System design for internet of things and network coding applications in the wireless personal area networks

Geçtiğimiz yüzyılın en önemli yeniliği olan internet ve bilgisayarlar arası ağ altyapısı, dünya tarihi boyunca yaşanan gelişmeler arasında değerlendirildiğinde, kısa bir süreçte bu denli geniş kapsamlı değişime sebep olan nadir teknolojik gelişimlerarasındadır. Bilgisayarlar arası iletişime imkan tanıyan cihazların ticari uygulamalarda kullanılabilecek duruma gelmesi, farklı ihtiyaç ve uygulamalara cevap verebilecekhaberleşme protokollerinin geliştirilmesinin önünü açmıştır. Bunun sonucunda, internet kullanımının yaygınlaşması ve birçok farklı sektörü etkisi altına alması kaçınılmaz olmuştur. Inter-Net, dünya üzerindeki bilgisayarların elektronik bir altyapı ile birbirlerinebağlanarak bilgi alışverişi yapmalarını sağlayan bir iletişim ağıdır. Internet'in ortaya çıkışı, Amerikan Savunma Bakanlığı'nın 1969'da bilgisayar ve askeri araştırma projelerini desteklemek için ARPANET adında paket anahtarlamalı bir ağ tasarımıprojesini gerçekleştirmesine dayanmaktadır. Bu ağ, üniversiteler ve araştırma kuruluşlarının bilgisayarlarıyla birlikte genişleyerek büyümüştür. Internet, başlangıcından beri birçok belirgin aşama geçirmiştir. Bunlar başlıca şu ana başlıklar halinde sıralanabilir. 1. Aşama: Araştırma dönemi; Advanced Research Projects Agency Network zamanları. Günümüzde halen kullanılmakta olan TCP/IP protokolkümesinin temelleri 1973 yılında Stanford Üniversitesi'nde başlatılan Internetworkingprojesiyle atılmıştır. 1973- 1978 yılları arasında IPv1, IPv2 ve IPv3 versiyonlarıgeliştirilmiştir. Stabilite sorunlarının da giderilmesiyle 1980 yılında IPv4 protokolkümesi ortaya çıkmıştır. 2. Aşama: Sirketlerin, firmaların kendileri hakkında bilgilendirme yaptığı dönem olarak adlandırılabilir. Herkesin bir alan adı alıp, ne yaptığını, nasıl yaptığını anlatarakdaha geniş kitlelere tek yönlü olarak bilgi aktarma çabasında oldukları bir zaman dilimi olarak tanımlanabilir.3. Aşama: Bu dönemde, web artık giderek statik ve durağan olmaktan çok interaktifolmaya doğru yol almakta, sunulan ürün ve servislerin satın alınma işlemlerinin gerçek zamanlı gerçekleştiği altyapı olanaklarının yaygınlaşarak geniş kitlelere sunumusağlanmaktadır. Işte tam bu zaman dilimi içerisinde eBay ve Amazon. com benzeri uygulamalar çoğalmışlardır.4. Aşama: 'Sosyal Medya, Semantik Web' kavramları yaygınlık kazanmaktadır. Kullanıcıların birbirleri ile metin, foto, video gibi medyaların paylaşımını sağlayanYouTube, Facebook, Twitter gibi şirketlerin giderek hem popüler olması hem de parakazanır duruma gelmeleri bu dönemde var olmuştur. 5. Aşama: Bundan önceki aşamalarda haberleşme teknolojilerinin gelişmesi veyaygınlaşmasıyla, 'her zaman' ve 'her yerde' bağlanabilirlik kavramları ortaya çıkmıştır. Nesnelerin internetiyle birlikte bu kavramlara ek olarak 'her şey' kavramı da önem kazanmış ve akla gelebilecek tüm nesnelerin internete bağlanması fikri ortayaatılmıştır. Internetin zaman içerisinde evrimleşmesini takiben, 'Nesnelerin Interneti' kavramı ilk kez 1999 yılında Kevin Ashton tarafından P&G şirketi için hazırlanan bir sunumda kullanılmıştır. Bu sunumda şirketin tedarik zincirinde RFID teknolojisi uygulamasının firmaya faydaları sıralanmakta ve kullanımı önerilmekteydi. Nesnelerin Interneti, günlük yaşantımızda karşılaştığımız problemleri, yazılımuygulamalarının, günlük objelerimizi ve internetin bağlanabilirliğini kullanarakçözdüğü devrimsel bir teknoloji olarak tanımlanabilir. Yani nesnelerin interneti, hayatımızı daha güvenli, akıllı ve üretken hale getirerek yaşama ve çalışma biçimimizideğiştirecek bir teknolojidir. Nesnelerin Interneti, benzersiz bir şekilde adreslenebilirşeylerin/nesnelerin kendi aralarında oluşturduğu, dünya çapında yaygın bir ağ ve bu ağdaki nesnelerin belirli bir protokol ile birbirleriyle iletişim içinde olmalarını sağlar. Nesnelerin Interneti, üç ana bileşenden oluşur:_ Nesneler_ Nesneleri birbirine bağlayan iletişim ağları_ Nesnelerden nesnelere akan verileri kullanan bilgisayar sistemleriYapılan araştırmalara göre bugün Internete 25 milyar cihazın bağlı olduğu tahmin edilmekte ve bu rakamın, 2020 yılına gelindiğinde, 50 milyar cihaz seviyesine çıkması öngörülmektedir. Aynı araştırmalara göre; 2003 yılında dünyada kişi başına düşen, birbirleriyle bağlantılı cihazların oranı 0,08 iken bu oranın 2020 yılında 6,48 olması beklenmektedir. Ayrıca 2020 yılında, 20 adet tipik ev cihazının üreteceği