Düşük güçlü ve kayıplı kablosuz sensör ağlarında topolojinin ağ kurulumunda enerji tüketimine etkisi
The effect of network installation on low power and lossy wireless sensor networks on energy consumption
- Tez No: 959036
- Danışmanlar: PROF. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
İnternetin son on yıl içindeki hayatımıza etkisi tahmin edilemez boyutlara ulaşmıştır. Para basmanın internet şekli diyebileceğimiz Bitcoin uygulaması ile zirveye çıkmıştır. İnternetin etkileri bireysel olmaktan çıkmış günümüz uygarlığının en önemli belirleyici faktörlerinden biri olmuştur. Öyle ki“Blokzincir”(Blokchain) teknolojisi ile etkilerin çok daha ileri gideceği görülmektedir. Nesnelerin interneti ile bu etki farklı açıdan da kendini ciddi bir şekilde göstermektedir. İnsanların yanı sıra artık her şey internete bağlanma yeteneğini kazanmaya başladı. Gelişme aslında iki taraflı etkiye sahip. Bir taraftan hayatımızı kolaylaştıran uygulamalar hızlı bir şekilde geliştirilirken, diğer taraftan insanlara sıkıntı verecek müdahale/saldırılar bu teknoloji ile çok kolay bir şekilde uygulanabilir hale gelmektedir. Artık kameraların gözü önünde sokaklarda ne kadar özgür dolaşılabiliyor. Bazı ülkelerde çok geniş alanlarda toplu elektrik kesintileri ile hayatın durma noktasına gelmesi bir diğer olumsuz etki olarak karşımıza çıkmaktadır. Nesnelerin internetinin önemi, fiziksel ve dijital dünyaları sorunsuz bir şekilde entegre etme, artan verimlilik, gelişmiş güvenlik, daha iyi karar alma ve iyileştirilmiş yaşam kalitesi gibi bir dizi avantajı açığa çıkarma yeteneğinde yatmaktadır. Görevleri otomatikleştirerek ve gerçek zamanlı veriler sağlayarak, IoT sistemleri işletmelerin ve bireylerin operasyonları optimize etmelerine, maliyetleri düşürmelerine ve çevresel etkiyi en aza indirmelerine yardımcı olmaktadır. Ayrıca, IoT teknolojilerinin kaynakları ve hizmetleri verimli bir şekilde yönettiği, trafik sıkışıklığının azalmasına, atık yönetiminin iyileştirilmesine ve kamu güvenliğinin artırılmasına yol açan akıllı şehirlerin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. IoT uygulamalarının çok yönlülüğü, yalnızca cihazlarla nasıl etkileşim kurduğumuzu değil, aynı zamanda sürdürülebilirlik, sağlık hizmetleri ve kentsel gelişimdeki zorluklara nasıl yaklaştığımızı da dönüştürme potansiyelini sahiptir. Düşük güçlü kablosuz gömülü sensörlerin ortaya çıkması, uzaktan veri algılama uygulamaları için kullanımı önem kazanmıştır. Kablosuz Sensör Ağlar'ının (KSA) farklı ve çeşitli uygulamaları, Nesnelerin İnternet'inin (IoT) yaygınlaşmasında büyük katkı sağlamıştır. Bu gelişmenin merkezinde, tipik olarak bir alıcı-verici, anten, mikrodenetleyici ve algılama mekanizmasından oluşan pil ile çalışan kablosuz sensör yer almaktadır. Kablosuz sensörler, diğer kablosuz sensörler ile bir araya gelme, hesaplama, iletişim kurma ve ağ oluşturma yeteneklerine sahiptir. KSA'lar aracılığıyla potansiyel olarak ağa bağlanabilecek sınırsız sayıda IoT cihazı göz önüne alındığında, kablosuz sensörler ve IoT cihazları arasındaki çift yönlü veri akışını düzenleyen, veri akışının bütünlüğünü, doğruluğunu, tazeliğini ve zamansal ilişkilerini koruyan ve çeşitli cihazlardan gelen büyük veri yığınlarını işleyen mekanizmalar zorunlu hale gelmektedir. Veri toplamada, veri toplayıcı olarak tanımlanan bir grup düğüm, alt düğümlerinden alınan verileri yerel bir baz istasyonu veya bir internet bulutu ya da her ikisinin bir kombinasyonu aracılığıyla üst düzey bir hesaplama platformuna iletir. KSA'daki fiziksel olarak dağınık sensör düğümleri genellikle bağımsızdır, ancak bir