Analysis and modeling of routing and security problems in wireless sensor networks with mathematical programming

Abstract

Kablosuz Algılayıcı Ağlar (KAA) pil ile çalışan, sınırlı işleme, hafıza ve enerji kaynaklarına sahip küçük algılayıcılardan oluşur. KAA'da bulunan kendi kendine organize olma ve kablosuz iletişim kullanma özellikleri, KAA'ların birçok uygulamada kullanılabilmesine imkan vermiştir. KAA için geliştirilen algoritmalar ve protokoller KAA'ın özelliklerini ve kısıtlama- larını dikkate almalıdır ancak algılayıcıların pillerinin değişimi genellikle mümkün olmadığı ya da çok zor olduğu için, geliştirilen algoritmalar ve protokoller için dikkate alınan temel tasarım parametrelerinin başında enerji verimliliği ve yaşam süresinin eniyilenmesi gelir. Bundan dolayı KAA'da yönlendirme ve güvenlik problemleri için enerji efektif çözümler gerekir. Bu tezde KAA'da yönlendirme ve güvenlik problemlerinin modellenmesi ve analizi üzerinde çalışmalar yaptık. İlk olarak KAA'ın ölçüm yaptığı parçaların büyüklüğünün KAA'ın enerji harcanımına olan etkisi üzerine çalışma yaptık. Sonrasında fiziksel saldırıların önlenmesinin enerji maliyetini araştırdık. Daha sonra yönlendirme yollarının toplam sayısının enerjinin etkin kullanılması üzerine olan etkisini inceledik. Son olarak KAA'ın veri güvenliğini sağlamak için çoklu yol kullanmanın enerji maliyetini araştırdık.Literatüre orjinal matematiksel programlama çerçeveleri geliştererek ve KAA'da birçok yönlen- dirme ve güvenlik problemlerinin kapsamlı analizini yaparak katkıda bulunduk. Bu tezde anlatılan matematiksel programlama çerçeveleri küçük değişikliklerle gelecekte karşılaşılabilecek yönlendirme ve güvenlik problemlerinin analizinde kullanılabilir.

Wireless Sensor Networks (WSNs) are composed of battery powered small sensor nodes with limited processing, memory and energy resources. Self organization property together with infrastructureless characteristics of WSNs make them favorable solutions for many applications. Algorithms and protocols developed for WSNs must consider the characteristics and constraints of WSNs but since battery replenishment is not possible or highly challenging for sensor nodes, one of the major concerns in designing network protocols and algorithms is to achieve energy efficiency and to extend the network lifetime. Hence, energy efficient solutions are required for routing and security problems in WSNs. In this dissertation, we model and analyze several routing and security problems in WSNs. We first study the impact of spatial granularity of measurements on the energy requirements of sensor network. We then investigate the energy cost of survivability in the presence of physical attacks. We next study the impact of the number of routing paths on network wide energy balancing under optimal operating conditions. Finally, we investigate the energy cost of route diversity to improve the security of WSNs against adversaries attempting to obtain sensitive sensor data.We contribute to the literature by developing novel mathematical programming frameworks and presenting a comprehensive high level analysis of the several routing and security problems in WSNs. The novel mathematical programming frameworks presented in this thesis can be used with minor modifications for future analysis of different routing and security problems in WSNs.