Kablosuz algılayıcı ağlarda yönlendirme için genel uygulama geliştirme çerçevesinin tasarımı
Kablosuz algilayici ağlarda yönlendi̇rme i̇çi̇n genel uygulama geli̇şti̇rme çerçevesi̇ni̇n tasarimi
Yazar: ALİ NOUROUZI ALLAYLEH
Danışman: PROF. DR. AHMET SERTBAŞ ; PROF. DR. A.HALİM ZAİM
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Kablosuz algılayıcı ağlarının (KAA), kısıtlı radyo iletişim kapasitesi ve pek çok amaç için kullanılan ve kullanılmaya devam edecek olan kısıtlı programlama ile donatılmış çok sayıda algılama aygıtından oluşur.  Kablosuz algılayıcı  ağlarında bilgilerin algılayıcı  devrelerinden baz istasyonuna transferini sağlayan kümeleme ve yönlendrime özellikle önemlidir.  Ağdaki düşük güç enerji devreleri nedeniyle ağ ömrünü belirlemek için kullanılan en önemli unsurlardan biri enerjidir.  

Kablosuz algılayıcı ağlarının (KAA) gelişimi boyunca sürekli olarak zorlukla karşılaşılmış olup çok sayıda araştırmacı bu zorlukların üstesinden gelmeye çalışmıştır. Temel zorluklar arasında ağların enerji tüketimi, dayanıklılığı ve performansı yer almakta olup, bunlar araştırmacılar tarafından büyük ilgi görmüştür. Sorunları derinlemesine araştırdıkça, bu zorluklara neden olan parametrelerle ilgili daha ayrıntılı bir bakış açısı kazandık. Diğer bir deyişle, bunlar önemsiz ancak aynı zamanda da iyileştirilmesi halinde ağın geliştirilmesini ve zorlukların üstesinden gelinmesini sağlayabilecek etkili parametrelerdir. Bu bölüm tüm parametrelerin teknik bir bakış açısıyla ele almayı ve araştırmayı amaçlamakta olup önceki çalışmalar hakkında da genel bir rapor sunmaktadır.  Ayrıca, KAA'lerin geliştirilmesi konusundaki faktörlerin ve yaklaşımların avantajları ve zayıf yönleri tartışılmaktadır. Çalışmada parametreler sınıflandırılırken, ağların farklı katmanlarını etkileyen süreçler sunuluyor. Bunun yanı sıra genel yöntemlerin bir karşılaştırması yapılırken, ilave tavsiyelerde bulunuluyor.  Her bir karşılaştırma sonunda zorluklarla mücadele etmek ve ağları iyileştirmek için izlenecek en iyi yöntem sunuluyor.

Bir ağda kullanılan düşük güç enerji devreleri nedeniyle, enerji kablosuz algılayıcı ağlarının (KAA'lerin) uzun ömürlü olmasında çok önemli bir rol oynuyor. Bu bölümde kablosuz algılayıcı  ağlarında optimum enerji tüketimi sağlayan bir yönlendirme yöntemiyle ilgili ayrıntılara yer verilmiştir.  Yüksek enerji verimliliğine sahip bazı routing protokolleri (LEACH, Direcred Diffusion, Gossiping, PEGASIS ve EESR) incelenmiştir. Yönlendirme protokolleri, uygulamaların ve genel olarak KAA 'lerin gereksinimlerini etkileyen çeşitli ölçütler bakımından karşılaştırıldı.

Kablosuz algılayıcı ağları (KAA) için çok sayıda uygulama olduğu biliniyor ve bu çeşitlilik mevcut protokollerin ve özel parametrelerin geliştirmesin ihtiyacını doğuruyor.  Öne çıkan bazı parametreler arasında tüm uygulamalarda kilit rol oynayan ağın ömrü ve yönlendirme enerji tüketimi yer alıyor.  Doğrusal olmayan optimizasyon yöntemlerinden biri olan genetik algoritma ise büyük ölçekli uygulamalardaki verimliliği sayesinde ve son formülün operatörler tarafından değiştirilebilmesi nedeniyle görece olarak daha iyi bir seçenek oluşturuyor.  Bu bölümde bir KAA'nin devre yerleştirme, ağ kapsama alanı, kümeleme ve veri toplama dahil tüm işlemsel aşamalarında kapsamlı bir iyileşme ortaya koymaya çalışılmakta olup yönlendirme ve uygulama bazlı KAA için ideal bir parametre setine ulaşmaya çalışılmaktadır. Genetik algoritma kullanarak ve NS'deki simülasyonların sonuçlarından hareketle belli bir form işlevine ulaşılmış, optimize edilmiş ve KAA'lerin tüm işlemsel aşamaları için özelleştirilmiştir.
  
