Türkiye Bilimler Akademisi Üstün Başarılı Genç Bilim İnsanlarını Ödüllendirme Programı (TÜBA-GEBİP)

Türkiye Bilimler Akademisi Üstün Başarılı Genç Bilim İnsanlarını Ödüllendirme Programı (TÜBA-GEBİP) K i ş i s e l D e n e y i m l e r Doç. Dr. Özgür Barış AKAN Next Generation Wireless Communications Laboratory Department of Electrical & Electronics Engineering Middle East Technical University akan@eee.metu.edu.tr http://www.eee.metu.edu.tr/~akan

İçerik Nedir, ne değildir Neden Nasıl Süreç Dikkat Mülakat (örnek) 2

Nedir, ne değildir? Güzel bir ödül Yalnızca bir ödül değil 3 senelik proje desteği 6 ayda bir izlemesi var ama TÜBİTAK projesi gibi bürokrasi ile uğraştırmaz Tescilli genç dedirten bir program TÜBA üyeliğine doğru gerek şart ama yeter değil... Özellikle askerde alınabilecek güzel bir haber 3

Neden? Çok esnek kullanımlı araştırma desteği 6 ayda bir TÜBA-GEBİP konferansları (tatil köylerinde...) TÜBA üyeliğine doğru ilerleme... 3 sene sonrasında da her yıl yurtdışı konferans seyahatı desteği Çok özel bir topluluk ile bir araya gelme imkanı İşbirliği imkanları 4

Nasıl? Bölüm, Fakülte, Rektörlük aday gösterir ODTÜ dışı (TÜBA üyeleri) mümkün Kişisel başvuru (Bu yıl 5 Ocak 2009 deadline) Başvuru dosyası içeriği: Aday dilekçesi Aday gösterme yazısı (Rektörlük vs.) Özgeçmiş Halen yürüyen araştırmalar İleriye dönük 3 yıllık dönem için araştırma programı Önemli bulduğunuz yayınlar (3-5) Yayınlara yapılan atıfları gösteren belge Editörlük yapılan yayınların kimlik sayfaları 3 referans mektubu 5

Nasıl? Kritik içerik: Geçmişteki en önemli çalışmalarınız Halen yürüyen araştırmalar İleriye dönük 3 yıllık dönem için araştırma programı Önemli bulduğunuz yayınlar (3-5) Yayınlara yapılan atıfları gösteren belge ISI (Cited ref search) Google scholar Editörlük yapılan yayınların kimlik sayfaları 3 referans mektubu Daha kritik içerik: Özellikle doktora sonrasında ne yaptığınız Aldığınız proje destekleri ve ödüller İleriye yönelik planlar Araştırma grubu (!!) 6

Süreç Başvuru dosyaları gider Filtre 1: GEBİP Komitesi ön değerlendirir Filtre 2: Hakem görüşleri istenir Filtre 3: Mülakat (Mart civarı) 7

Dikkat Mülakat sırasında: Oldukça başarılı bir juri Başvuru dosyasındaki kritik içerik üzerine Özgeçmiş ve gelecek planları çok önemli Araştırma altyapısı ve grubu 5 dakika içinde 15 dakikalık sunum Zorlayıcı sorular İkna edici olmalı (özellikle ileriye dönük) 8

Gelecek Nesil İletişim Ağları Doç. Dr. Özgür Barış AKAN Next Generation Wireless Communications Laboratory Department of Electrical & Electronics Engineering Middle East Technical University akan@eee.metu.edu.tr http://www.eee.metu.edu.tr/~akan

Özgeçmiş Eğitim Ankara Fen Lisesi, 1994 B.S. in Electrical-Electronics Engineering, Bilkent University, June 1999 M.S. in Electrical-Electronics Engineering, METU, January 2002 Ph.D. in Electrical and Computer Engineering, Broadband and Wireless Networking Laboratory, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA, May 2004 Teknik aktiviteler ve üyeliklerin bazıları Associate Editor for IEEE Transactions on Vehicular Technology Editor for ACM Wireless Networks (WINET) Journal Area Editor for AD HOC Networks Journal (Elsevier) Guest Editor Signal Processing: Image Communication Journal (Elsevier), Special Issue on Mobile Video. Computer Networks Journal (Elsevier), Special Issue on Wireless Multimedia Sensor Networks. AD HOC Networks Journal (Elsevier), Special Issue on Bio-inspired Computing and Communication in Wireless Sensor/Actor Networks. Springer Transactions on Computational Systems Biology (TCSB), Special Issue on Bio-inspired Networks. Senior Member, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) (ComSoc) Vice President, IEEE Communications Society-Turkey Section Member, ACM (Association for Computing Machinery) Publications Committee Vice Chair, ICST (Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering) Yönetim Kurulu Üyesi, TÜBİTAK-ULAKBİM 10

