Kablosuz algılayıcı ağlarında zeki yönlendirme teknikleri
Intelligent routing techniques for wireless sensor networks
Yazar: SELÇUK ÖKDEM
Danışman: PROF. DR. DERVİŞ KARABOĞA
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Gelişen teknolojiyle birlikte küçük boyutlarda, az güç tüketen, çok fonksiyonlu algılayıcı elemanlar tasarlanabilmektedir. Bu elemanlar bir araya gelerek Kablosuz Algılayıcı Ağları (KAA'ları) oluştururlar. KAA'lar algılama, hesaplama ve iletişim yapabilen çok sayıda (örneğin binlerce) algılayıcı noktaları içerirler. Her bir nokta civarındaki sıcaklık, nem, basınç gibi nicelikleri ölçebilme, basit hesaplama işlemleri yapabilme ve etrafındaki diğer noktalarla veya baz istasyonuyla haberleşme yapabilme özelliklerine sahiptir. Belirli bir coğrafyada daha doğru ölçümler yapabilmek için daha çok sayıda algılayıcı kullanılması gerekir.KAA'ların enerji kaynakları sınırlıdır ve algılayıcı noktaların konumlandırılmaları genelde önceden belirlenmemekte ve zor coğrafya bölgelerine veya afet bölgelerine rasgele yerleştirilmektedirler. Bu özelliklerinden dolayı algılayıcı noktaların herhangi bir bakım veya düzenleme yapılmaksızın, uzun süre algılama ve iletişim yapabilmeleri önemlidir. Dolayısıyla, yüksek kalitede algılama ve hatasız çalışma için algılayıcı noktalar arasında önemli ölçüde dayanışma ve işbirliğinin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Klasik yönlendirme protokolleri KAA'lar için kullanılamamaktadır. Kendilerine özgü karakteristiklerinden dolayı KAA'lara özel ağ protokollerinin geliştirilmesi gerekmektedir. KAA'ların en önemli problemlerinden birisi yönlendirme problemidir. Yönlendirmenin temel amacı ağ ömrünü artırmak ve yoğun enerji yönetimi tekniklerinin kullanımıyla ortaya çıkan bağlantı hatalarını önlemektir.Bu çalışmada, sürü zekasına dayalı yeni yönlendirme yaklaşımları tanıtılmakta ve bu yaklaşımlar olay ve zaman bazlı KAA yapılarında kullanılmaktadır. Önerilen yaklaşımlar, KAA'ların yapısında yer alan sınırlamaları dikkate alarak, enerji tasarrufunu sağlayan yönlendirme yöntemlerinin gerçekleştirilmesini amaçlamaktadır. Olay tabanlı KAA yapıları için önerilen yaklaşımların oluşturulmasında Karınca Kolonisi Optimizasyonu (KKO) algoritması kullanılmıştır. Periyodik veri transferi gerçekleştiren zaman bazlı KAA yapıları için önerilen yaklaşımların oluşturulmasında da Yapay Arı Koloni (ABC) algoritmasından faydalanılmıştır. Performans sonuçlarının yaygın olarak kullanılan diğer metotlarla karşılaştırılması için bir benzetim programı geliştirilmiştir. Protokollerin başarısını ölçmek için farklı ağ senaryolarında farklı ölçütler kullanılarak test sonuçları alınmıştır. Alınan performans sonuçları, geliştirilen protokollerin daha tasarruflu enerji kullanarak ağ ömrünü artırdığını göstermiştir. Enerji tasarrufunun sağlanması için güç tüketimi ve transfer zamanı dikkate alınarak uygun veri yolları belirlenmiştir. Sonuç olarak, tezde önerilen yönlendirme metotlarını kullanan KAA yapıları hatalara karşı dirençli ve daha uzun ömürlü olabilmektedir.

Abstract:
Due to technological advances in recent years, it has become possible to design multifunctioning low power sensor nodes in small scale. These components form Wireless Sensor Networks (WSNs) by cooperating together. WSNs consist of large numbers of sensor nodes (eg. by thousands) equipped with sensing, computing and communication abilities. Each node can sense the parameters such as temperature, humidity, pressure of its environment and perform simple computations, and communicate with its neighbors or base station. A greater number of sensors are needed for a certain geographical region for greater accuracy.Power supplies of WSNs are limited and the positions of the sensor nodes are usually not predetermined and deployed randomly in inaccessible geographic areas and disaster locations. This implies that the sensor nodes are expected to perform sensing and communicating for long time with no maintenance or reorganization. Therefore, extensive collaboration between sensors nodes is required to perform high quality sensing and to work with no fault. Traditional routing protocols can not be used for WSNs. Due to their own characteristic, it is required to design specific network protocols for them. One of the main problems in WSNs is the routing problem. The main goal of WSN routing is to prolong the lifetime of the network and prevent connectivity errors by employing aggressive energy management techniques.In this study, new routing approaches based on swarm intelligence are introduced and used on event-based and time-based WSN structures. The proposed approaches aim to realize the energy efficient routing methods by considering the constraints specific to WSNs. The approach employing Ant Colony Optimization (ACO) algorithm is used for the event based WSNs. ABC algorithm is utilized to develop the routing methods for time based WSNs transferring data periodically. A simulation program is developed to compare the performance of the proposed approaches with widely-used other methods. Test results are obtained by using various metrics for different network scenarios to evaluate the performance of the protocols. The results produced show that the proposed protocols provide longer network life time by saving more energy. To save energy, suitable data paths are determined by considering power consumption and transfer time. Hence, the WSNs employing the routing methods proposed in thesis can be more resistant to faults and have longer lifetime.