A Novel Communication Approach For Wireless Mobile Smart Objects

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2007Telsiz ağlar gezgin kullanıcılara nerede olduklarına bağlı olmadan her yerde iletişim kurma ve bilgiye erişim imkanı sağlar. Hiçbir sabit altyapıya gerek duymadan bu imkanı sağlayan tasarsız ağların zaman içinde gelişmesiyle, askeri, ticari ve özel maksatlar için tercih edilir hale gelmiştir. Diğer yandan, bilimsel ve teknolojik gelişmeler ağ elemanlarını daha küçük ve ucuz hale getirdikçe birçok uygulamanın vazgeçilmez parçaları olmuşlardır. Bu ağ elemanları, taşıyıcılara (örneğin gemiler, uçaklar, büyük araçlar, arabalar, insanlar, hayvanlar, vb.) monteli nesneler veya kendi taşıyıcısı olan (aktörler, duyargalar) nesneler olabilir. Fakat bu ağ elemanları ve uygulamalarında bir takım zorluklar yaşanmaktadır. Bu tezde, gezgin tasarsız ve duyarga ağlardaki yaşanan zorlukları ve beklentileri dikkate alarak, gezgin tasarsız ve duyarga ağlar için yeni bir özgün, durumsuz veri akış yaklaşımı ve yönlendirme algoritması önerilmektedir. Durumsuz Ağırlıklı Yönlendirme (DAY, “Stateless Weighted Routing – SWR”) algoritması olarak adlandırdığımız bu algoritma, diğer yöntemlere göre daha az yönlendirme yükü, daha az enerji tüketimi, daha az yol oluşturma gecikmesi sağlamaktadır. Veri, varışa doğru, çoklu yollar üzerinden taşınmaktadır. Çoklu yol oluşturma, güvenirliği sağlamakta, boşluk problemini büyük oranda çözmekte ve en kısa yolu da içeren daha gürbüz yollar oluşmasını sağlamaktadır. DAY aynı zamanda büyük ölçekli ağlarda da uygulanabilir. Bu amaçla, birden fazla veri toplanma düğümü (sink) içeren sürümü olan Çoklu Veri Toplanma Düğümlü- Durumsuz Ağırlıklı Yönlendirme (ÇVTD-DAY - “Multiple Sink-Stateless Weighted Routing - MS-SWR”) yöntemi de büyük ölçekli tasarsız ve duyarga ağları için önerilmiştir. ÇVTD-DAY yöntemi, DAY yönteminde herhangi bir yöntemsel ve algoritmik değişiklik yapmadan birden fazla veri toplanma düğümünün olduğu ağlarda uygulanabilir. Hem DAY, hem ÇVTD-DAY’nin başarımı benzetimler ile ölçüldü. Elde edilen sonuçlar, DAY ‘nin gezgin tasarsız ve duyarga ağlar için istenenleri karşıladığını, karşılaştırılan diğer yöntemlere göre üstün olduğunu ve olası en iyi çözüme yakınlığını, öte yandan ÇVTD-DAY‘nin de büyük ölçekli ağlarda uygulanabilir olduğunu göstermektedir.Wireless networks provide mobile user with ubiquitous communication capability and information access regardless of location. Mobile ad hoc networks, that manage it without a need to infrastructure networks, as evolved in time, become more preferable for military, commercial and special purposes. On the other hand, technological advances made network components smaller and cheaper. These network components involves a wide variety of objects such as objects mounted on crafts/platforms (e.g. ships, aircrafts, trucks, cars, humans, animals), and objects that have their own platforms (e.g. actuators, sensor nodes). However, these network components and their involved applications exhibit some challenges to implement. By considering the challenges and expectations of mobile ad hoc networks and sensor network, we propose a novel stateless data flow approach and routing algorithm namely Stateless Weighted Routing (SWR) for mobile ad hoc and sensor networks. The SWR has low routing overhead providing very low energy consumption, and has low route construction delay than other proposed schemes. Multiple paths to the destination are established for data transmission. Constructing multiple paths provides reliability, eliminates the void problem substantially, and provides more robust routes including the shortest path. The SWR is applicable to large scale networks. We propose the multiple-sink version of the SWR that is namely MS-SWR, to be used in large scale ad hoc and sensor networks with multiple sinks. The MS-SWR can be used with multiple sinks without any functional and algorithmic modification in the SWR protocol. The performance of the SWR and the MS-SWR are evaluated by simulations. The performance of the system shows that the SWR satisfies the requirements of mobile ad hoc networks and outperforms the existing algorithms. The SWR is also tested against a hypothetic routing scheme that finds the shortest available path with no cost in order to compare the performance of the SWR against such an ideal case. Tests also indicate that MS-SWR is scalable for large scale networks.DoktoraPh

Virtual Cell Layout Based Dynamic Source Routing (vb-dsr) For The Mobile Subsystem Of The Next Generation Tactical Communications Systems