Son bölümlerde belirtildiği gibi algılayıcı  ağlarıyla ilgili en önemli sorunlardan biri enerji tüketimini azaltmak ve ağ ömrünü arttırmaktır.  Bu bölümde uygulama bazında parametrelerin önceliği konusunda bazı tanımlamalarda bulunuyoruz.  Bu parametreler çok amaçlı sistemler için esnek bir şekilde düzenlenebilmektedir.  En iyi performansa ulaşmak için GA ile geliştirdiğimiz matematiksel formülü kullanarak yeni bir yaklaşım sistemi sunuyoruz.  Tüm olası yollar keşfedildikten sonra, sistem uygulama bazında öncelikleri belirtiyor.  Son olarak umut vadeden sonuçlara ulaştığımız çalışmamızdan bazı sonuçlar sunuyoruz. Önceden var olan yönlendrime algoritmaları ve yardımcı modelimiz arasında bir karşılaştırma yapılmıştır. Simülasyon sonuçları sunulan yöntemlerin daha yüksek başarı oranı, verimlilik anlamında daha iyi performans gösterdiğini ve algılayıcı  ağlarının ömrünü etkili bir şekilde arttırdığını göstermektedir.

Abstract:
WSN consist of large number of sensing devices, which are equipped with limited radio communication capabilities and limited computing which is used for many purposes in the present and the future. Clustering and routing in wireless sensor networks for the transfer of information from sensor nodes to base station are especially important. Energy is one of the most important items to determine the network lifetime due to low power energy nodes included in the network. 

The development of wireless sensor networks (WSNs) has never been free of challenges and many researchers have been interested in overcoming them. The energy consumption, longevity, and performance of the networks are among the main challenges and have drawn a great deal of attention from researchers. To put it another way, there are trivial but at the same time effective parameters whose improvement can enhance the network and overcome the challenges. This Thesis tries to introduce and survey all the parameters from a technical viewpoint and presents a general report on the previous works. In addition, advantages and weaknesses of the factors and approaches to improving WSNs are discussed. The study proposes a classification of the parameters and processes that affect different layers of the networks. Furthermore, a comparison of the common methods and further recommendations are represented. Each comparison is concluded by a proposal of the best method to deal with the challenges and improve the networks.

Because of the low-power energy nodes used in a network, energy plays a pivotal role in the lifetime of wireless sensor networks (WSNs). This thesis elaborates on a routing method featured with optimum energy consumption in wireless sensor networks. Some of routing protocols with high energy efficiency (LEACH, Director Diffusion, Gossiping,  and EESR) were examined. The routing protocols were compared regarding variety of metrics influencing requirements of the specific application and WSNs in general.

There are several applications known for wireless sensor networks (WSN), and such variety demands improvement of the currently available protocols and the specific parameters. Some notable parameters are lifetime of network and energy consumption for routing which play key role in every application. Genetic algorithm is one of the non-linear optimization methods and relatively better option thanks to its efficiency for large scale applications and that the final formula can be modified by operators. This Thesis tries to exert a comprehensive improvement in all operational stages of a WSN including node placement, network coverage, clustering, and data aggregation and achieve an ideal set of parameters of routing and application based WSN. Using genetic algorithm and based on the results of simulations in NS a specific fitness function was achieved, optimized, and customized for all the operational stages of WSNs. 

As mentioned,one of the most important issues related to sensor networks is reducing energy consumption and increase network lifetime. In this thesis we assume some definition about priority of the parameters based on applications. These arrangements of parameters are flexible to multipurpose systems. We propose a new approach system by using mathematical formula that we improved it by GA to reach best performance. After discover all possible routes, the system specifies priorities based on application. At last, we present some results according to our experiment which were promising outcomes. A comparison has been made between pre-existing routing algorithms and our agent model. The Simulation results show that the proposed method gives better performance in terms of higher success rate, throughput and it effectively increases the lifetime of the sensor networks.