Hücresel ağlarda nesnelerin interneti ve röle cihazlar arasında imza tabanlı ve enerji verimli cihaz keşfi protokolü
Signature-based and energy-efficient device discovery protocol between the internet of things and relay devices in cellular networks
Yazar: MUHAMMET TALHA KAKIZ
Danışman: DOÇ. DR. TUĞRUL ÇAVDAR
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
IoT cihazlarını internete bağlayacak ağlardan biri hücresel ağlardır. 3. Nesil Ortaklık Projesi (3GPP), hücresel ağlarda IoT cihazlarının röle aygıtlar aracılığıyla ağa bağlandığı bir bağlantı modeli önerir. Cihazların enerji kısıtlamaları, gezginliği ve keşif mesajlarının çakışması nedeniyle bu modelde cihazların aralıklı olarak uyuyup uyanarak cihaz keşfi görevini minimum enerji tüketimi ile gerçekleştirmesi önemlidir. Literatürdeki cihaz keşif protokollerinde, cihazlar periyodik olarak komşu aygıtları aramaları gerektiğinden, bu yöntemler enerji verimliliği açısından 3GPP'nin bahsi geçen bağlantı modeli için uygun değildir. Bu çalışmada, Zadoff-Chu dizilerini kullanan imza tabanlı ve enerji verimli röle keşif protokolü geliştirilmiş ve üretilen diziler cihazların aktif zaman aralıklarını işaret etmek için kullanılmıştır. İmza tabanlı sinyalizasyon ile IoT aygıtları, rölelerin gelecekte ne zaman aktif olacaklarını bildiklerinden röle cihazların aktif zaman aralıklarını aramak zorunda kalmazlar. Ayrıca, geliştirilen üç aşamalı özgün periyot yapısı ile aynı zaman aralığında birden fazla cihaz tarafından gönderilen keşif mesajlarının çakışması da önlenmiştir. Olasılık analizleri ve simülasyon sonuçları, IoT aygıtlarının tasarlanan protokolde literatürdeki protokollere kıyasla daha az mesaj çakışması, daha az enerji tüketimi ile daha fazla cihazı keşfettiğini göstermektedir.

Abstract:
One of the networks that will connect IoTDs to the Internet is cellular networks. The 3rd Generation Partnership Project (3GPP) proposes a connectivity model for cellular networks in which IoTDs connect to the network via relay devices. Due to energy budget constraints, mobility of devices and collision of discovery messages, it is important that they perform discovery with the minimum energy consumption by intermittently sleeping and waking up. The existing device discovery protocols are not energy efficient for this model as they need to continually search their neighbor devices. In this work, signature-based energy efficient relay discovery protocol using Zadoff-Chu sequences has been developed and the generated sequences have been used for pointing the active time intervals of the devices. With the aid of signature-based signalization, IoTDs do not have to search for relay devices because they know when the relays will wake up in the future. Besides, with the designed novel three-stage original period structure, the message collisions have been eliminated. The probabilistic analysis and simulation results show the developed protocol discovers more devices with less energy consumption as well as preventing collisions, as compared with the existing protocols.