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2002Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2002Telsiz ağlar, 1970’lerde ortaya çıkışlarından itibaren bilgisayar endüstrisinde çok yaygınlaşmıştır. Telsiz ağlar gezgin kullanıcılara nerede olduklarına bağlı olmadan heryerde iletişim kurma ve bilgiye erişim imkanı sağlar. Hiçbir sabit altyapıya gerek duymadan bu imkanı sağlayan ad hoc ağların zaman içinde gelişmesiyle ve askeri, ticari ve özel maksatlar için tercih edilir hale gelmesiyle, uygulamada bazı zorluklar başgöstermiştir. Çalışmamızda, bu zorlukları ve ad hoc ağlardan beklenenleri dikkate alarak Sanal Hücre Kalıbı (SHK) tabanlı Dinamik Kaynak Yol Atama (DKYA) yaklaşımını bir çözüm olarak sunuyoruz. SHK, etkili bir özkaynak yönetimi ve ağ ölçeklenebilirliği sağlayan çok-katmanlı öbek-yapılı bir yaklaşımdır. Biz SHK yapısının üzerine Dinamik Kaynak Yolatama protokolunu uyguladık. Sunduğumuz yaklaşım, SHK yapılı DKYA, iki düzeyli hiyerarşik öbek yapılı bir sistemdir. SHK yaklaşımında önerilen benzetim yaklaşımını geliştiriyoruz ve taktik iletişimlerin başarımlarının değerlendirmesinde bu benzetim yaklaşımını kullanıyoruz. Bu yöntemde, önceden gerçekleştirilen bilgisayar destekli askeri tatbikatlarda girilen emirleri, çok sayıdaki birliğe ait hareket, görev ve durum gibi verileri toplayan bir yapıcı (muharebe) model kullanarak tekrar işlemekteyiz. Daha sonra toplanan bu veriler daha da detaylandırılarak, başarı ölçütlerimize ait değerleri üreten benzetim kullanılmaktadır. Sistemi değerlendiren başarım ölçütleri, SHK-tabanlı DKYA’nın gezgin ad hoc ağlardan beklenenleri sağladığını göstermektedir.Wireless networks have become very popular in the computing industry after their emergence in the 1970’s. Wireless networks provide mobile user with ubiquitous communication capability and information access regardless of location. Mobile ad hoc networks, that manage it without a need to infrastructure networks, as evolved in time, exhibit some challenges to implement as they become more preferable for military, commercial and special purposes. By considering the challenges and expectations of mobile ad hoc networks, we propose an approach called VCL based DSR (VB-DSR), which uses Dynamic Source Routing (DSR) protocol over Virtual Cell Layout (VCL) structure. VCL is a multi-tier cluster-based approach that provides an efficient resource management and network scalability. We implemented Dynamic Source Routing protocol over VCL structure. Proposed approach, VB-DSR, is a cluster-based two level hierarchical scheme. We also enhance the simulation approach proposed by VCL structure, and use it for the evaluation of tactical communication systems. In this approach, the commands entered during the military computer aided exercises are replayed by running a constructive (combat) model which generates mobility, posture and status data for a number of units, then these data are enhanced and drive a simulation which produces the data related to the performance metrics. The evaluated performance of the system shows that VB-DSR approach satisfies the requirements of mobile ad hoc networks.Yüksek LisansM.Sc

Source-initiated geographical data flow approach for wireless ad hoc and sensor networks

