The smart grid is a modernized electric power grid that utilizes advanced electrical power components, information and communication technologies to collect and process the power grid's operational information. Smart grids provide bi-directional communications and use advanced control capabilities to generate, distribute and consume the electricity more efficiently, unlike the existing power grid. Reliable and timely data transmission from suppliers to consumers is critical in smartgrid applications. To this end, wireless sensor networks (WSNs) are one of the most promising communication solutions that can meet the delay and reliability requirements of smart grid applications. However, recent field tests show that the smart grid infrastructure has harsh and complex environmental conditions, noise, interference, and multi-path fading problems during low-power wireless communications. Therefore, providing the quality of service (QoS) requirements of smart grid applications with WSNs is difficult because of the power constraints of sensor nodes and unreliable wireless links. This thesis specifically focuses on the robust and timely delivery of data over lossy and error prone WSN in smart grid environment. In order to satisfy the QoS requirements of the smart grid application, a range of new protocols considering the characteristics of the application data is proposed. The impact of wireless environment on smart grid communication performance is analyzed in order to propose more accurate solutions. Due to transmission distortions induced by some specific smart grid system challenges including interoperability, security, optimization and control of the grid, network traffic loads and exchanged of different data types, smart grid communication performance may not be acceptable for providing QoS requirements of smart grid applications. Hence, the impact of multi-channel communication and the selection of efficient routing trees, including routing trees constructed considering the link qualities, Capacitated Minimum Spanning Trees (CMSTs), capacitated minimum spanning tree considering link qualities and Minimum Hop Spanning Trees (MHSTs), on the performance of wireless sensor networks in different smart grid spectrum environments are comprehensively analyzed. In order to provide application-specific smart grid QoS requirements, link-quality-aware routing algorithm (Link-Quality-Aware Capacitated Minimum Hop Spanning Tree (LQ-CMST)) is proposed as well as the priority and channel-aware multi-channel (PCA-MC) scheduling algorithm. Furthermore, the effect of different modulation and encoding schemes on the performance of the proposed algorithms has also been evaluated under harsh smart grid channel conditions. Additionally, in order to design an entire system in QoS-aware smart grid communication, two new medium access control (MAC) protocols, which are QoS-aware omnidirectional antenna-based MAC (QODA-MAC) and QoS-aware four-sectored antenna-based MAC protocol (QFSA-MAC), are designed to increase channel utilization with efficient service differentiation considering traffic flows with different requirements as well as providing reliable and fast delivery of data. Furthermore, proposed LQ-CMST routing protocol with multi-channel scheduling is integrated with Hamming error correction code, Reed Solomon code and Bose-Chaudhuri-Hochquenghem (BCH) code to achieve the QoS requirements such as reliability and high data rate along error prone wireless channels. A comprehensive analysis of these error correction codes with Frequecny Shift Keying (FSK), Differential Shift Keying (DPSK), Binary Phase Shift Keying (BPSK), and Offset Quadrate Phase Shift Keying (OQPSK) modulation schemes is also done in smart grid environment. Moreover, an efficient adaptive error control algorithm is proposed and integrated with LQ-CMST routing protocol and multi-channel scheduling algorithm. The performance results expose that LQ-CMST routing algorithm together with QFSA-MAC algorithm is greatly capable of providing QoS requirements of smart grid applications. Hence these techniques are comprehensively analyzed in terms of delay and throughput which are important performance metrics for providing QoS requirements of smart grid applications. Additionally, in order to specify the physical layer parameters of the proposed algorithms, their performance are extensively analyzed by using different modulation and encoding schemes. Moreover, in order to verify the usability of the proposed adaptvie error control algorithm with the proposed algorithms to satisfy application requirements, its delay and throughput performance is evaluated with using different modulation schemes. As a result, it is found that adaptive error control algorithm is suitable for meeting the reliability requirements of smart grid applications. A novel QoS-aware communication framework is proposed to meet application-specific QoS requirements for WSN-based smart grid applications. Proposed framework aims to provide delay, reliability and throughput requirements of smart grid applications. The innovation of the proposed scheme lies in the combined use of LQ-CMST routing algorithm with QFSA-MAC algorithm and in the combination of LQ-CMST and adaptive error control algorithm. Consequently, an efficient QoS-aware communication framework is provided for WSN-based smart grid applications.