Özgeçmiş General Co-Chair, IEEE/ACM International Conference on Bio-inspired Models of Network, Information and Computing Systems (BIONETICS 2008), November 2008, Japan. General Vice Chair, The Second ACM International Conference on Nano- Networks (ACM Nano-Net 2007), to be held in September 2007, Catania, Italy. Technical Program Committee Chair, IEEE/ACM BIONETICS 2007, Hungary. Technical Program Committee Co-Chair, The Second International Mobile Multimedia Communications Conference (ACM MOBIMEDIA 2006), Italy. International Vice Chair for IEEE INFOCOM 2006, April 2006, Barcelona, Spain Bazı Ödüller 2006 Parlar Vakfı Araştırma Teşvik Ödülü, Prof. Mustafa Parlar Foundation, METU, Aralık 2006 Editor of The Year Award, AD HOC Networks Journal (Elsevier), 2006 Best Paper Award, IEEE ISCN 2006, Haziran 2006 TÜBİTAK-KARİYER Odülü (104E043), TÜBİTAK, Ankara, Türkiye, 2005 Researcher of the Year 2003 Award, Broadband and Wireless Networking Laboratory, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, 2003 11

Bilime En Önemli Katkılar Gelecek nesil kablosuz haberleşme ağları Kablosuz sensör ağları Derin uzay haberleşme sistemleri Biyolojik-esinli haberleşme teknikleri 12

Next Generation Wireless Internet Gelecek Nesil Telsiz İletişim Ağları Heterojen telsiz sistemlerin birleşimi WLAN, 2G/3G sistemler, uydu ağları IP-tabanlı yapı Her zaman/her yerde yüksek hızlı çokluortam iletimi İlk kendinden uyarlanır ve birleşik haberleşme algoritmaları O. B. Akan and I. F. Akyildiz, ATL: An Adaptive Transport Layer (ATL) Suite for Next Generation Wireless Internet, IEEE Journal on Selected Areas in Communications (JSAC), vol. 22, no. 5, pp. 802-817, June 2004. O. B. Akan and B. Baykal, Handoff Performance Improvement with Latency Reduction in Next Generation Wireless Networks, ACM/Springer Wireless Networks Journal, vol. 11, no.3, pp. 319-332, May 2005. O. B. Akan and I. F. Akyildiz, ARC: The Analytical Rate Control Scheme for Real-Time Traffic in Wireless Networks, IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 12, no. 4, pp. 634-644, August 2004. 13

Kablosuz Sensör Ağları I.F.Akyildiz, W.Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, Wireless Sensor Networks: A Survey, Computer Networks (Elsevier) Journal, Journal, March 2002. I.F.Akyildiz, M.C.Vuran, O.B.Akan, Wireless Sensor Networks: A Survey Revisited, to appear in Computer Networks (Elsevier) Journal, Journal, 2008 2008. Internet, Satellite Sink Sink Task Manager Çok sayıda ve çok sık konuşlanan düğümler Geniş uygulama alanları Askeri, Çevre izleme, Sağlık, Ev, Uzay araştırmaları, Kimyasal işleme... Sensör tipleri: Sismik, Süşük örneklemeli manyetik, Termal, İnfrared, Akustik, Radar... Sensör görevleri: Sıcaklık, Nem, Araç Hareketi, Basınç, Hedef tespit, Hız ve yön tespit... Enerji, iletişim, işlemci ve hafıza kapasitesi problemi! Processor/Radio Board MPR300CB Speed 4 MHz Flash 128K bytes SRAM 4K bytes EEPROM 4K bytes Radio Frequency 916MHz or 433MHz (ISM Bands) Data Rate 40 Kbits/Sec (Max) Power 0.75 mw Radio Range 100 feet (prog.) Power 2 x AA batteries 14

