Tasarsız Mobil Ağlar İçin SPGR Temelli Enerji Verimli Yeni Bir Yönlendirme Tekniği - Garaylı, Fidan (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015)
Kablosuz Sensör A˘glar belirli alanda yo˘gun olarak da˘gılmı¸s sensörler toplu˘gudur. Kablosuz sensör a˘glarda bulunan sensörler mobil oldu˘gunda ve bulundukları a˘gların belirli sabit altyapısı olmadı˘gında tasarsız sensör a˘glara dönü¸sürler. Günümüzde, dizüstü bilgisayarlar ve di˘ger ta¸sınabilir cihazlar sıklıkla kullanıldı˘gından tasarsız mobil a˘glar son derece yaygınla¸stı. Kablosuz Sensör A˘glar konuma ba˘gımlı olmadan internet eri¸simi sa˘glamaktadırlar. Mobil cihaz ve bilgisayarların yaygınla¸smasıyla kablosuz sensör a˘gları kullanılırken bir konumdan di˘ger konuma geçildi˘ginde dahi kesintisiz internet servis ihtiyacı do˘gmu¸stur. Böylece ethernet ve di˘ger kablolu internet eri¸sim servisleri ile kıyasla kablosuz sensör a˘gların kullanı¸slılı˘gı daha da belirginle¸smi¸stir. Bundan dolayı donanım sistemlerinin pil ömrü ve tasarsız mobil a˘gların enerji verimlili˘gi konusu son yıllarda daha da önem kazanmı¸stır. Bu çalı¸smada en kısa yol ile aktarma üzerine kurulmu¸s enerji verimli co˘grafi yönlendirme yöntemi sunulmu¸stur. Öncelikle, co˘grafi yönlendirme teknikleri enerji verimlili˘gi açısından ara¸stırılmı¸stır. Co˘grafi yönlendirmenin en önemli özelli˘gi a˘g dü˘gümlerinin konumlarının belirli olmasıdır. Dü˘gümlerin co˘grafi konumları kullanılarak daha güvenilir paket aktarımı sa˘glanmaktadır. Önerilen tekni˘ge göre, kaynak ve varı¸s yeri hayali Öklid çizgisi ile ba˘glanmaktadır. Kom¸su dü˘gümler arasında bir sonraki gönderilecek dü˘güm seçilirken iki nokta arasındaki en kısa yolla paket gönderimi, en az gecikme ve yüksek performans göz önünde bulundurularak yapılır. Ama yo˘gun paket aktarımı söz konusu olan a˘glar için bu tarz aktarım tekni˘gi paket tıkanıklı˘gına ve uzun paket aktarma sırasına neden olmaktadır. Özellikle, kesintisiz elektrik kayna˘gının bulunmadı˘gı tasarsız a˘glar için en kısa yol üzerinde bulunan dü˘gümlerin enerji düzeyi çok hızlı ¸sekilde azalmaktadır. Paketlerin do˘grudan en kısa yol üzerinden de˘gil, kaynak-varı¸s noktaları arasındaki hayali Öklid çizgisine yakın tutmakla gönderimi en kısa güzergâha yakın dü˘gümlerin kullanılmasına izin vermektedir. Sunulan teknikte kom¸su dü˘gümler arasında bir sonraki paket gönderici dü˘gümün seçim zamanı, dü˘güm hayali Öklid çizgisine ve varı¸s noktasına en yakın olan dü˘gümü seçmektedir. Seçim yöntemi parametresi kom¸su dü˘gümle varı¸s noktası ve Öklid çizgisiyle kom¸su dü˘güm arasındaki mesafenin fonksiyonu olarak belirlenmektedir, yani varı¸s noktasına ve Öklid çizgisine en yakın olan kom¸su dü˘güm seçilmektedir. Bunun yanı sıra, önerilen teknik a˘gdaki dü˘gümlerin pil ömrünü de dikkate alınmaktadır. Bu teknik için dengeli enerji tüketimini sa˘glayan enerji parametresi kullanılarak, bütün a˘ga enerji verimlili˘gini kazandırılmı¸stır. Gönderici dü˘güm kendi kom¸su dü˘gümleri arasında enerji düzeyi en fazla olan paket aktarımını sa˘glamaktadır. xxiii Bu çalı¸smada kullanılan enerji modeli her bir dü˘güm paket aktarım sürecine aynı enerji düzeyi ile ba¸slar ve paket aktarımı veya paketin kabul edilme zamanı belirli düzeyde enerji harcar. Dü˘gümlerin bekleme sırasında da belirli düzeyde enerji tüketimi devam eder; bekleme sürecinde uyku moduna geçerek enerji tasarrufunun sa˘glanması bu çalı¸smada dikkate alınmamı¸stır. Önceden belirlenen enerji düzeyi limitinden daha az enerjisi kalan dü˘gümler paket aktarımında kullanılamaz, bu dü˘gümlerin paket kabul etmesi veya paket aktarması durdurulmaktadır. Kom¸su dü˘güm seçim fonksiyonunda