bilgitrafiğinin, 2008 yılında üretilen tüm internet trafiğinden daha fazla olacağı tahmin edilmektedir. Bu veriler ışığında, bağlı cihaz uygulamaları arasında oluşacak veritrafiğinin daha verimli, daha güvenilir ve veri bütünlüğünü bozacak herhangi bir güvenlik açığı oluşmadan transferi gelecekte daha büyük önem arz edecektir. Yenilikçi yaklaşımların nesnelerin internetinin geleceğini belirleyeceği aşikardır. Bu tez çalışmasıyla, nesnelerin interneti konsepti için farklı disiplinlerdeki ve uygulamalardaki yenilikçi yaklaşımlar harmanlanarak daha verimli bir ekosistemoluşturulmasına katkı sağlanması amaçlanmıştır. Proje kapsamında, ITÜ TelsizHaberleşme Araştırma Laboratuvarı bünyesine bulut uygulamaları ve servisleri, mobilarayüz Android uygulamaları, sensör ve aktüator cihazları da dahil olmak üzerenesnelerin interneti alanında çalışmalara ön ayak oluşturabilecek küçük bir ekosistemkazandırılmıştır. Bu ekosistem içerisindeki çalışmaları özetlemek gerekirse:Sunucu tarafında; genişletilebilir uygulama ve katma değerli servis entegrasyonunaolanak sağlayan bir altyapı hazırlanmıştır. Nesnelerin uzaktan yönetimi ve nesneler tarafından oluşturulan büyük verinin kaydedilmesi ve işlenmesi için SQL tabanlı bir veri tabanı altyapısı sağlanmış, gerekli bulut servisleri ile entegre edilmiştir. Nesneler tarafından oluşturulacak büyük veri üzerinde veri madenciliği yapılması ve bu verilerin katma değerli servisler olarak sunulması aşamasında gerekecek altyapi oluşturulmuştur. Kurulan sunucu ve bulut servisler altyapısı sanal makine üzerindeçalıştırılarak, sistemin taşınabilirliği garanti edilmiştir. Böylece sunucu ve bulut servisaltyapısı, makine bağımsız şekilde istenen herhangi bir hosting servis sağlayıcısıylaçalıştırılabilir kılınmıştır. Bu yapı ileriye dönük geliştirmelerde ve sistemin geniş alanağları üzerinden test edilmek istenmesi durumunda entegrasyon açısından kolaylık sağlayacaktır. Sensör ağ kısmında; IEEE 802.15. 4 standardı üzerinde çalışan ZigBee protokolükullanan sensör ve aktüatör cihazları için, gömülü sistem tabanlı WiFi - ZigBee IP AğGeçidi düğümü tasarlanıp gerçeklenmiştir. Bu ağ geçidi düğümü ile sensör ve aktüatörnesneleri birbirine bağlayan kablosuz kişisel alan ağında yepyeni bir yaklaşım olan ağ kodlama tekniği ile ilgili hem teorik hem de deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında, 1 ağ geçidi düğümü, 1 sensör düğümü ve 1 aktüatördüğümü ile oluşturulan 3 düğümlü ağ üzerinde ağ kodlama tekniklerinden biri olanXOR kodlama tekniği denenmiş, sensörler arası veri trafiğinde daha az iletim döngüsü ve daha düşük güç tüketimiyle aktarım sağlanmıştır. Uygulanan bu senaryo, akıllı evlerde sensörler ve aktüatörler arası veya sensör cihazlarla data toplayıcı ağ geçidicihazları arası veri paylaşım senaryosu için oldukça verimli bir data transferi alternatifi sunmaktadır. Teorik çalışmalar kapsamında MATLAB ortamında, kablosuz kişisel alan ağlarındarastgele ağ kodlama tekniğinin test edilebilmesine imkan sağlayan simulasyon ortamıgeliştirmesi yapılmıştır. Bu geliştirmeler yapılırken farklı ağ topolojilerine ve düğümsayılarına destek verebilmek amacıyla dinamik bir kodlama sağlanmıştır. Rastgeleağ kodlama tekniğinin başarımını test etmek için temel olarak kanalın sembol silmeolasılığı ile sembol hata oranının kıyaslanması sağlanmıştır. Farklı Galois alanı boyutları için sembol hata oranı kıyaslamalı olarak test edilerek rastgele ağ kodlamabaşarımı doğrulanmıştır. Son olarak, ağ geçidi düğümü tasarlanırken özellikle piyasada rahatlıkla bulunabilenWiFi ve ZigBee modülleri tercih edilmiş, çalışma sonucunda ortaya çıkabilecekfaydalı kullanım senaryoları ve tekniklerin kolayca kullanıma geçirilmesi ve adapte edilebilmesi hedeflenmiştir. Böylece, akademik bir çalışmanın endüstriyel alanda da yer bularak kullanıma geçirilmesi sürecine katkı sağlanmıştır. Sensörler ve aktüatörler kısmında; sıcaklık sensörü düğümü ve çok amaçlıelektriksel aç-kapa düğümü donanım ve yazılımları gerçekleştirilmiş, bu cihazlarsensör ağına dahil edilmiştir. Ayrıca XOR kodlama tekniği ile bu iki düğüm arası veri transferi gerçekleştirilerek, ev/ofis ısıtma ve soğutma senaryosu gerçeklenmiştir. Ev ve ofis ortamlarında ısıtma, soğutma ve güvenlik çözümleri için kablosuz pilli çözümlerinyaygınlaşmaya başladığı düşünülürse, bant verimli ve düşük güç tüketimli çözümlere olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Tez çalışmasında önerilen altyapı ile bu ihtiyaca da cevap vermek mümkün olacaktır.