1080p çözünürlüğündeki video trafiği akıtan spesifik eMBB uygulaması ile gerçeklenmiştir. İkinci aşamada ise MATLAB ortamında daha çok OpenFlow ağ anahtarına sahip topolojiler için sistem seviyesinde simüle edilmiştir. Sonuçlara bakıldığında önerilen SDUN yapısı 5G gereksinimlerini şu şekilde karşılamaktadır: Kullanıcı başına önerilen yapı çekirdek ağındaki gecikmeyi yaklaşık 7.16 milisaniye azaltmıştır. Bununla beraber kenar gecikmesini sıfır seviyesi (zero-latency level) altında tutarak geleneksel UDN yapısının devredim yönetimine göre /%20 daha fazla paket teslim oranı (delivery ratio) sağlamaktadır. Diğer bir yandan; SDUN yapısının maliyeti O(k/textsuperscript{4}log/textsuperscript{2}(k)) olarak analiz edilmiş ve maliyet verimliliğinin kabul edilebilir ekstra /%8 sanal hafıza kullanımı yanında /%50 arttığı gözlemlenmiştir.URLLC servisleri için devredim yönetimi modülünde ise; uçtan uca hareketliliği ele alabilmek ve araç ağlarının operasyonel ve sermaye harcamalarını (OPEX/CAPEX) en aza indirgeyebilmek için ağ servis zincirleri Ağ Fonksiyon Sanallaştırması (Network Function Virtualization, NFV) ve vEPC ile gerçeklenmektedir. Ancak; ultra-yoğun ağlarında fazla sayıdaki yol kenarı ünitesi (Road Side Unit, RSU) nedeniyle takım halinde seyir eden araçların liderinin artan devredim isteği SDUN kontrolörünü dar boğaz haline getirmektedir ve kontrolörün lidere vereceği cevap süresi artmaktadır. Bu noktada şu sorunun cevabını araştırmaktayız: URLLC servisleri için 5G gereksinimi olan uçtan uca gecikme nasıl en aza indirgenebilir? Bu nedenle; merkezi yaklaşımını bozmadan yeni bir SDUN/NFV kontrolörü tabanlı devredim yönetimi önerilmektedir. Bunun için Küçük Hücre Sanal Ağ Fonksiyonu (Smallcell virtual Network Function, SvNF) ve Makro Hücre Sanal Ağ Fonksiyonu (Macrocell virtual Network Function, MvNF) olmak üzere, yol kenarı ünitesi olarak hizmet veren baz istasyonlarının iki yeni rol tanımı yapılmıştır. Bunlardan ilki yol kenarı ünitesinin fiziksel kapsama alanı içerisindeki araca küçük hücre olarak hizmet vermesi, diğer ise yol kenarı ünitesinin mantıksal kapsama alanı içerisindeki araca gelen veriyi komşu baz istasyonuna yönlendirerek merkezi SDUN kontrolörüne herhangi bir devredim isteği gerektirmeden hizmet vermesidir. Kuyruk teorisiyle modellenen uçtan uca gecikme, önerilen devredim tetikleme algoritması ile SDUN kontrolöründe periyodik olarak izlenmektedir. Bu algoritma, MvNF ve SvNF içeren ağ hizmet zincir uzunluğunun 5G gereksinimini aştığı noktada Devredim Ağ Fonksiyonunu (Handover Network Function) tetikler ve ilgili aracın bağlı olduğu yol kenarı ünitesinden komşu olana doğru devredimini gerçekleştirir. Performans değerlendirmesine göre; önerilen SDUN/NFV mimarisi daha az devredim isteği oluşturarak ve ölçeklenebilirliğini arttırarak SDUN merkezi yapısının korunmasını sağlamıştır. Önerilen algoritma en fazla 7 ağ fonksiyonu içeren servis zincirine izin vererek uçtan uca gecikmeyi yaklaşık 12 milisaniye azaltmıştır. According to the Cisco Visual Networking Index (VNI) report, the data traffic generated from mobile devices is expected to reach 49.0 exabytes per month in 2021. To handle this increase, there is a need to focus on mobile user requirements for specific 5th Generation (5G) services. These applications are newly called as an Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC) and an Enhanced Mobile Broadband (eMBB).URLLC services can be exemplified with a specific application for fully automated driving in a platoon. It decreases fuel consumption in different road dynamics, enhances traffic efficiency, and ensures safety by controlling the space between vehicles. Thanks to the Vehicle to Infrastructure (V2I) communication over 5G links, the leader vehicle takes the dynamic rules from the remote control center. It forwards maneuvers data to the followers in a platoon via the Vehicle to Vehicle (V2V) communication over IEEE 802.11p links. This service requires reliable data transfer and strict latency in downlink traffic flow during mobility. On the other hands; eMBB services are the next generation of entertainment experiences such as Augmented Reality (AR) and Virtual Reality (VR) in 360-degree video streaming for games, education, training and also tomorrows' services such as autonomous driving. It offers 1080p, 2K, 4K and also 8K video quality. Although entertainments do not need strict latency, the eMBB service for autonomous driving requires very-low latency due to directly having a vital role and it does not desire any interruption on the 5G connection during mobility.According to International Mobile Communications (IMT-2020), eMBB and URLLC services need 5G reduced latency requirement; i.e. keeping End-to-End Delay (e2eDelay) in a few milliseconds. It is calculated as Data and Control planes for downlink traffic from the remote host to mobile end-user. Data plane is modeled by queuing and processing delays in Core and Edge networks; whereas Control plane has a processing time of centralized controller due to signaling during mobility procedures. In this thesis, we study a new e2eDelay model while considering the traffic and mobility challenges of URLLC and eMBB services. Therefore; this leads us to investigate the following question: How to reach 5G reduced-latency for eMBB and URLLC services under huge traffic heterogeneity and intensity in mobile Ultra-Dense Networks (UDN)?In this thesis; we propose a traffic and mobility aware Software-Defined Ultra-Dense Network (SDUN) that offers 5G reduced e2eDelay for eMBB and URLLC services. The aforementioned research question can be only handled by the SDUN framework via network-centric monitoring and reconfigurable data plane without any physical touch. SDUN offers an approach by considering traffic heterogeneity and huge traffic intensity in UDN. Here, it proposes joint consideration of edge and core networks. These are studied in following sub-modules separately: Traffic Heterogeneity, Traffic Intensity, Handover Management for eMBB and Handover Management for URLLC services. The details are summarized in the following paragraphs; respectively.In Traffic Heterogeneity Management, we believe that foreground TCP (URLLC) traffic flow is 'squeezed' by UDP (eMBB) background. The reason for it is increasing waiting time in a queue of each forwarding device and extra transmission delay for each timeout in TCP congestion control mechanism. Here, traffic Heterogeneity is defined by the rate between the number of UDP and TCP traffic flows. According to the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 14, conventional Long Term Evolution - Self Organize Networks (LTE-SON) does not consider Heterogeneity rate of traffic flows while balancing the load between neighbor eNodeBs (eNBs). In order to reduce e2eDelay of foreground TCP traffic flow, an optimal path should be selected by considering both load Intensity and traffic Heterogeneity level of eNBs. To do this, we propose a SDUN-based softwarization approach brought by 5G networks with three-fold contributions: virtualization of topology graph (G), e2eDelay optimization which is run in terms of both load Intensity ($/rho_j$) and Heterogeneity rate (H/textsubscript{j}), and a novel Queuing Theory based OpenFlow (OF) switch model. However; due to being a bottleneck in centralized SDUN-Controller, we propose to accelerate the processing rate with novel three heuristics including shortest path and e2eDelay optimization algorithms running in a parallel manner. More specifically, this process is combined into a novel closed-form expression of e2eDelay in two main parts: Data and Control plane effects. As a result, the proposed SDUN-based e2eDelay model serves foreground TCP traffic flow 74/% and 98/% less e2eDelay than LTE-SON and conventional LTE.In Traffic Intensity Management, we believe that autonomous driving in a platoon network requires reliable data transfer and strict latency on downlink traffic. These two requirements have been addressed in 5G under the URLLC specification. In this thesis, we focus on this 5G service, and we design a novel Software-Defined Platoon Network (SDPN) by optimizing the e2eDelay. Our SDPN defines the e2eDelay optimization as a Mixed Integer Linear Problem (MILP) which considers both the V2V and V2I links in a platoon. Here, due to the NP-hard characteristic of our MILP optimization and to reduce the computational complexity of the optimization at the same time, we divide the problem space into two-sub levels: Platooning and Load Balancing. In Level 1, we find the optimum set cover of vehicles by building platoons using a novel Centralized Set Cover algorithm. In Level 2; by considering the transactions between the macrocell and small cell tiers, we balance the traffic load via a novel Load Balancing algorithm. To further accelerate our SDPN controller, we define an analytical methodology to dynamically manipulate load thresholds ($/rho_{m,s}$) for macrocell and small cell tiers in Level 2. According to performance evaluation, our SDPN serves nearly 70/% more traffic load in a topology by keeping e2eDelay under 3.5 milliseconds with a 45/% improvement over the conventional approach.In Handover Management for eMBB services, we believe that handover execution has still been damaging 5G latency requirement due to having three states in virtual Evolved Packet Core (vEPC). Here, the desired e2eDelay should be less than 4 milliseconds without any mobility interruption on an eMBB service of vEPC. To handle this requirement; we need to focus on the Markov model of e2eDelay. It can be measured by the concatenation of Edge and Core delays in the downlink eMBB service from a remote source to a mobile user. Here, Edge delay is directly affected by the Core network via a decreased packet delivery ratio to Edge under huge-traffic intensity background. Therefore, Target eNodeB decision by considering only Edge network can be misleading. To overcome this, we jointly consider Edge and Core delays which are differently affected by each handover states: (1) preparation, (2) execution, and (3) completion. The joint consideration of Edge and Core can be only handled with a novel cost-effective SDUN framework by dynamically removing state (2). It triggers handover via network-centric monitoring; and then, it predetermines optimal TeNB with a proposed optimization formula and shortest Core path according to traffic intensities of OpenFlow switches. Here; SDUN controller is cost-efficient by the proposed parallel runnable algorithms: Parallel Edge Delay Optimization and Parallel Shortest Delay Path. In the performance evaluation; SDUN is firstly emulated for a specific eMBB traffic, i.e. QUIC based HTTP/3 Video content traffic with 1080p resolution, and secondly simulated in system-level on Matlab. It meets 5G requirements as follows: SDUN decreases Core delay 7.16 milliseconds per a UE under huge-traffic intensity and keeps Edge delay under 5G requirement with 20/% more delivery ratio than the conventional one. Moreover, the cost of SDUN controller is analyzed as O(k/textsuperscript{4}log/textsuperscript{2}(k)) and the cost efficiency is observed as the 50/% increased scalability level with the acceptable 8/% extra virtual memory usage.In Handover Management for URLLC services; we believe that the handover is executed with network service chain by vEPC thanks to Network Function Virtualization (NFV) to handle end to end mobility and to reduce the OPEX/CAPEX costs of vehicular networks. However; as the number of handover requests for the leader in platoon has increased in an ultra-dense topology with a high number of roadside units (RSUs), the SDUN/NFV controller has become a bottleneck with an increased response time to a vehicle. In this thesis, we investigate the following research question: How to reach few milliseconds e2eDelay for URLLC services in 5G vehicular networks? Therefore, we propose a new SDUN/NFV based handover management without disrupting the centralized manner of SDUN controller. To do this, we define a logical and physical coverage area of RSUs with two newly redesigned VNFs named as Small cell and Macrocell virtual Network Functions (SvNF, MvNF). The former one is for serving vehicle on RSU as a small cell via physical coverage; whereas the latter one is for forwarding data packets over the same RSU that is a macrocell via logical coverage without any handover request. E2eDelay is monitored by the proposed queuing theoretic formula in a novel Handover Triggering Algorithm which checks the length of service chain and determines the optimal time to run handover network function. According to performance results, the proposed SDUN/NFV architecture offers 12 milliseconds reduced e2eDelay, by keeping it under 5G requirements (a few milliseconds) with a service chain up to 7 lengths and keeping the centralized manner of SDN. 174

Gelecek nesil 5G ağlarda çok fazla sayıda kullanıcı ve baglantının bulunması ` beklenmektedir. Kullanıcı ve baglantı sayısının fazlalıgı ag üzerindeki trafi ` gi` artırmaktadır. 2017 yılında yayınlanan Cisco sonuçlarına göre mobil veri trafiginin ` 2021 yılında aylık yaklaşık olarak 49 exabyte olması beklenmektedir. Bu durum kullanıcıların servis kalitesini azaltmaktadır. Kullanıcı deneyimlerinin azalmaması ve tüm kullanıcıların ihtiyaçları olan veri hızlarının karşılanması için ag kapasitesi ` ve performansının yüksek olması gerekmektedir. Ancak bu şekilde, çok fazla sayıda kullanıcı servis kaliteleri ve veri hızları azalmadan aga baglı kalabilmektedir. ` Bu veri hızlarının karşılanması ve ag performansının artırılması için en temel ` çözümlerden başında aşırı yogun 5G agların kullanılması gelmektedir. Aşırı yogun aglar tek bir makro baz istasyonunun kapsama alanında çok sayıda mikro baz istasyonu ` konuşlandırılarak elde edilir. Mikro baz istasyonları digerlerine göre daha az kapsama alanına sahiptir. Fakat, mikro baz istasyonları küçük kapsama alanlarıyla fazla sayıda gerçekleyerek toplamdaki kapsama alanı, kapasite ve veri hızı artmaktadır. Ek olarak, daha fazla sayıda kullanıcı aga baglanabilmektedir. Sonuç olarak aşırı yogun aglar ` gelecek nesil agların kapasite ve kapsama alanı ihtiyaçlarını karşılamada büyük rol ` oynamaktadır. Yogun agların yukarıda bahsedilen yararlarına ragmen bu aglar farklı açılardan önemli sorunlara neden olmaktadır. Oluşturulan yogun ag, girişim ve enerji tüketimi sorunlarını artırmaktadır. Bu sorunları çözmek amacıyla, 5G aglarda kontrol ve veri ` düzeyi ayrılmış bir yapı kullanılmaktadır. Bu yapıya baglı olarak, mikro ve makro ` baz istasyonları sırasıyla veri ve kontrol sinyal trafigini işlemektedir. Yani, yogun ` 5G agların ihtiyaçlarını karşılayabilmek için ag yapısında bazı degişiklikler yapılması ` gerekmektedir. Yukarıda bahsedilen sorunlara ek olarak, aşırı yogun aglarda handover prosedürü ` ile alakalı birçok sorun bulunmaktadır ve bu tezde handover prosedürü ile ilgili sorunlar ele alınmıştır. Handover prosedürü hareketli kullanıcıların baglı oldukları ` baz istasyonlarını degiştirerek sisteme baglı kalmalarını sa ` glamaktadır. Yani hareketli ` kullanıcılar hareketleri süresinde bulundukları konuma göre farklı baz istasyonlarından hizmet almaktadır. Fakat, aşırı yogun aglarda mikro baz istasyonlarının fazla olmasından dolayı handover sayısı artmaktadır. Handover sayısının fazlalıgı kullanıcı deneyimini azaltmakta ve ag kaynaklarının normalden fazla tüketilmesine neden ` olmaktadır. Aşırı yogun aglarda görülen handover prosedürü ile alakalı birçok ` farklı sorun bulunmaktadır. Handover sayısının artması, handover prosedürünün daha sık bir şekilde gerçekleşmesi, gereksiz handover gerçekleşmesi, handover sırasında gözlenen gecikmelerin artması ve ag üzerindeki sinyal yükünün artması bu sorunlardan bazılarıdır. Bu sorunları çözmek amacıyla 5G agların do ` gru ve uygun ` bir handover yönetim mekanizmasına sahip olması gerekmektedir. Ek olarak, 5G aglarda kontrol-veri kanallarının makro ve mikro baz istasyonlarına ba ` glanmalarından ` dolayı bagımsız bir şekilde aynı anda idare edilmeleri gerekmektedir. Yani, 5G a ` glar ` bahsedilen yapısal degişikliklere ek olarak a ` g yönetiminde de de ` gişikliklere ihtiyaç ` duymaktadır. Yukarıda anlatıldıgı gibi yo ` gun a ` glarda handover ile alakalı birçok problem ` gözlenmektedir. Tezin ilk kısmında bu problemler arasından, handover sırasında gözlenen gecikmelerin artması problemi incelenmiştir ve bu sorunu çözmek amacıyla bir sistem modeli önerilmiştir. Tezin ikinci kısmında ise gereksiz, çok sık oluşan ve iki baz istasyonu arasında sürekli olarak gerçekleşen handover problemleri incelenerek çözümü için bir sistem modeli önerilmiştir. Geleneksel LTE handover prosedüründe, mobil element sinyal parametrelerini farklı baz istasyonlarından almaktadır. Daha sonra alınan bu degerler ba ` glı oldu ` gu baz ` istasyonundan elde edilen degerler ile karşılaştırılmaktadır ve bu karşılaştırmalar ` için birçok farklı tetikleme koşulu bulunmaktadır. Eger seçilen tetikleme koşulu ` herhangi bir baz istasyonundan elde edilen degerler ile saglanıyorsa (Örnegin, baglı olunan ve hedeflenen baz istasyonunun sinyal parametreleri arasındaki fark belli bir sınır seviyesinden yüksek olursa), bu degerler baglı olunan baz istasyonuna transfer edilir. Baglı olunan baz istasyonu gerçekleşecek handover çeşidine ve baz istasyonuna ` karar verir. Daha sonra baglı olunan baz istasyonu belirlenen hedef baz istasyonuna ` handover istegi gönderir ve handover prosedürü başlamış olur. Handover iste ` gi alan ` hedef baz istasyonu bu istegi kabul edip etmeyece ` gi sonucunu gösteren kabul kontrolü ` gerçekleştirir. Kabul kontrolü ile elde edilen sonuç hedef baz istasyonu tarafından baglı olunan baz istasyonuna gönderilir. Baglı olunan baz istasyonu aldıgı sonuçlara ` göre handover komutunu mobil elemente iletir. Bu prosedürler sırasında birçok sinyal ve mesaj mobil element, baglı olunan ve hedeflenen baz istasyonları arasında transfer ` edilmektedir. Bu veri ve sinyal trafigi ag üzerindeki yükü artırmaktadır ve aynı ` zamanda handover prosedürü sırasında gecikmelere neden olmaktadır. Ek olarak, tetikleme koşulunda belirlenen sınır degerleri ve sürelere göre handover prosedürünün ` gerçekleşme sıklıgı de ` gişmektedir. Yani, gereksiz, çok sık ve iki baz istasyonu arasında sürekli olarak gerçeklersen handover problemlerine neden olabilmektedir. Bu problemler aynı zamanda paket kayıplarının ve kesilen çagrıların artmasına neden olmaktadır. Ayrıca, geleneksel LTE handover prosedürünün aşırı yogun aglarda kullanılması yukarıda belirtilen sorunların daha çok artmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla yeni, dogru ve uygun bir handover mekanizması kullanılarak bu sorunların azaltılması gerekmektedir. Bu tezde 5G aglarda handover prosedüründe gözlenen gecikmeleri azaltmak amacıyla yazılım tanımlı ag tabanlı hareketlilik ve kullanılabilir kaynak tahmini stratejisi ` önerilmiştir. Burada, mobil kullanıcıların komşu baz istasyonlarına geçiş olasılıkları ve bu komşu baz istasyonlarındaki kullanılabilir kaynaklar Markov zinciri ile tahmin edilmektedir. Bu matematiksel yapı sayesinde en uygun baz istasyonları seçilerek sanal bir şekilde kullanıcılara aktarılmaktadır. Baz istasyonlarının aktarılması ve tüm baglantılar OpenFlow tabloları ile OpenFlow protokolü kullanılarak ` gerçekleştirilmektedir. Sonuç olarak, normal LTE ve önerilen handover stratejileri yogunluk oranı parametresine göre analiz edilmektedir. Ek olarak handover sırasında ` gözlenen hataların oranı da iki strateji için analiz edilmektedir. Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre, standart LTE stratejisine göre önerilen strateji handover sırasında gözlenen gecikmeleri ve hataları sırasıyla %52 ve %21 oranında azaltmaktadır. Ek olarak, çok fazla sayıda, gereksiz ve iki baz istasyonu arasında sürekli olarak gerçekleşen handover problemlerini çözmek amacıyla, bu tezde, 5G aglarda en uygun baz istasyonun seçilmesi için uzaysal ve zamansal tabanlı hesaplama yöntemi önerilmiştir. Bu yöntemde, baglantı sağlanmadan önce en uygun baz istasyonunun ` seçilmesi için Kriging interpolasyon ile Semivariogram analiz otoregresyon model ile desteklenmiştir. Kriging interpolasyonun stokastik ve istatistiksel davranışı çok iyi bir modelleme performansı saglamaktadır. Bu operasyonlar önerilen baz istasyonu ` tahmin elemanı tarafından gerçekleştirilmektedir. Ek olarak, tüm hesaplamalar ve tahminler 5G agların veri ve kontrol kanallarına ayrı olarak uygulanmaktadır. Elde ` edilen simülasyon sonuçlarına göre, önerilen handover yönetim stratejisi gereksiz, sık ve ki baz istasyonu arasında sürekli olarak gerçekleşen handover problemlerini normal LTE handover stratejisine göre sırasıyla %35, %37 ve %17 oranlarında azaltmaktadır. In next generation 5G networks, there are a high number of mobile nodes andthese high number of nodes produce ultra-high data traffic. Network densificationis a promising architectural solution that can help meet such high data transferrequirements. In such scenarios, very high number of small cells (micro/pico/home)are located within the coverage area of a macrocell. This design results in a low-cost,low-power operation, with a significant increase in the total capacity, coverage, andenergy efficiency of the network.On the other hand, this ultra-dense network architecture leads to different problemsin different aspects. More specifically, this high number of small cell deployments insuch ultra-dense networks (UDNs) may result in unnecessary, frequent, and ping-ponghandovers, with additional problems related to increased delay and total failure of thehandoff process. That can also lead to high packet loss, dropped and blocked calls.Additionally, due to the separation of control and data signaling in 5G technology, thehandover operation must be executed in both tiers.For these reasons, handover management in this specific 5G deployment becomesa challenging issue. We believe that having an optimal and accurate handovermanagement strategy, handover delay and overhead in these deployments can bedramatically decreased. Therefore, in addition to the architectural enhancements, the5G requires improvements in terms of the network management.Accordingly, to solve the handover delay problem, in this thesis, we propose anSDN-based mobility and available resource estimation strategy. Here, we estimate theneighbor eNB transition probabilities of the mobile node and their available resourceprobabilities by using a Markov Chain formulation. This allows a mathematicallyelegant framework to select the optimal eNBs and then assign these to the mobilenodes virtually, with all connections completed through the use of OpenFlow Tables.Finally, we compare the conventional LTE and our proposed handover strategies byanalyzing the observed delays according to the densification ratio parameter. Also,we analyze the handover failure ratios of both strategies according to the user number.Results reveal that the proposed strategy reduces the handover delay and failures by52% and 21% compared to the conventional approach.Moreover, to solve the frequent, unnecessary and ping-pong handover problems, inthis thesis, we propose an optimal eNodeB selection mechanism for 5G intra-macrocellhandovers based on spatio-temporal estimations. In this approach, Kriging Interpolatorwith Semivariogram Analysis is supported by the Autoregressive model for selectingthe optimal eNodeB before the connection setup. The stochastic and statisticalbehaviors of Kriging Interpolation provide better modeling performance. Theseoperations are performed by the proposed EnodeB Estimation Entity. Also, these estimations are applied to both the data and control channels independently. As a resultof the proposed management scheme, unnecessary, frequent and ping-pong handoverrates are decreased by 35%, 37%, and 17% respectively compared to the conventionalhandover method. 72

Cisco tarafından yayınlanan mobil veri trafiği tahmin raporuna göre, global veri trafiğinin 2016 ve 2021 yılları arasında 7 kat artacağı ön görülmektedir. Bunun yanı sıra, 2020 yılına doğru kablosuz veri trafiği kablolu/bağlı (Ethernet üzerinden) daha fazla artarak toplam IP trafiğinin yüzde 67'sini oluşturacaktır. Bu kablolu ağlardan kablosuz ağlara doğru olan sert eğilim mevcut ana ağ yapılanmalarında yürütme, yönetim ve bakım masraflarında yüksek artışlara sebep olmaktadır. Son yıllarda bu sorunu mevcut kablosuz ağ yapılarında (WiFi, LTE) çözebilmek için heterojen ağlar, kendini düzenleyen ağlar gibi teknolojiler önerilmiş ve bu konularda yoğun araştırmalar yapılmıştır.Lakin, bu çözüm önerilerinin hiçbiri kendi başına artan bu yüksek veri trafik talebini karşılamakta yeterli görünmemektedir.Bu sebeple, Üçüncü Jenerasyon Ortaklık Projesi (3GPP) 5G teknolojilerinin standartizasyonun tamamlanmasına öncelik vermektedir.Bu bağlamda, 5G kablosuz sistemleri veri hızını, ağ kapsama alanını ve gecikmeleri iyileştirerek kullanıcıların ve endüstrinin yüksek bant genişliği iştahını karşılamayı planlamaktadır. Bu amaçla, 5G sistemlerin yalnızca belirli bir telsiz erişim teknolojisine odaklanmak yerine mevcut tüm kablosuz ağ yapılarını birlikte kullanarak bu çok kritik hedefe erişmesi ön görülmektedir. Ancak, bu yaklaşım trafik taleplerine ve kullnıcı gezerlik kalıplarında yüksek heterojenliğe sebep olmakta ve ağ yapılarında yürütme ve yönetim masraflarını daha da artırabilmektedir. Diğer bir yandan, yazılım temelli ağlar (SDN) katılaşmış network yapılarında kontrol mekanizması ile haberleşme paketlerin işlendiği ve iletildiği ağ donanımlarını ayırarak ağ yönetimi kolaylaştırmak ve daha esnek ağ yapılarına ulaşılmasını sağlamak için geliştirilmektedir. Aynı zamanda ağ donanımı sağlayıcılarının desteğine ihtiyaç duymaksızın yeni protokollerin geliştirilmesine ve test edilebilmesine olanak sağlamaktadır. Ancak, bu teknoloji başlangış olarak yalnızca kablolu ağlar için geliştirilmiş ve farklı kablosuz ağ ortamları ile entegrasyonu ayrıca çözülmesi gereken ortama özel sorunlar oluşturmaktadır. Yukarıda bahsedilen etmenler çerçevesinde, bu tez 5G tarafından kapsanan kablosuz ağlardaki ortama özgül sorunları çözemeyi ve SDN'in temel özelliklerini vurgulayak bu çözümler doğrultusunda kullanılan SDN yaklaşımının ne kadar yararlı olduğunu değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Bu tezde odaklanılan sorunlar akış (flow) ve enerji yönetimi olmak üzere iki alt kategori çerçevesinde incelenmektedir. İlk olarak akış yönetimi kapsamında planlanan çalışmalar kabul denetimi (admission control) ve yönlendirme protokollerinde yapılan değişikliklerle gerçeklenmiştir. Yukarıda da belirtildiği gibi, 5G sistemler doğrultusunda, güvenilir hizmek ve uygulamalara destek sağlayabilmek için tüm telsiz erişim teknolojilerinin bir arada kullanılması planlanmaktadır. Tezin ilk kısmında, tasarsız araç ağları (VANET) için bir erişim yönetimi protokolü barından bir test ortamı geliştirilmiştir. Bunun yanı sıra, hali hazırda kurulu olan WiFi ağların bu VANET yapılarına dahil edilmesi yeni nesil ağlar için kritik bir adım olarak görülmektedir. Ancak, VANET topolojilerin aynı zamanda ana hücresel ağlar ve adanmış kısa mesafeli haberleşme tarafından daha önceden tanımlanmış temel özelliklerini barındırmaya devam etmesi gerekmektedir. Bu bağlamda, SDN yönetim ve veri uzaylarını ayırarak hantal ağ altyapılarının yönetimi kolaylaştırmak yolunda umut vaat eden bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu fikirden yola çıkarak tezin bu bölümünde öncelikle VANET'ler için mevcut test ortamları araştırılmakta ve sonrasında özgün bir test ortamı mimari önerilmektedir.Bu mimari de WiFi erişim özelliği bulunan yazılımsal anahtarlar yol kenarı birimleri (RSU) ve araçlar olarak kullanılmaktadır. Son olarak, bir kablosuz erişim yönetimi protokolü önerilmekte ve geliştirilen test ortamı üzerinde akış yönetimini sahip olunan bant genişliğine göre uygulamaktadır. Temel gözlemler sonucunda önerilen test ortamı ile elde edilen sonuçların 802.11 WiFi teknolojisinin VANET yapılarında kullanımının uygunluğu vurgulanmıştır. Buna ek olarak, Mininet tabanlı SDN benzetim ortamı geliştirilmiş ve eklenen ölçeklenebilir kabul denetim mekanizması ile ağ altyapısının ölçeklenebilirliği geliştirilmiş ve toplam veri akış debisinin artırılması sağlanmıştır. Bu bağlamda $Mininet$ uygun ve yönetilebilinir bir araç olarak seçilmiş ve SDN temelli kabul denetim mekanizması bu ortam kullanılarak test edilmiştir. Bu açık kaynaklı desteklediği yazılım sürükle bırak özellikleri ile kolayca ayarlanabilmekte ve hızlı bir şekilde protokol geliştirmeye ve test etmeye olanak sağlamaktadır. Ayrıca, kontrol uzayı için, $OpenDaylight$ yazılımı kullanılmış ve bu yazılım üzerinde akış yönetimi birimi geliştirilmiştir. Bu modül OpenFlow anahtarlar üzerindeki trafik yükünü uyguladığı kabul denetim politikalarıyla dağıtmakta ve ağın ölçeklenebilirliğini arttırmaktadır. Veri ve kontrol uzayı arasındaki haberleşme OpenFlow v1.3. sürümü kullanılmış ve Mininet 2.1.0 sürümü Linux tabanlı bir işletim sistemi üzerinde kurularak çalışma gerçeklenmiştir.Akış denetimi probleminin yönlendirme protokolü bakış açısından yaklaşılması bağlamında, ilk olarak yazılım temelli kablosuz ağlar için basit bir test ortamı gerçeklenmiştir.Sonrasında, insansız hava araçlarının çalışma ortamına özgün bir yönlendirme protokolü yazılım temelli insansız hava aracı (SD-UAV) ağları için geliştirilmiştir. Geliştirilen test ortamında Raspberry Pi cihazları OpenFlow anahtarları gerçekleştirmek için kullanılmıştır.Bu test ortamı yazılım temelli kablosuz ağlar için pratik bir algoritma geliştirme ve sınama ortamı sağlamaktadır.Ayrıca, kullanılan OpenDayLight yazılımı ile ağ içerisindeki akışlar ve olaylar detaylı şekilde izlenebilmektedir. Bu yazılım sayesinde elde edilen istatiksel bilgiler geliştirilen algoritmaların beklenilen yararlarını ölçmekte ve onaylamakta yardımcı olmaktadır. Bunun yanı sıra, geliştirilen basit yönlendirme algoritması ile akışlara ait trafikler uygulama protokollerine göre farklı yollar üzerinden hedeflere aktarılabilinmektedir.SDWN test ortamının gerçeklenmesinden sonra, tez içerisinde, kablosuz cihazlar altyapıdan bağımsız bağlanabilirlik sağlayabilme yeteneği barından ve askeri keşif, afet kontrolü gibi kritik uygulamalar da kullanılan insansız hava araçlarının (İHA) oluşturduğu kablosuz ağ yapıları için uçtan uca dirençli bağlanabilirlik kavramı UAV ortamlarına ait özgün çevre ve senaryo varsayımları altında işlenmiştir.Bu amaçla, ilk olarak, İHA'lerin farklı telsiz haberleşme teknolojilerine ait arayüzleri barındırdığı ve bunlara ait standartları kullanabildiği varsayılmaktadır.İkinci olarak, 3 boyutlu haberleşme ortamında İHA birimleri arasındaki haberleşmeyi gürültü oluşturarak bozmak isteyen art niyetli birim veya birimlerin olduğu düşünülmüştür.Üçüncü olarak, İHA'ların yazılımsal anahtarlar olarak çalışma kabiliyetlerinin olduğu bir ağ ortamı üzerine kurulu yazılım temelli bir kontrol uzayının mevcut yönetim talimatları ile veri uzayındaki iletim komutlarının yürütülmesine ve yönlendirmelerin sağlanması için tercih edilen rotaların tayinine karar verdiği varsayılmaktadır. Böyle bir sistem için önerilen yöntem farklı telsiz iletişim arayüzlerinin tercihine ve IHA'lar arasındaki bağlantıların ağırlıklarına doğrudan ilintili olan bir metrik içermekte ve kullanmaktadır. Bunun yanı sıra, çözüm çok katmanlı bir çizge modeli kulllanmakta ve yönlendirmede kullanılmak üzere 3 boyutlu ortamda fiziksel olarak birbirinden ayrık rotalar yaratarak ağ yapısının karıştırıcı telsiz işaretlerine karşı direncini arttırmaktadır.Simulasyon sonuçları ağdaki uçtan uca bağlantılarındaki kopma oranın yüzde 34 oranında iyileştirildiğini göstermektedir. Ancak buna kazanıma uctan uca bağlantılardaki ortamalama gecikme süresi yüzde 12 oranında artmasına sebebiyet vermiştir. Son olarak, tezde hücresel ağlardaki enerji yönetim problemi hedef alınmıştır. Daha önce de belirtildiği gibi, kablosuz ağlarda kullanıcılar tarafından oluşturulan veri talebi hergün artmaktadır.Bu artış talep artışını karşılayabilmek için küçük hücre erişim noktaları (eNodeB) 3GPP tarafından LTE standartına eklemiştir.Ancak, bu cihazların tak çalıştır yetenekleri kolaylıkla gereğinden fazla erişim noktasının kurulmasına ve ağ altyapısının plansız bir şekilde büyümesine sebebiyet verebilmektedir.Bu durum yalnızca yönetimsel karmaşıklığı arttırmamakta aynı zamanda ağ altyapısı tarafından kullanılan enerji miktarını da yükseltmektedir. Tezin bu bölümünde, hücresel kablosuz ağlardaki küçük hücre erişim noktalarının güçlerini kontrol eden ve bu kontrol sonucu ağın topolojisini değiştiren özgün bir yönetim çerçevesi önerilmiştir.