uygulamayı yürütmek için iş birliği yaparlar. Kaynakların kısıtlı olduğu bir ortamda sensör düğümlerinin ve IoT cihazlarının bağımsız yapısı, öncelikle enerji tasarrufu, güvenilir ve doğru veri toplama mekanizmalarının geliştirilmesini sağlayan çok sayıda zorlukla karşı karşıyadır. Çeşitli sensörlerin ve IoT cihazlarının heterojen ve hareketli yapısı nedeniyle; KSA ve IoT'lerde veri toplama stratejilerinin belirlenmesinde ağ topolojisi önemli bir rol oynamaktadır. Ayrıca, bu cihazların yoğun konuşlandırılması nedeniyle, kablosuz ortamda ilettikleri sinyaller parazitlere karşı hassastır. Algılayıcı düğümlerin ve IoT cihazlarının karşılaştığı bir diğer zorluk, bu cihazların sınırlı pil gücüne sahip olması ve düğüm arızaları nedeniyle enerji tüketiminin artmasına eğilimli bir yapısının bulunmasıdır. Dünya genelinde Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazlarının sayısının 2023 yılında 16,6 milyardan 2030 yılında kadar 40 milyarı aşarak iki katından daha fazla olacağı tahmin edilmektedir. IoT, çok kısa sürede hayatımızı derinden etkileyen bir teknoloji olmuştur. Kablosuz Sensör Ağları (KSA) sağlık, endüstri, tarım, afet yönetimi, akıllı şebekeler, trafik, askeri ve yaban hayatı, bazıları olmak üzere çok farklı alanlarda sunduğu çözümler ile IoT dünyasının çok önemli bir parçası haline gelmiştir. Kablosuz sensör ağıları, sıcaklık, basınç, ses, titreşim, hareket, konum, kirlilik, nem, rüzgar vb. fiziksel ve çevresel koşulları izleyen, takibi yapılacak bölgeye ilgili sensörlerin dağıtıldığı/yerleştirildiği otonom bir yapıdır. Otonom sistemleri diğer sistemlerden ayıran en önemli özellikleri merkezi olmayan, kendi kendini yapılandıran ve kendi kendini sürdürebilen sistemlerdir. Bu yapı kablosuz sensör ağlarına da taşınmıştır. Kablosuz sensör ağlarında binlerce sensörün zorlu coğrafyalara dağıtılmış olması müdahale şansını nerdeyse imkânsız hale getirmektedir. Bu durum da kablosuz ağlarda otonom özellikleri öne çıkarmaktadır. Otonom ağlar, kendine has tasarlanmış protokoller sayesinde cihazların tümü, bireysel etkileşim yoluyla ağ kontrolüne katılırlar. Böyle bir yapı altında ihtiyaçların istenen şekilde karşılanması hiç de kolay bir konu değildir. Ağdaki bir sensörün/cihazın küçük bir yanlış işlemi, tüm ağı ciddi bir şekilde etkileyebilir. Doğal afet durumlarındaki çöken mevcut haberleşme şebekesinin yerini alacak acil bir haberleşme şebekesinin kendi kendine ayağa kalkan ve hizmet veren otonom bir sistem, otonom yapıların gerçek hayattaki kritik önemini ortaya koymak üzere etkileyici bir örnektir. Henüz böyle bir sistem geliştirilmediği için deprem sonrası haberleşme problemi hala çözülebilmiş değildir. Bir otonom ağ, mevcut operasyonlardan elde edilen verilerle kendi koşullarını izleyen ve oluşturan bir ağdır. Buna, bir tür kendi kendini yapılandıran veya kendi kendini optimize eden ağ da denir çünkü değişiklikleri yönetmek için geri besleme döngüleri kullanır. Uzmanlar, veri madenciliği ve benzer kavramların ağlara kendi kendine sürdürülebilirlik için daha fazla araç sağlamak için nasıl kullanılabileceğine baktıkça, özerk bir ağ fikri hala gelişme sürecindedir. Otonom ağ fikri, birçok insanın yeterince kontrol edilmediğini veya planlanmadığını düşündüğü küresel İnternet tasarımının yönsüz doğası hakkındaki endişelerden ortaya çıkmıştır. Zamanla, ağların bazı öz farkındalık veya özyönetim unsurlarıyla işlev görebileceği fikri ortaya atılmıştır. Otonom ağlar fikrinin geliştiricileri, farklı mobil cihazlar ve diğer tüketici elektroniği için çeşitli özel ağlara olan ihtiyacı da gözlemlemişlerdir. Bu yapıların internet