enerji düzeyinin dikkate alınması en kısa yol üzerinden enerji tüketimini dengede tutmayı sa˘glamaktadır. Böylece, seçim fonksiyonu kom¸su dü˘gümlerin enerji düzeyleri parametresini de dahil etmektedir. Gönderici dü˘güm sadece varı¸s noktası istikametinde en kısa yol üzerinde bulunan kom¸su dü˘gümü de˘gil, aynı zamanda enerji düzeyi en fazla olan kom¸su dü˘gümü seçmeye çalı¸smaktadır. Bu nedenle, en yakın kom¸su dü˘gümü seçme fonksiyonu mesafe ve enerji düzeyi parametrelerini kapsamaktadır. Bulunan a˘gın gereksinimlerine göre bu parametrelerin a˘gırlık katsayıları de˘gi¸stirilerek fonksiyon yeniden düzenlenebilir. Enerji tasarrufu ön planda olan a˘glar için enerji düzey parametresinin a˘gırlık katsayısı arttırılarak, ya da paket aktarım zamanı ön planda olan a˘glar için mesafe parametresinin a˘gırlık katsayısı arttırılarak seçim fonksiyonu kontrol edilebilir. A˘gdaki bütün dü˘gümlerin konumu GPS yöntemiyle belirlenir. A˘gda paket aktarımı ba¸slamadan bütün dü˘gümlerin ilk konumunu belirlemek için sel basma yöntemi kullanılır. Dü˘gümlerin ilk konumlarını içeren paketler a˘gdaki bütün eri¸silebilir dü˘gümlere da˘gıtılır. Paket aktarımı ba¸sladıktan sonra dü˘gümler kom¸su dü˘güm tablolardaki konum güncellemelerini "hello" paketleri aracılı˘gıyla gerçekle¸stirir. Bu paketlerin gönderilme sıklı˘gı a˘gın mobilli˘gine ba˘glı olarak de˘gi¸sir; dü˘gümler belirli mesafe kat ettikten ve belirlenmi¸s zaman a¸sımından sonra etraftaki dü˘gümlere konum bilgilerini içeren paket aktarımı yapar. Böylece, kom¸su dü˘güm tabloları güncellenir. Bu çalı¸smada sunulan teknik yeniden gönderim yöntemini de kullanmaktadır. Geçerli dü˘güm kendi kom¸su dü˘gümleri arasından varı¸s noktası yönünde yerle¸sen bir dü˘güm bulamadı˘gında, paket bir önceki gönderici dü˘güme geri aktarılır. Önerilen çalı¸sma OPNET a˘g simulasyonu aracılı˘gıyla test edilmi¸stir. Simulasyonlarda mobil hızına göre de˘gi¸skenlik gösteren üç farklı senaryo kurulmu¸stur. Birinci senaryoda, yöntem tamamen statik a˘gda test edilmi¸stir. Ikinci senaryo kısmen mobil özelli˘gini ta¸sımakta olup, a˘g dü˘gümlerinin yarısı mobil, geri kalanı statik olarak belirlenmi¸stir. Üçüncü senaryoda tamamen dinamik bir ortam olarak tasarlanmı¸stır. Yukarıda belirtilen bütün senaryolarda simulayon ortamında üstel ve Pareto trafik olu¸sturulmu¸stur. Bu yöntem Co˘grafi Yönlendirme Protokolü (GRP) ve En Kısa Yola dayalı Co˘grafi Yönlendirme (SPGR) metotları ile kar¸sıla¸stırılmı¸stır. Çalı¸smada sunulan yöntem SPGR üzerine kurulmu¸stur. Kar¸sıla¸stırılan her iki yöntem co˘grafi yönlendirme bazlı olsa da, a˘gdaki dü˘gümlerin enerji düzeyi dikkate alınmamı¸stır. Her üç yöntem paket aktarım gecikmesi, ba¸sarıyla gönderilen data paketlerin ortalama oranı ve a˘gın genel ya¸sam süresi açısında kıyaslanmı¸stır. Enerji tüketim oranlarının ve a˘gın ya¸sam süresinin kar¸sıla¸stırılabilmesi için GRP ve SPGR tekniklerine enerji tüketim parametresi entegre edilmi¸stir. Sunulan teknik kar¸sıla¸stırdı˘gımız yöntemlerle kıyaslandı˘gında daha az paket aktarım gecikmesi ve daha uzun a˘g ya¸sam süresini sa˘gladı˘gı görülmü¸stür. Ayrıca, ba¸sarıyla gönderilen data paketlerin ortalama oranı da sunulan çalı¸smada daha yüksek olarak belirlenmi¸stir. Özetle, çalı¸smada tasarsız mobil a˘glardaki yönlendirme teknikleri, özellikle de co˘grafi bazlı yönlendirme teknikleri ara¸stırılmı¸stır. SPGR yönlendirmenye dayalı kom¸su dü˘güm seçme fonksiyonu enerji verimlik parametresi entegre edilmekle geli¸stirilmi¸stir. Gönderici dü˘güm, varı¸s noktasına ve hayali çizgiye en yakın ve enerji düzeyi di˘gerlerinden daha yüksek olan kom¸su dü˘güme paket aktarımı sağlayacaktır.

