Algılayıcı Düğüm Mimarisi

Genel amaçlı bir algılayıcı düğüm mimarisinde Şekil 2.3’de gösterildiği gibi güç birimi, hesaplama birimi, algılama birimi ve haberleşme birimi olmak üzere dört temel birim yer alır. Ayrıca uygulamaya bağlı olarak algılayıcı düğümler üzerinde küresel konumlandırma sistemi (global positioning system, GPS) ve konum değiştirici (mobilizer) gibi birimlere yer verilir (Akyildiz ve ark., 2002; Tilak ve ark., 2002).

Şekil 2.3. Algılayıcı düğüm mimarisinin temel blokları

Güç birimi algılayıcı düğüm üzerindeki diğer tüm birimlerin enerji kaynağı olarak görev yapar. Algılayıcı düğümler enerji ihtiyaçlarını üzerlerinde bütünleşik olarak bulunan pil yardımıyla sağladığından sistemin çalışması için herhangi bir kablolama alt yapısına ihtiyaç duyulmaz. Çoğu uygulamada enerjisi tükenen algılayıcı düğümlere ait pillerin değiştirilmesi veya yeniden şarj edilmesi mümkün değildir. Güneş paneli gibi harici güç üreteçleriyle enerji desteği sağlansa bile kullanılan pillerin kapasitesi sınırlı olduğundan algılayıcı düğümlerin çalışma ömürlerinin uzatılması için algılama, hesaplama ve haberleşme görevleri yerine getirilirken güç tüketiminin minimuma düşürülmesi büyük önem taşır (Shih ve ark., 2004).

Algılama birimi üzerinde ortamdaki fiziksel büyüklükler hakkında bilgi toplama yeteneğine sahip bir veya daha fazla algılayıcı bulunur. Her algılayıcı sıcaklık, nem, ışık gibi belirli bir fiziksel büyüklüğün algılanmasından sorumludur. Algılayıcının ürettiği sinyaller analog dijital dönüştürücü (ADC) üzerinden hesaplama birimine aktarılır.

Hesaplama birimi algılayıcı düğüm üzerinde yürütülen tüm yönetim fonksiyonlarından sorumludur. Fiziksel boyutlarının küçük olması sebebiyle algılayıcı düğümler üzerinde genellikle çalışma frekansı (< 20 MHz) ve hafıza kapasitesi (< 128 KB ROM + 10 KB RAM) sınırlı, düşük maliyetli bir mikrokontrolör kullanılır. Gerektiğinde algılanan fiziksel büyüklüklere ait ham verilerin doğrudan çıkış düğümüne gönderilmesi yerine algılayıcı düğüm üzerinde lokal sinyal işleme gerçekleştirilir. Bu durumda hesaplama biriminde harcanan enerji artarken önemsiz paketler daha algılayıcı düğüm üzerinde elenerek gereksiz ağ trafiği düşürülür ve haberleşme biriminde boşa enerji tüketimi azaltılır (Aboelaze ve Aloul, 2005).

Algılayıcı düğümler haberleşme birimi yardımıyla ağa bağlanır. Şekil 2.4’de gösterildiği gibi gönderilecek bit dizisi formatında veriler algılayıcı düğüm tarafından paketlenerek alıcı/verici (transceiver) üzerinden radyo frekans (RF) sinyallerine ve benzer şekilde dışarıdan alınan RF sinyalleri yine alıcı/verici üzerinden bit dizisi halinde veri paketlerine dönüştürülür. Algılayıcı düğümler arasında veri transferi genellikle oldukça düşük hızlarda (10 – 250 Kbps) gerçekleştirilir.

Şekil 2.4. Haberleşme biriminde alıcı/verici devresi fonksiyonel blok diyagramı

Haberleşme birimi kendi içinde barındırdığı modülasyon, filtreleme, demodülasyon ve kuvvetlendirici devrelerinden dolayı oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir. Şekil 2.5’de gösterildiği gibi algılayıcı düğümler üzerinde en fazla enerji haberleşme biriminde tüketilir (Akyildiz ve Vuran, 2010). Algılayıcı düğümlerin çalışma ömrünün artırılması için başta haberleşme birimi olmak üzere algılama ve hesaplama birimlerinde enerji verimliliğini artıracak iyileştirmelere ihtiyaç duyulur (Yao ve Giannakis, 2005).

