Kablosuz algılayıcı ağlar için eşik tabanlı fırsatçı paket gönderim planı tasarımı
A threshold-based opportunistic packet transmission scheme design for wireless sensor networks
Yazar: HAKKI SOY
Danışman: PROF. DR. MEHMET BAYRAK ; YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz algılayıcı ağların geleceğin algılama teknolojisi olması öngörülmekte ve bu nedenle geniş bir yelpazede uygulama alanlarında giderek daha önemli hale gelmektedir. Katmanlar arası tasarım, kablosuz algılayıcı ağların optimizasyonu için umut verici yeni bir yaklaşımdır. Bu tez çalışmasında, fiziksel katmanda elde edilen kanal durum bilgisinin, ortam erişim kontrol katmanında optimal paket gönderim zamanlaması için kullanılmasına odaklanılmıştır. Hücresel mimaride, algılayıcı düğümler arasında çeşitleme kullanılarak elverişsiz kanal kalitesine sahip olanların haberleşmesini ertelerken, iyi bağlantıya sahip olanların gönderimlerini fırsatçı şekilde zamanlayarak kablosuz kanalın spektral verimliliğinin artırılması mümkündür. Bu tezde, yukarı bağlantı paket gönderimi için dağıtılmış durumda çok kullanıcı çeşitlemesi kazancı kullanılarak geri besleme olmaksızın eşik seviyesine dayanan yeni bir strateji önerilmiştir.
Tasarımda, algılayıcı düğümlerin sadece kendi kanallarını bildikleri varsayılmış ve algılayıcı düğümlerden kontrol düğümüne paket transferi herhangi bir düğümün kanal kalitesi o anki zaman diliminde önceden belirlenmiş eşik seviyesini geçince başlatılmıştır. Optimum eşik seviyesini belirlemek için basitleştirilmiş çarpışma modeli altında bir zaman diliminde sadece bir algılayıcı düğümün kendi paketini gönderdiği başarılı paket gönderim olasılığı maksimum yapılmıştır. Bu bağlamda iki farklı sistem modeli incelenmiştir. Birinci durumda algılayıcı düğümlerin sadece bir antene sahip olduğu varsayılmış ve kanal kazançları SNR ve NSNR metrikler kullanılarak ölçülmüştür. Daha sonra, algılayıcı düğümlerin çoklu antenlere sahip olduğu kabul edilerek önerilen strateji anten çeşitlemesi ve doğrusal birleştirme teknikleri yardımıyla ESNR metrik aracılığıyla uygulanmıştır.
Bu tezdeki tasarım yöntemi bant genişliği verimli, güvenilir ve ölçeklenebilir kablosuz algılayıcı ağların ortaya koyulmasını, aynı zamanda çarpışmalara rağmen enerji tüketiminin azaltılmasını hedeflemektedir. Analitik çözümler yanında, önerilen stratejinin etkinliğini incelemek üzere MATLAB programlama ortamında bir benzetim modeli geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Benzetim sonuçları önerilen planın performansının geleneksel dönüşümlü zamanlama algoritmasından daha iyi olduğunu ve analitik çözümlere çok yakın sonuçlar verdiğini göstermiştir.

Abstract:
Wireless sensor networks are currently foreseen to become the sensing technology of the future and to thus become increasingly important in a wide variety of application fields. Cross-layer design is a new promising approach for wireless sensor network optimization. This thesis focuses on exploiting channel state information from the physical layer for optimal packet transmission scheduling at the medium access control layer. In a cellular architecture, it is possible to use diversity among the sensor nodes to increase the spectral efficiency of the wireless channel by opportunistically schedule transmissions with a good connection, while postponing communication to those with unfavorable channel qualities. We propose a threshold based novel strategy for uplink packet transmission which exploits multiuser diversity gain without feedback in a decentralized manner. 
In our design, we assume that the sensor nodes know only their own channels and the packet transfer from the sensor nodes to the controller node is initiated when the channel quality of any node exceeds the predefined threshold at the current time slot. To determine the optimum threshold, we maximize the probability of successful packet transmission where only one sensor node transmits its packet in one time slot under the simplified collision model. We investigate two different system models in this context. At the first setup, we assume that the sensor nodes have only single antenna and the channel gains are measured by using SNR and NSNR metrics. Afterwards, the sensor nodes are assumed with multiple antennas, so the proposed strategy is applied with ESNR metric through antenna diversity and linear combining techniques.
The design methodology in this thesis aims at producing bandwidth efficient, reliable and scalable wireless sensing networks, in spite of collisions, reducing energy consumption at the same time. Besides the analytical solutions, a simulation model was developed and implemented in MATLAB programming environment to study the effectiveness of proposed strategy. Simulation results show that the performance of proposed scheme outperforms the conventional round robin scheduling algorithm and gives very close results to the analytical solutions.