Önerilen çözüm literatürdeki diğer çalışmaların aksine birden fazla trafik tipi altında kullanıcıların algıladığı hizmet kalitesini de göz önününde bulundurarak çalışmaktadır. Bu amaçla, bu çalışmada enerji ve spektrumun etkin kullanımı arasındaki ilişki incelenmektedir. Bu doğrultuda, öncelikle yalnızca iletim ve cihaz güç tüketimlerine odaklanmayan bunun yanı sıra hizmet kalitesini de girdil olarak alan özgün bir enerji etkinliği metriği tanımlanmıştır. Bu metrik geleneksel $bits/joule$ enerji etkinliği parametresine ek olarak spektrum etkinliğine ilişkin işaret gürültü oranı gibi parametrelerde kapsanmakta böylelikle çok hedefli karmaşık bir optimizasyon problemi tek hedefli bir probleme indirgenebilmektedir. Sonrasında, geliştirilen özgün kaynak atama modülü ile frekans blokları küçük hücreler arasında hücreler arası gürültü göz ardı edilerek dağıtılmaktadır. Birimler arasındaki haberleşme kuyruk teorisi kullanılarak modellenmiş ve farklı trafik birimleri için farklı kuyruk yapıları ile birimler arasındaki haberleşmede oluşan gecikme hesaplanmaktadır. Ayrıca, önerilen enerji etkinliği parametresi kullanılarak tanımlanan optimizasyon problemi geliştirilen özgün sezgisel `Çok Seviyeli Dallanma ve Budama` (MLBB) algoritması ile çözülmektedir. Bu algoritma birinci seviyede kapatılabilecek küçük hücreleri saptayarak enerji tasarrufu sağlamakta, ikinci seviyede ise küçük hücrelerin anten güçlerini azaltıp bağlı olan kullanıcılar komşu küçük hücrelere atayarak enerji tasarrufunu arttırmaktadır.Geliştirilen enerji yönetimi çerçevesinin performansını ölçmek için, düşük yüklü küçük hücrelerin uyutulması yaklaşımı ve geleneksel enerji metrikleri kullanılmış ve elde edilen sonuçlar geliştirilen yönteme ait sonuçlarla karşılaştırılmıştır.Gözlem ve analizler sonucunda, geliştirilen yöntemin düşük yüklü küçük hücrelerin uyutulması yaklaşımından yüzde 67 daha az gecikme daha etkin enerji kullanımı sağladığı; geleneksel enerji metrikleri ile karşılaştırıldığında ise yüzde 7 daha az gecikme ile yüzde 2 daha yüksek enerji tüketimi yaptığı gözlemlenmiştir. According to Cisco's Visual Networking Index Global Mobile Data Traffic Forecast Report, it is estimated that the global mobile data traffic will increase sevenfold between 2016 and 2021. While, wireless data traffic will grow faster than wired/fixed data traffic (connected through Ethernet) and reach to 67 percent of overall IP traffic by 2020. This aggressive trend from wired to wireless communication technologies also leads a huge increase in the operational, administrative and maintenance activities costs in the current core network deployments. In order to meet these challenges of the current wireless networks deployments (WiMax, LTE), the technologies such as Self-Organizing Networks, Heterogeneous Networks (HetNets) have been proposed and investigated thoroughly in the recent years by academia and industry. However, none of these solutions is solely sufficient to meet the huge upcoming data traffic demand by users globally. Thus, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) focuses on completing standardization of 5G technologies. To this end, 5G wireless systems aim to satisfy bandwidth-thirst of users and industry by improving data-rates, network coverage and latency. In this manner, it is foreseen that 5G systems should rather combine and utilize currently deployed wireless technologies than target for a particular Radio Access Technology (RAT) to accomplish this crucial goal. However, this proposal brings up high heterogeneity in traffic demands and various mobility patterns that further complicates the operation and the management of the network. Meanwhile, SDN is proposed to ease the management of ossified networks by separating the control mechanisms from the actual network hardware where communication data is processed and forwarded. It also boosts the opportunity to implement and test new protocols without vendor intervention. However, since SDN is initially developed for wired networks, integration of SDN with various wireless domains brings out unique challenges that should be handled individually. With the consideration above in mind, this thesis aims to solve the unique challenges of wireless technologies consisted by 5G systems and evaluate the benefits of integrating SDN approach will be to these systems by emphasizing the basic features of SDN. The problems meet in the thesis are defined under two categories such as flow and energy management. First, the proposed flow management solutions are conducted by using manipulating admission control and routing protocols. As mentioned earlier, towards 5G system, it is planned to utilize all possible radio access technologies in order to support reliable services and applications.As the initial part of the thesis, a SDN test-bed with an access management protocol is proposed for Vehicular Ad-hoc Networks. Also, the inclusion of already-deployed Wi-Fi networks in VANET topology is seen as a crucial step for the next generation vehicular networks. However, the VANET topology also requires to preserve the features already offered by dedicated short-range communication (DSCRC) and the core cellular network. To this end, Software Defined Network (SDN) provides a promising opportunity to simplify the management and the control of clumsy network infrastructures by decoupling data and control plane in order to provide elasticity for current networks. Thus, we propose an architectural model which exposes this opportunity in order to enhance VANET with Wi-Fi access capability. Moreover, we offer a novel Software Defined (SD) VANET architecture which consists of soft OpenFlow switches with WiFi capabilities both as Road Side Units and Vehicles. In particular, we first investigate existing test tools and environments for software defined wireless networks and also supply a novel test-bed architecture in order to provide feasible test environment for evaluating the proposed architecture. Lastly, a Wireless Access Management (WAM) protocol is proposed to provide wireless host management and basic flow admission with respect to the available bandwidth to validate the capability of the offered architecture. The basic observation results of the deployed testbed prove the conformity of the offered 802.11 architecture to the VANET. Additionally, we develop a Mininet-based Software-Defined Network (SDN) simulation environment that improves the total flow throughput and scalability of the overall network. Mininet is chosen as a suitable and manageable tool to implement the SDN based flow admission control module in order to configure the entire topology since it has already built in OpenFlow switches and virtual controllers. This open-source platform is also easily configurable via its drag and drop capabilities. Furthermore, for the Control Plane, OpenDaylight controller is used in order to simulate flow admission control module that fairly admits flows into the OpenFlow switches. OpenFlow version 1:3: for communication between separated Data and Control plane and Linux based operating system to build Mininet 2:1:0 are deployed in the simulator environment. From routing protocol point of view to flow management challenge, first a simple test-bed is implemented for Software Defined Wireless Networks as follows. After that, an environment-specific routing protocol is developed for SD-UAV networks. Raspberry Pi's are used as OpenFlow (OF) Switches in the implemented real-time testbed for SDWN. The testbed provides an opportunity to practical development and testing environment for SDWNs. Moreover, we use OpenDayLight to observe the flows and events in the network. With OpenDayLight integration, we easily provide detailed analysis results for any testing process. Also, we develop a traffic aware routing algorithm add-on which manages the flows w.r.t. their QoS requirements. Finally, we physically implement the proposed routing algorithm to our testbed and validate the improvements of traffic aware routing such as controller response time and network utilization. After SDWN test-bed, next part of the thesis focuses on the design of a resilient end-to-end connectivity paradigm under unique architectural and scenario assumptions for Unmanned Aerial Vehicular networks which have capabilities to extend wireless access for devices without infrastructure coverage, and also help establishing a connectivity backbone during military reconnaissance and disaster events. In this manner, first, we assume that the UAVs themselves are equipped with multiple interfaces that use standardized protocols, with associated variation in data throughout, range, and bit error rates. Second, there may be adversarial agents seeking to disrupt connectivity through targeted jamming in 3D spaces. Third, we assume an overlay software defined control plane, where the UAVs function as software switches, able to execute forwarding commands and determine preferred routes under controller directives. Our proposed solution devises metrics that influence the choice of the wireless interface and weights edges formed between UAV pairs. Furthermore, it also uses a multi-layer graph model and creates maximally separated paths in 3D space to ensure resiliency to jamming. Simulation results conducted for urban scenarios reveal 34% improvement in enhanced resiliency for end-to-end outages by trading off 12% increase in latency over competing approaches. Lastly, energy management problem is investigated in the thesis for cellular networks. As mentioned earlier the wireless user demands dramatically increase everyday, and in order to meet increased traffic demands of indoor users, small cell access point (eNodeB) deployment has been introduced in recent 3GPP LTE-A releases (v.8 and further). However, plug and play nature of the eNodeBs lets a dense deployment of eNodeBs and easily cause over-provisioned network infrastructure. Therefore, the consumed power of network topology is extremely increased. While most of the studies aim to optimize power consumption on single traffic types, in this part of the thesis we provide a novel framework which consists of multi-traffic types approach corresponding power adjustment as well as Quality of Service (QoS) requirements of end-users. In order to gain more power saving by considering QoS of end-users, we focus on the energy efficiency vs. spectrum efficiency trade-off. In this manner, we propose a novel Energy Efficiency Coefficient (EEC) in order to consider QoS of end-users and channel utilization parameters while degrading power consumption. This parameter covers conventional bits= joule energy efficiency metric (power part) and additionally contains parameters such as channel utilization and Carrier-to-Interference Ratio (CIR) (QoS part). Moreover, a novel Resource Auction module is proposed that simply assigns resource blocks to low-utilized cellular networks ignoring interference, because of already taking care in proposed EEC formula as CIR. Furthermore, the p2p delay is defined in terms of different traffic types. The traffic types are modelled by using Queuing Theory that enables parametrize p2p delay in terms of utilization effect in proposed EEC formula. Therefore, p2p delay is defined in closed-form expression that provides transition from empirical p2p delay to analytic p2p delay. We also define an optimization problem which employs novel EEC parameters to determine new power levels (8-levels) for eNodeBs configurations with less power consumption. To solve this optimization problem, we introduce a novel heuristic called `Multi Level Branch and Bound Algorithm` (MLBB). MLBB algorithm contains two nested branch and bound algorithms which manipulates end-users differently. In order to measure performance of proposed EEC, the comparison with Sleep mode (simply power-off non-utilized eNodeBs without considering QoS of end-users), and conventional EEC (bits/joule formula without considering CIR that affects QoS of end-users) is preferred. Consequently, the proposed EEC serves end-users with 67% better QoS than the Sleep Mode and 6,2% than Conventional EEC by waiving from power consumption in acceptable rate (loss about 2,5% compared with conventional EEC) because of including utilization effect in proposed EEC formula and taking care QoS of end-user in optimization process (especially two functions between lines 5-28 in MLBB algorithm). 126

İnternet servis sağlayıcılar tarafından oluşturulan 802.11 kablosuz erişim ağları; hücresel ağda yer alan trafik yükünü dağıtmak, kullanıcılara kesintisiz veri erişim olanağı sağlamak ve kapalı alan kapsama oranını arttırmak için büyük önem taşımaktadır. Cisco tarafından yayınlanan VNI raporuna [1] göre; 2020 yılında 802.11 özelliklerine sahip cihaz sayısı, hücresel erişim özelliklerine sahip cihaz sayısının üç katı olması beklenmektedir. Tüm bu özellikler göz önüne alınarak servis sağlayıcılar erişim noktası sayılarını arttırmaya devam etmektedirler. Servis sağlayıcılar tarafından oluşturulan 802.11 ağlarında yer alan erişim noktası sayısının artışını gösteren veri yine Cisco tarafından yer alan VNI raporunda yer almıştır.Kullanıcı sayısı ve erişim noktası sayısının artması ile servis sağlayıcılar tarafından oluşturuan kablosuz erişim ağlarında çözülmesi gereken yeni problemler ortaya çıkmıştır. Örnek olarak erişim noktalarının artması sonucunda, bu erişim noktalarının yayınları birbirini etkiler duruma gelmiştir. Bunu çözebilmek için sahadaki kanal ve güç planlamasının optimal bir şekilde yapılması gerekmektedir. Bu problem ile başa çıkabilmek için gerçeklenecek olan çözümün saha koşullarını göz ardı etmeyerek dinamik olarak aksiyon alması gerekmektedir. Bu işin el ile planlanıp sahaya uygulanması durumunda servisin sürekliliği ve hizmet kalitesi düşecektir. Bu problemi çözmek amacı ile literatürde merkezi bir kontrol sistemine bağlı kaynak atama çözümleri mevcuttur. Kullanıcılar için erşim noktalarına bağlantı yetkilerinin yönetilmesi ise mevcut bir başka problemdir. Kullanıcıların erişim noktalarına bağlanma yetkilerinin yönetilmesi ise mevcut bir başka problemdir. Bu problemin çözümü için de oluşturulan standartlar ve literatürde yer alan çalışmalar ortam erişim kontrolünün merkezi bir otorite tarafından yönetilmesini öngörür. Merkezi otorite ihtiyacı sisteme anlık bağlı kullanıcıları belirlemenin dışında kullanıcı sayısının çok olmasına bağlı olarak belirlenmiş bir kısıttır. Sahada yer alan erişim noktalarının yerel belleklerinin kısıtlı olması kullanıcı listesinin bu cihazlarda saklanmasını engelleyen önemli bir faktördür. Kullanıcıların erişim noktaları arasında hareketli bulunduğu durumda gönderdikleri bağlantı isteklerinin yönetilmesi ve kullanıcının en uygun erişim noktasına bağlı kalmasının sağlanması da literatürde yer alan çalışmalarda yine merkezi bir görü eşliğinde optimal bir şekilde yönetilebilecek bir süreç olarak nitelendirilmiştir.Yukarıda belirtilen ihtiyaçlar ve çalışmalar doğrultusunda erişim noktası üreticileri kendi merkezi kontrol yazılımlarını oluşturmuştur. Pazarda yer alan beş büyük kablosuz erişim noktası üreticisinden; pazar payının %50'ye yakın bir kısmına sahip olan Cisco ve Aruba'nın sunmuş olduğu çözümler birbirinden farklı kontrol altyapıları önermektedir. Standart bir kontrol arayüzü ve mimarinin bulunmayışı, servis sağlayıcıların mevcut sistemlerin birbiri ile çalışması gereken durumlarda uyumsuzluk meydana getirmektedir. Bu uyumsuzluğu çözmek adına gerçekleştirilen çözümler ise servis sağlayıcıların yatırım maliyetlerini artırmaktadır. Bunun önüne geçebilmek amacı ile merkezi kontrol yazılımlarının sahadaki erişim noktaları ile konuşabileceği standart bir arayüz oluşturma ihtiyacı doğmuştur. Bu ihtiyacı karşılamak üzere yapılan çalışmalarda en yaygın kullanıma ulaşan sonuç CAPWAP [6] olmuştur.CAPWAP [6], MAC katmanından uygulama katmanına kadar tüm trafiğin merkezde bulunan kontrol yazılımına aktarılmasını öngören bir protokoldür. Bu protokol; kullanıcıların erişim kontrollerinin, yük dağıtma işlemlerinin, erişim kısıtlamalarının ve çeşitli güvenlik özelliklerinin sağlanmasını mümkün kılmaktadır. Fakat, CAPWAP içerisinde tüm trafiğin merkezi kontrol yazılımına ulaşması gerekliliği protokol ile yönetilebilecek erişim noktası ve bağlı bulunabilecek kullanıcı sayısını sınırlayan bir faktör olarak ortaya çıkmaktadır. Bunun yanında uçta yer alan kablosuz erişim cihazlarının telsiz parametrelerinin ayarlanması sürecinde üreticiye özel mesajların kullanılması gerekliliği farklı üreticiye ait cihazların sistem entegrasyon süreçlerinin uzamasına neden olmakta ve bu işlemin maliyetini artırmaktadır.Son yıllarda yaygın bir hale gelen Yazılım Tanımlı Ağlar(SDN) çözümü ise ağda yer alan veri ve kontrol mantığının yönetildiği yerleri tamamen ayıran bir çözümdür. Bu yeni ağ teknolojisinin temelinde, ağ üzerinde yer alan kontrol mantığı olarak adlandırılan yönlendirme, erişim kontrolü ve güvenlik kısıtlamaları gibi işlemeler merkezde yer alan bir sunucu tarafından gerçeklenmektedir. Sunucu, tespit ettiği yönlendirme ve engelleme kurallarını erişim cihazlarının yönlendirme tablolarına yükleyerek veri trafiğini bu cihazlara aktararak üzerindeki yükü azaltmaktadır. Sunucunun kuralları yüklemesi sırasında uç cihazlar konuşmak için kullandığı arayüz olarak kullanılan protokol de ONF tarafından bir standart olarak yayınlanmış ve OpenFlow olarak isimlendirilmiş bulunmaktadır. Ağda yer alan erişim cihazları ise yalnızca sunucu tarafından kendisine bildirilen kurallara göre yönlendirme yapan jenerik cihazlar olarak tanımlanmaktadır. Bu tanım sayesinde üretici bağımsız bir ağ kurulumuna imkan sağlamanın yanı sıra, merkezde yer alan bir kontrol birimi tarafından kaynak atamasının yapılması ile ağa ait kaynakların optimal bir şekilde kullanılması hedeflenmektedir. Bunun yanında, yeni özelliklerin sahaya uygulanmasının tek bir noktadan hızlıca sağlanması SDN teknolojisini yaygınlaştıran en temel etkenlerden olmuştur.SDN teknolojisinin merkezi yönetim imkanı bulunması, veri trafiğini uç cihazlar üzerinden akıtarak merkez yazılımdaki darboğazı engellemesi, üretici bağımsız erişim cihazlarını desteklemesi ve bu cihazlar ile konuşmak için standart bir arayüzü sunması özellikleri bir araya geldiğinde kablosuz erişim ağlarının yönetimi için uygun bir çözüm olduğu öngörülmektedir.Bu kapsamda, tezin içeriği olarak kablosuz erişim ağlarında karşılaşılan problemleri adresleyecek SDN tabanlı bir kablosuz erişim yönetim protokolü, SDN-WAM, tasarlanmıştır. Tasarlanan protokol, kablosuz kullanıcıları jenerik kablsouz erişim cihazlarının bir portu olarak sanallaştırmaktadır. Sanal portların fiziksel olarak açılıp kapatılması işlemi ise, kullanıcıların ağa kabul edilmesi ve ağa erişimlerinin kesilmesi olaylarının karşılığı olarak tanımlanmıştır. Bu özellikler kullanılarak, erişim noktalarına bağlı bulunan kullanıcı sayıları da kontrol altında tutulmuş ve dengeli olarak dağıtılmıştır. Protokol kapsamında