Kablosuz algılayıcı ağlarda yaşam süresi enbüyüklemesi için gezgin baz istasyonu konumlandırma eniyilemesi

Abstract

Her geçen gün yeni kullanım alanları ortaya çıkan kablosuz algılayıcı ağlar(KAA) yüksek sayıda algılayıcı düğümün genellikle belirli bir alanı izleme ve üzerinde taşıdığı algılayıcılar aracılığı ile çevresinden veri toplama amacıyla kullanıldığı tasarsız ağlardır. Bunu mümkün kılan en önemli etkenler ise hiç şüphesiz yarı iletken, radyo haberleşmesi, ağ ve malzeme bilimi teknolojilerindeki yenilikler ve gelişmeler sayesinde üretim ve maliyet ile ilgili kısıtların kalkması ve dolaysıyla algılayıcı düğümlerin uygun maliyetle çok sayıda üretilip kullanılabilmesi olmuştur. KAA'da algılayıcı düğümler, yapıları itibariyle genellikle kısıtlı kaynaklara (enerji, haberleşme mesafesi, bant genişliği, hesaplama gücü ve bellek miktarı gibi) sahiptir. Fakat başlangıçtaki enerji miktarı bu kaynaklar arasından en kritik olanı haline gelmiştir. Bu nedenle KAA'da algılayıcı düğümlerin enerji gereksinimlerinin mümkün olduğunca düşük seviyede tutulması en önemli tasarım gereksinimi olmuştur. Dolaysısıyla, kablosuz algılayıcı ağlar konusunda günümüze kadar yapılan çalışmalar, harcanan enerjiyi düşürerek, diğer bir deyişle daha enerji verimli çözümler üreterek ağ yaşam süresini arttırmak konusunda yoğunluk kazanmıştır. KAA'da baz istasyonu konumu ağın yaşam süresinde önemli bir etkiye sahiptir ve ağın yaşam süresi algılayıcı düğümlerin yapmış oldukları toplam enerji harcaması ile ters orantılı olarak değişiklik göstermektedir. Çok atlamalı bir haberleşme üzerinden verilerin statik konumlu bir baz istasyonuna aktarılması ile enerji dengelenmesi ve ağ ömründe bir miktar iyileşme sağlanabilmesine rağmen baz istasyonuna yakın konumda bulunan düğümler genellikle yoğun-bölge problemi olarak bilinen bir problem sebebiyle enerjilerini düzensiz bir biçimde harcamaktadırlar. Bu düzensizlik nedeniyle de ağ ömründe istenmeyen düşüşler gözlemlenmektedir. Literatürde yoğun-bölge problemi nedeniyle ortaya çıkan bu düzensiz enerji dağılımını gidermek amacıyla gezgin baz istasyonu modeli öne sürülmüştür. Fakat, gezgin baz istasyonunun belirli ağ yapılarında ağ ömrünü önemli ölçüde uzatmasına rağmen bu artışın hareketli tek bir alıcı ile oldukça sınırlı olduğu gösterilmiştir. Bu tez çalışmasında ise gezgin bir baz istasyonunun farklı hareket örüntüleri kullanıldığında enerji dağılımına olan etkisi hakkında daha fazla fikir edinilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca eniyilenmiş bir baz istasyonu hareket modeli geliştirilmiş ve bu modelin başarımı bilinegelen hareket örüntüleri ile (rastgele, ızgara ve spiral) karşılaştırılmıştır. Ek olarak yine bu çalışmada eniyilenmiş çoklu gezgin baz istasyonu modeli geliştirilerek alınan sonuçların yoğun-bölge problemine ve enerji dağılımına olan etkilerine daha fazla ışık tutulması amaçlanmıştır. Son olarak, bu çalışmada çoklu gezgin baz istasyonu modeli ile çoklu sabit baz istasyonu modeli arasında bir karşılaştırma yapılarak ikisi arasındaki ödünleşim incelenmiştir. Çalışmalarda en iyi baz istasyonu konumlandırması için özgün bir Karma Tamsayılı Doğrusal Programlama(KTDP) çerçevesi oluşturulmuştur. Bu model geniş bir parametre uzayında çözdürülerek gezgin baz istasyonu kullanımının ağ yaşam süresine etkileri nitelendirilmiştir.

The success of widespread deployment of and associated research efforts on the Wireless Sensor Networks (WSNs) is undisputed. Yet, there is still room for exploring and improving many aspects of WSNs as well as fully grasping intricate performance related details of some less-than-completely charted topics. WSNs are ad-hoc networks usually used for monitoring a particular area by a large number of sensor nodes. The most important factor making this possible is indisputably the removal of restrictions on the production costs of the sensor nodes in high quantities due to the help of innovations and developments in semiconductor technologies, wireless communications, networking and materials science. In WSNs sensor nodes usually have limited resources such as energy, communication distance, bandwidth, computing power and memory size. After the limitations related to the cost and hardware are met by the progress on semiconductor, network, and materials science; energy becomes the most critical resource for WSNs. Therefore, as one of the most crucial design goals of WSNs, network lifetime maximization through efficient utilization of energy is quite necessary. Although it is understood that balancing the energy in multi-hop data relaying towards a static sink prolongs network lifetime, some nodes usually end up with dissipating their energy unevenly and suffer from a problem generally known as the hot-spot problem. Base station position in WSNs has a significant impact on the network lifetime. The network's lifetime is inversely proportional to the total energy spent in the sensor nodes. The energy consumption for the communication which forms the largest portion of this energy is directly related to the base station location in the network. Therefore, sink mobility has been proposed in the literature to mitigate the suboptimal energy dissipation and the hot-spot problem. Sink mobility increases the sensor network lifetime, significantly, in certain network configurations. However this increase is shown to be limited if only a single mobile sink is used. In this study, our goal is to gain some more insight about the performance of base station mobility under different mobility patterns, to counter the sub-optimal energy dissipation. Also, an optimum base station mobility pattern is developed and the results are compared with the already known mobility routines such as grid, random, and spiral mobilities. Additionally, we develop a novel Mixed Integer Programming (MIP) framework to model and characterize achievable WSN lifetime trends for static and dynamic mobile sink trajectories. The effects of base station mobility on the network lifetime are characterized by solving the models within a wide parameter space. Our results shed more light into the energy efficiency characteristics of the optimal multiple sink mobility patterns, the efficacy of multiple sinks as opposed to a single one, and the tradeoff between static versus dynamic sink trajectories.