bağlantısını sağlamak üzere Internet Mühendisliği Görev Gücü (IETF) organizasyonu tarafından (RFC) standartları ile tanımlı Düşük Güçlü ve Kayıplı Ağlar için IPv6 Yönlendirme Protokolü (RPL) geliştirilmiştir. RPL sınırlı kaynak ve zayıf bağlantılara sahip kısıtlı yönlendiriciyi organize edebilen ve Düşük Güçlü ve Kayıplı Ağlar (LLNs) için optimize edilmiş standart bir yönlendirme protokolüdür. RPL protokolü, enerji verimliliği, ölçeklenebilir ve otonom yapısı ile LLN'ler için vazgeçilmez bir protokoldür. Ancak hassas veri ve güvenlik açısından iyileştirmelere ihtiyacı vardır. Sensörler, gömülü işlemciler, radyo alıcı-vericileri ile donatılmışken, elektrik bağlantısı olmadığından enerji için pil kullanarak verileri iş birliği içinde merkeze iletirler. Kablosuz sensör ağlarında çok sayıda sensör yer almaktadır ve uygulamaya bağlı olarak coğrafi erişimi zor yerlere kurulabilmektedirler. Bu sebeplerden dolayı KSA'lardaki sensörlerin, otonom sistemlerin özellikleri olan kendi ağını kurabilmesi, paketleri yönlendirebilmesi, ağın devamlılığını sağlaması ve ağda meydana gelebilecek bir değişikliğe karşı ağı kendi kendine onarması beklenmektedir. Sensörler bu işlemleri, sınırlı bellek ve işlem gücü, kayıplı kablosuz ortamın yanı sıra en önemlisi sınırlı enerji kaynağı kısıtlaması altında gerçekleştirmek zorundadır. Buradaki en kritik konu ağın ayakta kalmasını sağlamak üzere sensörlerin enerjilerinin çok uzun süre devam etmesidir. Gözden kaçırılmaması gerek nokta, sensörlerin pil ömrü ağın ömrünü belirlemektedir. Sensörlerin enerji kaynağı pillerin kapasitesi sınırlıdır. Bu kaynağın kapasitesinden bağımsız olarak enerji tasarrufu yapılabilecek yöntemler geliştirmek kablosuz sensör ağlarında çok önemli ve kritik bir konudur. Kablosuz sensör ağının aktif hale gelmesinde ilk adım olan ağın kurulması ve sensörler arasında bir topolojinin oluşmasıdır. Bu aşamada enerji tasarrufu sağlamak çok değerli bir katkı olacaktır. Ağın kurulumu aşamasını detaylı bir şekilde inceleyerek oluşan topolojilerin, enerji tüketimine olan etkisini inceledik. Çalışmamızda aynı sensör sayısına sahip ağların aynı süre içinde farklı topoloji oluşumundaki güç ve enerji tüketimleri karşılaştırılarak enerji tasarruf için çıktılar elde etmeye çalıştık. Sonuçların tutarlı olması noktasında karşılaştırma yapılan topolojilerin sensör sayısı aynı tutulmuş ve topoloji oluşumu yirmi dakikalık süre ile gerçekleştirilerek, ortalama güç ve enerji tüketimleri değerlendirilmiştir. Kablosuz sensör ağları çok geniş alanlara kurulabildiğinden bu gerçek saha uygulamalarına ışık tutmak amacı ile geniş alanlardaki etkiyi de görmek üzere atlamalı topolojilerde çalışmaya dahil edilmiştir. Bu çalışma bize ayrıca ağın oluşumu açısında RPL protokolünün uygulama sırasındaki performansını da göstermektedir. Bununla birlikte RPL protokolünün pratikteki bazı özelliklerini uygulama ile yakından görmüş olacağız. Çalışmamızda topoloji oluşumu sırasındaki enerji tüketimini incelemek için Contiki İşletim Sistemi kullanılmıştır. Contiki işletim sistemi C programlama dili ile geliştirilmiştir. MSP430 gibi mimarileri desteklemesi yanı sıra modüler yazılım mimarisi akademik çalışmalarda sıkça kullanılmasını sağlamıştır. Biz de bu durumu göz önüne alarak tez çalışmamızda işletim sistemi olarak Contiki işletim sistemini tercih ettik. Contiki işletim sisteminin IP erişimi yeteneğine sahip olması ve kısıtları bulunan kablosuz sensör ağları desteği olması diğer önemli avantajlarıdır. Contiki işletim sistemi ile entegre olan Cooja simülasyonu sensörlerin ağ performans bilgilerini elde ettiğimiz ara yüzdür.