Kablosuz Sensör Ağları Güvenilir veri iletimini sağlayan ilk haberleşme algoritması O. B. Akan and I. F. Akyildiz, Event-to-Sink Reliable Transport in Wireless Sensor Networks, IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 13, no. 5, pp. 1003-1016, October 2005.] ^ S = g 150 nin üzerinde atıf aldı (ACM MOBIHOC 2003 teki ilk versiyonu ile beraber) Harvard, University of Massachusetts, University of California, Los Angeles, University of California, Santa Cruz, University of California, Irvine,Technical University of Berlin, Georgia Institute of Technology de ders olarak anlatıldı Y [ n] = f ( X [ n]) ( Y [ n ],, Y [ n ]; Y [ n ],, Y [ n ]) 1 X [ n] = S [ n] + N [ n] 1 i i 1 i ^ D = E d( S, S) i τ i N i 1 N τ Uzay-zamansal ilinti (spatio-temporal correlation) varlığı ve enerji tasarrufuna faydasının ispatı M. C. Vuran, O. B. Akan, and I. F. Akyildiz, Spatio-Temporal Correlation: Theory and Applications for Wireless Sensor Networks, Computer Networks Journal (Elsevier), vol. 45, no. 3, pp. 245-261, June 2004. O. B. Akan, Spatio-temporal Correlation Theory in Wireless Mesh Sensor Networks, in Handbook of Wireless Mesh & Sensor Networks, Edited by G. Aggelou, McGraw-Hill, 2007. O. B. Akan, Spatio-temporal Correlation Theory for Wireless Sensor Networks, in Algorithm and Protocols for Wireless Ad Hoc and Sensor Networks, Edited by A. Boukerche, Wiley&Sons, 2006. M. C. Vuran and O. B. Akan, Spatio-temporal Characteristics of Point and Field Sources in Wireless Sensor Networks, in Proceedings of IEEE ICC 2006, Istanbul, Turkey, June 11-15, 2006. V. C. Gungor, M. C. Vuran, O. B. Akan, Analysis of Congestion and Contention ian Wireless Sensor and Actor Networks, Ad Hoc Networks Journal (Elsevier), vol. 5, no. 6, pp. 897-910, August 2007. 15

Kablosuz Sensör Ağları Gerçek zamanlı ses/video ileten ilk güvenilir haberleşme teknikleri V. C. Gungor, O. B. Akan, and I. F. Akyildiz, A Real-Time and Reliable Transport Protocol for Wireless Sensor and Actor Networks, IEEE/ACM Transactions on Networking, April 2008. V. C. Gungor, O. B. Akan, "Delay-Aware Reliable Communication in Wireless Sensor Networks, International Journal of Communication Systems (Wiley), vol. 20, no. 10, pp. 1155-1177, October 2007. E. Gurses and O. B. Akan, Multimedia Communication in Wireless Sensor Networks, Annals of Telecommunications, vol. 60, no. 7-8, pp. 799-827, July-August 2005 (Invited Paper). O. B. Akan, "Performance of Transport Protocols for Multimedia Communications in Wireless Sensor Networks, IEEE Communications Letters, vol. 11, no. 10, pp. 826-828, October 2007. Çok sayıda konferansta davetli konuşmacı ve tutorial sunumu Tutorial: Multimedia Communication in Wireless Sensor Networks, IEEE ISCN 2006, Istanbul. Tutorial: Wireless Multimedia Sensor Networks, NATO-ARW, Romania, 2006. Tutorial: Wireless Sensor Networks for Military and Defense Applications, NATO-ARW, 2006. Tutorial: Correlation-based Communication in Wireless Sensor Networks, IEEE Communication Society-TR Chapter Seminer, Bogazici University, Istanbul, 2005. Invited Talk: Kablosuz Algilayici Aglar ve Uygulamalari, ASELSAN A.S., 2005. Tutorial: Wireless Sensor Networks: State-of-the-art and Research Challenges, IFIP TC6 NET- CON 2004, Palma de Mallorca, Spain, 2004. Çok sayıda bilimsel dergide misafir editör olarak özel sayı (Computer Networks Journal (Elsevier), Special Issue on Wireless Multimedia Sensor Networks; AD HOC Networks Journal (Elsevier), Special Issue on Bio-Inspired Computing and Communication in Wireless Ad Hoc And Sensor Networks). 16