gerçeklenen trafik izleme modulü ile kullanıcılara ait trafiklerin ayrık olarak bant genişlikleri ölçülmüş, bu ölçümlere bağlı olarak yeni akışların kabulu için bir algoritma gerçeklenmiştir.Tasarlanan SDN-WAM prtokolünün uygulanabilirliğini ölçmek amacı ile bir sunucu ve jenerik erişim cihazlarından oluşan bir test ortamı gerçeklenmiştir. Gerçeklenen test ortamında sunucu üzerinde kontrol yazılımı olarak Opendaylight kullanılmıştır. Opendaylight üzerinde SDN-WAM protokolünü test edebilmek amacı ile trafik izleme modulü (TMIM), akış kabul kontrol algoritması modülü (FACAM) ve erişim kontrol modülü (ACM) gerçeklenmiştir. Jenerik kablosuz erişim cihazları olarak ise Raspberry Pi kullanılmıştır. Raspberry Pi üzerine kablosuz erişim özelliği ise Pi-Hut USB kablosuz erişim modülü eklenerek sağlanmıştır. Pi-Hut kablosuz erişim modülünün sürücü yazılımı SDN-WAM protokolü içerisinde öngörülen sanallaştırmayı gerçekleyecek şekilde değiştirilmiştir.SDN-WAM, geliştirilen test ortamı üzerinde çalışır hale getirildikten sonra kampüs içerisinde çalışır hale getirilmiştir. Canlı test ortamından, geliştirilen protolün uygulanabilirliğini ve izleme yeteneklerini ortaya koyan; erişim noktasına bağlı kullanıcı sayısı, kullanıcı başına trafik miktarı, trafik başına burstlerin ve ortalama bant genişliklerinin tespit edilmesine ait grafikler okuyucuya sunulmuştur. Bunun yanında, gerçek zaman trafikte servis kalitesini geliştirme adına yapılan çalışmalar ve kontrol yazılımı üzerinden aktarılan trafiğin uç cihazlara aktarımı sonucu kontrol arayüzündeki azalan trafiği gösteren grafikler de okuyucuya sunulmuştur. ISP based Wi-Fi Hotspot deployments have emerged potential for offloading cellular traffic through existing hotspot deployments, increasing indoor coverage and providing continuous service access to the end users. ISPs favors the utilization of existing Wi-Fi infrastructure for offloading the cellular traffic. Furthermore, growth in the number of hotspots continues as a result of ISPs investments on Wi-Fi based hotspots. Cisco VNI report also revealed the potential of Wi-Fi Hotspot deployment for service providers by estimating the number of Wi-Fi devices as three-fold of cellular devices by 2020. In addition, ISPs such as Turkish Telecom expands the Wi-Fi Hotspot coverage by offering contracted customers a free Wi-Fi access in public Wi-Fi access areas in exchange of using customer's equipment for broadcasting ISPs SSID and customer's line for carrying the traffic. Indoor coverage area of ISPs also increased with given marketing strategy. Furthermore, the customers benefit from the free access of carrier's Wi-Fi hotspots and reached a continuous service access in public places as well. However, management of radio resources such as channel assignments of hotspots, wireless user access control, flow admission control of the users and new service deployment are the main issues which need to be addressed by the ISPs.Lead access point vendors such as Cisco, Aruba and Ruckus Wireless which holds more than 50% of the market share in top five access point vendors offer vendor-specific solutions for the issues given above. However, architecture and protocol overlay of the Wi-Fi Access Network solution varies for different vendors. Thus, inter-operability of vendor-specific solutions are limited. To this end, service deployment process becomes unnecessarily complex for ISPs when vendor-specific solutions are applied to the field.Additionally, requirement for standardization is highlighted by ISPs and effort has been put by technology pioneers such as Cisco. As a result, CAPWAP [6] is developed and deployed as a solution candidate. What's more, CAPWAP [6] recently became the most common management protocol used for wireless access networks. As a result of bottleneck in traffic relayed to the wireless controller in CAPWAP [6] and requirement for vendor-specific implementation for resource utilization, research in ISP based Wi-Fi access management on vendor-agnostic solutions and resolving the bottleneck problem in controller still needs to be addressed.SDN separates the control logic and the forwarding logic of the network into two separate domains: control plane and data plane. A controller is employed in control plane for running the logical operations of the network such as forwarding logic, access control and firewall etc. The controller installs the forwarding and blocking rules into the flow tables of the access elements placed in the data plane of the SDN topology. The controller installs the rules to the flow tables using a protocol which is standardized by ONF and named as OpenFlow. The access elements placed in the data plane are generic devices designed to run forwarding logic installed in their flow tables by the controller and named as OpenFlow Switches. SDN approach enables the optimization of radio resources and load balancing in the access network using the global view of the controller.The highlighted features of the SDN enhanced together makes SDN a promising candidate for addressing the unresolved problems, vendor-specific nature of existing solutions and bottleneck in traffic relayed to the controller, in management of ISP based wireless access network. To this end, a new wireless access management protocol, SDN-WAM, has been designed within the context of this thesis. SDN-WAM virtualizes each wireless client as an interface of the generic access device. In addition, the access control of wireless users are mapped to the open and shutdown events of interfaces. Traffic monitoring interface module is developed to track the bandwidth consumption of each flow generated by the users. The flow admission is handled by the basic flow admission control algorithm module which utilizes information gathered by the traffic monitoring interface. Finally, the access control of wireless clients are handled by designed access control module, which aims to balance the load of access devices.Additionally, an SDWN testbed has been developed within the context of this thesis to prove the validity of the offered wireless access management protocol. Opendaylight is used as the controller of the SDWN network. Traffic Monitoring Interface Module, Flow Admission Control Algorithm Module and Access Control Module defined in SDN-WAM is implemented as a north-bound module to the Opendaylight. The hardware of OF switches implemented in the testbed consists of Raspberry Pi with Pi-Hut USB Wi-Fi dongle. The wireless driver of OF switches is modified to provide the virtualization function described in SDN-WAM. This thesis is finalized by presenting the monitoring results, which prove the applicability of the given protocol to real-life deployment scenarios. 73

Bilgi ve bilgisayar güvenliğini iki ortam için farklı düşünmek gerekir; Bireysel kullanım amaçlı bir bilgisayarın güvenliği söz konusu olduğunda, bilgisayara girme ve bu bilgisayarda bulunan veriler üzerinde işlem yapabilme akla gelmektedir. Kurumsal bilgi sisteminin güvenliği söz konusu olduğunda, çok sayıda bilgisayardan oluşan bir yapının güvenliği düşünülmelidir. Bilgisayar sayısının çokluğu ve bunların birbirine yerel bilgisayar ağı (YBA) ile bağlı olmaları; YBA üzerinde başka donanımların bulunması, kurumsal bilgi sisteminin güvenliğini karmaşık hale sokmaktadır. Kurumların koruması gereken varlıkları, verileri, kaynakları ve özellikle de saygınlıklarıdır. Özellikle toplumda saygın konumu olan üniversiteler, bankalar ve kamu kuruluşlarının birinde olabilecek bir güvenlik açığı, bu kuruluşa olan güveni çok sarsar. Örneğin, İnternet bankacılığındaki bir güvenlik açığının toplum tarafından öğrenilmesi, müşterilerin o bankadaki hesaplarını kapatmasına neden olabilir. Ya da İTÜ gibi saygınlığı ön planda tutan ve tutması da gereken bir kurumun sistemindeki bir güvenlik açığının kullanılıp veri çalınması, okulun itibarını yerle bir edecek ve okula duyulan güveni de sarsacaktır. Bugün Türkiye'de hala üniversiteler için belirlenmiş zorunlu bir güvenlik politikası bulunmamaktadır, ancak önümüzdeki dönemlerde bu standartların belirlenmesi kaçınılmaz olacaktır. Bir kurumun güvenlik politikası belirlenmeye karar verildiğinde, incelemeye, ilk olarak kurum içi bilgi sisteminin yapısını tanımayla başlanmalıdır. Kurum içi bilgi sistemlerine zaman içinde sürekli eklemeler yapıldığı için, donanımların görev ve işlevleri unutulabilmektedir. Bu nedenle, sistem içindeki tüm donanımların ve yazılımların konumları ve işlevleri ortaya konmalıdır. Bu öğrenme aşamasının ardından, bilgi güvenliğini artıracak birimler konusunda çalışmalar yapılmalıdır. Bu bağlamda, tezde İTÜ Otomasyon Sistemi için incelemeler yapılmış ve bu incelemeler sonucunda, muhtemel güvenlik açıklıklarının olabileceği yerler saptanmaya çalışılmış, ileride güvenlik sorunu yaşanmaması için alınması gereken önlemler yöneticiye bildirilmiştir. Sistemde güvenlik açıklığı olup olmadığı temel güvenlik sorgulama çalışmalarıyla ve sınayarak ortaya çıkarılmıştır. Bu önlemler ve standartların belirlenmesi aşamasında ISO 27001 politikalarından ve 27002 yönergelerinden yararlanılmıştır. Yukarıda anlatılanlar dış kullanıcılardan kaynaklanan sorunlardır, ancak bilgi güvenliği sistemlerinin genel özelliklerinden bilindiği üzere iç kullanıcılardan kaynaklanan sorunlar da yaşanabilmektedir. Tezin amacı hem iç hem de dış kullanıcıların sebep olacağı güvenliği bozucu davranışların ortaya çıkarılmasıdır. Bu yüzden, ikinci aşamada Otomasyon Sistemleri için öğrencinin notlarının girişi, notların değişmesi durumunda düzeltimi ve mezuniyet durumu gibi oldukça hassas durumlar incelenmiştir. Bu gibi durumların dikkate alınmaması en hafif hali ile haketmediği notu alan öğrencilerin bulunması ve en ağır hali ile de belki de okula hiç kayıt olmamış öğrencilerin mezun olması ile sonuçlanacaktır. Bu problemlerin yaşanmadığı hiç yaşanmayacağı anlamına gelmediği için öncesi yaşanabilecek güvenlik problemlerini en aza indirmek amacıyla Not Girişi, Not Düzeltimi ve Mezuniyet Durumu Kontrolünü güvenli hale getirebilmek amacıyla bir sistem önerilmiştir. Sisteme göre öğretim üyesi not girişini masa üstü bir uygulama üzerinden internete bağlı olmaksızın gerçekleştirecek ve sonrasında bunun EVA (Elektronik Veri Aktarımı) ya da XML formatında hem kendisi için bir kopyasını saklayacak hem de kendi fakültesinin veri tabanına gönderecek ve buradan da şifreli bir haberleşme ile Öğrenci İşleri veri tabanı ile paylaşılacaktır. Not Düzeltimi içinse bu işlem bir karar yazışması ile birlikte gerçekleştirilir. Bu yüzden not düzeltme işlemini gerçekleştiren öğretim üyesi not belgesini EVA ya da XML formatında fakülteye gönderir. Fakülte önce not değişimi için gelen yazışmayı kendi yazışma veri tabanına kaydeder, not belgesini de not için oluşturulmuş olan veri tabanına kaydedip, sonrasında not belgesini ve yazışmayı şifreleyerek öğrenci işleri ile arasında kurulan güvenli bağlantı aracılığıyla öğrenci işlerine gönderir. Öğrenci işlerinde yazışma delil olması için yazışma veri tabanına, not belgesi de öğrenci veri tabanına kaydedilecektir. Öğrencinin mezuniyet durumunda ise, hem fakülte veri tabanındaki hem de öğrenci veri tabanındaki notlar karşılaştırılır ve eğer ikisi birbirinin aynısı ise, `öğrenci mezun olabilir` bilgisi verilir. Eğer farklılıklara rastlanırsa, `öğrenci mezun olamaz` bilgisi döner ve bu aşamada farklılık sorgulaması işlemleri başlatılır. Not düzeltme yazıları da elektronik belge haline getirileceği için yapılan tüm not değişikliklerinin de bir resmi tutanağı üretilmiş olacaktır. Bu tutanak hem fakültede hem de öğrenci otomasyon sisteminde tutulacağı için de bir araştırma sırasında karşılaştırma olanağına sahip olunacaktır.Son aşamaya gelindiğinde eylem tutanakları üzerinde çalışıldı ve Otomasyon Sistemine karşı gerçekleştirilecek içeriden tehditleri tespit edecek bir karar destek yazılımı geliştirilmiştir. Karar destek yazılımını oluşturabilmek için bir kural listesi hazırlanmıştır.Tez 5 ana bölümden oluşmaktadır: Giriş bölümü ile çalışılan konu ve çevresel faktörleri genel detayları ile anlatılması amaçlanmıştır. Bir sonraki bölümde Kurumsal Güvenlik kavramı üzerinde durulmuştur. 3. bölümde güvenlik açıklıklarının araştırması yapılmıştır. Daha güvenli sistem oluşturmak için önerilerde bulunulmuştur. 4. bölümde yetkili kişilerin davranışlarından kalkılarak sınıflandırmaları, her sınıfı karakterize eden özelliklerin ortaya çıkarılması, bunun sonucu olarak da aykırı davranışta bulunanların saptanması yapılmıştır. Ortaya çıkan sonuçlara bakarak yetkilendirmelerin nasıl yapılması konusunda bir öneri listesi oluşturulmuştur. Bu aykırı davranış biçimlerinin bulunması için eylem tutanaklarından yararlanılarak aykırı davranışları ortaya çıkaran bir karar destek yazılımı geliştirilmiştir. Bu geliştirilen yazılım İTÜ Otomasyon Sisteminin kullanması için verilmiştir. Son olarak da Sonuç ve Öneriler kısmı yer almaktadır. Over the past half a century, organizations have implemented information systems for managing their business processes. These information systems have now evolved into as commonly known as enterprise information systems. Computer and Information Security are needed to think in a different way for two circumstances. When personel computers' security is concerned; access to computer and can operate on data on this computer comes to mind. On the other hand, when security of enterprise information system comes to mind, a structure which consist of lots of computers, should be concerned. Enterprise networks, today carry a range of mission critical communications. The sheer number of computers to be connected to each other with local computer network; the presence of other hardwares on it, makes complicate the security of enterprise information systems.Enterprise information security architecture is a key component of information security processes. Organizations amass a great deal of confidential information about their employees and users. Most of this information is now collected, processed and stored in an online warehouses and transmitted across networks to other online devices. Organizations should protect their datas, sources and especially their reputation. When a vulnerability found in system and some confidential datas are leaked by a black hat hackers from this kind of organizations which has respected positions in society like universities, banks and public institutions, is undermine the confidense in these organizations. It will be a massive damage for any organizations who faced with these problems. For instance, when society learns a vulnerability show up in internet banking application, sooner or later it will cause customers cancel their accounts in bank. Or, if a hacker found a vulnerability and theft datas and leaked from the systems an institution like İTÜ, will bring down the reputation of the school and will also undermine the confidense of the school in the eyes of public. Today, there is still no mandatory security policy for universities in Turkey, but it would be unevitable in the coming period. Because, managing the security of enterprise information systems has become a critical issue in this century. Hacktivism and cyber warefares are spreading all over the world. One day, if one of the universities officers computer turns out to be used as a zombie computer for an attack to an organization; it would be a big scandal not only for public citizens, but also for all country. To illustrate of this, it is obviously known that all officers are admin on their computers and some days their children plays games on these computers, especially flash games. And most of these games carried malwares, flash games are the most common one. When user starts and play the game, malware locate itself sneaky in operating system and some of them transform computer as a zombie to use future attacks, some of them taking videos of desktop and stores all key actions of users. In a nutshell, for all these reasons, universities should have standard security policy and they should comply with all specifications, carefully.Security can not be managed, unless it can be measured. The need for metrics is important for assessing the current security status, to develop operational best practices. To develop an organization's security policy, the review should be made and it should be started firstly with the diagnosis of in-house information systems to find metrics. Because of the fact that, there is continuous additions to in-house information systems, tasks and functions of the hardwares can be forgotten in times. Therefore, the positions and functions of all hardwares and softwares should be put forth. After this learning phase, some works about units which will improve of information security and its awareness should be made. In this context, examinations for İTÜ Automation System (a.k.a Student Affairs) have been made and as a result of this examination, it is tried to determine the possible security vulnerabilities and also determined precautions are reported to the manager to prevent from the security problems in the future, in these thesis. It is revealed with basic security questioning and examining the system, whether a vulnerability exist or not. Besides, security