Özet (Çeviri)
The impact of the internet on our lives over the past decade has reached unimaginable proportions. It has peaked with the Bitcoin application, which we could call the internet version of printing money. The effects of the internet have gone beyond the individual level and have become one of the most important factors shaping today's civilization. Indeed, with blockchain technology, it is clear that these effects will go much further. With the Internet of Things, this impact is also becoming increasingly evident from a different angle. Not only humans but also everything else is now gaining the ability to connect to the internet. This development has a two-sided effect. While applications that simplify our lives are being developed at a rapid pace, processes that could cause inconvenience to people can now easily affect everyone through this technology. People can now move freely on the streets under the watchful eye of cameras. In some countries, widespread power outages across large geographical areas have brought life to a standstill, highlighting another negative impact. The importance of the Internet of Things lies in its ability to seamlessly integrate the physical and digital worlds, revealing a range of advantages such as increased efficiency, enhanced security, better decision-making, and improved quality of life. By automating tasks and providing real-time data, IoT systems help businesses and individuals optimize operations, reduce costs, and minimize environmental impact. Additionally, IoT technologies play a significant role in the development of smart cities, which efficiently manage resources and services, leading to reduced traffic congestion, improved waste management, and enhanced public safety. The versatility of IoT applications demonstrates the potential to transform not only how we interact with devices, but also how we approach challenges in sustainability, healthcare, and urban development. The emergence of low-power wireless embedded sensors has increased their use in remote data sensing applications. These wireless sensor networks have contributed significantly to the proliferation of the Internet of Things (IoT) with their diverse and varied applications. At the core of this development is a battery-powered wireless sensor, typically consisting of a transceiver, antenna, microcontroller, and sensing mechanism. Wireless sensors have the ability to connect with other wireless sensors, perform computations, communicate, and form networks. Considering the potentially unlimited number of IoT devices that could be connected to the network via KSA, mechanisms that regulate the two-way data flow between wireless sensors and IoT devices, preserve the integrity, accuracy, freshness, and temporal relationships of the data flow, and process large data sets from various devices have become essential. In data collection, a group of nodes defined as data collectors transmit data received from their subordinate nodes to a higher-level computing platform via a local base station, an internet cloud, or a combination of both. The physically distributed sensor nodes in KSA are typically independent but collaborate to execute an application. In an environment with limited resources, the independent structure of sensor nodes and IoT devices faces numerous challenges, primarily related to energy conservation and the development of reliable and accurate data collection mechanisms. Due to the heterogeneous and mobile nature of various sensors and IoT devices, network topology plays a significant role in determining data collection strategies in KSA and IoT. Additionally, due to the dense deployment of these devices, the signals they transmit in a wireless environment are susceptible to interference. Another challenge faced by sensor nodes and IoT devices is their limited battery power and tendency to consume more energy due to node failures. It is estimated that the number of Internet of Things (IoT) devices worldwide will more than double from 16.6 billion in 2023 to over 40 billion by 2030. IoT has become a technology that has profoundly impacted our lives in a very short time. Wireless Sensor Networks (WSN) have become a crucial component of the IoT ecosystem, offering solutions across diverse fields such as healthcare, industry, agriculture, disaster management, smart grids, traffic, military, and wildlife. Wireless sensor networks are autonomous structures that monitor physical and environmental conditions such as temperature, pressure, sound, vibration, movement, location, pollution, humidity, wind, etc., with sensors distributed/placed in the area to be monitored. The most important features that distinguish autonomous systems from other systems are that they are decentralized, self-configuring, and self-sustaining. This structure has also been transferred to wireless sensor networks. In wireless sensor networks, the fact that thousands of sensors are distributed across challenging terrains makes intervention nearly impossible. In such cases, the autonomous features of wireless networks come to the forefront. Autonomous networks enable all devices to participate in network control through individual interaction, thanks to their uniquely designed protocols. Under such a structure, meeting requirements in the desired manner is by no means an easy task. A minor malfunction in a sensor or device within the network can significantly impact the entire network. An autonomous system that can self-recover and provide services as an emergency communication network to replace the collapsed existing communication network during natural disasters is an impressive example illustrating the critical importance of autonomous structures in real-life scenarios. The communication problem after an earthquake remains unresolved. An autonomous network is a network that monitors and creates its own conditions using data obtained from existing operations. It is also referred