Kablosuz algılayıcı ağlarda enerji korunumlu iletişim teknikleri
Energy conservative communication techniques in wireless sensor networks
Yazar: TANER ÇEVİK
Danışman: PROF. DR. A. HALİM ZAİM
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Kablosuz Algılayıcı Ağlar, insanoğlunun hayatında günden güne daha fazla yer almaya başladı. Sağlık, askeri, ulaşım, endüstri, tarım ve benzeri birçok alanda insan gücünün yerine kablosuz algılayıcı ağ teknolojisi kullanılarak maliyet, zaman, insan sağlının korunması gibi konularda tartışılamayacak derecede önemli kazançlar elde edilmiştir. Kablosuz algılayıcı ağların hayatımızda bu kadar çok yer edinmesinin sebebi, teknolojideki gelişmelerdir. Özellikle, elektronikte meydana gelen gelişmeler sayesinde, kablosuz algılayıcı ağların temel yapısını oluşturan algılayıcı düğümler, daha küçük ebatlarda ve maliyetlerde olmakla birlikte, çok daha üstün kabiliyetlerle donatılmış bir şekilde üretilebilme olanağına kavuşulmuştur. Algılayıcı düğümlerin, çok küçük ebatlarda üretilebilmesi, uygulama alanlarını da o derecede genişletmiştir. Ancak, küçük ebatlı olmanın getirdiği çok önemli dezavantajlar da vardır. Bunlardan en önemlisi, kısıtlı enerji kaynağına sahip olma problemidir. Küçük ebatlarda üretilen bu cihazların kısa süreli de ömürleri vardır. Kullanıldıkları alanlar itibariyle de, yeri geldiğinde insanoğlunun girip de, enerjisi tükenen algılayıcı düğümü değiştirmesinin mümkün olmadığı uygulamalar olabilir. Böyle durumlarda, enerjisi tükenen bir düğüm görev yapamayacaktır. Dolayısıyla da, sorumlu olduğu bölge ile ilgili gerekli verilerden mahrum kalınacaktır. Bunun yanında, çok sekmeli iletişim kullanıldığı varsayıldığında, veri toplama merkezine iletilmek üzere başka düğümler tarafından kendisine iletilen verilerin iletilme işleminde de görev alamayacaktır. Böylece, yeri geldiğinde iletişimin aksamasına, dolayısıyla da başka düğümlerin de görevlerini yapamamasına sebep olacaktır.İşte bu sebeple, kablosuz algılayıcı ağ uygulamalarında dikkat edilmesi gereken en önemli husus, enerjinin mümkün olduğunca dikkatli sarf edilmesidir. Bunun için, kablosuz algılayıcı ağ uygulamalarında kullanılan yazılım ve donanım birimleri tasarlanırken, mümkün olan en az enerji sarf edecek ürünler hedeflenmelidir. Bilim adamları da kablosuz algılayıcı ağlar ile ilgili yeni teknikler, yöntemler geliştirerek, kablosuz algılayıcı ağların ömrünü mümkün olduğunca uzatabilme konusunda çaba harcamaktadırlar.Kablosuz algılayıcı ağlarda, enerji sarfiyatında en büyük pay sahibi olan birimlerden birisi, hatta en önemlisi haberleşme alt birimidir. Bu birim, kablosuz algılayıcı düğümün diğer alt birimlerinin harcadığı enerji miktarından çok daha fazlasını tek başına tüketmektedir. Bu sebeple, bu tezde kablosuz algılayıcı ağların en önemli problemi olan enerji korunumu problemi üzerine yoğunlaşarak, algılayıcı düğümün en fazla enerji tüketen alt birimi, haberleşme ünitesiyle ilgili daha verimli teknikler geliştirmek üzerine çalıştık.Teknolojideki gelişmeler, kablosuz algılayıcı ağların kullanıldığı uygulama alanlarıyla birlikte kablosuz algılayıcı ağların temel elemanı olan algılayıcı düğümlerin kabiliyet ve kapasitelerini de geliştirmiştir. Sıcaklık, nem, basınç gibi sayısal fiziksel değerleri ortamdan elde edip bu metinsel veriyi merkeze ileten düğümler yerine, günümüzde, çoklu-ortam (multimedya) verilerini de ortamdan elde edilmesini sağlayacak kamera ve mikrofon gibi cihazlara sahip algılayıcı düğümler geliştirilmiştir. Bu yeni nesil düğümler, eskisine göre daha fazla depolama alanı ve işlem gücü gerektiren görsel verilerin işlenmesine, depolanmasına ve iletilmesine uygun mekanizmalar ile donatılmışlardır. Geleneksel kablosuz algılayıcı düğümlerdeki en önemli ilgi alanı, enerji sarfiyatının mümkün olduğunca aşağıya çekilmesiydi. Ancak, bu yeni nesil kablosuz algılayıcı ağlardaki bir diğer önemli konu ise gerçek zamanlı iletilmesi gereken görsel verilerin, belirli bir servis kalitesi sağlanarak veri toplama merkezine ulaştırılabilmesidir. Biz de bu ihtiyaca binaen, tezimizin son aşamasında, yeni nesil çoklu ortam kablosuz algılayıcı ağlar adı verilen yapılar için katmanlar arası (cross-layer) işbirliği kullanarak, çok kanallı bir kablosuz algılayıcı ağ yapısı üzerinde eşit yük dağılımlı ve yeterli servis kalitesi sağlayan bir yönlendirme algoritması üzerinde çalıştık.

