Akıllı şebeke uygulamalarında kablosuz algılayıcı ağlarda farklılaştırılmış kapsama süreleri ile bağlı hedef kapsama tabanlı ağ ömrü maksimizasyonu / Derya Nurcan; thesis advisor Ayşegül Altın Kayhan.

Tez (Yüksek Lisans Tezi)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Temmuz 2022

Bu çalışmada, Kablosuz Algılayıcı Ağlardaki (KAA) en önemli performans metriklerinden olan ağ ömrü ve hedef kapsama çeşitlerinden olan k-kapsama problemi ele alınmıştır. Akıllı şebeke temelli bir KAA uygulamasında, hedef bölgenin özdeş hücrelerden oluştuğu varsayılmaktadır. Ayrıca, literatürden farklı olarak ağ ömrü ifadesinde, sensörlerin yaşam sürelerinin yanında hücrelerin sensörler tarafından izlendikleri süreler de dikkate alınmaktadır. Hücrelerin önem seviyelerine göre önceliklendirilebileceği ve dolayısıyla atanmaları gereken asgari sensör sayılarının ve güvenirlik oranlarının KAA tasarımı aşamasında belirlenebileceği kabul edilmiştir. Sonuç olarak, önceliklendirilen hücrelerin istenen sayıda sensör tarafından izlenebildiği, her hücre için onu izleyen sensörlerin ömürleri arasındaki sapmanın önceden belirlenen bir güvenirlik oranına göre ayarlanabildiği ve toplanan tüm verinin baz istasyonuna iletilmesi garanti edilerek ağ bağlantısının sağlandığı, hücrelerin en az bir sensör tarafından izlendiği süreyi enbüyükleyen karma tamsayılı bir matematiksel model geliştirilmiştir. Modelde ağ ömrünün ilk ölen sensöre göre belirlendiği klasik yaklaşımın aksine, sensörlerin ömürlerinin farklı olabilmesine izin verilmektedir. Ayrıca, sensörlerin kaynak, röle veya atıl düğüm olmak üzere hangi fonksiyonla kullanılacakları KAA çözüm aşamasında belirlenerek rol ataması yapılmaktadır. Toplanan veriler birden çok yol ile baz istasyonuna iletilebilmektedir. Röle olma ve çoklu iletim yolu seçenekleri yük dengelemesine yardım ederek ağın olabildiğince esnek olmasına imkan tanımaktadır. Farklı ağ boyutları, sensör ve kritik hücre sayıları ile birlikte; ağın farklı önem seviyesi oranlarındaki ve farklı hedef kapsama çeşitlerindeki davranışı ile ağ ömrünü ilk ölen sensörün belirlediği yaklaşım ve hücrelerin izlenme süreleri arasındaki farklılıklar ayrı ayrı incelenmiştir.

In this study, we consider network lifetime as one of the most important performance metrics in Wireless Sensor Networks (WSN), and the k-coverage problem, which is one of the target coverage types simultaneously. In a smart grid-based WSN application, we assume that the target region consists of identical cells. Unlike the literature, we incorporate the duration that the cells are monitored in the network lifetime definition. We assume that cells can be prioritized according to their importance level, and thus the minimum number of sensors assigned to them and their reliability ratios can be determined during the WSN design phase. As a result, we propose a novel mixed integer programming model to maximize the duration that cells are monitored by at least one sensor and the prioritized cells can be monitored by at most the desired number of sensors. Moreover, the deviation between the sensor lifetimes that monitor each cell can be adjusted according to a predetermined reliability ratio, and we ensure network connectivity by guaranteeing that all collected data is transmitted to the base station. In our model, lifetimes of the sensors can be different, in contrast to the classical approach where the entire network lifetime is determined by the first sensor to die. In addition, we assign one of the source node, relay node or idle node roles to each sensor in the WSN design phase. We allow multi-path routing for data transmission to the base station. Relaying and multi path routing enables load balancing since the allow the network to be as flexible as possible. We examine the network behavior for different importance levels and different target coverage types both for the time until first sensor dies metric and our metric that is based on the monitoring times of the cells.