IoT ağlar için akıllı anten tabanlı çizelgeleme algoritmalarının incelenmesi
Analysis of smart antenna based scheduling algorithms for IoT networks
Yazar: SERCAN KÜLCÜ
Danışman: DOÇ. DR. SEDAT GÖRMÜŞ
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Anten = Antenna ; Kablosuz ağlar = Wireless networks ; Nesnelerin interneti = Internet of things ; Çizelgeleme = Scheduling

Özet:
IETF 6TiSCH protokol yığıtı zaman dilimi ve frekans kanalı kaynaklarını planlı bir şekilde kullanarak; güvenilir, kararlı ve düşük güç harcayan ağlar oluşturmayı amaçlar. Bu amaca ulaşabilmek için; 6TiSCH çizelgeleme fonksiyonunun, zaman dilimi ve frekans kanalı kaynaklarını radyo donanımları arasında en uygun şekilde dağıtması gerekir. Frekans kanalı kaynakları, antenlerin kapsama alanı içerisinde kullanılan diğer kablosuz teknolojiler (Wi-Fi, Bluetooth, diğer IEEE 802.15.4) ile beraber aynı frekans bandının paylaşıldığı durumlarda oldukça sınırlı olmaktadır. Benzer şekilde çok sayıda düğümden oluşan ve düğümlerin yoğun olarak yerleştirildiği, veri trafiğinin yüksek olduğu ağlarda zaman dilimi kaynakları da kısıtlı olabilmektedir. Bu durumda ağın performansını arttırmak için kapsama alanı değiştirilebilir antenlerin kullanılması çizelgelemeye uzamsal bir boyut kazandırarak kaynakların daha etkin kullanımını sağlar. 
Bu çalışmada; düşük karmaşıklıktaki Akıllı ve yönlü anten türlerinden iki tanesi (Anahtarlanabilir huzme anten ve Döner yönlü anten) IETF 6TiSCH protokol yığıtı ile uyumlandırılmış, ve uzamsal ayrımdan (spatial seperation) yararlanan bir ağ çözümü oluşturulmuştur. Literatüre katkı olarak; düğümlerin ağa senkronize olmadan birbirlerini tanımasına imkan veren komşu tanıma mekanizması, komşu düğümler ile maksimum yayın gücü elde edilen en iyi anten yön bilgisinin bulunmasını sağlayan bir yöntem ve kontrol ve veri paketlerinin sağlıklı bir şekilde gönderimi için iki adet hibrit çizelgeleme algoritması (dağıtık ve özerk, merkezi ve özerk) önerilmiştir. Akıllı ve yönlü antenlere sahip 6TiSCH düğümleri, bant genişliği kaynaklarını, zaman ve frekans boyutlarına ilave olarak uzamsal boyutta planlayarak, veri iletim oranı, harcanan enerji ve yaşanan uçtan-uca gecikme süresi ağ performansı ölçütleri bakımından geleneksel yöntemlere göre daha üstün performans sergilemişlerdir.

Abstract:
IETF 6TiSCH protocol stack aims to create reliable, deterministic, and low-power wireless networks by using time slot and frequency channel resources in a planned way. To achieve this goal; the 6TiSCH scheduling function must distribute radio resources effectively among the wireless nodes. Frequency channel resources may be limited when the same frequency band is shared with other wireless technologies (i.e., Wi-Fi, Bluetooth, and other IEEE 802.15.4 networks) used within the same coverage area of the antennas. Similarly, time slot resources are also limited in dense networks consisting of many nodes, or when they have high data traffic. In this case, the use of antennas which can change their coverage area to increase the performance of the network, adds a spatial dimension to the scheduling and provides more efficient use of limited resources. 
In this study; two of the low complexity smart and directional antenna types (Switchable beam antenna and Steerable directional antenna) are integrated with the IETF 6TiSCH protocol, with the aim of creating a solution with higher spatial reuse. As a contribution to the literature; a novel neighbor discovery mechanism that allows nodes to discover each other before synchronization to the network, a method that provides the best antenna direction with neighbor nodes to obtain maximum signal strength, and two hybrid scheduling algorithms (distributed and autonomous, centralized and autonomous) for healthy transmission of control and data packets are proposed. 6TiSCH nodes equipped with smart and directional antennas improved the network performance metrics by scheduling bandwidth resources not only in the time and frequency domain but also in the spatial domain compared to traditional methods in terms of packet delivery ratio, energy consumption and end-to-end latency.