Şekil 2.5. MICAz algılayıcı düğüm üzerinden harcanan gücün analizi

Haberleşme biriminde enerji tüketiminin kaynağında sinyal gönderimi için güç kuvvetlendirici üzerinde harcanan enerji ve sinyal işleme için diğer devreler üzerinde harcanan enerji vardır (Cui ve ark., 2004). Mesafe uzadığında sinyal gönderimi için güç kuvvetlendirici üzerinde tüketilen enerji artacağından, kablosuz algılayıcı ağlarda genellikle kısa mesafeli haberleşme tercih edilir. Bu şekilde çıkış düğümü algılama bölgesine uzakta bulunsa bile çok atlamalı (multi-hop) haberleşme yapılarak ağ üzerinde veri transferi gerçekleştirilir. Her ne kadar çok atlamalı haberleşme durumunda güç kuvvetlendirici üzerinde düşük enerji tüketimi gerçekleştirilse de kaynaktan gönderilen verilerin röle görevi üstlenen düğümler tarafından aktarıldığı her istasyonda sinyal alımı, yönlendirme ve sinyal gönderimi için haberleşme biriminde yer alan devreler üzerinde ekstra enerji tüketimi ortaya çıkar. Ayrıca kanal üzerinde daha fazla rekabet, girişim ve gecikme görülür (Li ve Dai, 2005). Buna karşın algılayıcı düğümlerden çıkış düğümüne doğrudan paket gönderimi gerçekleştirilen tek atlamalı (single-hop) haberleşme durumunda güç kuvvetlendirici üzerinde enerji tüketimi artsa da gönderilen paketlerin yönlendirilmesi gerekmediğinden sinyal işleme için ekstra enerji tüketilmez (Cui ve ark., 2005; Sharifkhani ve Beaulieu, 2009).

Tek atlamalı haberleşme gerçekleştirildiğinde algılayıcı düğümler üzerinde tüketilen toplam enerjinin büyük bölümü güç kuvvetlendirici üzerinde sinyal gönderimine aittir. Uzun mesafeli sinyal gönderimi için enerji tüketimini düşürmek amacıyla izlenebilecek en etkin strateji, bağlantı güvenilirliğinin artırılmasıyla fazladan enerji tüketimine ihtiyaç duyulmadan spektral verimlilik artışı sağlanmasıdır. Kablosuz haberleşme sistemlerinde bağlantı güvenilirliğinin artırılması için çeşitleme tekniği anahtar rol oynar (Haenggi, 2004; Liu ve ark., 2005; Zhao ve ark., 2007).

Kablosuz algılayıcı ağlarda algılayıcı düğümler üzerinde çoklu antenler kullanılması durumunda anten çeşitlemesi tekniğinden faydalanarak paket gönderimi için harcanan enerji azaltılabilir (Siam ve Krunz, 2009). Ayrıca algılayıcı düğümler üzerinde yönlü antenler kullanılarak enerji verimliliği artışı sağlayacak şekilde veri transferi gerçekleştirilebilir (Zhang ve Datta, 2005).

Haberleşme biriminde enerji tüketimini düşürmek için en fazla kullanılan mekanizmalardan biri de veri transferine gerek duyulmayan zamanlarda alıcı/verici devresi kapatılarak algılayıcı düğümlerin görev çevrimi (duty cycling) içinde uyku (sleep) moduna alınmasıdır. Uyku moduna geçerek ağdan ayrılan ve uyanarak tekrar ağa bağlanan algılayıcı düğümler sebebiyle ağın fiziksel ve mantıksal topolojisi sürekli olarak değişir. Durum geçişi sürecinde algılayıcı düğümlerin enerji tüketimi, haberleşme için tüketilen enerjiden daha fazladır. Bu sebepten enerji verimli haberleşme için algılayıcı düğümlerin sık sık uyutulup uyandırılmasından kaçınılır (Al Ameen ve ark., 2010). Bununla birlikte ihtiyaç duyulmayan verilerin transferi için algılayıcı düğümlerin uykudan uyandırılmasını önlemek amacıyla ağ üzerinde veriye dayalı (data driven) paket gönderimi gerçekleştirilebilir (Anastasi ve ark., 2009).

Kablosuz algılayıcı ağlarda çalışma sahasından toplanan verilerin çıkış düğümüne ulaştırılmasında enerji verimliliği, adaletlilik ve spektral verimlilik gibi ölçütler dikkate alınarak haberleşme protokolü tasarımı yapılır. Haberleşme protokolü kanal üzerinden gönderilen verilerin güvenilir şekilde alıcıya ulaştırılması, hata kontrollerinin gerçekleştirilmesi, başarılı olarak alındığının bildirilmesi gibi rutin işlemleri tanımlayan kurallar topluluğudur. Kablosuz algılayıcı ağların sahip olduğu potansiyel gücün gerçekleştirilen uygulamalarda ortaya çıkarılması algılayıcı düğümler arasında veri aktarımını düzenleyecek etkili haberleşme protokolü tasarımına bağlıdır.