Tasarsız (ad hoc) ve duyarga (sensör) ağlar, altyapısız ağlar olduğu için altyapılı ağlarda bol miktarda bulunan enerji, işlemci, bellek, bandgenişliği gibi kaynaklar kısıtlıdır ve özenle tüketilmelidir. Ağ elemanlarının boyutlarının çok küçük olması, enerjiyi en kısıtlı kaynak yapmaktadır. Ancak, kaynak ile varış arasında veri akışının sağlanması için kullanılan yöntemler enerji tüketimini arttırmaktadır. Bu nedenle, literatürde enerji-etkin yönlendirme protokolleri sunulmuştur. Bu protokollerden, coğrafi yer bilgisine dayanarak yönlendirme yapan protokoller, diğerlerine göre daha yüksek başarıma ve performans değerlerine sahiptir. Bu çalışmada, Durumsuz Ağırlıklı Yönlendirme (DAY) isimli bir özgün kaynak-başlatmalı veri akış tekniği sunulmaktadır. Düğümler sadece kendi sanal coğrafi yer bilgilerini bilmekte, ağ topololoji bilgisine ihtiyaç duymamaktadır. Her düğüm kendi ağırlığını hesaplamaktadır. Başlangıçta bu değer varışa olan mesafedir. Düğümler kendilerine gelen paketlerin içindeki ağırlık bilgilerine bakarak paketi tekrar göndermeye veya düşürmeye karar vermektedir. Bu karşılaştırma işlemi durumsuz olma özelliğini sağlamaktadır. Ağırlık parametresi sadece yer bilgisini içerebildiği gibi düğümün kalan enerjisi gibi Servis Kalitesi parametre bilgisini de içerebilir. Servis Kalite bilgisi sistemin yaşamömrünü arttırmaya yöneliktir. Durumsuz olma özelliği ile de, yönlendirme tablosu tutulan algoritmalarda görülen iletişim yükü büyük oranda azalmaktadır. DAY, aynı zamanda, güvenirliği sağlayan ve gerçek-zamanlı veri için de gerekli olan çoklu-yollar veya örülü çoklu-yollar kullanır. Tekrar-gönderimlerde eşik değerlerinin kullanımı, sistemde esnek ve enerji etkin bir veri akışı sağlar. Aynı zamanda, DAY, MAC-katmanından bağımsız çalışan ilk durumsuz coğrafi yönlendirme tekniğidir.                                                    Anahtar Kelimeler: Kablosuz ağlar, gezgin ağlar, sensör ağlar, iletişim, yol atama, yönlendirme. Routing without tables can be achieved by using location information of the nodes retrieved from GPS (Global Positioning System) or by applying a localization algorithm. In geographic routing protocols, nodes know their actual or relative positions with respect to a reference point, and share this information with immediate neighbour nodes for routing process. Geographic routing protocols use only local topology information and do not have any update overhead. Therefore, they provide scalability in mobile networks with respect to conventional routing protocols. Geographic routing protocols use greedy scheme or beaconless scheme for routing. In greedy schemes, nodes select the best next node on the route by using the local topology information. Collecting local topology information in greedy schemes consumes more energy than beaconless schemes due to reduced transmissions in the latter one. On the other hand, beaconless routing protocols in the literature propose solutions to be implemented at the MAC (Medium Access Control) layer. In those solutions, RTS (Request To Send) and CTS (Clear To Send) packets are also used for implementing routing protocol that increases the complexity of the MAC layer. However, sorting routing problem at the MAC layer is against the well-defined communication architecture. Besides that, those solutions become dependent to the MAC layer they use. In this study, a novel stateless data flow approach and routing algorithm for wireless sensor networks is proposed which is completely MAC-layer independent. Nodes do not have to be aware of local or global topology information. Routing is achieved without keeping tables. Nodes geographical positions are sufficient for routing process. A new metric called weight that is derived from nodes own position is used in routing process. The position can be either geographical or relative to a reference point system wide. Instead of the position, the weight value of the transmitting node is inserted into the packet. Each node on the route involves in routing process by considering its weight and the information in the received packet. To limit the number of forwarding nodes, a threshold is set in terms of the weight metric. On a packet receive; a node broadcasts the packet if its weight is between the weights of the transmitting node and the destination node and if also its weight difference greater than the threshold value. Besides that, decision to transmit includes QoS parameters such as power-left at the node to keep energy-limited nodes out of the route. The threshold value can be adjusted to save energy by limiting the number of retransmitting nodes. The threshold value can also be adjusted for reliability. More relaying in number causes the data to flow over multiple paths. Data transportation over multiple paths provides reliability. Reliability requirements challenge with the energy saving requirements. Therefore, threshold value can be used to balance these requirements as needs. Thirdly, the threshold value can be adjusted for void recovery. In case of void detection, the transmitting node decreases the threshold value allowing more nodes to be in data flow algorithm. By this way, nodes that may circumvent the void are forced to relay the data packets. Fourthly, the threshold value should be adjusted according to the node density in the network. In dense networks, the threshold value can be set to be high by default to limit the retransmitting nodes. In non-dense networks, the threshold value can be set to be low. The proposed algorithm, SWR, has the followingproperties:  SWR provides scalability by not using routing tables, and by not beaconing. SWR simplifies routing process by using a weight metric and designing an appropriate algorithm for routing. SWR decreases calculations, delay, and resource requirements (such as processor and memory) at nodes by using weight metric. SWR decreases energy consumption by not beaconing, by using position-based routing based on threshold and considering the energy levels of the nodes.  SWR provides reliability by using multipaths. SWR executes routing process completely in network layer, independent from the MAC layer used below.  Keywords: Wireless networks, mobile networks, sensor networks, communications, routing, network layer.

Analyzing the Effects of UAV Mobility Patterns on Data Collection in Wireless Sensor Networks

Sensor nodes in a Wireless Sensor Network (WSN) can be dispersed over a remote sensing area (e.g., the regions that are hardly accessed by human beings). In such kinds of networks, data collection becomes one of the major issues. Getting connected to each sensor node and retrieving the information in time introduces new challenges. Mobile sink usage-especially Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)-is the most convenient approach to covering the area and accessing each sensor node in such a large-scale WSN. However, the operation of the UAV depends on some parameters, such as endurance time, altitude, speed, radio type in use, and the path. In this paper, we explore various UAV mobility patterns that follow different paths to sweep the operation area in order to seek the best area coverage with the maximum number of covered nodes in the least amount of time needed by the mobile sink. We also introduce a new metric to formulate the tradeoff between maximizing the covered nodes and minimizing the operation time when choosing the appropriate mobility pattern. A realistic simulation environment is used in order to compare and evaluate the performance of the system. We present the performance results for the explored UAV mobility patterns. The results are very useful to present the tradeoff between maximizing the covered nodes and minimizing the operation time to choose the appropriate mobility pattern