Kablosuz sensör ağlarında yönlü anten kullanımı ve uçtan uca gecikmeyi kısıtlamanın farklı performans metrikleri üzerindeki etkisi
The impact of directional antenna use and restriction of end-to-end delay on different performance metrics in wireless sensor networks
Yazar: AHMET KEREM YUMUŞAK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ MURAT DEMİRTAŞ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz haberleşme ve Nesnelerin İnterneti'nde (IoT) önemli bir yere sahip olan
Kablosuz Sensör Ağları (KSA), sağladıkları farklı avantajlar sayesinde güncelliğini
korumakta ve gelecek için de potansiyel yeni çalışma alanlarının oluşmasına olanak
sağlamaktadır. Pil ömrünün kısıtlı olduğu KSA'da optimizasyon ve enerji verimliliği
son derece önem taşımaktadır. Günümüzde kullanılan KSA her ne kadar birçok farklı
alanda kullanılabilse de bazı özel durumlar için güncellemelere ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu tez çalışmasında ele alınan özel durumların ilki, Ultra Güvenilir Düşük Gecikmeli
İletişim (URLLC) mimarisinde de belirtilen düşük gecikmeyle haberleşme
yapılabilmesi ve bu sayede veri tazeliğinin sağlanmasıdır. Bahsedilen durumu
sağlayabilmek amacıyla bu tez çalışmasında, her bir sensörde üretilen verinin baz
istasyonuna iletilmesi için gereken gecikmenin ya da uçtan uca gecikmenin (UUG)
kısıtlanması önerilmektedir. Bu tezde ele alınan ikinci özel durum ise KSA'daki
tümyönlü antenlerin yetersiz kaldığı yerler için performansın artırılmasıdır. KSA'da
bir düğümün, çevresindeki birçok düğümle haberleşmesi istenildiği için anten tipi
olarak genellikle tümyönlü anten tercih edilmektedir. Öte yandan ilgili anten tipinin
seçilmesi yüzünden diğer haberleşme sistemlerinde erişilen düşük bit hata oranlarına
(BER) ulaşılamamaktadır. Ayrıca tümyönlü anten kullanımdan ötürü, KSA'daki farklı
düğümler arasındaki haberleşme sırasında meydana gelen girişimin üstesinden gelen
yöntemler daha sınırlı ve verimsiz olmaktadır. Buna ek olarak ilgili anten ile bütün yönlerde haberleşme yapılması dolayısıyla gereksiz enerji kaybı meydana
gelmektedir. İkinci özel durumda yer alan bu sıkıntıların üstesinden gelmek için yönlü
anten kullanılması teşvik edilmektedir. Yönlü anten kullanımı sayesinde, tümyönlü
antenli durumlarda erişilemeyecek düşük BER'e ulaşılması sağlanmaktadır. Yönlü
antenin kullanmak bize girişimin etkisinden kurtulmak için farklı çalışma imkânları
sağlayarak daha verimli yöntemlerin oluşturulmasına da olanak sağlamaktadır. Bu
aşamada UUG'yi sınırlamak, daha verimli yöntemlerin oluşturulması için ayrıca
faydalı olmaktadır. Bunlara ek olarak sadece belli bir yönde haberleşmeye olanak
sağlanması sayesinde enerji verimliliği de artmaktadır. Bütün bu bahsedilen durumlar
göz önüne alarak bu tez çalışması özelinde dört farklı çalışma gerçekleştirilmektedir:
İlk çalışmada sadece tümyönlü anten kullanılarak gecikmeyi kısıtlamanın yaşam
süresine etkisi incelenmektedir. Bu çalışmaya göre gecikmeyi kısıtlamanın yaşam
süresi üzerinde negatif bir etkisi olduğu görülmektedir. Ayrıca KSA'daki düğüm
sayısını artırmanın da yaşam süresini artırdığı görülmektedir. İkinci çalışmada
UUG'yi kısıtlamanın yaşam süresi ve ortalama BER üzerindeki etkisi
incelenmektedir. İlgili çalışmada her senaryo için hem tümyönlü hem de yönlü
antenler kullanılarak yönlü antenlerin sağladığı avantajlar ön plana çıkarılmaktadır.
