Bilişsel radyo tabanlı IoT ağlarında enerji verimli RPL algoritması tasarımı
Design of energy efficient RPL algorithm in cognitive radio based IoT networks
Yazar: FERHAT ARAT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SERCAN DEMİRCİ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Ağ sistemleri = Network systems ; Nesnelerin interneti = Internet of things

Özet:
Nesnelerin İnterneti (IoT) kavramı, internete bağlanan cihaz sayısındaki artışa bağlı olarak çokça anılmaya başlamıştır. Algılayıcılar yardımıyla toplanan verinin işlenmesi ve ardından ortak bir kanal olan internet üzerinden paylaşılması prensibi IoT ağ paradigmasının temelini oluşturmaktadır. Bilişsel Radyo Ağları (CRN), günümüz ağ yapılarındaki spektrum yetersizliği probleminin çözümüne odaklanan bir ağ yapısıdır. Mevcut spektrum atanma ve kullanım şekline bakıldığında, ücret karşılığı kanal kullanım hakkına sahip lisanslı kullanıcıların, bu spektrum kanallarını verimsiz kullandığı ortaya çıkmıştır. Artan cihaz sayısı ve buna bağlı olarak yine artan kullanıcı sayısı, atıl spektrum bandı gibi problemler CRN kavramını ortaya çıkarmıştır. Lisanssız kullanıcıların, birincil kullanıcılar ağda aktif olmadığında iletişim yapması ilkesi ile atıl spektrum bantlarının verimli ve aktif bir şekilde kullanımı amaçlanmaktadır.
Tez kapsamında, CRN tabanlı IoT ağlarda çalışan yönlendirme algoritması tasarlanmıştır. CR düğümler kullanılabilir durumdaki frekans bantlarını algılar, bu frekanslara geçiş yaparlar ve kendilerine ayrılan zaman diliminde bant üzerinde iletişim kurarlar. Frekans geçiş maliyeti, en uygun durumdaki frekansa geçişe doğrudan bağlıdır. IoT ağlarında mevcut yönlendirme protokolleri, yönlendirmede frekans geçişini dikkate almamaktadır. Yönlendirme yolu, frekans geçiş maliyetine bakılmaksızın oluşturulur. Düşük Güç ve Kayıplı Ağlar için Yönlendirme Protokolü (RPL) de IoT ağlarda çalışan standart bir yönlendirme protokolüdür. CR cihazlarının karakteristik özellikleri ile, mevcut RPL algoritması geliştirilerek frekans geçişi farkındalıklı RPL (RPL-Sw) için yönlendirme amaç fonksiyonu oluşturulmuştur, Ayrıca, CR tabanlı Aç Gözlü RPL (CR-GreedyRPL) algoritması tasarlanmıştır. Tasarlanan bu model, yönlendirme yolu seçiminde frekans geçişini dikkate almakta, farklı frekans bantları kullanarak iletişimi desteklemektedir. Önerilen ve geliştirilen modellerin kapasite, enerji verimliliği ve enerji tüketimi açısından en iyi yolu seçmesi ve bu yönüyle yönlendirmede belirleyici olması amaçlanmaktadır. Tasarlanan bu modeller ile Dar Boğaz Tabanlı Yönlendirme (DTY) ve RPL algoritmaları Python programlama dili kullanılarak yapılan benzetimler sonucu karşılaştırılmış, sonuçlar ve bulgular değerlendirilmiştir. Yapılan benzetimler sonucu, önerilen algoritmaların performans açısından DTY ve RPL algoritmasına göre daha başarılı sonuçlar verdiği görülmüştür.

Abstract:
The Internet of Things (IoT) concept has started to be mentioned a lot due to the increase in the number of devices connected to the Internet. The principle of processing the data collected with the help of sensors and then sharing it over the internet, which is a common channel, forms the basis of IoT network paradigm. Cognitive Radio Networks (CRNs) is a network structure that focuses on solving the spectrum deficiency problem in today's network structures. Considering the current spectrum assignment and usage samples, it has been revealed that licensed users with channel usage rights for a fee use these spectrum channels inefficiently. Problems such as the increasing number of devices and the increasing number of users, and the idle spectrum band have revealed the CRN concept. It is aimed to use idle spectrum bands efficiently and actively with the principle that unlicensed users communicate when the primary users are not active on the network.
Within the scope of the thesis, a routing algorithm working on CRN-based IoT networks is designed. CR nodes perceive available frequency bands, switch to these frequencies and communicate on the band in their allocated time slot. The frequency switching cost is directly depends on the optimal frequency switching. Current routing protocols in IoT networks do not consider frequency switching in routing. The routing path is created regardless of the frequency switching cost. Routing Protocol for Low Power and Loss Networks (RPL) is also a standard routing protocol that works in IoT networks. With the characteristic features of CR devices, the existing RPL algorithm is developed and the routing objective function is created for the frequency switching aware RPL (RPL-Sw). In addition, the CR-based GreedyRPL (CR-GreedyRPL) algorithm is designed. This designed model considers the frequency switching in the routing path selection and supports communication by using different frequency bands. The proposed and developed models are aimed to choose the best way in terms of capacity, energy efficiency and energy consumption and to be decisive in this aspect. These designed models are compared with the results of the simulations made using Widest Path Routing (DTY) and RPL algorithms using Python programming language, and the results and findings are evaluated. As a result of the simulations, it has been seen that the proposed algorithms give more successful results than DTY and RPL algorithms in terms of performance.