Kablosuz Sensör Ağları Passive Wireless Sensor Networks (PWSN) (TUBITAK-KARIYER) Kısıtlı pil ömrü en büyük problem Mevcut çalışmaların hepsi enerji-verimli haberleşme teknikleri geliştirmeye yöneliktir. Literatürde ilk olarak: Pilsiz Pasif Kablosuz Sensör Ağları!!! Sensörlerin uzaktan RF kaynağı ile beslenmesi Induced RF power ile algılama ve aktif iletişim Modulated backscattering ile tamamen pasif iletişim RF Source (Sink) PWSN İlk teorik sonuçlar olumlu! Distance required to transmit 10mW to node Antenna Gain: 24dBi, transmitted power: 100W, receiver sensitivity: -100dBm 23,01m is achievable at 1GHz, and 230,1m is achievable at 100MHz for spherical node M. Yagli, O. B. Akan, Passive Wireless Sensor Networks: Research Challenges", to appear in IEEE Communications Magazine, 2008. M. Isik, O. B. Akan, UWB-based Communication in Passive Wireless Sensor Networks", submitted for publication, 2007. 17

Kablosuz Sensör Ağları ASELSAN - İleri Gözetleyici Sensör Ağı (İGSA) Projesi Platform hareket yönü İGSA PROJE KAPSAMI Taktik Haberleşme Ağı İGN Görev bölgesi Taktik Karar Merkezi (R 5 km) İGSA-HT Haberleşme çözümleri geliştirme Haberleşme algoritmalarının başarım analizi İGSA Tümleşik Sistem Simülatörü Ateş Destek Sistemleri dahilinde belirlenen bir görev bölgesinde gerçekleşen platform hareketinin varlığı ve ölçülebilen özelliklerinin hızlı, güvenilir ve doğru bir biçimde algılanıp İGSA ile taktik karar mekanizmalarına iletilmesi Görev Yönetim Düzlemi Hareketlilik Yönetim Düzlemi Güç Yönetim Düzlemi İGSA Fiziksel Katmanı Enerji verimli ve hızlı veri yönlendirmesi Kümelenme (Clustering) İGSA Birleşik Güvenilir İletim Katmanı İGSA Birleşik Güvenilir İletim Katmanı Hedef tespit ve takip yazılımları İGSA Ağ Katmanı İGSA Uygulama Katmanı İGSA Ağ Katmanı Uygulama Katmanı Güvenilir, hızlı ve pratik veri iletimi İGSA Fiziksel Katmanı Güvenilir ve basit kipleme (e.g. BPSK, QPSK), ile ISM de çalışan standart RF transceiver (e.g. UDEA/CTR-12) ile veri gönderimi/alımı 18

Derin Uzay Haberleşmesi InterPlaNetary Internet RTT = 40 min 20B/s over 1Mb/s link! Gezegen RTT min RTT max Çok uzun ve değişken hat gecikmeleri Kesik bağlantılı kanal yapısı Yüksek bit hata oranları Asimetrik veri hızları Gezegenlerarası mesafelerin sinyal seviyesine olumsuz etkisi Mercury 1.1 30.2 Venus 5.6 35.8 Mars 9 55 Jupiter 81.6 133.3 Saturn 165.3 228.4 Uranus 356.9 435.6 Neptune 594.9 646.7 Pluto 593.3 1044.4 19

