Kablosuz sensör ağlarında yönlü anten kullanımı ve uçtan uca gecikmeyi kısıtlamanın farklı performans metrikleri üzerindeki etkisi

Kablosuz haberleşme ve Nesnelerin İnterneti'nde (IoT) önemli bir yere sahip olan Kablosuz Sensör Ağları (KSA), sağladıkları farklı avantajlar sayesinde güncelliğini korumakta ve gelecek için de potansiyel yeni çalışma alanlarının oluşmasına olanak sağlamaktadır. Pil ömrünün kısıtlı olduğu KSA'da optimizasyon ve enerji verimliliği son derece önem taşımaktadır. Günümüzde kullanılan KSA her ne kadar birçok farklı alanda kullanılabilse de bazı özel durumlar için güncellemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışmasında ele alınan özel durumların ilki, Ultra Güvenilir Düşük Gecikmeli İletişim (URLLC) mimarisinde de belirtilen düşük gecikmeyle haberleşme yapılabilmesi ve bu sayede veri tazeliğinin sağlanmasıdır. Bahsedilen durumu sağlayabilmek amacıyla bu tez çalışmasında, her bir sensörde üretilen verinin baz istasyonuna iletilmesi için gereken gecikmenin ya da uçtan uca gecikmenin (UUG) kısıtlanması önerilmektedir. Bu tezde ele alınan ikinci özel durum ise KSA'daki tümyönlü antenlerin yetersiz kaldığı yerler için performansın artırılmasıdır. KSA'da bir düğümün, çevresindeki birçok düğümle haberleşmesi istenildiği için anten tipi olarak genellikle tümyönlü anten tercih edilmektedir. Öte yandan ilgili anten tipinin seçilmesi yüzünden diğer haberleşme sistemlerinde erişilen düşük bit hata oranlarına (BER) ulaşılamamaktadır. Ayrıca tümyönlü anten kullanımdan ötürü, KSA'daki farklı düğümler arasındaki haberleşme sırasında meydana gelen girişimin üstesinden gelen yöntemler daha sınırlı ve verimsiz olmaktadır. Buna ek olarak ilgili anten ile bütün yönlerde haberleşme yapılması dolayısıyla gereksiz enerji kaybı meydana gelmektedir. İkinci özel durumda yer alan bu sıkıntıların üstesinden gelmek için yönlü anten kullanılması teşvik edilmektedir. Yönlü anten kullanımı sayesinde, tümyönlü antenli durumlarda erişilemeyecek düşük BER'e ulaşılması sağlanmaktadır. Yönlü antenin kullanmak bize girişimin etkisinden kurtulmak için farklı çalışma imkânları sağlayarak daha verimli yöntemlerin oluşturulmasına da olanak sağlamaktadır. Bu aşamada UUG'yi sınırlamak, daha verimli yöntemlerin oluşturulması için ayrıca faydalı olmaktadır. Bunlara ek olarak sadece belli bir yönde haberleşmeye olanak sağlanması sayesinde enerji verimliliği de artmaktadır. Bütün bu bahsedilen durumlar göz önüne alarak bu tez çalışması özelinde dört farklı çalışma gerçekleştirilmektedir: İlk çalışmada sadece tümyönlü anten kullanılarak gecikmeyi kısıtlamanın yaşam süresine etkisi incelenmektedir. Bu çalışmaya göre gecikmeyi kısıtlamanın yaşam süresi üzerinde negatif bir etkisi olduğu görülmektedir. Ayrıca KSA'daki düğüm sayısını artırmanın da yaşam süresini artırdığı görülmektedir. İkinci çalışmada UUG'yi kısıtlamanın yaşam süresi ve ortalama BER üzerindeki etkisi incelenmektedir. İlgili çalışmada her senaryo için hem tümyönlü hem de yönlü antenler kullanılarak yönlü antenlerin sağladığı avantajlar ön plana çıkarılmaktadır. Bu çalışmada UUG'yi kısıtlamanın yaşam süresini azaltırken ortalama BER'i de artırdığı gözükmektedir. Ayrıca yönlü anten kullanılan senaryolarda yaşam süresinde büyük artış gözlenirken BER'de de büyük düşüş gözlenmektedir. Üçüncü çalışmada sadece yönlü anten kullanılmakla birlikte iki farklı inceleme yapılmaktadır. İlk incelemede sensör ağı yoğunluğu göz önüne alınarak belli bir BER ile iletişimin gerçekleşebilmesi için gerekli minimum UUG hesaplanmaktadır. İkinci incelemedeyse UUG'yi ve BER'i kısıtlamanın yaşam süresi üzerindeki etkisi incelenmektedir. Her iki incelemede de yönlü antenin sağladığı avantajlardan yararlanılarak kısıt için çok düşük BER değerleri kullanılabilmektedir. Bu çalışma sonucunda KSA'daki düğüm sayısı arttıkça belli bir BER'e ulaşmak için gerekli minimum UUG'nin azaldığı görülmektedir. Ayrıca, UUG'nin yanı sıra BER'i kısıtlamanın da yaşam süresini düşürdüğü gözlenmektedir. Son çalışmada ise yönlü anten kullanımının ve UUG'yi kısıtlamanın bize sağladığı avantajlar göz önüne alınarak girişimi engellemek için iki farklı yöntem ele alınmaktadır. Bu yöntemlerin ilki için halihazırda popüler bir yöntem olan Zaman Bölmeli Çoklu Erişim (TDMA) tercih edilmektedir. İkinci yöntem ise bu tez için tasarlanıp yönlü antenlerin avantajlarından daha fazla yararlanan ve verimi artırmak için kullanılan Girişim Engelleyici Model'dir (GEM). Her iki yöntemin kullanılması sonucu hesaplanan veri hızı ve yaşam süresi karşılaştırılarak performans değerlendirilmesi yapılmaktadır. Buna göre GEM kullanılarak TDMA'e kıyasla daha yüksek veri hızına erişilmektedir. Ayrıca GEM'in, TDMA ile aynı veri hızına sahip olduğu durumlarda da yaşam süresinde artış meydana gelmektedir.