performance measurement by using standardized metrics gained increasingly interest during the last years with the help of guidelines, code of practices and standards accepted widely over the world. Therefore, the policy of ISO 27001 and instructions of 27002 are used to determine precautions and standards. By preparing these a policy for university, it is aimed to be as possible as protected from the external attack. All organizations need to build an information security architecture to keep secure their systems and all organizations should keep in their mind that information security policy is not an option instead it is an obligation in this era.Those described above are mentioned about problems which are caused by external users, but there can be problems arising from internal users as it is known as the general characteristics of the information security system. The aim of this thesis is to reveal the security disruptive behavior will arise because of both internal and external users. Therefore, in second phase extremely sensitive situations like student Grade Entrance, Grade Correction and Graduation Status Controls are investigated for Automation System. The existence of students who don't deserve their notes in lightest form and in the graduation of the students even did not record in school with the most severe form of result the ignoring such cases. Because of not experienced these kind of problems don't mean it will never be, studies are conducted in order to minimize problems that may arise in future. A system is recommended to make more secure of Grade Entrance, Correction and Graduation Status Control. According to the recommended system, while teaching staff will enter notes, they'll make it on a desktop application which is not connected to internet. After that, the application create note document as EVA or XML format and both they will store original documents in application and send a copy to the database of own Faculty. Finally, Faculty will share the document with encrypted connection with Student Affairs' database. Besides, that Grade Correction is carried out with decision correspondence document. Hence faculty member who made the grade correction sends grade documents to the faculty as EVA or XML format. Faculty, store grade correction correspondense its related database firstly, then stores grade document to its related database. Finally, faculty sends both documents to Student Affairs through secure connection line established between two sides to be stored also in there. Securiy Affairs stores those documents to related databases to be an evidence for future. Grade documents will be stored in grade databases and correction correspondence document will be stored in correspondense databases; so there will be two databases in there, too. In the case of a student's graduation, both Faculty database and Automation database will cross-check with each other, and if both results are same then `student can graduate` information will be send to Student Affairs. Otherwise, they will be informed with a message which carries `student can't graduate. Results do not match.` Right after, an investigation will be started to understand the reason of different grade results. Storing Grade Correction Correspondece document as an electronic format in both Faculty database and Automation database, makes any investigation easier. In final stage, a decision support software developed. It works with log files which have taken from Student Affairs Department and it aims to investigate insider threat in Automation System. Coverage of this work may be one of the following: it can be a student who sell lessons in a black market or it can be lecturer who abuse system with his/her powers, even it can be a Student Affairs' officer who change students' grade exchange with money. Some metric rules are needed to be created to develope a decision support machine software. In this stage software aims to find authenticated user who abused the Automation's system.The thesis consists of five main sections: first of all it begins with Introduction Section that aims to express main details of studied subject and its environmental factors. Next Section dwell on Enterprise Information Security Concept and expresses it in some detail based on known standards which are specified by Standardization Organizations like SANS, ISO etc. In Section Three an investigation made to find vulnerability in system. A questionare is prepared for Student Affairs officers and according to their answers actions are taken and possible vulnerabilities are determined. After that based on possible vulnerability points, counter measures are spesified to build more secure system. Counter measures are prepared as suggestions list and it is delivered, right after that. In Fourth Section authorized users behaviours investigated from logs and tried to create characterization for each classes according to metric rules. In this work, it is aimed to find improper actions and abusements has been acted by authorized users. Thus, results which ensued from possible improper action, are examined and another list prepared to examine whether there is an bad action had been made by users. Decision Support Software creates lists according to log files from Automation System to ensue those improper action. The software is delivered to İTÜ Automation System to be used. Eventually, Final Section is consist of conclusions and recommendations. Besides of all conclusions about above sections, this section includes recommended system to make more secure Grade Entrance, Correction and Student Graduation stages. Also why recommended system is more secure than the current one is explained in details. 87

Geleneksel VANET (Araç Geçici Ağı) açılımında yol kenarı birimleri (RSU) ile kesintisiz ve güçlü bağlantı kurulumlarında ciddi problemler ortaya çıkmaktadır. Bilinen bir gerçek olarak bu sorun araçların yüksek hareketliliği ile tetiklenmesinden doğmaktadır. Bu sorunu gidermek için en uygun çözümün, röle görevi gören en optimum aracın seçilmesi ile mümkün olabilir.Bunun bir sonucu olarak bu çalışmada en uygun ve optimum röle aracının ağırlıklı oylama yöntemi kullanılarak algoritmik seçiminin yapılması ile ilgili öneri getirilmiştir. Oyun teorisi yaklaşımımızda röle aracı seçimleri çeşitli yardımlaşma koalisyonları ile gerçekleştirilmiştir. Belirtilmelidir ki, oyun teorisi interaktif karar verme gibi karmaşık durumlarda matematiksel analiz ve modelleme yapabilen uygulamalı matematik algorittması ile dizayn edilen mükemmel bir araçtır. Sunduğumuz ağırlıklı oylama yöntemi algoritması Banzhaf güç ölçüsünün kullanılarak paket dağıtımları esnasında, artan throughput lar ve azaltılan mesaj iletişim gecikmeleri gibi adil ve optimal sonuçlar ortaya çıkmasını sağlar. Performans değerlendirme sonuçları, kendisini düşünen bağımsız düğümler içeren beraber çalışmayan metodlarla karşılaştırıldığında ağırlıklı oylama oyun teorimiz throughput larda yaklaşık 24/% artış ve mesaj iletim gecikmelerinde 18/% azalış göstermektedir. Bu algoritma farklı hız menzillerinde tekrarlanmaktadır.Genel bir giriş ve tanımlama olarak röle düğüm yönetimi 1.kısmında sunulmaktadır. VANET (Araç Geçiçi Ağı) bilgi ve iletişimdeki son ilerlemelerle birlikte sürücülerin rahat ve verimli seyahatleri için yol boyunca gerekli bilgileri sağlayarak sürücülere yardımcı olan önemli bir konsept olmuştur. Araçların daimi hareketi topolojinin dinamik olarak değişimine neden olduğu için dinamik olarak yol kenarı iletişim noktalarıyla sürekli ve güçlü bir bağlantının kurulması ve sürdürülebilirliği için zordur.Bu problemlerin üstesinden gelmek ve verimli optimal bir bağlantıyı yönetmek için bazı araçları röle olarak bağlantıyı güçlendirmek ve takviye etmek amaçlı kullanılması gerekmektedir.Tatmin edici bir metod sağlamak bu seçim için gerekmektedir. Araçları yollarda sürekli bir şekilde hareket yapmalari ve topoloji değişimleri nedeniyle zor bir durumdur.Literatür araştırması kısmında farklı röle bağı seçim metodları değerlendirilmiştir. Contribution kısmında önerilen çalışmanın çerçevesi ve algoritması ile ilgili özet bir bilgilendirme yapılmıştır.2.Bölümde, Araç geçici ağı hakkında ayrıntılı açıklama yapılmıştır. Bu bölümde VANET'in ana kullanım amacı ve ayrıca sistem bileşenleri anlatılmaktadır. Ayrıca, VANET uygulaması ile ilgili özet açıklamada yapılmıştır. VANET uygulaması, güvenlikten trafik verimliliğine ve eğlence uygulamalarına kadar çeşitlilik içerir. Ek olarak, VANET karakteristiği zorluk tanımlamalarının önemli bir faktörü olarak bahsedilmiştir. İletişim modellerinin farklı metdoları VANET'in ayrılmaz kısımları olarak gösterilmiştir. Çeşitli yönlendirme protokollerinde bu bölüm içerisinde bahsedilmiştir. Oyun teorisi problemli olan bazı durumların çözümlenmesi için mükemmel bir araçtır. Bu aracın matematiksel analiz ve modelleme yapabilen uygulamalı matematik algoritması ile dizayn edilir.3.Bölümde oyun teorisinin kullanım nedeni bu çalışma içinde bahsedilmiştir. Oyunların genel sınıflandırılması gösterilmiştir. Oylama oyunu katılımcıların en makul ve uygun olan adayın seçiminde ortak bir sonuç belirlemesine izin vermektedir. Oylama oyununun çeşitleride yine bu bölümde anlatılmaktadır. Bu çeşitlerden bir tanesi ağırlıklı oylama yöntemi olarak adlandırılır.Her oyuncunun ağırlığı o oyuncunun sahip olduğu gücün miktarını temsil etmez. Adil sonuçlara ulaşmak için, detaylı bir şekilde gösterilmiş ve açıklanmış bazı çeşitli güç endeks ölçüleri vardır. Banzhaf güç ölçüsü bu güç indekslerinden biridir. Bu indeks, oylama sonuçlarının oy verenler arasında eşit dağıtılmadığı bir oy sonucunun değişim oranını ifade eder.Oyunlar kendi aralarında koalisyona girme ya da koalisyondan çıkmak haklarına sahiptir. Bu nedenle, araçların hareketli olması dolayısıyla Banzhaf güç ölçüsü kullanılmaktadır. Eğer bir oyuncu stratejisini değiştirir ve diğerleri sabit kaldığında, stratejisini değiştiren oyuncu strateji değişiminden çok fazla bir fayda kazanç elde edemeyebilir. Bu Nash dengesi olarak adlandırılı. Nash dengesinin kısa bir özeti her oyunun temeli olarak verilmiştir.Bölüm 4 te Ağ mimarisi ve sistem modeli anlatılmış ve detaylandırılmıştır. Ağ özeti gösterilmiştir. Anchor ve Relay araç ifadeleri tanıtılmıştır. Dahası, çalışmamızda sunduğumuz algoritmanın bir açıklaması yapılmıştır. VANET elementleri arasında röle düğümü seçimi ve oyun teorisinin oluşumunda bir haritalama yapılmıştır. Ağ topoloji örnekleri ve sunulan sistem model şemaları gösterilmiştir. Önerdiğimiz sistem modelimiz tarama, bağlanma girişimi, koalisyon şekillendirmesi, oylama, optimal röle seçimi, paket dağıtımını içerir. Pay-off fonksiyonu hem anchor hem röle araçları için hesaplanmıştır. Bu hesaplama röle aracı ile RSU arasındaki linkin transmisyon olasılığına dayanarak ve ayrıca kullanılabilir bant genişliğine,bant genişliği özelliğine ve hizmetin bedeline göre hesaplanmıştır. 5.Bölümde deneysel sonuçlar ve performans değerlendirmesi sağlanmıştır. Sunulan kooperatif ağırlıklı oy oyun algoritmasının performans değerlendirilmiş ve Matlab kullanılarak kooperatif olmayan yaklaşım karşılaştırılmıştır. 2 farklı hız menziline sahip araçlar bu algoritma kullanılarak incelenmiştir. Performans değerlendirme sonuçları göstermektedir ki, bizim sunduğumuz algoritma kooperatif olmayan metodla karşılaştırıldığında throughput sonuçlarındaki artışlar ve mesaj dağıtımları hakkkında ki gecikme azaltılmıştır.Ek olarak, gerçekçi VANET simülasyonu dikkate alınmış. Bu simülasyon için gerçek dünya verileri kullanımı gerekmektedir. Bu bilgiler haritalar, istatistiksel veriler, trafik sayaçları, gerçek izleri, GPS tabanlı veri elde edilebilir. Bu bilgiler trafik jeneratörleri kullanılarak işlenir.Gerçekçi trafik jeneratörler VANET simülasyonları kalitesini artırmak için önemlidir. Basit hareketlilik modellerinin kullanımı iyimser iletişim için yol açar. Sonunda, sonuç bölümü tüm adımları ve yöntemleri açıklamaktadır. Bu bölümde tüm kullanılan yöntemlerin kısa bir açıklaması verilmektedir. In traditional Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs) deployments, permanent and robust connection establishment to road side units (RSU) has arisen as a crucial problem. Here it is a known fact that, this challenge has been triggered by high mobility pattern of vehicles. To handle this problem, optimal relay vehicle selection can be seen as an efficient solution. To this end, in this work, we propose a novel optimal and fair relay vehicle selection algorithm based on weighted voting game. In our game theoretic approach, relay vehicle selections have been performed by various cooperative coalitions. Note that game theory is a perfect tool while designing such an algorithm as it is a formal applied mathematical tool to analyze and model complicated situations of interactive decision making.Our proposed weighted voting game algorithm can achieve fair and optimal results as well as increasing throughput and decreasing message transmission delay during packet dissemination as a result of using Banzhaf power measure. Performance evaluation results showed that compared to non-cooperative methods, throughput increases approximately by 24/% and message dissemination delay decreases by 18/%. This algorithm is repeated for various speed ranges.A general introduction and explanation of relay node management was presented in chapter 1. With recent advances in Information and communications technology VANET has become an important concept in order to provide an efficient and convenient road trips for drivers by obtaining required information along the road. Due to the mobile nature of vehicles that results in dynamic topological changes, establishing permanent and robust connection with road side units for maintaining connectivity has arisen as a challenging issue. To overcome these problems and for efficient management of optimal connectivity, it is essential to use some of the vehicles as a relay for compensation and reinforcement of connection. Providing a satisfying method for this selection is required and it is a challenging issue due to dynamic environment of roads. In literature survey part different methods of relay node selection is considered. In contribution section a brief introduction of proposed framework and algorithm has been given.In chapter 2, a detailed description of vehicular ad hoc networks is given. In this chapter the main purpose of using (VANET), and also their system components are discussed. Furthermore, a brief explanation of VANETs application is mentioned. The application of VANET varies from safety applications to traffic efficiency and infotainment applications. In addition, characteristic of VANETs which is an important factor of challenge recognition is considered. Different methods of communication pattern that is an inseparable part of every VANET is illustrated. Various type of routing protocols are also discussed. Game theory is a perfect tool while resolving some problematic situations. It is a formal applied mathematical tool to analyze and model complicated situations of interactive decision making. In chapter 3, the reason of game theory usage in this work is discussed. A general classification of games is shown. Voting game permits participants to come up with a common decision to choose the most eligible and suitable candidate. This method is used in this work for relay node selection and categorized. One type of voting game is called weighted voting game. Each player's weight doesn't represent the amount of power that player holds. For achieving fair results, there exist couple of power indices measures that are illustrated and explained in details.Banzhaf power measure is one of power indexes. It is defined by the probability of changing an outcome of a vote where voting rights are not equally divided among the voters. Players are free to enter and leave the coalitions. Therefore, because of mobile nature of vehicles we use this power index method. If one of the players changes its strategy and other players remain constant, the specific player can't acquire more benefits from that change in its strategy, this is called Nash equilibrium point. A brief definition of Nash Equilibrium that is the fundamental of each game is also given. Network architecture and system model is discussed and detailed in Chapter 4. The abstract network is shown. Anchor and Relay vehicle phrases are introduced. Moreover, an explanation of our proposed algorithm is given. A mapping between VANET elements for relay node selection and game theory is happened. Network topology examples and also proposed system model schema are shown. System model is consist of scanning, connection attempt, forming coalition, voting, optimal relay selection, and packet dissemination. Pay-off functions for both anchor and relay vehicles are calculated regarding to transmission probability of links between relay vehicle and RSU, available bandwidth of RSU, bandwidth characteristic of vehicle, and the cost of the service. Chapter 5, provided experimental results and performance evaluation. The performance of proposed cooperative weighted voting game algorithm is evaluated and compared with non-cooperative approach by using Matlab. Vehicles with 2 different speed ranges are examined by using this algorithm. Performance evaluation results showed that compared to the non-cooperative method increment in throughput results and decrement in message dissemination delay are achieved.In addition, a Realistic VANET Simulations is considered.A real world data is needed for realistic VANET simulations. Accumulating realistic data is required for this simulation. These information is processed using traffic generators. Realistic traffic generators are important to enhance the quality of VANET simulations. Usage of simple mobility models leads to optimistic communications. At the end, the conclusion part explains all the steps and methods. In this section a brief explanation of all the used methods are given. 67

