THz. bandındaki nano-ağ uygulamaları için etkin bir haberleşme stratejisi
An effective communication strategy for nanonetwork applications in THz. band
Yazar: EMRE ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. ORHAN DAĞDEVİREN ; DOÇ. DR. MUSTAFA ALPER AKKAŞ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uluslararası Bilgisayar Ana Bilim Dalı / Bilgi Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Bu çalışmada boyutları birkaç nanometre olan ve terahertz (THz) bandında haberleşen nano-cihazların oluşturduğu nano-ağ yapıları için etkin bir haberleşme sistemi önerilmiştir. Literatürdeki çalışmalardan farklı olarak protokol yığıtının tek bir katmanına odaklanmak yerine haberleşme süreci haberleşme kanalından ağ katmanına kadar bir bütün olarak ele alınmıştır.
Mevcut yöntemler, nano-ağ uygulamaları için oldukça karmaşıktır. Öte yandan, bu uygulamaların özgün mimarilere ihtiyaç duyması ve THz bandının ortam koşullarından yoğun bir şekilde etkilenmesi bu konuda genel model ve yöntemlerin geliştirilmesini zorlaştırmaktadır. Bu doğrultuda, tez kapsamında öncelikle özgün bir nano-ağ uygulaması önerilmiş ve bu uygulamaya uygun kümeleme temelli hiyerarşik bir ağ mimarisi geliştirilmiştir. Daha sonra, önerilen bu nano-ağ uygulaması için farklı yoğunluklardaki içeriklerden meydana gelen ortamlara ait THz haberleşme kanal modelleri tasarlanmıştır. Fiziksel katmanda ise, yaygın bir şekilde kullanılan kipleme tekniğinin farklı yoğunluktaki topolojiler üzerindeki performansı analitik açıdan irdelenmiştir. Küme içi haberleşmede, kanal erişimi küme yöneticilerinin yönlü antenlere sahip olduğu çekişme temelli bir yaklaşım ile kontrol altına alınırken, kümeler arası haberleşme için verimliliği maksimize etmeyi amaçlayan çizelgeleme temelli bir yaklaşım ortaya konulmuştur. Son olarak, kurulum ve veri aktarım aşamalarında tasarlanan kanal modellerinden yararlanan düşük karmaşıklığa sahip yönlendirme protokolleri ile de yüksek aktarım başarımının yanı sıra minimum kaynak tüketimi ve düşük uçtan uca gecikme hedeflenmiştir.

Abstract:
This study proposes an effective communication system for nanonetwork structures composed of nanodevices with sizes of a few nanometers and operating within the terahertz (THz) band. Unlike studies in the literature that typically focus on a single layer of the protocol stack, this study considers the entire communication process as its main objective.
Traditional methods are too complex for nanonetwork applications. On the other hand, the development of general models and methods is challenging due to the application-specific architecture requirements of nanonetworks and the sensitivity of the THz band to environmental conditions. Therefore, a novel nanonetwork application is proposed first. Then, a cluster-based hierarchical network architecture tailored to this application is developed. Subsequently, THz communication channel models are designed for mediums with various content densities in the context of this application. For the physical layer, the performance of the most commonly used modulation technique is analyzed across topologies with varying densities. Within the cluster, channel access is controlled by a contention-based approach, in which cluster heads are equipped with directional antennas. On the other hand, a scheduling-based approach is introduced to maximize the throughput of inter-cluster communication. Additionally, by using low-complexity routing protocols that leverage the designed channel models during the setup and data transmission phases, it is aimed at achieving high transmission success, minimizing resource consumption, and reducing end-to-end delay.