to as a self-configuring or self-optimizing network because it uses feedback loops to drive changes. As experts explore how data mining and similar concepts can be used to provide networks with more tools for self-sustainability, the idea of an autonomous network is still in its developmental stages. The concept of an autonomous network emerged from concerns about the directionless nature of the global Internet design, which many people believe is not sufficiently controlled or planned. Over time, the idea that networks could function with some elements of self-awareness or self-management has been proposed. Developers of the autonomous network concept have also observed the need for various specialized networks for different mobile devices and other consumer electronics. To provide Internet connectivity for these structures, the Internet Engineering Task Force (IETF) organization developed the IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks (RPL) using RFC standards. RPL is a standard routing protocol optimized for Low Power and Lossy Networks (LLNs) that can organize routers with limited resources and weak connections. The RPL protocol is indispensable for LLNs due to its energy efficiency, scalability, and autonomous structure. However, it needs improvements in terms of sensitive data and security. Sensors equipped with embedded processors and radio transceivers transmit data to the center collaboratively using batteries for energy, as they do not have an electrical connection. Wireless sensor networks contain a large number of sensors and can be deployed in geographically inaccessible locations depending on the application. For these reasons, sensors in KSA are expected to have the characteristics of autonomous systems, such as the ability to establish their own network, route packets, ensure network continuity, and self-repair the network in the event of a change. Sensors must perform these tasks under constraints such as limited memory and processing power, lossy wireless environments, and most importantly, limited energy sources. The most critical issue here is ensuring that the sensors' energy lasts for an extended period to maintain network uptime. A crucial point to note is that the battery life of the sensors determines the lifespan of the network. The energy source for sensors is batteries, and their capacity is fixed. Developing methods to conserve energy independently of this capacity is a very important and critical issue in wireless sensor networks. The first step in activating a wireless sensor network is to set up the network and establish a topology between the sensors. Providing energy savings at this stage will be a valuable contribution. By examining the network setup phase in detail, we studied the effect of the resulting topologies on energy consumption. In our study, we compared the power and energy consumption of networks with the same number of sensors in different topologies over the same period of time to obtain outputs for energy savings. To ensure consistency in the results, the number of sensors in the compared topologies was kept the same, and the topology formation was carried out over a 20-minute period, with average power and energy consumption evaluated. Since wireless sensor networks can be deployed over very large areas, hop-based topologies were included in the study to shed light on real-world applications and to observe the effects in large areas. This study also shows us the performance of the RPL protocol during application in terms of network formation. In addition, we will see some of the practical features of the RPL protocol up close through application. In our study, the Contiki Operating System was used to examine energy consumption during topology formation. Contiki was developed with the C programming language. In addition to supporting architectures such as MSP430, its modular software architecture has led to its frequent use in academic studies. Considering this situation, we chose the Contiki operating system for our thesis work. Other important advantages of the Contiki operating system are its IP access capability and support for wireless sensor networks with constraints. The Cooja simulation, which is integrated with the Contiki operating system, provides information about the network performance of the sensors.
Benzer Tezler
- Parent-aware routing algorithm for RPL in IoT networks
IoT ağlarında kullanılan RPL için ebeveyn temelli yönlendirme algoritması
NECİP GÖZÜAÇIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMA FATMA OKTUĞ
- RPL'nin güvenilir ve düşük güce sahip hareketlilik desteği için yeniden tasarlanması
Redesigning RPL for reliable and low power mobility support
BARIŞ TOĞRUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ ZİYA ALKAR
- Nesnelerin internetinde ağ katmanında güvenli ve enerji verimli yeni bir yöntem tasarımı ve uygulaması
Design and application of a safe and energy efficient new method at the network layer in the internet of things
SEMİH ÇAKIR
Doktora
Türkçe
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolDüzce ÜniversitesiElektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNAN TOKLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ NESİBE YALÇIN
- IETF 6TiSCH ağlar için q-öğrenme algoritmasından esinlenilmiş amaç fonksiyonu optimizasyonu
Q-learning algorithm inspired objective function optimization for IETF 6TiSCH networks
TAYFUN BEKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKaradeniz Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT GÖRMÜŞ
- Quality of service aware communication framework for wireless sensor network based smart grid applications
Kablosuz sensör ağ bazlı akıllı şebeke uygulamaları için hizmet kalitesi duyarlı sistem
MELİKE YİĞİT KAPDAN
Doktora
İngilizce
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBahçeşehir ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. PINAR SARISARAY BÖLÜK
DOÇ. DR. VEHBİ ÇAĞRI GÜNGÖR