Derin Uzay Haberleşmesi InterPlaNetary Internet İlk derin uzay haberleşme mimarisi tasarımı ve simülatörü Mevcut İnternet haberleşme protokollerinin derin uzay kanalı üzerinde çalışmayacağının simülasyon deneyleri ile gösterimi Mars-Dünya arasında çok yüksek hızlı ve güvenilir veri iletimini sağlayacak ilk haberleşme algoritması O. B. Akan, J. Fang, and I. F. Akyildiz, TP-Planet: A Reliable Transport Protocol for InterPlaNetary Internet, IEEE Journal on Selected Areas in Communications (JSAC), vol. 22, no. 2, pp. 348-361, February 2004. J. Fang and O. B. Akan, Performance of Multimedia Rate Control Protocols in InterPlaNetary Internet, IEEE Communications Letters, vol. 8, no. 8, pp. 488-490, August 2004. O. B. Akan, J. Fang, and I. F. Akyildiz, Performance of TCP Protocols in Deep Space Communication Networks, IEEE Communications Letters, vol. 6, no. 11, pp. 478-480, November 2002. I. F. Akyildiz, O. B. Akan, C. Chen, J. Fang, andw. Su, The State-of-the-Art in InterPlaNetary Internet, IEEE Communications Magazine, vol. 42, no. 7, pp. 108-118, July 2004. I. F. Akyildiz, O. B. Akan, C. Chen, J. Fang, W. Su, "InterPlaNetary Internet: State-of-the-Art and Research Challenges," Computer Networks Journal (Elsevier), vol. 43, no. 2, pp. 75-112, October 2003. O. B. Akan, J. Fang, and I. F. Akyildiz, "TP-Planet: A Reliable Transport Protocol for InterPlaNetary Internet", NASA Space Internet Workshop 2003 (SIWIII), Cleveland, Ohio, June 4-6, 2003. I. F. Akyildiz, O. B. Akan, G. Morabito, "A Rate Control Scheme for Adaptive Real-Time Applications in IP Networks with Lossy Links and Long Round Trip Times," IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 13, no. 3, pp. 554-567, June 2005. J. Fang, O. B. Akan, "TCP-Peach++: Enhancement of TCP-Peach+ for Satellite IP Networks with Asymmetrical Bandwidth and Persistent Fades," Proc. 20th International Symposium on Computer and Information Sciences (ISCIS 2005), October 2005. 20

Biyolojik-esinli Haberleşme Teknikleri Bağışıklık sistemi beynin merkezi kontrolüne ihtiyaç duymadan vücudu mikroplardan korur Biyolojik kolonilerde işbirliğine dayanan koloni davranışları koloniye büyük global zeka verir Homeostazi organizmaları sinir sistemi, endokrin sistem, ve bağışıklık sisteminin birleşimi olarak kararlı bir iç dengede tutar HOMEOSTAZİOSTAZİ KÇAA Nöronlar dış uyarıcıları algılar ve hormon salgılamaları için salgı hücrelerini tetikler N-Algılayıcılar tayfsal bant genişliğini kestirir ve G- Algılayıcıların veri iletimini tetikler Bağışıklık Sistemi Kablosuz Algılayıcı Ağları B-hücreleri Antikor Algılayıcı Düğümleri Düğüm Verisi Salgı hücreleri, organları dış uyarıcı konusunda bilgilendirmek için hormon salgılar G-Algılayıcılar alıcıyı olay hakkında bilgilendirmek için veri iletimi yapar Antikor Yoğunluğu Rapor Frekans Hızı Mikrop Antijen Doğal Söndürme Olay Kaynağı Kestirim Bozulumu Kestirim Bozulumu T-hücreleri organizmadaki aksaklıkları tespit eder ve hormon salgılamayı düzenlemek için salgı hücrelerini tetikler T-Algılayıcılar tıkanıklık, çarpışma ve kanal hatası gibi aksaklıkları tespit eder ve G-Algılayıcıları nı örnekleme hızlarını değiştirmeleri için tetikler 21