Araçlar arasında ve araçlar ile yol kenarı baz istasyonları arasında online ve güvenilir haberleşmeye imkan sağlayan araçlar arası haberleşme ağının gelişmesi neticesinde, ABD Federal Haberleşme Komisyonu tarafından 5.9 GHz frekans bandında 75 MHz'lik spektrum aralığı kısa mesafeli araç iletişimi için tahsis edilmiştir. Bununla birlikte tahsis edilen kanalların, özellikle kentsel bölgelerde artan trafik yoğunluğu ve çok sayıda araç uygulamasının geliştirilmesi neticesinde yeterli olmadığı gözlemlenmiştir. Bu da araçlar arası haberleşmede spektrum yetmezliği problemine neden olmaktadır. Bahse konu problemin etkilerini azaltmak maksadıyla, dinamik spektrum erişimi, artan bant genişliği ihtiyacını karşılamak için araçlar arası haberleşmede potansiyel bir çözüm olmaktadır. Bu maksatla, dinamik spektrum erişimine dayalı araçlar arası haberleşme ağlarında araçlar ile yol kenarı baz istasyonları arasında sürekli ve sağlam bir bağlantının kurulabilmesi maksadıyla kuyruk teorisine dayalı bir model önerilmektedir. Mevcut kanalların araçlar arasında etkin bir şekilde kullanımına imkan sağlamak ve minimum sayıda kanal değişimi ile bağlantı kurulması hedeflenmektedir. Önerilen model, araçların hareketliliğinden kaynaklanan dinamik davranışları modelleyerek etkin bir kanal erişimine kuyruk teoreminden yararlanarak imkan sağlamaktadır.Bu çalışmanın yanı sıra, IEEE 802.11p protokolüne dayalı araçlar arası yayın haberleşmesinin mevcut özellikleri ile, gizli terminal problemi, eş zamanlı haberleşmeden kaynaklanan çatışmalar ve kanal sönümlemesi problemlerine çözüm bulamamasından dolayı ortaya çıkan araç uygulamalarındaki güvenilirlik gereksinimlerini iyileştirmeye yönelik bir model önerilmiştir. Yol kenarı baz istasyonlarına uygulanacak yeni bir güç ayarlama modeli geliştirilerek araçlar arası haberleşmenin güvenilirliğini artırmak amaçlanmıştır. Bu model, 2 boyutlu hareketli haberleşme ağlarındaki potansiyel gizli terminalleri belirlemek ve semi-variogram analizinden yararlanarak Kriging uzaysal ara değer kestirim yöntemi ile gizli terminallerin güvenilir ve etkin sinyal çıkış gücünü tespit etmek için kullanılmıştır. Kriging; elde edilen verilerden, bilinmeyen değerlerin optimum uzaysal tahminini bulmayı amaçlayan bir yöntemdir. Bu maksatla, Kriging ara değer kestirim yöntemi ile elde edilen optimum sinyal çıkış gücüyle gizli terminal problemi önlenebilmekte ve gizli terminallerin kapsama alanı hesaplanabilmektedir. Due to the vehicular network technology which enables to obtain online and accurate information between vehicle to vehicle and vehicle to infrastructure, the amount of vehicular applications has been increased. To support many vehicular applications, the U.S. Federal Communications Commission has allocated 75 MHz in the 5.9 GHz frequency band for Dedicated Short Range Communication (DSRC). However, due to the increasing use of vehicular applications and high traffic density, specifically in urban environments, DSRC channels have not satisfied to growing bandwidth demands by causing a crucial problem; spectrum scarcity. This problem has been addressed by a new communication paradigm, called Dynamic Spectrum Access. In this thesis, at first, we concentrate on the connectivity problem in Vehicular Dynamic Spectrum Access Networks (VDSANs). Our objective is to determine best available channels to maintain continuous and robust network connectivity. In this thesis, we propose a novel queuing theory based framework for VDSANs. Specifically, our proposed framework uses queuing theory analytics to model the dynamic behaviors of vehicles and obtain high satisfaction ratio of vehicles. Moreover, we propose six novel dynamic channel selection algorithms to provide minimal channel switching ratio while conserving the network connectivity.In addition to connectivity analysis and modeling in VDSANs, we also analyze the reliability of broadcast messages in vehicular networks. In IEEE 802.11p based broadcast vehicular communications, there are no traditional request-to-send (RTS)/clear-to-send (CTS) handshaking and acknowledgment mechanism to guarantee a reliable communication. Hence, hidden terminal problem, transmission collisions and channel fading arise as main communication challenges in vehicular networks and all these challenges dramatically reduce the reliability of broadcast vehicular communication. Therefore, in this thesis, we also analyze the reliability of broadcast vehicular communication by proposing a novel power calibration model implemented into RSUs. More specifically, the proposed model is used to estimate the reliable and effective transmission power of hidden vehicles with Kriging spatial interpolation method. Kriging enables to find an optimal spatial prediction which estimates the unknown values from the observed data. Kriging interpolation method is used to predict the right amount of transmission power of hidden vehicles in vehicular networks so that we can calculate the hidden terminal radius depending on traffic density to prevent hidden terminal problem. 101

Son zamanlarda, mobil cihaz kullanımı oldukça artmaktadır.Bu nedenle, mobil kullanıcıların kablosuz hücresel ağlardaki istekleri büyük bir artış göstermektedir.Bu artış, hareketli veri trafiğinin büyük ölçüde artmasına sebep olmaktadır.Cisco görsel ağ indeks raporunda (Cisco Visual Networking Indeks Report) belirtildiğine göre, 2013 yılında ölçülen veri trafiği ayda 1.5 exabyte iken, bu değerin 2018 yılında 15.9 exabyte seviyesine ulaşacağı tahmin edilmektedir.Başka bir deyişle, 2013 yılına göre veri trafiğinde 11 kat artış yaşanması öngörülmektedir. Bu hızla artan trafik yoğunluğu nedeniyle, hareketli veri trafiğine hizmet veren geleneksel kablosuz haberleşme ağının makro hücreleri (macrocell), kullanıcılara hizmet veremez hale gelmektedir.Böylece, makro hücreleri özellikle ev içi kullanıcılara yeterli sinyal gücüyle ulaşamamakta ve bu kullanıcıların servis kaliteleri (Grade of Service- GoS) kabul edilemeyecek seviyelere düşmektedir.Ev içi kullanıcılara daha iyi hizmet kalitesi ile servis sağlayabilmek amacıyla heterojen ağ (HetNet) teknolojisi ortaya çıkmıştır.Heterojen ağlarda farklı özellikleri bulunan küçük hücreler (smallcells) bulunmaktadır.Bunlar kapsama alanlarının büyüklüğüne göre, makro hücre (macrocell), piko hücre (picocell), ve femto hücre (femtocell) olarak isimlendirilmiştir.Farklı kapsama alanına sahip bu hücreler ile kablosuz ağların oluşturulması, ev içi kullanıcıların daha yüksek sinyal gücüne erişebilmesini sağlamıştır.Böylece bu kullanıcılar kablosuz ağa dahil olup iletişime geçebilmektedirler. Ancak heterojen ağlarda fiziksel kaynaklar verimsiz kullanılmaktadır.Başka bir deyişle, var olan fiziksel kaynaklar ile daha fazla kullanıcıya daha yüksek kalitede hizmet verilebilecek iken, heterojen ağ yapısından kaynaklı olarak daha az kullanıcıya hizmet sunulmakta ve bu kullanıcıların GoS seviyeleri artan kullanıcı istekleri karşısında kabul edilemeyecek seviyelere yükselmektedir (GoS yükseldikçe sunulan servis kalitesi düşer). Bu durumun temel nedeni Heterojen ağlardaki statik kaynak atamasıdır.Heterojen ağlarda fiziksel kaynaklar gruplandırılıp statik bir şekilde küçük hücrelere dağıtılmaktadır.Ancak, bu statik gruplama nedeniyle kablosuz ağın hizmet verebileceği trafik akışı sayısı düşük seviyelerde kalmaktadır.Bu da yeterli fiziksel kaynağa sahip bir ağda , kaynakların verimsiz kullanımının sonucudur.Bu durumu sayısal bir örnekle açıklamak gerekirse; toplamda 20 fiziksel kaynağa sahip bir ağda, her birinde 10'ar kaynak bulunduran iki küçük hücre ile kurulmuş topolojinin hizmet vereceği trafik akışı sayısı, her birinde beşer kaynak bulunduruan dört küçük hücre ile kurulmuş topolojinin hizmet vereceği trafik akışı sayısından oldukça fazladır.Başka bir yönden bakmak gerekirse, aynı akış sayısına sahip bu iki topolojide, belirtilen ilk topoloji kullanıcılarına daha yüksek seviyede servis kalitesi (daha düşük GoS) sağlamaktadır.Özetle, fiziksel kaynakların fazla sayıda küçük hücrelere gruplanıp dağıtılması, bu kaynakların verimliliğini oldukça düşürmektedir.Fiziksel kaynak sayısı değiştirilmeden, kabul edilebilir servis kalitesinde daha fazla kullanıcıya ya da daha düşük GoS (daha yüksek servis kalitesi) ile aynı sayıda kullanıcıya hizmet verilmesi sağlanabilmelidir. Bu da iki topoloji arasında kaynak verimliliğini ortaya net bir biçimde koymaktadır. Bu iki topoloji arasındaki fark, markov zinciri (markov chain) ile modellenmiş ve kuyruklama teorisi kullanılarak (queuing theory) matematiksel ifadelerle, ekte belirtildiği gibi kanıtlanmıştır.Literatürde kaynak verimliliğini arttırmak için sunulan günümüzdeki çözümler, radyo erişim teknolojileri (radio access technologies- RATs) arasında geçiş tabanlıdır.Bu çözümler bilişsel radyo teknolojisi (cognitive-radio) ve bir hücreden başka bir hücreye geçiş (offload) teknolojisi olarak örneklendirilebilir.Bilişsel radyo teknolojisinde, iki tip kullanıcı vardır. Bunlardan biri frekansın sahibi olan birincil kullanıcı (primary user) ve o anda kullanımda olmayan frekansları ücret ödemeden ve birincil kullanıcının servis kalitesinin de etkilemeyecek şekilde kullanabilen ikincil kullanıcıdır (secondary user). Frekans sahibi olan birincil kullanıcının servis kalitesini düşürmeyecek şekilde ve bu frekansı o an için kullanan başka bir ikincil kullanıcı yok ise, ikincil kullanıcı bu frekans bandına zıplayıp, bu frekans üzerinden iletişimini gerçekleştirebilmektedir.Böylelikle ikincil kullanıcı kullanılmayan frekansları kullanarak hem frekans verimliliğini arttırır hemde kendi servis kalitelerini yüksek seviyelerde tutma imkanı bulur. Ancak bilişsel radyoda ikincil kullanıcı zıplayacağı frekans durumunu doğru şekilde belirleyebileceği sezme algoritmalarına ihtiyaç duyar. Zıplanılacak frekans sahibinin o an için frekans bandını kullanıyor olup olmadığının yanlış tahmin edilmesi durumu hem birincil kullanıcı hemde ikincil kullanıcı açısından servis kalitesi düşüklüğüyle sonuçlanacaktır. Bu nedenle sezme algoritmalarının profesyonel şekilde tasarlanması gerekmektedir. Bu durumda son kullanıcı olan ikincil kullanıcıları daha karmaşık bir yapı kullanmak zorunda bırakır.Farklı frekanslarda çalışan iki ayrı hücre arasındaki geçiş (offload) teknolojisinde ise, servis kalitesi kötü olan hücreden kullanıcı kendi kararıyla servis kalitesini yükseltebileceğini düşündüğü farklı bir frekansta çalışan daha az yoğun diğer hücreye geçiş yapabilmektedir. Böylece kullanıcı az yoğunluğa sahip küçük hücrede iletişim kalitesini kabul edilebilir seviyede tutabilmektedir.Hücreler arası geçiş hücre yoğunluğuna göre belirlenebildiği gibi son kullanıcının harcayacağı enerjiye göre de belirlenebilir.Yapılan tahminlere göre farklı frekanslarda çalışan iki hücre arası geçiş (Makro hücre ve WiFi v.b.), son kullanıcının hem erişim noktasına (Access Point) olan yakınlığı hem de kullandığı frekansı açısından daha az enerji harcamasını sağlayabilir. Bu da iki hücre arası geçişin önemini arttıran bir parametredir. Ancak bu çözümler kullanıcı kararı bazlı olup, topolojiye genel bakamadıkları için fiziksel kaynak verimliliğini belirli bir seviyeden sonra arttıramamaktadırlar. Yine yukarıda belirtilen fiziksel kaynak verimsizliği statik gruplama ve dağıtımdan kaynaklı olarak hizmet verilebilecek akış sayısını kısıtlamaktadır.Bu nedenle, fiziksel kaynakları verimli kullanabilmek ve hizmet verilebilecek akış sayısını arttırabilmek için, önerilen yeni dinamik kaynak gruplaması ve dağıtımı sayesinde fiziksel kaynakların yarattığı bu kısıt ortadan kaldırılmalıdır. Bu tezde, statik kaynak atamasının verimsizliğini ortadan kaldıracak yeni bir yapı tasarlanmıştır.Yazılım Tanımlı Heterojen Ağ (Software Defined Heterogeneous Networks- SDHetN) olarak tanımladığımız bu model, heterojen ağ topolojisini adaptif ve esnek akış yönetimi tabanlı algoritmalar ile merkezi olarak yönetmektedir.Tez boyunca bu modelin veri katmanı (Data Plane) ve kontrol katmanı (Control Plane) kuyruk teorisi (queuing theory) ile modellenip, matematiksel olarak analiz edilmiştir.Veri katmanında akış yönlendirme işlemini gerçekleştiren ve OpenFlow (OF) protokolü ile kontrol katmanıyla haberleşebilen fiziksel anahtarlar bulunmaktadır.Fiziksel anahtarların $M/M/C_j/K$ markov modeli şematize edilmiş ve trafik akışını bloklama olasılığının (blocking probability) matematiksel ifadesi çıkarılmıştır.Bu değer aynı zamanda trafik akışının servis kalitesini (GoS) belirlemektedir.Kontrol katmanı ise $m$ adet farklı $M/M/1/1$ sistemi ile modellenmiş ve Jackson teoremine göre sistemdeki trafik akış sayısı (expected number of user) değeri çözümlenmiştir.Bu katman temel iki bileşenden oluşmaktadır. Bunlar Akış Yöneten Sanal Anahtar Havuzu (Flow Authority Virtual Switch Farm- FAVSF) ve kontrol algoritmalarıdır.İlk kısım veri katmanındaki fiziksel anahtarların sanal temsilcilerini barındıran sanal anahtarların oluşturduğu havuzdur.İkinci kısım ise, SDHetN modeline esneklik özelliklerini katan algoritmalardan oluşmaktadır.Bu algoritmalar Topoloji Kontrol Algoritması (Topology Control Algorithm - TCA) ve Flow Kayıtlama Kontrol Algoritmasıdır (Flow Admission Control Algorithm - FACA).Özellikle, önerilen TCA, akışların servis kaliteleri (GoS) göz önünde bulundurularak birçok OF fiziksel anahtarlarını gruplar.Bu algoritmada fiziksel kaynak verimliliği, akışların GoS değerlerine ve oluşacak grup sayısına göre maksimize edilir.Önerilen FACA ise, trafik akışlarını TCA ile oluşturulan sanal anahtarlara (FAVS) dengeli bir biçimde dağıtır.Böylece ilk algoritmada yapılan gruplama sayesinde statik kaynak atamasının yarattığı kısıtlama ortadan kaldırılmış olur ve ikinci algoritma ile akışlar topolojideki sanal anahtarlara dengeli bir biçimde dağıtılarak akışların servis kalitesi (GoS) oldukça iyileşir.Bir diğer önerilen yapı ise, kontrolörde bu algoritmaların çalışmasının akışın performansı üzerinde negatif bir etki yaratmasını engellemek için, algoritmalar her bir sanal anahtar başına paralel olarak çalıştırılır.Böylece SDHetN kontrolörünün cevap süresi (response time) ve servis oranı (service rate) iyileşmektedir.SDHetN modelinin başarım analizi 48 farklı senaryo ile yürütülmüş ve önerilen SDHetN yapısının geleneksel yapıya göre daha esnek ve daha adil akış yönetimine sahip olduğu birçok performans çıktı grafiklerinde görülmektedir. Recently, mobile data traffic has rapid proliferation due to increased user demands in wireless networks.The conventional macrocells are stressed because of huge increase in user requests.Therefore, they are not adequate to serve indoor users and keep their service quality, i.e. Grade of Service (GoS), in acceptable levels. In order to meet indoor mobile users with higher service quality, i.e. lower GoS, heterogeneous networks (HetNets) are deployed as smallcells, vary according to coverage area such as macrocell, picocell and femtocell etc.However, conventional HetNets cannot handle increased user flow requests by using same number of physical resources, due to inefficient usage of these resources. The physical resources are clustered and distributed to smallcells statically in conventional HetNets by the operators.Therefore, this static clustering leads an ineffective resource usage.In other words, the number of flows that can be served with acceptable GoS, is restricted into low levels.For example, using two smallcells, each having ten physical resources, can handle more traffic flows than using four smallcells, each having five physical resources, while considering same GoS level.In other words, physical resource efficiency has huge decrease if resources are statically clustered and distributed to small cells.This is also proved by modeling two systems using markov chain and mathematically analyzed according to queuing theory as given in Appendix.Current solutions that try to increase resource efficiency in the literature, are based on switching technologies between radio access technologies (RATs) such as offloading, and cognitive radio technologies etc.Nevertheless, these solutions cannot reach high number of flows that can be served in acceptable level due to limitation of statically assigned physical resources.Therefore, the restriction caused by static clustering of physical resources and distribution to smallcells, should be removed with adaptive clustering approach.In this paper, we solve this ineffective static resource assignment by proposing a novel queuing-theoretic Software Defined HetNet (SDHetN) model which orchestrates topology using adaptive and scalable flow management heuristics. The proposed SDHetN takes its flexible and scalable characteristics thanks to two algorithms; the Topology Control Algorithm (TCA) and the Flow Admission Control Algorithm (FACA). Specifically, the proposed TCA clusters several OpenFlow (OF) switches using the flows' GoS in order to optimize physical resource assignment. The proposed FACA fairly distributes each Flow Authority Virtual Switch (FAVS) that are created in TCA by grouping several switches virtually. We also propose a thread-based parallelization in TCA and FACA increasing the response time and service rate of the SDHetN Controller. %The performance of SDHetN is evaluated by 48 different scenarios and it is shown that SDHetN provides a scalable and fair flow management according to different performance metrics. 79