Bu çalışmada UUG'yi kısıtlamanın yaşam süresini azaltırken ortalama BER'i de
artırdığı gözükmektedir. Ayrıca yönlü anten kullanılan senaryolarda yaşam süresinde
büyük artış gözlenirken BER'de de büyük düşüş gözlenmektedir. Üçüncü çalışmada
sadece yönlü anten kullanılmakla birlikte iki farklı inceleme yapılmaktadır. İlk
incelemede sensör ağı yoğunluğu göz önüne alınarak belli bir BER ile iletişimin
gerçekleşebilmesi için gerekli minimum UUG hesaplanmaktadır. İkinci
incelemedeyse UUG'yi ve BER'i kısıtlamanın yaşam süresi üzerindeki etkisi
incelenmektedir. Her iki incelemede de yönlü antenin sağladığı avantajlardan
yararlanılarak kısıt için çok düşük BER değerleri kullanılabilmektedir. Bu çalışma
sonucunda KSA'daki düğüm sayısı arttıkça belli bir BER'e ulaşmak için gerekli
minimum UUG'nin azaldığı görülmektedir. Ayrıca, UUG'nin yanı sıra BER'i
kısıtlamanın da yaşam süresini düşürdüğü gözlenmektedir. Son çalışmada ise yönlü
anten kullanımının ve UUG'yi kısıtlamanın bize sağladığı avantajlar göz önüne
alınarak girişimi engellemek için iki farklı yöntem ele alınmaktadır. Bu yöntemlerin
ilki için halihazırda popüler bir yöntem olan Zaman Bölmeli Çoklu Erişim (TDMA)
tercih edilmektedir. İkinci yöntem ise bu tez için tasarlanıp yönlü antenlerin
avantajlarından daha fazla yararlanan ve verimi artırmak için kullanılan Girişim Engelleyici Model'dir (GEM). Her iki yöntemin kullanılması sonucu hesaplanan veri
hızı ve yaşam süresi karşılaştırılarak performans değerlendirilmesi yapılmaktadır.
Buna göre GEM kullanılarak TDMA'e kıyasla daha yüksek veri hızına erişilmektedir.
Ayrıca GEM'in, TDMA ile aynı veri hızına sahip olduğu durumlarda da yaşam
süresinde artış meydana gelmektedir.

Abstract:
Wireless Sensor Networks (WSN), which have an important place in terms of wireless
communication and the internet of things (IoT), are still up-to-date due to their various
advantages and allow new potential workspace areas for the future. Due to limited
battery life, optimization and energy efficiency are very important in the WSN.
Although the current WSN can be used in many different areas, updates are needed for
some special cases. The first of the special cases that are dealt with in this thesis is to
be able to communicate with the low delay specified in the Ultra-Reliable Low-
Latency Communication (URLLC) architecture, thus ensuring data freshness. To
achieve the aforementioned situation in this thesis, it is recommended to restrict the
delay or end-to-end (E2E) delay that is required for transmitting the data from each
generator sensor to the base station. The second special case discussed in this thesis is
to increase the performance for the places where the omnidirectional antennas in the
WSN are insufficient. Since it is desired for a node to communicate with many nodes
around it, an omnidirectional antenna is generally preferred as the antenna type for the
WSN. On the other hand, the low bit error rates (BER) that are achieved in other
communication systems cannot be achieved for this antenna type. In addition, due to
the use of omnidirectional antennas, methods for dealing with interference between
different nodes in the WSN are more limited and inefficient. Furthermore, unnecessary energy loss occurs due to communication within all directions for this antenna type. In
order to overcome these problems in the second special case, the use of directional
antennas is encouraged. Thanks to the use of the directional antenna, low bit error rates
that cannot be reached in cases with omnidirectional antennas are achieved. Using a
directional antenna also allows us to create more efficient methods by providing
different working opportunities to get rid of the effect of interference. Limiting the
E2E delay at this stage is also beneficial for creating more efficient methods. In
addition to these, energy efficiency is also increased thanks to the possibility of
communication in only a certain direction. Considering all these mentioned situations,
four different studies are carried out for this thesis: In the first study, the effect of
restricting the delay on the lifetime is examined while using only omnidirectional
antennas. In this study, it is seen that restricting the delay has a negative effect on the
lifetime. Furthermore, it is observed that increasing the number of nodes in the WSN
also increases the lifetime. The second study examines the effect of restricting E2E
delay on the lifetime and average BER. In the related study, the advantages of
directional antennas are highlighted by using both omnidirectional and directional
antennas for each scenario. In this study, it is observed that restricting the E2E delay
not only reduces lifetime but also increases average BER.
In addition, a large increase in the lifetime and a large decrease in average BER is
observed while using directional antennas. In the third study, only directional antennas
are used, but two different analyses are carried out. In the first analysis, the minimum
E2E delay required for communication with a particular BER is calculated,
considering the density of the sensor network. The second analysis examines the
impact of restricting E2E delay and BER on the lifetime. In both analyses, very low
BER values can be used for the restriction by taking advantage of the benefits provided
by the directional antenna. As a result of this study, it is seen that as the number of
nodes in the WSN increases, the minimum E2E delay required to reach a certain BER
decreases. Additionally, it is seen that restricting BER decreases the lifetime like the
E2E delay restriction. In the last study, considering the advantages of using directional
antennas and limiting the E2E delay, two different methods are discussed to prevent
interference. For the first of these methods, Time Division Multiple Access (TDMA),
which is currently a popular method, is preferred. The second method is the
Interference Preventing Model (IPM), which is designed for this thesis and makes
more use of the advantages of directional antennas so that efficiency can be increased. Performance evaluation is made by comparing the bit rates and lifetimes that are
calculated by using both methods. Accordingly, a higher bit rate is achieved by using
IPM compared to TDMA. Moreover, in cases where IPM has the same bit rate as
TDMA, there is an increase in lifetime.