Biyolojik-esinli Haberleşme Teknikleri İlgili yayınlardan bazıları B. Atakan, O. B. Akan, An Information Theoretical Analysis of Molecular Communication, in Proceedings of ACM/IEEE BIONETICS 2007, Budapest, Hungary, December 2007. B. Atakan, O. B. Akan, On Event Signal Reconstruction in Wireless Sensor Networks, in Proceedings of IFIP/TC6 Networking 2007 Conference, Atlanta, GA, May 2007. B. Atakan, O. B. Akan, BIOlogically-inspired Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks, in Proceedings of IEEE WCNC 2007, Hong Kong, March 2007. B. Atakan and O. B. Akan, Immune System Based Distributed Node and Rate Selection in Wireless Sensor Networks, in Proceedings of ACM/IEEE BIONETICS 2006, Cavalese, Italy, December 11-13, 2006. B. Atakan and O. B. Akan, Immune System Based Distributed Node and Rate Selection in Wireless Sensor Networks, in Advances in Biologically Inspired Information Systems, Edited by F. Dressler and I. Carreras, Springer, 2007. B. Atakan, A. Bereketli, and Ö. B. Akan, Homeostasis-based Multimedia Transport in Wireless Sensor Networks, WOrkshop on advances in Wireless NETworking (WOW- NET), IFIP Networking 2007, Atlanta, USA. İlgili teknik aktiviteler General Co-Chair, IEEE/ACM International Conference on Bio-inspired Models of Network, Information and Computing Systems (BIONETICS 2008), November 2008, Japan. General Vice Chair, The Second ACM International Conference on Nano-Networks (ACM Nano-Net 2007), to be held in September 2007, Catania, Italy. Technical Program Committee Chair, IEEE/ACM BIONETICS 2007, Hungary. 2006 Parlar Vakfı Araştırma Teşvik Ödülü, Prof. Mustafa Parlar Foundation, METU, Aralık 2006 22

Planlanan Projeler Nano-ölçekli ve Moleküler Haberleşme Ağları Ulusal Sualtı Akustik Sensör Ağları (USSA) Kuantum İletişim Ağları 23

Nano-ölçekli ve Moleküler Haberleşme Ağları İki dünyanın kesişimi: Nanoteknoloji ve ağ/haberleşme teorisi Elektromanyetik ve optik haberleşme nano-ölçekte haberleşme için uygun değildir: ölçeklenebilirlik enerji verimliliği Nanomachines: Karbon nanotüpler, nanokablolar Biyolojik moleküler motorlar DNA-tabanlı sistemler Nanotube radyo Nanorex: Differential Gear Nanorex: Molecular Gear Train Geleneksel Elektrik Motoru Biyokimyasal Motor Nanomakineler arasında haberleşme için yeni teknikler geliştirilmelidir. 24

Nano-ölçekli ve Moleküler Haberleşme Ağları Haberleşme taşıyıcısı: Elektromanyetik Dalgalar Sinyal Tipi: Elektronik ve Optik Sinyal Yayılma Hızı: Işık Hızı Yayılma Çevresi: Hava Çevresi Kodlanmış Bilgi: Metin, Ses, Görüntü Alıcının Görevi: Alınan Bilgiyi Yorumlamak Haberleşme taşıyıcısı: Moleküller Sinyal Tipi: Kimyasal Sinyal Yayılma Hızı: Aşırı Düşük Hız Yayılma Çevresi: Su İçeren Ortam Kodlanmış Bilgi: Fenomenler ve Kimyasal Durumlar Alıcının Görevi: Kimyasal Tepkimeler Geleneksel Haberleşme ve Moleküler Haberleşme Doğadaki moleküler haberleşme, biyolojik fenomenlerin birbirleri ile haberleşmelerini sağlar. Molekül-reseptör bağlama (ligand-receptor binding) mekanizmasına dayanır molekül biyolojik fenomen tarafından salgılanır salgılanan moleküller, çevrede yayılır ve başka biyolojik fenomenin reseptörüne yapışır 25

Nano-ölçekli ve Moleküler Haberleşme Ağları Araştırma Hedefleri ve Çalışma Planı Nano-ölçekli ve moleküler haberleşme ağlarının teorik incelemesini yapmak, problemlerini belirlemek ve yüksek verimli haberleşme teknikleri geliştirmek Nano-ölçekli ve moleküler seviyedeki kanal, alıcı-verici, anten, link, rota, paket tanım, gereksinim ve problemlerinin incelenmesi Mevcut haberleşme ağlarındaki bilinen temel yöntemlerin nano-ölçekte başarımlarının incelenmesi Verimli nano haberleşme ağları için gerekli olan ağ yapısının tasarlanması ve teorik analizi Nano ölçekli haberleşme sistemi simülasyonların yapılması Nano-sensör geliştirme projeleri ile birlikte gerçek ortamda testlerin yapılması B. Atakan, O. B. Akan, Capacity of a Molecular Channel and Error Compensation", to appear in Springer TSCB, 2008. B. Atakan, O. B. Akan, An Information Theoretical Approach in Molecular Communication", ACM/IEEE BIONETICS 07, Budapest, Hungary. B. Atakan, O. B. Akan, On Enabling Multihop Molecular Communication", in preparation, 2008. 26

