Kablosuz vücut alan ağları için yazılım tanımlı ağ destekli yeni bir protokol mimarisi
A new protocol architecture for software-defined networking based wireless body area networks
Yazar: MURTAZA CİCİOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. ALİ ÇALHAN
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Bilgisayar ağ protokolleri = Computer network protocols ; Bilgisayar ağları = Computer networks

Özet:
Kablosuz vücut alan ağları (KVAA), insan sağlığı verilerinin izlenmesini sağlayan en umut verici iletişim teknolojilerinden biridir. KVAA mimarisinin heterojen ve karmaşık ağ yapısı, üretici firma bağımlılığı, hareketlilik durumları, sınırlı enerji kaynakları, trafik önceliklendirme yönetimi, kurulum/yeniden yapılandırma gibi kontrol ve yönetim süreçleri halen çözüm bekleyen bazı sorunlar arasında yerini almaktadır. Bu sorunlarla başa çıkabilmek için ağ iletişiminde yeni bir tasarım ve yönetim anlayışını tanımlayan Yazılım Tanımlı Ağ (YTA) yaklaşımı son zamanlarda hem akademi hem de endüstri dünyası tarafından oldukça ilgiyle karşılanmıştır. Bu tez çalışmasında, uygulama gereksinimleri CSMA-CA temelli IEEE 802.15.6 standardına göre tanımlanmış KVAA mimarisinin esnek, programlanabilir, enerji duyarlı ve yönetilebilir dinamik bir ağ yapısına kavuşabilmesi için Yazılım Tanımlı Kablosuz Vücut Alan Ağ (YT-KVAA) yaklaşımı önerilmiştir. YT-KVAA mimarisi için HUBsFlow ağ ara yüz protokolü, SDNRouting ile ESR-W enerji duyarlı yönlendirme algoritmaları, bulanık mantık tabanlı ağ geçidi seçim algoritması ve özgül emilim oranına (SAR) dayalı dinamik koordinatör düğüm seçim algoritması geliştirilmiştir. Ağın genel görünümüne sahip, kapsama alanındaki tüm HUB düğümlerini yönetebilen,  ağla ilgili kontrol ve yönetim işlemlerini devralmış bir denetleyici tasarlanmıştır. HUBsFlow ağ ara yüz protokolü, kontrol katmanı elemanı olan denetleyicinin veri katmanı elemanları olan HUB düğümleri ile iletişim kurma biçimini standartlaştırmak için önerilmiştir. YT-KVAA mimarisinin tüm bileşenleri, protokolleri ve algoritmaları Riverbed Modeler benzetim yazılımı kullanılarak geliştirilmiştir. Çeşitli senaryolar ile yapılan performans değerlendirmesinde iş çıkarımı, uçtan uca gecikme, paket kayıp oranı, bit hata oranı, başarılı iletim oranı ve enerji tüketim değerleri gibi ağ başarım parametreleri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, IEEE/ISO 11073 kişisel sağlık veri standardının tanımladığı servis kalite gereksinimleri temel alındığında, YT-KVAA yaklaşımı geleneksel KVAA mimarisine göre daha uygun sonuçlar verdiği saptanmıştır.

Abstract:
Wireless Body Area Networks (WBANs) are one of the most promising communication technologies for monitoring human health data. Some pending issues in WBAN e.g., it's heterogeneous and complex architecture, vendor dependency, mobility, limited energy resources, traffic prioritization management, control and management processes such as installation/reconfiguration are still among the problems waiting for solutions. In order to cope with these problems, the Software-Defined Networking (SDN) paradigm, which defines a new paradigm of design and management in network communication, has recently been received with great interest by both academia and industry. In this thesis, Software-Defined Wireless Body Area Network (SD-WBAN) approach has been proposed in order to achieve a flexible, programmable, energy sensitive and manageable dynamic network structure of WBAN architecture whose application requirements are defined according to CSMA-CA based IEEE 802.15.6 standard. For SD-WBAN architecture, HUBsFlow network interface protocol, SDNRouting and ESR-W energy sensitive routing algorithms, Fuzzy Logic based gateway selection algorithm and dynamic coordinator node selection algorithm based on specific absorption rate (SAR) have been developed. A controller has been designed with an overview of the network, capable of managing all HUB nodes in range, and taking over network-related control and management operations. The HUBsFlow network interface protocol has been proposed to standardize the communication between the controller as a control layer element and HUB nodes as data layer elements. All components, protocols, and algorithms of SD-WBAN architecture were developed using Riverbed Modeler simulation software. Network performance parameters such as throughput, end-to-end delay, packet loss rate, bit error rate, successful transmission rate, and energy consumption values were examined with various scenarios. According to the results obtained, based on the quality of service requirements defined by IEEE/ISO 11073 personal health data standard, SD-WBAN approach is found to be more suitable than traditional WBAN architecture.