Abstract:
In the last decade, Wireless Sensor Networks have gotten more impact among our lives. By using Wireless Sensor Networks in areas such as health, military, transportation, industry, agriculture, etc., significant gains have been acquired in terms of time, cost and human life protection. The reason for Wireless Sensor Networks have been getting more mission in our lives is the technological developments. Especially by the electronical evolutions, it has been possible to produce the main component sensor nodes in low costs and sizes with much more superior capabilities. The possibility of producing those devices in very small sizes has extended the usage areas. However, being small size breeds some additional challenges. The most crucial problem of those devices is having limited energy sources. Therefore, they got very short lifetimes. Also, due to their usage areas, it may not be possible for human being to go into the application area of the nodes, and replace the energy depleted ones with the news. In these situations, the energy depleted nodes will not be able to perform their tasks. Thus, the system will be lack of the data belong to the area that should be sensed by these dead nodes. Besides, in situations where multi-hop communication is utilized, these energy depleted nodes will not be able to employed for forwarding data arriving from further nodes to the sink. This may cause distruptions in communication, thereby inspiring other nodes by not fulfilling their requirements.Because of the reasons mentioned above, the major challenge to be considered for Wireless Sensor Networks is the economic consumption of the energy as much as possible. In order to achieve this, energy stingy products must be targeted during hardware or software design process. Thus, scientists endeavor to develop new methods for the aim of prolonging the lifetimes of these networks to the utmost.One of the most energy grasping component of sensor nodes is the communication sub-unit. Communication sub-unit consumes much more energy alone than most of other sub-units. Hence, in our thesis, we focus on that energy shortage problem of the Wireless Sensor Networks, thereby trying to develop better energy efficient techniques for the communication sub-unit.Technological developments have given the opportunity of increasing the capabilities of sensor nodes thereby extending their application areas. Nodes sense scalar data from the physical environment and transmit this data to the data collection center formerly, have evolved to the ones equipped with camera and microphones which can gather multimedia data. These new generation nodes are equipped with suitable mechanisms so that they can satisfactorily handle the collection, storage, processing and transmittionof the multimedia data. The major idea in traditional Wireless Sensor Networks is to reduce the energy consumption as much as possible. However, another challenge to be considered for Multimedia Wireless Sensor Networks is the transmission of the delay constrained multimedia data to the data collection center with a certain service quality. Hence, in the last stage of our thesis work, we tried to develop a multi channel cross layer architecture for Multimedia Wireless Sensor Networks with the aim of satisfactory distribution of the load balance and low-delay transmission of the real time data.