Ulusal Sualtı Akustik Sensör Ağları (USSA) Okyanuslar ve denizler kıyı güvenliği, petrol arama, ulaşım, besin üretimi, bilimsel araştırmalar Mevcut Teknoloji: Sualtı sensörlerini istenilen bölgeye konuşlandır, görev bittiğinde sensörleri geri topla, kayıtları incele: hassas, gerçek-zamanlı, ince-taneli (fine-grained) örnekleme yapılamamaktadır. Suya ve su tabanına konuşlanan sensörler, insansız sualtı araçları (UUV) ve otonom sualtı araçları (AUV) akustik, manyetik, sismik, mekanik, optik, radyasyon Akustik ve radyo iletişimi ortamları arasında köprü görevi gören şamandıralar (buoy) 27

Ulusal Sualtı Akustik Sensör Ağları ğları Otonom Sualtı Aracı (Milli AUV) Projesi Potansiyel Kullanım Alanları Kıyı, liman ve boğaz güvenliği: denizaltı, sualtı araçlar, dalgıç ve sualtı mayınlarının tespit, sınıflandırma ve takibi Deniz tabanındaki sensörlerle şamandıralar arasında geçit Su tabanının detaylı haritasının çizimi: sualtı boru hatları, sulatı kabloları sualtı biyolojik ortamına asgari zarar Sualtı haberleşme sorunları Sınırlı bant genişliği düşük veri hızı: (~10 kbit/s) Çok yolluluk (multi-path) ve sönme (fading) Yüksek yayılım gecikmesi (propagation delay): radyo iletişimine göre 10 5 kat daha fazla Yüksek gecikme değişimi (delay variance) Yüksek seviyede bit hata oranları (BER) ve geçici bağlantı kayıpları (shadow zones) 28

Ulusal Sualtı Akustik Sensör Ağları Araştırma Hedefleri ve Çalışma Planı Tespit/sınıflandırma/takip algoritmalarının ve verimli ve güvenilir haberleşme protokollerinin geliştirilmesi Katmanlararası (cross-layer) bir haberleşme mimarisinin tasarımı 3D pozisyon bulma (localization) protokolü tasarımı Dağıtık SONAR uygulaması geliştirilmesi Yüksek performanslı sualtı akustik modem geliştirilmesi Geliştirilen tüm algoritmaların ve sisteminin simülasyonu ve başarım değerlendirmeleri Otonom Sualtı Aracı geliştirilmesi projesine entegrasyonu M. Isik, O. B. Akan, A Localization Algorithm for Underwater Acoustic Sensor Networks", submitted, September 2007. G. Isbitiren, O. B. Akan, Distributed On-demand SONAR with Underwater Acoustic Sensor Networks", in preparation, 2008. M. Isik, O. B. Akan, A Time Synchronization Algorithm for Underwater Acoustic Sensor Networks, submitted, March 2008. 29

Kuantum İletişim Ağları Yıl 2003 2005 2008 2011 Minimum Boyut (µm) Hafıza: Bit/yonga (milyar) Mantık: Transistör/cm 2 (milyon) Mikroişlemci: Transistör/yong a (milyon) 0.10 0.08 0.07 0.05 1 2 6 16 24 44 109 269 95.2 190 539 1523 Klasik hesaplama ve fizik kuralları atomik ölçekte başarısız olmaktadır! Kuantum Fiziği (Kaynak: Semiconductor Industry Association Roadmap) Elektronun duvar üzerindeki konumunun olasılığı: P 1 (x), yarık 2 kapalıyken P 2 (x), yarık 1 kapalıyken Her iki yarık açıkken: Normal parçacıklar: 0.5 [P 1 (x) + P 2 (x)] Elektronlar: P 12 (x) P 1 (x) ve P 2 (x) arasındaki etkileşme ve girişim Parçacık değil, dalga modeli P 12 (x) = P 1 (x)+p 2 (x)+2 Re (ψ 1* (x) ψ 2 (x)) girişim & salınım 30

