Algılayıcı ağlar için enerji verimli baz istasyonu konum optimizasyonu
Energy efficient base station position optimization for sensor networks
Yazar: SAHAR SALAHELDEEN ABDELGADER ABBAS
Danışman: DOÇ. DR. TANSAL GÜÇLÜOĞLU ; DOÇ. DR. TAMER DAĞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz Algılayıcı Ağlar (KAA'lar), kompleks bir fiziksel ortamdan veri toplamak için gereklidir. KAA'lar son yıllarda artan miktarda araştırmanın konusu olmuştur. KAA'larda, kaynakların kısıtlı olduğu binlerce sensör düğümü, ortamları izlemek, verileri toplamak ve daha sonraki işlemler için uzak sunuculara göndermek için kullanılır. KAA'ların birincil amacı enerji kullanımını dengelemek ve ağ yaşam süresi uzatmak amacıyla tasarlanmıştır. Yakın zamanda yapılan araştırmalar, kısa menzilli iletişim kullanarak sensör düğümlerinden veri toplamak için mobil baz istasyonlarda yapılan çalışmalarla KAA'larda önemli faydaların elde edilebileceğini göstermiştir. Portatif baz istasyonu, büyük bir bataryaya ve hafızaya sahip güçlü bir alıcı-vericiye sahip bir araç veya mobil robottur. Sensör düğümlerinden veri toplar ve tüm sensör düğümlerinde veri iletimi gecikmelerinin azaltılmasına yardımcı olur. Genel enerji kullanımını geliştirme açısından, KAA'lar yaşam sürelerini uzatmak ve ayrıca enerji verimliliği sağlamak için minimum enerji ile çalışabilir. Sınırlı güç kaynakları nedeniyle, optimum baz istasyonu (BS) konumu,  
genel sensör ağının yaşam süresi uzatabilir. BS'nin optimal konumunu bulmak için bir algoritma önerilmiştir. Önerilen yaklaşımda, ağın alanı içindeki BS sanal konum şebekesinin oluşturulduğu BS sanal konumlar şebekesi kavramı kullanılmaktadır. BS optimum konumunu bulmak için, ızgaradaki BS sanal konumlarından gelen tüm sensör düğümleri arasındaki mesafeler dikkate alınır; burada bu BS sanal konumlarından biri BS optimum konumu olarak seçilecektir. Sonuç olarak BS, konumunu, ağ içindeki canlı sensör düğümlerinin sayısına göre her bir belirli yineleme sayısında başka bir optimal konuma değiştirir. BS mobilitesi için bu yöntem, KAA'nın yaşam süresi boyunca BS'nin en uygun konumunu bulmak için canlı sensör düğümlerinin sayısına bağlı olarak belirli bir tur sayısında kopyalanır. Simülasyon ve sonuçlarda, önerilen algoritma iki ve üç enerji seviyeli istikrarlı Seçim Protokolüne (Stable Selection Protocol SEP) uygulanmıştır. Ağın yaşam süresi ve enerji tüketimi açısından iki ve üç enerji seviyesi protokollü orijinal SEP kullanılarak, algoritmanın performansı karşılaştırılmıştır. Önerilen yöntemin, bir literatür taramasında bahsedilen algoritmalardan daha iyi performans gösterdiğini bulduk. Ayrıca BS'nin optimum ve merkezi konumları, ağın yaşam süresi ve kalan enerji açısından karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, azaltılmış enerji tüketimi elde edilmiş ve ağın kullanım yaşam süresi önemli ölçüde iyileştirilmiştir. SEP-3L protokolünü kullanarak BS sanal konumlarının ızgara boyutunu değiştirmenin ağın yaşam süresi üzerindeki etkisine ilişkin bir çalışma da simülasyon bölümünde ele alınmıştır. Deneylerin bulgularına göre, sanal konumların ızgara boyutunu azaltmak, daha iyi bir BS optimum konumu seçmek için daha fazla seçenek sağlayacaktır, bu da ağın yaşam süresinin BS sanal konumlar ızgarasının boyutuyla ters orantılı olduğu anlamına gelir. Buna bağlı olarak sanal konumların ızgara kapasitesinin artırılmasıyla, ağın yaşam süresi önemli ölçüde artar ve bu da genel ağ enerji verimliliğiyle sonuçlanır.

Abstract:
Wireless Sensor Networks (WSNs) are essential for collecting data from a complex physical environment. WSNs have been the subject of an increasing amount of research in recent years. Thousands of resource-constrained sensor nodes are used in WSNs to track their environment, collect data, and send it to remote servers for further processing. WSNs are designed with the primary aim of balancing energy usage and extending network lifespan. Recent studies have shown that crucial benefits can be achieved in WSNs with studies in mobile sinks to gather data from sensor nodes using short-range communications. A portable sink is a vehicle or a mobile robot with a powerful phone with a large battery and memory. It collects data from sensor nodes and helps in the reduction of data delivery delays across all sensor nodes. In terms of enhancing overall energy usage, WSNs can run with minimal energy to extend their lifespan and furthermore, achieve energy efficiency. Due to limited power resources, the optimal base station (BS) location could prolong the overall sensor network's lifetime. An algorithm to find the optimal location of BS is proposed. In the proposed approach, the concept of BS virtual locations grid is used, where BS virtual locations grid within the network's area is created. To find BS optimal location, the distances between all sensor nodes from BS virtual locations in the grid are considered, where one of these BS virtual locations will be chosen as the BS optimal location. Consequently, BS changes its location to another optimal location each specific number of iteration according to the number of alive sensor nodes within the network. For BS mobility, this method is replicated every a particular number of round based on the number of alive sensor nodes in order to find the BS optimal location overall the lifetime of the WSN. In the simulation and results, the proposed algorithm is applied to the Stable Election Protocol (SEP) with two and three energy levels. Using the original SEP with two and three energy levels protocols in terms of the network's lifetime and energy consumption, the performance of the algorithm is compared. We found that the proposed method performs better than some of the algorithms mentioned in a literature review. Also the BS optimal and central locations are compared in terms of the network's lifetime and remaining energy. As a result, decreased energy consumption has been achieved, as well as the lifetime of the network has been significantly improved. A study of the effect of changing the BS virtual locations grid size on the network's lifetime using the SEP-3L protocol is also considered in the simulation part. According to the findings of the experiments, decreasing the virtual locations grid size would provide more choices for selecting a better BS optimal location, which means that, the network's lifespan is inversely proportional to the size of the BS virtual locations grid. Accordingly, by decreasing the virtual locations grid size, the network's lifetime is significantly increases, resulting in overall network energy efficiency.