Kablosuz algılayıcı ağlarda tavlama benzetimi algoritması ile enerji verimliliği optimizasyonu
The optimization of energy efficiency in the wireless sensor networks by using simulated annealing algortihm
Yazar: GÜLŞAH GÜLBAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜRCAN ÇETİN
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilişim Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology

Özet:
Kablosuz Algılayıcı Ağlar (KAA) birçok alanda verilerin toplanması, belirli merkezlere iletilmesi ve bu alanların kontrol edilmesinde kullanılmaktadır. Ancak bu ortamlarda kullanılan algılayıcı düğümler enerji, hız ve bellek kapasitesi anlamında sınırlı kapasiteye sahiptirler. Bu sınırlı kapasite KAA'da her bir veri gönderiminde azalmakta ve sonunda KAA kullanılamaz duruma gelmektedir. Fiziki, coğrafi ya da güvenlik risklerinden dolayı bir bölgeye rasgele ya da zorunlu nedenlerden dolayı heterojen bir şekilde dağıtılan algılayıcı düğümlerin yaşam sürelerini arttırmak için düz, hiyerarşik, konum tabanlı ve hizmet kalitesi (QoS) gereksinimlerini göz önünde bulunduran birçok yönlendirme protokolü bulunmaktadır. LEACH, PEGASIS, VGA, TEEN ve APTEEN bu protokoller içerisinde hiyerarşik, kümeleme tabanlı protokollerdir. Kümeleme işlemi her bir veri aktarımı çevriminde algılayıcı düğümlerden bazılarının Küme Başı seçilmesi ve verilerin bu düğümler üzerinden merkezi düğüme iletilmesi işlemidir. Bu yöntemde her bir çevrimde yaşanan enerji kaybı algılayıcı düğümlerden Küme Başı düğümlere verilerin iletilmesi, Küme Başı düğümlerden verilerin alınması, Küme Başı düğümlerde toplanan verilerin merkezi düğüme (Sink) iletilmesi ve son olarak her hangi bir kümeye dâhil olamayan düğümlerdeki verilerin doğrudan Sink'e gönderilmesi sırasında harcanan enerjinin toplamıdır. 
Bu tez çalışmasında, LEACH protokolünü kullanan algılayıcı ağdaki düğümlerin enerji kayıplarını azaltmak için Tavlama Benzetimi Optimizasyonu Algoritması kullanılmıştır. Yapılan çalışmada, iki farklı Tavlama Benzetimi yöntemi sunulmuştur. İlk yöntem olan LEACH-SA'da küme başlarının seçimi LEACH protokolü ile gerçekleştirilmiş ve sonrasında seçilen küme başlarına göre en iyi yeni Küme Başı düğümler aranmıştır. İkinci yöntemde ise küme başlarının seçiminde yüzdesel bir sabit kullanılmış ve sonrasında seçilen Küme Başı düğümlerden daha iyi küme başları var mı araştırılmıştır.  Tez çalışmasında geliştirilen algoritmaların LEACH protokolü ile performans sonuçlarını karşılaştırmak için MATLAB R2015b yazılımında bir uygulama geliştirilmiştir. Uygulama üzerinde algılayıcı sayısı 10, 25, 50 ve 100 düğüm için; enerji tüketimi, veri gönderimi, aktif/ölü düğüm sayıları ve her bir çevrimde algılayıcı başına düşen ortalama enerji açısından karşılaştırma yapılmıştır. Çalışma sonucunda algılayıcı sayısı 10 ve 25 olan ağlarda yüzdelik Küme Başı seçimi yapan Tavlama Benzetimi algoritması daha iyi sonuç vermiştir. Elde edilen sonuçlara göre n=10 için %40, n=25 için %40 - %52 arasında verim artışı yaşanmıştır. Algılayıcı sayısı 50 ve 100 olan ağlarda ise LEACH-SA protokolü daha iyi sonuçlar vermiştir. n=50 için %54.3 - %68 arasında, n=100 için %72 - %82 arasında verim artışı elde edilmiştir.

Abstract:
Wireless Sensor Networks (WSN) are used in many areas to collect, transmit and control data. However, the sensor nodes used in these networks have limited capacity in terms of energy, speed and memory capacity. This limited capacity decreases with each data transmission in the WSN, and then the WSN becomes unavailable. There are several routing protocols that take into account data centric, hierarchical, location-based, and quality of service (QoS) requirements to increase the life span of sensor nodes that are randomly or heterogeneously localed to a zone for physical, geographic, or security risks. LEACH, PEGASIS, VGA, TEEN and APTEEN are hierarchical, clustering-based protocols. In this method, the energy loss experienced in each cycle is the sum of the energy expended during the transmission of data from the sensor nodes to the Cluster Head nodes, the retrieval of data from the cluster head nodes, the transmission of data collected in the Cluster Head nodes to the central node (Sink), and finally, the transmission of data directly to the Sink from the sensors which can't be a member any Cluster Head.
In this thesis, the Simulated Annealing (SA) Optimization Algorithm is used to reduce the energy losses of the nodes in the WSN using the LEACH protocol. Two different SA methods are presented in this study. In LEACH-SA, the first method, the selection of cluster heads was carried out with the LEACH protocol and then the best new cluster nodes were searched for the selected cluster heads. In the second method, a percentage constant was used in the selection of cluster heads and then it was investigated whether there were better cluster heads than the selected cluster heads. An application was developed in MATLAB R2015b software to compare the LEACH protocol and performance results of the algorithms developed in the thesis. For the number of sensors 10, 25, 50 and 100 nodes on the application; energy consumption, data transmission, number of active / dead nodes and average energy per sensor per round were compared. As a result of this study, SA algorithm, which makes percentage selection per cluster, has better results in networks with 10 and 25 sensors. According to the results, efficiency increase between 40% for n = 10 and 40% - 52% for n = 25 was observed. In networks with 50 and 100 sensors, the LEACH-SA protocol gave better results. Efficiency increased between 54.3% and 68% for n = 50, and 72% - 82% for n = 100.