Kuantum İletişim Ağları İki yarık arasına ışık kaynağı yerleştirilip, elektronun hangi yarıktan geçtiği gözlendiğinde: P 12 (x) = 0.5 [P 1 (x)+p 2 (x)] Prensipler: Girişim ortadan kalkmıştır; tekrar parçacık davranışı görülmektedir! parçacık-dalga ikiliği) 1. Bir quantum olayının olasılığı (P ), olasılık genliğinin karesiyle belirtilir ( ψ 2 ) 2. Bir olayın n farklı şekilde olması mümkünse, olasılık genliği ψ = c (ψ( 1 + ψ 2 +... + ψ n ) 3. P olasılığı bu durumda P = (P 1 + P 2 +... P n ) / n Bir kuantum durumu (quantum state) olasılık genliği ile belirtilir. Bir kuantum biti (quantum bit, qubit) ψ> = c 1 0> + c 2 1> şeklindeki kuantum durumudur. ( c 1 2 + c 1 2 =1) Taban durumu İlk uyarılma durumu 2 parçacıklı kuantum sistemin parçacık durumlarının tensor çarpımı olarak gösterilemeyen bir durumda olması hali entanglement kuantum iletişim teorisinin temeli (Einstein, Podolsky, Rosen EPR- Paradox) 31

Kuantum İletişim Ağları Entanglement-based state transfer and data transport (J. I. Cirac, P. Zoller, H. J. Kimble, and H. Mabuchi, Quantum State Transfer and Entanglement Distribution among Distant Nodes in a Quantum Network, Physical Review Letters, vol. 78, no. 16, April 1997) İletişim kanalının foton iletim hatlarıyla modellenmesi Development of Devices and Algorithms for Quantum Information Teleportation (National Institute of Standards and Technology, NIST, 2004) Kuantum veri ışınlanması ve veri gönderimi sırasında kuantum durumlarındaki değişimlerin incelenmesi Quantum Information Processing (A. Ekert and R. Jozsa, Quantum algorithms: entanglement-enhanced information processing, Philos. Trans. R. Soc. London A, no. 356, pp. 1769, 1998) Veri gönderimindeki periyodikliğin belirlenmesi için Fourier Transform kullanılması 32

Kuantum İletişim Ağları Araştırma Hedefleri ve Çalışma Planı Mevcut haberleşme ağlarındaki bilinen temel yöntemlerin kuantum bölgesindeki başarımlarının incelenmesi İletişim kanalı özelliklerinin belirlenmesi ve modellenmesi Fiziksel katman (physical layer) problemlerinin belirlenmesi İletişim algoritmaları Protokol yapıları gerekli midir? Hangi protokol katmanlarına ihtiyaç vardır? (Ortam Erişim Denetimi (MAC), Ağ (Network), Taşıma (Transport), Katmanlar arası çözümler olası mıdır? İletişim için kodlama (encoding) ve kod çözme (decoding) yöntemleri Qubit ler hatalara karşı dayanıklı olmalıdır. Sağlam foton gönderim teknikleri geliştirilmelidir. Veri güvenliği (maximum entanglement) sağlanmalıdır. Güvenilir ve hızlı veri gönderimi için gerekli Entanglement tabanlı çözümler geliştirilebilir. Zamana göre simetrik foton eşleştirmesi kullanılabilir. Uzamsal (spatial) atom dağılımları dikkate alınabilir. Öngörülen kuantum haberleşme ağ mimarisi üzerinde, veri iletimini sağlamak üzerine gerekli olan haberleşme algoritmalarının geliştirilmesi Geliştirilen kuantum haberleşme ağ algoritmalarının simülasyon deneylerinin yapılması ve başarım sonuçlarına göre gerekli iyileştirmelerle algoritmaların son haline getirilmesi Bu çalışmanın en büyük özelliği, kuantum haberleşmesi problemine haberleşme ağı gözüyle ilk defa bakılacak olmasıdır. 33