Wireless Sensor Networks is a group of a spatially dispersed and densely deployed sensors. When the sensor nodes of WSN become mobile and the network does not have the stable infrastructure, it becomes an ad hoc network. Ad hoc networks have become more popular nowadays, especially for people who always use laptops and other portable devices. Wireless networks enable us to have access to the internet regardless of where we are. With the development of mobile equipment, such as mobile phones and laptops, we want to have an uninterrupted service while using wireless networks, even when we are moving from one area to another. It is more convenient compared to the wired Ethernet or other network access. In this respect battery lifetime of these type equipments and energy-efficiency of ad hoc networks have been a crucial issue in recent years. In his work we have presented an energy-efficient geographic routing technique based on the shortest path based routing method. Firstly, geographic forwarding was studied in terms of energy-efficiency. The distinctive feature of the geographic forwarding is the ability to be aware of the geographic location of nodes. Using location information, the nodes can develop more reliable packet forwarding function. Then, a new energy-efficient geographic routing technique is introduced. According to the proposed technique the source and the destination are linked with a virtual Euclidean line. During the selection process of the next forwarder node among the neighbors, the node tries to choose the one which is nearest to the Euclidean line and also to the destination node. Selection method is the function of the distance between the neighbor and the sink; and the distance between the neighbor and the virtual Euclidean line. In other words, the node selects the neighbor, which the minimal distance to the sink and Euclidean line, this approach guarantees the delivering of the packets along the shortest path. Additionally, proposed technique takes into consideration battery lifetime of the network node. Selection function includes the energy level parameter of the neighbor nodes: the forwarder node sends the packet to the neighbor, which is not only in the shortest path to the sink, but also has a maximum energy level. Therefore, the closest neighbor selection function introduced combines the two parameters: distance and energy level. The method can be rearranged according using the weighted value according to the demands of the network. The offered technique also uses the backtracking method. If the current forwarder node cannot find the next one among its neighbors, which is in shortest path in a comparison with itself, it re-forwards the packet to the previous node. The technique was simulated on OPNET tool. We have used three scenarios which differs in mobility type. In the first scenario we have tested the technique employing absolutely static network. The second scenario is partially mobile: half of the network nodes are mobile, the rest is static. The third scenario is absolutely dynamic scenario, where all the nodes of the network are mobile. All scenarios were tested under the exponential and the Pareto traffic with the different parameters. We have compared the proposed technique with Geographic Routing Protocol (GRP) and Shortest Path Based Geographic Routing (SPGR), on which our method is based. In a development of the these techniques energy parameter of the network nodes was not taken into the consideration. All the techniques were compared in terms of the delay, average number of the received data packets. In order to analyze the energy consuming parameter of the methods mentioned above, we have integrated energy parameter to the GRP and SPGR. It is shown that the technique introduced has low delay and a large number of received packets compared to the GRP technique and SPGR technique. Also Average Number of Received Data packets are also considerable higher in our technique. To sum up, we have studied the geographic routing based techniques for ad hoc networks. Using the main idea of SPGR forwarding, we have integrated the energy-efficiency parameter and developed the neighbor selection function. The node chooses the neighbor with the maximum energy level and with the shortest distance to the sink considering the virtual line between the source and the sink. In the future work, we are planning to improve the performance of the Angular Routing Protocol. The integration of energy parameter will be studied extensively. Furthermore, the possible modification of the protocol to improve its performance results will also be considered. Multi-source transmissions will be considered as a future work.
SPGR Based Energy-efficient Routing Technique for AD-HOC networks
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 42249,6076388889
Keywords: Tasarsız Ağlar; Mobil Tasarsız Ağlar; Sensör Ağlar; Ad-hoc Netwoek; Manet; Wireless Network