Clustering, network coding and coverage maximization in cognitive radio sensor networks

Abstract

Tayf kıtlığı sorunu kablosuz haberleşme için artan talebin doğal sonucudur. Bu durum kablosuz haberleşmede fırsatçı tayf erişim kullanımını tetiklemiştir. Bu zorluğun üstesinden gelen ve fırsatçı tayf erişimine olanak sağlayan anahtar teknoloji bilişsel radyodur. Kablosuz algılayıcı ağlar (WSN) da sabit tayf atama prensibi nedeniyle tayf kıtlığı probleminden zarar görmektedir. Bilişsel radyo kabiliyetli kablosuz algılayıcı düğümleri değişik tayf bantlarına dinamik olarak erişir. Bu, ismi bilişsel radyo algılayıcı ağlar (CRSN) olan, yeni bir ağ paradigmasını tanımlar. Bilişsel radyo algılayıcı ağların benzersiz özellikleri enerji-verimli ve tayf-bilinçli çözümleri gerektirmiştir. Bu tezde ilk olarak tayf-bilinçli kümeleme protokolü önerilmiştir. Bilişsel radyo algılayıcı ağların (CRSN) olay güdümlü haberleşme doğasına uygun olarak olay ile alıcı düğümü arasında birbirinden izole olmayan kümeler oluşturulmuştur. Benzetim sonuçları yöntemimizin bu alandaki diğer yöntemlerden enerji açısından daha verimli olduğunu göstermiştir. Sonrasında, bilişsel radyo algılayıcı ağlarında ağ kodlamasının etkileri incelenmiştir. Depola-ve-yolla yaklaşımı yerine kodlama işlemine olanak sağlayan ağ kodlaması özgün bir tekniktir. Ağ kodlamasının faydaları ve zararları sunulmuştur. Son olarak ayrık bilişsel radyo algılayıcı sensor alt ağlarından oluşan kablosuz ağlı kontrol sistemlerine bakılmıştır. Sistem durumu Kalman süzgeci aracılığıyla tahmin edilmektedir. Beklenen durum tahmininin ortak değişintisinin sınırlı olması için gereken kritik paket geliş olasılığı ve azami maliyet uygunluğu ile azami toplam kapsama alanı bulunmuştur.

The spectrum scarcity challenge is a natural consequence of increasing demand for wireless communication. This situation has triggered the use of opportunistic spectrum access schemes in wireless communications. The key technology addressing this challenge and enabling opportunistic spectrum access is cognitive radio. Wireless sensor network (WSN) suffers from the spectrum scarcity problem due to the fixed frequency assignment policy. Cognitive radio stands as a promising solution to this problem in WSNs. Wireless sensor nodes with cognitive radio capability can access different spectrum bands dynamically. This defines a new sensor networking paradigm, i.e., Cognitive Radio Sensor Networks (CRSN). The unique characteristics of CRSN necessitates energy-efficient and spectrum-aware solutions. In this thesis, we first propose a spectrum-aware clustering protocol for CRSN. We form non-isolated clusters between event and sink in accordance with event-driven communication nature. Simulation results show that our protocol is more energy-efficient than other protocols in literature. Next, we investigate the effect of network coding in CRSN. Network Coding is a novel technique enabling encoding operation instead of store-and-forward approach. The advantages and disadvantages of using network coding are presented. Finally, we consider wireless networked control system consisting of separate cognitive radio sensor subnetworks. The system state is estimated using Kalman filter. We find critical packet arrival probability for bounded expected state estimation covariance and obtain the maximum total coverage area of CRSN with maximum cost-efficiency.