Aktif düğüm ve dinamik zaman dilimi tahsisi esaslı kablosuz algılayıcı ağ ortam erişim kontrol protokolü

Abstract

Kablosuz Algılayıcı Ağlar (KAA’lar); kurulum kolaylığı, kendi kendine organize olabilme, bakım gereksinimlerinin az olması gibi benzersiz özellikleri sayesinde farklı alanlarda geniş bir uygulama potansiyeline sahiptir. Ancak algılayıcı düğümlerin güç, hesaplama kapasitesi ve bellek bakımından kısıtlı kaynaklara sahip olması; geleneksel kablosuz ağlardaki birçok protokol ve algoritmanın KAA’lara doğrudan uygulanamamasına sebep olmaktadır. Ayrıca uygulamaların gereksinimlerinin farklılıklar göstermesi geliştirilecek haberleşme protokollerinin de uygulamaya-özel olmasını gerektirmektedir. Bu tez çalışması kapsamındaki KAA’lar, olay güdümlü uygulamaları içermektedir. Özellikle çok sayıda düğümün uzak ve erişilmesi güç yerlere rastgele ve yoğun olarak yerleştirildiği uygulamalarda, düğümlerin enerjilerini sağladıkları pilleri değiştirmek ya da şarj etmek çoğu zaman oldukça zor ve hatta imkansızdır. Dolayısıyla bu tez çalışmasında da esas alındığı üzere, enerji verimliliği başlıca tasarım ölçütü haline gelmektedir. Olay güdümlü KAA uygulamalarında algılanan verinin mümkün olan en kısa zamanda iletilmesi gerektiği için iletişim gecikme değerlerinin belirli sınırlar içerisinde tutulması da büyük önem taşımaktadır. Geleneksel TDMA tabanlı OEK protokolleri, olay güdümlü KAA uygulamaları için çok uygun değildir. Literatürde bu tür uygulamalar için geliştirilmiş protokoller de bulunmaktadır; ancak, söz konusu protokoller sadece kaynak düğümlere zaman dilimi tahsisi gerçekleştirmekte, aynı verinin tekrar iletilmesinin meydana getireceği veri fazlalığını dikkate almamaktadırlar. Belli bir bölgeden eşzamanlı olarak gelecek aynı verinin olayın/durumun değerlendirilmesine katkı sağlamayacağı fikrinden hareketle, benzer içerikli veriye sahip kaynak düğümlerden sadece birine zaman dilimi tahsis edilmesi ile veri trafiğinin, enerji tüketiminin ve uçtan uca gecikmenin azaltılabileceği düşüncesi bu tez çalışmasının başlatılma sebebini oluşturmuştur. Bu doktora tezinde, olay güdümlü KAA uygulamaları için geliştirilen bir OEK protokolü sunulmaktadır. OEK tasarım aşamasında kullanılan ve aktif düğüm belirleme yöntemi (ADBY) olarak adlandırılan genel bir içerik tabanlı çizelgeleme yaklaşımı geliştirilmiştir. ADBY’nin uygulaması olarak TDMA-tabanlı yeni bir OEK protokolü (M-BMA) gerçekleştirilmiş bulunmaktadır. Eşleniği olan protokollerle yapılan karşılaştırmalı başarım değerlendirmeleri ile M-BMA protokolünün enerji tasarrufunda ve gecikmenin azaltılmasında sağladığı iyileştirme gösterilmiştir. SUMMARY

The unique features of Wireless Sensor Networks (WSNs) such as ease of installation, self-organizing, simple maintenance requirements etc. make them have a wide range of applications in many different areas. On the other hand, many protocols and algorithms used in traditional wireless networks are not feasible to be applied directly to WSNs due to the strictly limited power, computation capability and memory resources of sensor nodes. Moreover, distinct requirements of WSN applications usually impose applicationspecific approaches for communication protocols. Event driven WSN applications are targeted in the scope of this thesis. Especially in the applications, where a large number of sensor nodes are randomly and densely deployed in remote and difficult to reach networking environments, changing batteries supplying energy to the sensor nodes is extremely difficult, even impossible. Therefore energy efficiency becomes one of the most important WSN design criteria as in this thesis. Keeping the communication delays in some given limits is also critically important for this kind of applications since the sensed data should be transmitted as soon as possible in event driven WSN applications. Conventional TDMA based MAC protocols are not well suited to the event driven WSN applications. In the literature, there are some MAC protocols specially designed for these applications but they allocate time slots to only source nodes and do not take into consideration data redundancy resulting from the same data retransmitted from the same region. By the opinion that getting the similar data from the same region simultaneously does not provide additional contribution for evaluation of the event/situation, the fundamental motivation of this thesis work is to reduce data redundancy, energy consumption and latency by assigning a time slot to only one of the source nodes all with the same data sensed and to be sent. In this PhD thesis, a MAC protocol (M-BMA) for event driven WSN applications is proposed. A new generic content based scheduling approach, named as active node determination method (ANDM), has been developed and deployed in the MAC design stages. By means of comparative performance analyses with its counterpart protocols, it has been concluded that the M-BMA protocol provides improvement in energy saving and latency reduction.