Energy and spectrum-efficient communication techniques for next-generation internet of things

Nesnelerin İnterneti (Nİ), son dönemde haberleşme, elektronik, bilgisayar mühendisliği ve sosyal bilimler de dahil olmak üzere birçok alanda ivme kazanmış, yeni bir paradigmadır. Temelde Nİ, nesneleri çevrimiçi hale getirerek, siber ve fiziksel dünyalar arasında bir bağlantı sağlamaktadır. Elektronik donanımlar, sinyal işleme ve kablosuz haberleşme alanlarındaki son dönemdeki gelişmeler, düşük maliyetli ve düşük karmaşılığa sahip kablosuz haberleşebilen nesnelerin üretimine olanak sağlamıştır Bu durum, Nİ paradigmasının geniş çapta benimsenmesinde anahtar rol oynamaktadır. Öte yandan, nanoteknolojideki son gelişmelerle birlikte, nesneler hızla mikro ve hatta nano ölçeğe doğru inmektedirler. Nanoteknoloji ürünü olan nanomakinalar, Biyo Nano Nesnelerin İnterneti (BNNİ) paradigmasının gerçeklenmesi için en önemli adaylardır. Fakat, Nİ ve BNNİ'nin geniş çapta gerçeklenmesi için, bir takım ilave zorlukların üstesinden gelinmelidir. Baş göstermekte olan zorluklardan biri tayf kıtlığıdır, ve bu kıtlık günümüzde nesnelere verimsiz şekilde sabit tayf atama yaklaşımından kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, nesnelerin birçoğu geleneksel olarak bataryalardan güç almaktadır, ve konuşlanmaları sonrasında nesnelerin oldukça farklı zamanlarda enerji depoları tükenmektedir. Bu durum, günümüzde nesnelerin yoğun konuşlanması da göz önünde bulundurulduğunda, batarya değişimini de olanaksız kılmaktadır. Büyüyen ağ ölçekleri sebebiyle, kendini idame ettiren ve koordine eden ağlara ve tekniklere ihtiyacın arttığı da bir gerçektir. Öte yandan, BNNİ, nano-ölçekte algılama ve akıllı ilaç taşıma uygulamalarını mümkün kılsa da, çoğunlukla kısıtlı işleme, hafıza ve haberleşme yeteneklerine sahip nanomakinalara bağlı kalmaktadır. Dolayısıyla, BNNİ vizyonunun başarılması adına, nanomakinaların daha zorlu görevleri yerine getirmesini sağlayabilecek enerji ve ortam-verimli nano-ağ oluşturma tekniklerine ihtiyaç duyulduğu aşikardır. Bu bağlamda, bu tezde, gelecekteki Nİ ve BNNİ sistemlerinin belkemiği olması beklenen gelecek nesil ağlar için, enerji ve tayf-verimli haberleşme teknikleri geliştirilmesine odaklanılmıştır. Gelecek Nİ ve BNNİ uygulamarının getirdiği zorluklara, bunlara gelecek nesil haberleşme ağlarının nasıl cevap verebileceğine ve ne gibi teknikleri kullanabileceklerine, iki bölümde değinilmektedir: İlk bölümde, gelecek-nesil tasarsız ağlar üzerine yoğunlaşılmış, bu ağların Nİ uygulama gereksinimlerine cevap verebilmesi adına enerji ve tayf-verimli teknikler geliştirilmiştir. Bilişsel Radyolu Tasarsız Ağlar (BRTA) ve Bilişsel Radyolu Algılayıcı Ağlar (BRAA) üzerine yoğunlaşılarak, bu ağlarda algılama kapsama alanı, bağlanırlık, enerji ve tayf-verimli iletişim süresi uzunluğu ve harcanan Joule başına başarılan veri teslimi ve katedilen yol gibi performans göstergeleri eniyilenmiştir. Günümüz geleneksel tayfı kullanılarak erişilmesi mümkün görünmeyen seviyelerde veri hızı talebi olabilecek Nİ uygulamaları için; düşük THz bandını kullanan, kendini örgütleyebilen ve kapasiteyi eniyilen bir prosedür geliştirilmiştir. Son olarak, Nİ uygulamalarında ağların kendini idame ettirebilmesi adına elektrik alan bazlı yenilikçi bir enerji hasadı metodu önerilmiş, test edilmiş ve performansı ortaya konmuştur. İkinci bölümde, nanomakinalardan oluşan nanoağların gerçeklenmesine yardımcı olacak mimariler üzerine yoğunlaşılmıştır. Buna göre, nanoağların gerçeklenmesi için; akustik, elektromanyetik, nanomekanik ve moleküler olmak üzere dört tür haberleşme yöntemi izlenebilir. Fakat nano ölçekte akustik veya elektromanyetik operasyonları yürütebilecek nesneler henüz geliştirilmemiştir. Öte yandan nanomekanik haberleşme, iletişim kurmak isteyen nesneler arasında direk fi ziksel teması zorunlu kılmaktadır; dolayısıyla uzak uygulamalar için uygun değildir. Bu nedenle, bu bölümde nanoağlar için Moleküler Haberleşme (MH) seçeneği üzerinde durulmuştur. MH benzeri haberleşme mekanizmaları, doğada canlı birçok organizma tarafından hali hazırda da kullanılmaktadır. Bu tezde, MH için mevcut tüm kipleme yöntemleri detaylı şekilde araştırılmış ve karşılaştırılmıştır. Bunun sonucunda, MH için senkronizasyon gerektirmeyen ve moleküler kanalın kullanımı başına yüksek kapasiteler sağlayabilen bir kipleme yöntemi geliştirilmiştir.