Son yıllarda hızla artan IP trafik yoğunluğu ağ yönetimini zorlaştırmaktadır. CISCO'nun Görsel Haberleşme Ağı Göstergesi'ne (Visual Networking Index) göre, dünya çapında toplam IP trafiği geçtiğimiz beş yılda beş kattan fazla artış göstermiştir, ve önümüzdeki beş yılda bu değerin üç katına çıkacağı öngörülmektedir. Günümüzde var olan trafik kontrol mekanizmaları, aşırı artan trafik yoğunluğu karşısında esnek olmadığı için yeterli kaynak verimliliği sağlayamaz ve trafik yoğunluğunun neden olduğu ciddi servis kalitesi düşüklüklüklerini engellemede yetersiz kalır. Sonuç olarak, geleneksel ağ kontrol mekanizmaları, hızla gelişen mobil teknolojiler ve buna bağlı olarak artan veri trafiği karşısında kullanıcı gereksinimlerini karşılayamaz hale gelmiştir.IP trafik yoğunluğunun günümüzde gelmiş olduğu bu noktada, trafik artışına karşı esnek olabilen ve fiziksel topolojinin karmaşıklığını ortadan kaldırarak ağı kolayca yönetebilen dinamik bir mekanizmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Bu problemi çözebilmek için fiziksel ağ topolojisinin karmaşık yapısını azaltan ve merkezi bir yaklaşım ile tüm topoloji üzerinde hakimiyet sağlayarak ağı tek bir noktadan dinamik bir şekilde yönetebilen yeni nesil YThA teknolojisi geliştirilmiştir. Bu teknoloji ile anahtarların mantıksal kısmı kontrol katmanına taşınarak, bu cihazlar veri katmanında akılsız hale getirilip yönetimi kolaylaştırılmıştır. Veri katmanında yer alan fiziksel cihazlar ile kontrol katmanında yer alan ve bu cihazların yönetiminden sorumlu olan Kontrolör, YThA teknolojisi için tanımlanan OpenFlow protokolünü kullanarak haberleşmektedir. Böylece, YThA ve bu yapının kullandığı OpenFlow protokolü sayesinde, her fiziksel anahtarın birer birer konfigüre ve kontrol edilmesi yerine, fiziksel cihazların ağ kontrol birimi olan Kontrolör tarafından yönetimi kolayca sağlanmıştır. Ancak, YThA mekanizmasının ağ yönetiminde sağladığı esneklik ve fonksiyonelliğin yanında, OpenFlow anahtar yapısından kaynaklı olarak akış servis kalitesini kötü yönde etkileyen ve göz ardı edilmemesi gereken ek bir yönlendirme gecikmesi oluşmaktadır. Bu gecikmenin temel nedeni, bir akış yönlendirilirken OpenFlow anahtar yapısındaki akış tablosu iş hattında, birçok bitlik alanın birden fazla tabloda karşılaştırma ve eşleştirme gerektirmesidir. Geleneksel OF anahtarına giriş portları aracılığıyla iletilen bir akış, akış tablosu iş hattında yer alan tablolarda ilgili eşleşmelerden geçtikten ve başlık alanlarındaki bilgiler düzenlendikten sonra çıkış portları üzerinden tekrar ağa gönderilir. Akışın anahtar içerisinde geçirdiği süreçte, başlık alanları üzerinde herhangi bir değişiklik gerektirmeyen bazı eşleştirmeler de söz konusu olabilmektedir. Ayrıca, ağdaki anahtara iletilen akışların iş hattındaki ilerleyişi seri olarak devam etmektedir. Diğer bir deyişle, akış tablosu iş hattının tasarımından dolayı, iş hattında farklı akışlara paralel olarak hizmet verilememektedir. Geneksel OF anahtarında yer alan tüm bu mimari kısıtlar ve akış tablosu iş hattındaki tasarımsal eksiklikler, akışın yönlendirilmesi sırasında ilave gecikmeye neden olduğu gibi bellek kullanımı ve donanım maliyeti açısından da fazladan masrafa neden olmaktadır.YThA teknolojisinde, anahtar mimarisinden kaynaklanan iki önemli dezavantaj belleksel karmaşıklık ve zamansal karmaşıklık olarak sıralanabilir. Bu tez çalışmasında, belleksel karmaşıklık mimaride yer alan donanım maliyeti ya da bellek maliyeti olarak tanımlanırken, zamansal karmaşıklık ise akış yönlendirmesi sırasında ortaya çıkan gecikmeyi işaret etmektedir. YThA teknolojisinin veri katmanında, anahtar yapısından kaynaklı belleksel ve zamansal karmaşıklığı azaltmak üzere, OpenFlow akış yönlendirme mekanizması ile ilgili literatürde birçok çalışma yer almaktadır. Bunların başlıcaları anahtar üzerindeki arama için Hash yönteminden yararlanma, arama verilerini önbelleğe alma, akış eşleşmesi aranırken mükemmel hash yöntemi kullanma olarak sıralanabilir. Ancak, bu ve benzeri arama yöntemleri kullanan ve bir karar mekanizmasına dayalı olarak ön bellekleme yapan çalışmalar, OpenFlow anahtarlarının çalışma yapısındaki akılsızlık özelliğini bozmaktadır. Halbuki akılsız anahtarların Kontrolör tarafından yönetimi daha kolay olduğu gibi, bu cihazların akış yönlendirmesi daha hızlıdır. Belirtilen problemlerin çözümü için sunulacak yöntem, hem OpenFlow anahtarının akılsızlığını bozmayan hem de akış yönlendirilmesinde daha az eşleştirme yaparak akışın servis kalitesini iyi yönde etkileyen ve gecikmeyi azaltan yapıda olmalıdır.Ağda performans iyileştirmesi sağlarken OpenFlow anahtarının akılsızlık özelliğini bozmadan çalışababilecek bir yapı tasarlamak adına, bu tez çalışmasında, iş hattında yer alan tablolar çok katmanlı bir iş hattı mimarisi oluşturacak şekilde konumlandırılmıştır. Çok katmanlı anahtar mimarisi kullanarak, enine bağlantılı (crossbar) geleneksel mimariye göre, belleksel karmaşıklık azaltılmış ve anahtar yapısının donanımsal maliyeti düşürülmüştür. Önerilen mimaride iş hattında kullanılan çok katmanlı yapı 3 katmandan oluşmaktadır. Önerilen yapıda geleneksel OpenFlow anahtarının akış tablo dizilimindeki iş hattı yapısı değiştirilerek bir tablodan gidilebilecek tablo sayısı ikiye çıkartılmıştır. Anahtar mimarisinde yapılan bu değişikleri OpenFlow protokolü ile uyumlu hale getirmek adına, akışların başlık yapısında gerçekleştirilen ufak bir değişiklik ile iş hattındaki tablolar arası yönlendirmeyi sağlayan bir bitlik bir sonraki tablo belirteci eklenmiştir. Böylece, iş hattında gidilecek bir sonraki tablo, protokol ile belirlenirken, OpenFlow anahtarının akılsızlık özelliği korunmuştur. Ayrıca, çok katmanlı OpenFlow iş hattındaki tablolara birer mikroişlemci atanarak Yonga Üstü İletişim Ağı (Network On Chip-NOC) mekanizmasının sağladığı avantajlar OpenFlow anahtarına uygulanmıştır. NOC'ta, kullanılabilen birçok ortak yol (multi-bus) ve bu yollar üzerinde rezerve edilebilecek birçok mikroişlemci bulunduğu için anahtar içerisinde birim zamanda birden fazla akışa paralel olarak hizmet verilebilir. Geleneksel iş hattı yapısında bulunmayan bu özellik ile paralel akış işleme süreci elde edilmiştir. Bu sayede, akışlar arasındaki kaynak yarışını en aza indiren NOC tasarımı, akışın yönlendirme gecikmesini azaltarak servis kalitesinin arttırımında büyük ölçüde katkı sağlar. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, çok katmanlı mimari modeli için üç katmandan oluşan ağ mimarisi kullanılarak, anahtar içerisindeki akış tablosu iş hattı yapısı ve bu iş hattındaki tablo bağlantıları yeniden düzenlenmiştir. Ayrıca, anahtar mimarisi için Yonga Üstü İletişim Ağı yapısına benzer bir mimari oluşturmak ve bu mimarinin avantajlarından yararlanmak adına, her bir akış tablosuna, geleneksel yapıdaki tek bir mikroişlemci yerine, birim zamanda sadece bir komut gerçekleştirebilecek kapasitede birer mikroişlemci yerleştirilmiştir. Böylece, OpenFlow anahtarındaki bir iş hattı yapısı paralel çalışabilen birçok iş hattı yapısına dönüştürülmüştür. Ayrıca, anahtarların akılsızlık özelliğinin korunması adına, akışın çok katmanlı ağ mimarisindeki hareketi, ilgili akış tablo satırına bir sonraki tabloyu belirten bir bitlik belirteç eklenmesi ile gerçeklenmiştir. Geleneksel anahtar yapısının ve önerilen anahtar yapısının performans incelemesi ve karşılaştırması için anahtar içerisindeki iş hattı mimarisini modellerken kuyruklama teoreminde yararlanmıştır. Her iki mimaride yer alan iş hattı bölümü kuyruk ve sunucudan oluşan bir yapı ile modellenmiştir. Kullanılan modelde, her bir tablo, akışa hizmet veren ve eşleştirme işlemini gerçekleştiren bir sunucu olarak düşünülmüştür. Geleneksel yapıda ve önerilen yapıda kullanılan iş hattı tasarımına göre modelin uygun bölümlerine kuyruk eklenmiştir ve belirli bir varış oranında anahtara gelen akışlar bu kuyruklarda bekletilmiştir. Kuyruklama teoremi kullanılarak oluşturulan modelde, belleksel karmaşıklık ve zamansal karmaşıklık ölçütü olarak C (C_{MsOF}, C_{CON}) ve T (T_{MsOF}, T_{CON}) adında iki yeni parametre tanımlanmıştır ve geleneksel mimari ile önerilen mimari arasındaki performans incelemesi bu iki parametere üzerinden yürütülmüştür. Belleksel karmaşıklık parametresi ile anahtar mimari yapısının donanım maliyeti formülize edilirken; zamansal karmaşıklık parametresi ile akışın yönlendirme gecikmesi matematiksel olarak ifade edilmiştir. Elde edilen performans sonuçlarına göre, çok katmanlı (3 katmanlı) iş hattı yapısında kullanılan toplam bellek miktarı ve donanımsal bağlantı maliyeti geleneksel anahtar mimarisine göre azalmıştır. Diğer bir deyişle, geleneksel mimaride yer alan belleksel karmaşıklık azaltılmıştır. Ayrıca, önerilen switch modelinin geneleneksel switch modelinden, özellikle kalabalık ağlarda, yedi kata kadar daha az yönlendirme gecikmesi ile akış yönlendirebildiği ve daha iyi hizmet kalitesi (QoS) sağladığı görülmüştür. Böylece, geleneksel mimarinin akış kalitesini köte yönde etkileyen zamansal karmaşıklığın önerilen mimaride azaltıldığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlara göre, tabloların dizilişi çok katmanlı ağ mimarisine göre tasarlanarak, akış yönlendirmesi daha az eşleştirme ile gerçekleştirilmiştir. Böylece anahtar sisteminin belleksel ve zamansal karmaşıklığı azaltılarak performans iyileştirmesi sağlanmıştır. The tremendous increase on mobile data traffic has stressed conventional cellular networks recently. Network management has also become difficult because of enormous traffic demand. At this point, a flexible and dynamic control mechanism is needed that diminishes the complexity in physical topology.SDcN, is one of the novel next generation approaches that makes it easier to orchestrate physical devices in Data Plane with its centralized control fashion.SDcN paradigm provides a simple management strategy for network equipments in physical topology by moving their control logic to Control Plane. These equipments in physical topology release their complex decision heuristics to the Controller, so they become simple, dummy equipments. However; on one hand, SDcN provides scalability and flexibility on network management with dummy OpenFlow (OF) switches and its nature of centralized authority; on the other hand, these properties cause spatial and temporal complexity in the Data Plane that should not be regarded according to Quality of Service (QoS) of a flow. Spatial complexity, described in this thesis as Memory Usage and/or Hardware Cost in an OF switch, should be minimized by removing redundancy in OF switch flow table pipeline.Temporal complexity, defined in this thesis as Flow Forwarding Delay, should also be reduced by lowering number of comparison in flow table pipeline to enhance QoS of a flow. There are many studies in the literature that try to minimize spatial-temporal complexity in OF switch architecture and also to enhance QoS of a flow. However; most of these works violate dummy characteristic of OF switches because of the fact that they implement some wiser decision mechanism such as hashing, caching and search heuristics within the switch architecture. Any mechanism offered to lower spatial-temporal complexity of OF switch architecture should not violate dummy characteristic of these devices. Otherwise, management of physical devices by a central controller becomes slower, more difficult and complicated. Therefore, we propose a novel OF switch architecture to lower spatial-temporal complexity by using Multi-stage Switch model in flow table pipeline. The proposed model is able to forward a flow by less header matching with its architectural model. The proposed model also protects dummy characteristic with a little alteration in OF protocol header fields. In order to define the next table in the pipeline of proposed Multi-stage model, an additional field called next table identifier is integrated with existing OF protocol header entries. Flow forwarding in each pipeline of Multi-stage model is performed according to this next table identifier. Moreover, the advantages of NoC paradigm are also applied to OF forwarding mechanism with such a Multi-stage switch model by assigning a microcontroller to each flow table in each of pipeline stages. Consequently, thanks to multiple pipeline stages that can serve flows concurrently, the number of flows served per unit time is increased and the QoS of each flow is enhanced.For the performance investigation of proposed model we consider Queuing Theory in the light of a spatial complexity parameter (C) and a temporal complexity parameter (T) defined in this work. Total memory usage in a flow table pipeline is measured with spatial complexity parameter and flow forwarding delay is meausered in terms of temporal complexity parameter. These parameters are considered during the performance comparison between conventional OF switch architecture and proposed MsOF switch architecture with {CON} and {MsOF} indexes respectively. According to performance evaluation results, MsOF switch architecture is less spatial complex than conventional one as the number of input ports in an OF switch (N) increases that corresponds denser topologies.MsOF gains much more memory space by deploying more tables with lower memory sizes, total of (n*k). Moreover, MsOF switch model has less temporal complexity compared to conventional OF switch model, especially in urban areas. With such a Multi-stage deployment for flow tables, proposed MsOF architecture provides approximately 7 times less flow forwarding delay, T_{MsOF} < (7 x T_{CON}), compared with a conventional OF Switch by virtue of processing flows at different stages of pipeline simultaneously. 64

Son yıllarda artan mobil cihaz kullanımı ve beraberinde getirdiği yüksek ağ trafiği, iş çıkarımı ve gecikme problemlerini gündeme getirmiştir. Kullanıcı paketleri giderek artan bir gecikme ve seğirme ile karşılaşmaya başlamış ve bunun neticesinde iş çıkarımı aşırı düzeyde düşmüştür. LTE sistemlerinin geliştirilmesi ve uygulamaya alınmasıyla birlikte frekansların tekrardan kullanımı ve taşıyıcı birleştirme fikirleri gündeme gelmiştir. Ancak taşıyıcı birleştirme ağ kapasitesinde aktif bir uygulama olmakla birlikte güç tüketimi konusunda kayda değer bir gelişme sunamamıştır. Güç tüketimi bakımından frekansların tekrar kullanılabilirliği ve beraberinde getirdiği küçük ağ yapıları fikri nispeten daha parlak sonuçlar yaratmıştır. Temel olarak, daha sınırlı alanlarda daha düşük güçte baz istasyonları kurularak aynı frekansların kullanılması fikrine dayanan bu yöntem, kullanıcıyla olan mesafenin az olmasından dolayı güç tüketiminde azalma getirmiştir. Ancak küçük ağ sistemlerinin kullanımlarının yaygınlaşmasıyla birlikte, farklı ağların birbirine yaptığı girişim giderek artmıştır. Artan girişim problemi netice itibariyle güç tüketiminde azımsanmayacak bir artışa neden olmuştur. Aynı zamanda, ağ yapısının heterojen özellik kazanmasıyla birlikte kaynak atama da giderek zorlaşan bir alan olmuş ve netice itibariyle hem sermaye harcamalarını hem de işletim masraflarını arttırmıştır. Bu süreçte, kapasite artışını kontrol etmek için uygulanan bir diğer yöntem ise ağ içerisindeki baz istasyonunun yayın gücünü arttırmaktır. Felsefe olarak, baz istasyonunun yayın gücünün artması beraberinde ağın iş çıkarımının artmasını tetiklemektedir. Bu felsefeye dayanarak daha yüksek kapasiteye sahip, çok daha yüksek güç tüketimi olan kablosuz ağ bağlantı noktaları geliştirilmiştir.Ancak güç tüketimindeki aşırı artış, artan girişim problemi nedeniyle iş çıkarımında kısıtlı miktarda bir artış sağlarken, hem işletim maliyetlerinin hem de elektronik yaşlanmanın artmasına neden olmuştur. Bu yaşlanma problemiyle cihazların kullanım ömürleri ciddi miktarda azalırken sermaye masrafları da üssel olarak artmıştır. Uygulanan bu yöntemler ağ performansı ile güç tüketimi arasındaki ödünleşimi keskin bir şekilde ortaya koymuştur. Bu nedenle performans bakımından üstün olan ağ yönetim sistemlerinde, güç tüketimini iyileştirmek için ilave yöntemler araştırılmaya başlanmıştır. Bu araştırmalar göstermiştir ki güç tüketimindeki problemlerin başlıca nedeni yönetim sisteminin gün içinde sıklıkla değişen trafik akışını takip edememesidir. Bu nedenle ağ sistemleri genellikle ağa fazlaca kaynak sunmakta bu da güç tüketiminde ciddi artışa neden olmaktadır. Kendini düzenleyen ağ yönetim mekanizması gün içerisinde aktif olarak değişmekte olan trafik ve ağ koşullarının yönetim mekanizmasınca etkin bir şekilde kontrol edilerek, ağ yapısının en verimli yapıya getirilmesini sağlamaktadır. Bu en iyileme işlemi kendini düzenleyen ağ yönetim sistemlerinde tanımlanmış olan üç adet temel yapıya dayanmaktadır. Bu yapılar kendini ayarlama, kendini en iyileme ve kendini iyileştirmedir. Ağ yapısındaki bu ödünleşimin görünürlüğü, kendini düzenleyen ağ yapısının geliştirilmesiyle birlikte azalmıştır. Ancak bu ödünleşim, yeni bir kullanıcı yapısının geliştirilmesiyle birlikte yeniden görünür hale gelmiştir.Tümdevre tasarımında ve gerçeklenmesinde ortaya çıkan ilerlemeler çok daha gelişmiş ve verimli sistemlerin hem daha ucuza hem de daha küçük boyutlarda yapılmasını sağlamıştır. Bu durum ise günlük hayatta sıkça kullanılmakta olan kullanıcı cihazlarına RF alıcı ve vericilerinin eklenmesine olanak sağlamıştır. Bu cihazlar gün içerisinde oldukça fazla miktarda veri oluşturmakta ve bu verileri kendi iş tanımlarına göre belli birimlere iletmektedirler. Bu cihazların RF yapıları taşımasıyla birlikte, bu veri akışını sağlamak için birbirlerine bağlanması fikri ortaya çıkmıştır. Bu şekilde, cihazların ağı (CA) fikri ilk defa ortaya atılmıştır. Bu yeni ağ yapısının geliştirilmesiyle birlikte ortaya daha önceden var olmayan yeni bir kullanıcı tipi çıkmıştır. Klasik mobil kullanıcıdan farklı olarak, gecikme ya da seğirme konusunda herhangi bir performans beklentisi olmayan bu cihazlar açısından, en önemli kriter güç tüketimidir. Bu bakımdan geliştirilmiş olan bu yeni kullanıcı türü mobil kullanıcılarla duyarga cihazlarının arasında bir yapıya sahiptir. Ancak var olan kendini düzenleyen ağ yönetim modelleri önceliği ağın servis kalitesini en iyilemeye ayırdıklarından, yeni gelişmiş olan cihazlar açısından yetersiz kalmışlardır. Şu anda günlük cihaz yönetiminde genellikle doğaçlama yöntemler ve duyarga ağlarında kullanılmakta olan algoritmalar kullanılmaktadır. Ancak günlük cihaz ağıyla mobil kullanıcı ağlarının arasındaki etkileşimlerin artması beraberinde her iki kullanıcıyı birlikte kontrol edebilen sistemlerin geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur. Bu tez kapsamında her iki kullanıcı modelini de etkin bir şekilde yönetebilecek kendini düzenleyebilen ağ yapısı önerilemektedir. Bu amaçla iki farklı kullanıcı için ayrı ayrı performans beklentilerini karşılayabilen birer ağ kontrol sistemi geliştirilmiş olup, arkasından bu iki model birleştirerek, her iki kullanıcı modeline de yüksek performansla hizmet sunabilen bir yapı geliştirilmiştir. Bu amaçla öncelikle doğadan esinlenilerek, kendini düzenleyen ağ yapısı geliştirilmiştir. Bu yapıda basitlik ve etkin olma özelliklerinin yanı sıra güçlü bir bellek yönetimi özelliğine sahip olmasından dolayı bağışıklık sistemi model alınmıştır. Tasarım süresinde bağışıklık sistemindeki B-hücresi, T-hücresi, Timüs organı ve antijen yapılarından esinlenilerek önerdiğimiz kendini düzenleyen yapının kendini ayarlama, kendini en iyileme, kendini iyileştirme ve problem tespiti kısımları tasarlanmıştır. Önermekte olduğumuz yapı, pek çok küçük ağ taşıyan bir ağı yönetmekte olan ana baz istasyonları için tasarlanmıştır. Küçük ağ baz istasyonları, haberleşme için kullanmakta oldukları gücü ve kullanıcı sayısını ana baz istasyonuna yollamaktadırlar. Verilen bu değerlere göre ana baz istasyonu, küçük ağ baz istasyonunun enerji verimini incelemekte ve verimsiz olduğuna karar vermesi durumunda daha önceden tanımlanmış olan üç farklı yöntemden birini olasılıksal olarak seçmektedir. Uygulanan yöntemin uygunluğu, T-hücresinden esinlenilmiş olan kendini en iyileme birimi tarafından incelenmekte ve bunun geçerli bir yöntem olup olmadığına karar verilmektedir. Verimin uygun olduğuna karar verilmesi halinde, karşılaşılan ağ sorunuyla uygulanan yöntem birbiriyle eşleştirilerek saklanmaktadır. Eğer uygun olmadığına karar verilirse, bu eşleştirme kaldırılmakta ve böylece etkin olmayan yöntem elenmektedir. Bu yöntem neticesinde en uygun çözümleri taşıyan yapıların oluşması sağlanacaktır ki; bu da bir sonraki hedefimiz olan hizmet alanındaki iyileşmeyi önümüze getirmektedir. Timüs organından esinlenilmiş olan kendini iyileştirme yapısı ağ yönetiminin politikasına karar vermekte ve bu politikaya göre sorunlu durumları belirlemektedir. Tez kapsamında aynı zamanda Markov yapısı sunulmuş olup kararlı bir yapıda baz istasyonlarının hangi metotları aktif bir şekilde kullanacakları incelenmiştir. Benzetim sonuçları ortaya koymaktadır ki; önerilmiş olan yapı enerji tüketimini düzenleyip ağdaki yük dağılımını iyileştirirken, ağa kabul oranında %26 bir iyileşme sunmaktadır.İkinci olarak, günlük ağ cihazları için kendini düzenleyebilen bir sistem önerilmiştir. Bu yapıda ağın güç tüketiminin daha verimli bir hale getirilmesi hedeflenmiş olup bu amaçla kullanılmayan cihazların uykuya yatırılması esasına dayanan bir en iyileme tekniği geliştirilmiştir. Bu yapı içerisinde öncelikle gözlenilmesi beklenen olay yoğunluğu kullanılarak, aktif olması gereken cihaz sayısına karar verilmiştir. Hesaplanan bu cihaz sayısı hedeflenen olay yoğunluğunu gözlemlemek için kullanılması gereken cihaz yoğunluğudur. Bu yoğunluğun hesaplanması sırasında aktif kapsama alanı denilen bir katsayı tasarlanmış ve böylece aynı alanı kapsayan cihazların bu hesaplamada hata oluşturması engellenmiştir. Cihazların açık ve kapalı olacakları aralıkların belirlenmesi sırasında, çakışma katsayısı ve uzaysal bağıntıların yerel bilgisi kullanılmıştır. Çakışma katsayısı cihazın başka cihazlar tarafından kapsanmayan bölgeleri ne kadar kapsadığına göre hesaplanmakta ve bu şekilde bir liste yapılmaktadır. Öncelikle, en yüksek çakışma katsayısına sahip cihazlar aktif hale getirilirler. Yeterli cihaz sayısına ulaşılamaması durumundaysa uzaysal bağıntıların yerel bilgisi kullanılır. Uzaysal bağıntıların yerel bilgisi ile cihazların geriye kalan cihazlara olan uzaklıkları temel alınarak bir sıralama yapılır ve diger aktif cihazlara en uzak olan cihazlar aktif hale getirilerek, gerekli olan diğer cihazlar çalıştırılırlar. Yapılmış olan benzetimler süresince toplamda yetmiş adet cihaz için ağ yapısı incelenmiş olup, neticede hem cihazların ömürleri hem de sürdürülebilirlikleri gözlemlenmiştir. Cihazların ömürleri güçlerinin bittiği zaman olarak belirlenmiş olmakla birlikte, sürdürülebilirlik sınırı, cihazların toplam kapsama alanının %30 oranında düştüğü nokta olarak belirlenmiştir. Netice itibariyle sürdürülebilirlik anlamında %150 gibi bir artış gözlenirken, cihaz ömrü anlamında %220 lik bir artış sağlanmıştır.Daha önceden de anlatıldığı gibi, bu tezin kapsamındaki en temel amaç farklı kullanıcı tiplerinin haberleşmelerini yani hem günlük cihaz haberleşmesini hem de klasik mobil kullanıcı haberleşmesini kontrol edebilen bir ağ yönetim yapısının gerçeklenmesidir. Bu amaçla, daha önceden tanımlamış olduğumuz bağışıklık sisteminden esinlenilmiş kendini düzenleyebilen ağ yapısı ile kendini düzenleyebilen cihazlar yapısını birleştirmiş bulunmaktayız. Bu çalışmada daha önceki çalışmalara ek olarak üç farklı ağ politikası tanımlanmıştır. Bunlar en yüksek performans politikası, en enerji verimli çalışma politikası ve dengeli çalışma politikası olarak gruplandırılabilirler. Bu politikalar yardımıyla gün içerisinde özellikle mobil kullanıcıların beklentisinde ortaya çıkan değişiklikleri takip edebilen bir ağ yapısı tasarlanmıştır. Bunun yanı sıra olay yoğunluğu hesaplanırken, ağırlıklı olasılık fonksiyonu kullanılarak daha fazla olay görülen bölgelerde daha fazla cihazın çalıştırılması sağlanmıştır. Bu ağırlıklı çalışma yönteminin işler hale gelebilmesi için, ağ yapısı temel olarak üç ana kısma bölünmüş ve cihaz yaşam süresindeki incelemeler bu üç ana bölgede farklı olay sıklıklarıyla gerçeklenmiştir. Gerçekleme sonuçları göstermektedir ki, önermekte olduğumuz yöntem karışık kullanıcı çeşitlerini başarılı bir şekilde kontrol edebilmektedir. Tasarımımızın direkt olarak baz istasyonlarını hedef alması, hem kurulum hem de işletim alanlarında ekonomik kazançlar sağlaması ve performanslarda ilerleme oluşturması nedenleriyle özellikle telekomünikasyon şirketleri tarafından kullanılacağı düşünülmektedir. Öte yandan daha gelişmiş haberleşme sistemleri ile hem kullanıcılara sunulan hizmet kalitesi arttırılacak hem de enerji tüketimini ve böylece CO2 salınımını azaltarak çevreye verilen zarar önlenecektir. Increase in mobile devices and RF applications, triggered a bottleneck in the throughput and coverage. Even though the carrier aggregation solved the capacity problems, the quality of service (QoS) decreased tremendously in terms of peak data rates and latency. Providing an effective solution, LTE-A, which integrates the full-frequency reusing scenarios, is proposed. By this way, the idea of micro and femto cells is developed. These small cells are relatively low powered, capable of handling lower number of users and have smaller coverage areas. However, the heterogeneity of networks increased the interference problems interference and eventually resulted in resource allocation problems. Another applied solution to this capacity need is to increase the transmission power of the main base stations. As a general knowledge, it is known that increasing transmission power always increases the throughput. Based on this fact, higher capacity wireless links that consumes higher energy are designed. Both the small cell solution and the higher powered wireless link solution increase the energy consumption of the network. This high power dissipation pointed the tradeoff between energy efficiency and spectral efficiency. The higher power dissipation causes higher operational costs and electronic aging problem, which eventually increases the CAPEX. Due to this, energy optimization algorithms, which can decrease energy consumption while maintaining performance of the network, are investigated. The researches showed that the most of the energy consumption is due to the dynamic nature of the daily traffic. Over providing the network, which eventually causes resource mismanagement, solves the wireless links lack of ability of adaptation to the network's dynamic nature. Self-organizing networks are capable of following the dynamic nature of the network. Using its three predefined bloc, i.e. self-configuration, self-optimization and self-healing, it can adapt itself to the traffic changes and also needs more human intervention. Even though, the development of self-organizing network structure decrease the visibility of the trade off between spectral energy and energy efficiency, the deployment of a new user type bring out the previous problems. The developments in very and ultra large-scale integration and the decrease in the integrated circuit prices caused the spread of consumer electronics that contains RF modules, namely `things`. These thing devices (TD) produce large amount of data that are gathered from their environment based on their work definitions. The idea of connecting these TDs created the concept of Internet of Things (IoT). However, these new type of users are different from the existing mobile users. They have different QoS requirements and performance metrics. For most of the devices, the latency and jitter are not a realistic problem and they have no throughput concerns. However, they try to optimize their energy consumption over a large period. Due to this reason, they can be classified as a hybrid structure that exists between mobile devices and sensor nodes. The existing self-organizing network deployments are incapable of handling these devices as the existing network management topologies give particular importance to the optimization of the network QoS, which is not valid for TDs. For most of the network management deployments, the applied most optimal network deployment is the worst network topology for IoT networks. The Ad-Hoc algorithms and scheduling algorithms are maintaining the topology management frameworks so far. However, the increasing interactions between these two different user types, i.e. TDs and mobile users, brought the necessity of a complete architecture that can handle both of the users. In this study, a self-organized network management framework that can handle the hybrid user types is proposed. During the development phase of this management framework, we have designed two different network management frameworks for two different homogenous networks. First, we have developed an immune inspired green self-organizing network (I2-gSON) controller that handles the throughput-concerned mobile users. During this study, we inspired from the immune system concepts and redefined the self-organizing network blocks using immune system features. More specifically, we inspired form B-cell, T-cell, Thymus and antigen concepts and mapped them to the self-configuration, self-optimization, self-healing and low energy efficiency concepts, respectively. The considered network topology consists of small cells and the users. The proposed framework is designed for the main base station structures of the network. The proposed framework uses three actions in the self-configuration block and tries to decrease the power consumption while maintaining the acceptance ratio of the base stations. By the end of the simulations, we observed that the proposed framework stabilizes the energy consumption of the network while increasing the acceptance ratio by 26%. Our second design proposes a self-organizing framework for IoT devices. In this study, we divided the TD types into two, i.e. trigger based devices (TBD) and periodic signaling devices (PSD). The proposed framework looks into the problems of coverage, energy efficiency for IoT. The self-organizing framework of this study decreases the human intervention. We explore first a tradeoff between the coverage and energy demands through simulation studies. Then, we defined two decision metrics, called as conflict and spatial parameters that are used to tune the extent of coverage and region of overlap. Both of these parameters are utilized for network management in self-optimization process. In addition, we develop a sleep mode optimization technique in order to minimize the energy consumption and stabilize the battery lifetime, which is a novel approach that considers the spatial distributions. These results showed that this technique provides 150% increase in durability with 220% increase in the overall lifetime. Finally, using these two different frameworks we proposed a novel hybrid topology management framework that can handle both IoT devices and mobile users. Developing this study, we used the strongholds of each framework and integrated them. We defined three-operation policy that effects the network deployment, i.e. high performance (HP), most energy efficient (MEE) and balanced system (BaS). The mobile user network topology is decided according to the active policy that is determined by the time of the day. IoT deployment is determined using the previously explained self-organizing framework. We used a weighted approach to determine the event probability and to maintain a higher event observation rate. In order to integrate this weighted approach, the network is divided into three subgroups. The simulation results proved that the proposed network could handle both IoT devices and mobile users and maintain high performance with a high-energy efficiency. 124

Bu çalışmada, femtocell tabanlı ağlarda gereksiz aktarım sayısını düşürmeye yönelik, mobil kullanıcıların sinyal kaybı raporlarını kullanarak yeni bir aktarım yönetim mekanizması tasarlanmıştır. Tasarlanan mekanizmada sinyal kaybı değerlerini uzaysal olarak kestirebilmek için semivariogram analizi yapan Ordinary Kriging yöntemleri kullanmaktadır. Bu yöntem iki kısımdan oluşmaktadır. İlk olarak yeni tanımlanan sinyal kaybı değişkeni hesaplanır ve sonrasında bu değer önceden tanımlanan eşik değeri ile kıyaslanarak aktarım kararı alınır. Yeni tanımlanan sinyal kaybı değişkeni mobil kullanıcının gelecekte bulunacağı noktaların sinyal kaybı değişkenine dayanmaktadır. Sayısal veriler önerilen yöntemin geleneksel yönteme göre gereksiz aktarım sayısı ve ping-pong aktarım oranı anlamında daha iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. In this study, a new path loss-based handover management mechanism is introduced in order to minimize the number of unnecessary handovers in femtocell-based networks by using path loss measurement reports from mobile stations. The proposed mechanism includes a spatial estimation of path loss step that depends on ordinary Kriging using Semivariogram Analysis. This method is composed of two parts. First calculate mobile station's newly defined path loss and then compare this value with the predefined threshold to make a handover decision. The newly defined path loss is calculated by considering the path loss of future locations which are the locations that the mobile station will most likely reach in the future. Numerical results demonstrate that the proposed handover scheme is superior to conventional handover scheme from the viewpoints of both unnecessary handover number and ping-pong handover rate. 83