Akıllı şebeke, güç şebekesinin operasyonel bilgilerini toplamak ve işlemek için gelişmiş elektrik güç bileşenleri, bilgi ve iletişim teknolojilerini kullanan modern bir elektrik şebekesidir. Akıllı şebekeler, çift yönlü iletişim sağlar ve mevcut güç şebekesinin aksine, elektriği daha verimli bir şekilde üretmek, dağıtmak ve tüketmek için gelişmiş kontrol yetenekleri kullanır. Akıllı şebeke uygulamalarında tedarikçilerden tüketicilere güvenilir ve zamanında veri iletimi kritik öneme sahiptir. Bu amaçla, kablosuz sensör ağları (WSN'ler) akıllı şebeke uygulamalarının gecikme ve güvenilirlik gereksinimlerini karşılayabilecek en umut verici iletişim çözümlerinden biridir. Ancak, son saha testleri, akıllı şebeke altyapısının düşük güçlü kablosuz iletişimde zorlu ve karmaşık çevresel koşullara, gürültüye, parazite ve çok-yollu sönümlenme sorunlarına sahip olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, akıllı şebeke uygulamalarının servis kalitesi (QoS) gereksinimlerini WSN'lerle sağlamak, sensör düğümlerinin ve güvenilmez kablosuz bağlantıların güç kısıtlamaları nedeniyle zordur. Bu tez, özellikle akıllı şebeke ortamında, kayıplı ve hataya açık WSN üzerindeki verilerin sağlam ve zamanında teslim edilmesine odaklanmaktadır. Akıllı şebeke uygulamasının QoS gerekliliklerini karşılamak için, uygulama verilerinin özelliklerini göz önünde bulundurarak bir dizi yeni protokol önerilmiştir. Kablosuz ortamın akıllı şebeke iletişim performansı üzerindeki etkisi, daha doğru çözümler önerilmesi amacıyla analiz edilmiştir. Birlikte çalışabilirlik, güvenlik, optimizasyon ve şebekenin kontrolü, ağ trafiği yükleri ve farklı veri tiplerinin değişimi gibi belirli akıllı şebeke sistemi zorluklarının yol açtığı iletim bozulmalarına bağlı olarak akıllı şebeke iletişim performansı, akıllı şebeke uygulamalarının QoS gereksinimlerini sağlamak için yeterli olmayabilir. Bu nedenle, çok kanallı iletişimin ve verimli yönlendirme ağaçlarının seçiminin (bağlantı kalitesi düşünülerek kurulmuş yönlendirme ağaçları, kapasiteli asgari tarama ağaçları (CMSTs), bağlantı kalitesi düşünülerek kurulmuş kapasiteli asgari tarama ağaçları ve asgari tarama ağaçları (MHSTs) dahil) farklı akıllı şebeke spektrum ortamlarında bulunan kablosuz sensör ağları üzerindeki etkisi kapsamlı olarak analiz edilmiştir. Akıllı şebeke uygulamasına özel QoS gereksinimlerini sağlamak için, öncelik ve kanal duyarlı çoklu kanallı (PCA-MC) zamanlama algoritmasının yanı sıra bağlantı kalitesi duyarlı (link kalitesi duyarlı kapasiteli asgari tarama ağacı (LQ-CMST)) yönlendirme protokolünü önerilmiştir. Ayrıca, farklı modülasyon ve kodlama şemalarının, önerilen algoritmaların performansı üzerindeki etkisi sert akıllı şebeke kanal koşulları altında da değerlendirilmiştir. Ek olarak, QoS duyarlı akıllı şebeke iletişiminde bütün bir sistem tasarlamak için, farklı gereksinimlere sahip trafik akışlarını göz önüne alıp verimli hizmet farklılaştırması yaparak kanal kullanımını artıran ve bunun yanı sıra güvenilir ve hızlı veri sunumu sağlayan iki yeni ortam erişim kontrol (MAC) protokolü, QoS duyarlı çok yönlü anten tabanlı MAC (QODA-MAC) ve QoS duyarlı dört sektör anten tabanlı (QFSA-MAC), tasarlanmıştır. Ayrıca, çok kanallı sıralama ile önerilen LQ-CMST yönlendirme protokolü, hata eğilimli kablosuz kanallar boyunca güvenilirlik ve yüksek veri hızı gibi QoS gereksinimlerini sağlamak için Hamming hata düzeltme kodu, Reed Solomon kodu ve Bose-Chaudri-Hochquenghem (BCH) kodu ile entegre edilmiştir. Bu hata düzeltme kodlarının performansı frekans kaydırmalı anahtarlama (FSK), diferansiyel faz kayması anahtarlama (DPSK), ikili faz kaydırmalı anahtarlama (BPSK) ve offset kuadratör faz kaydırmalı anahtarlama (OQPSK) modülasyon teknikleriyle de kapsamlı şekilde akıllı şebeke ortamında incelenmiştir. Ayrıca, verimli bir adaptif hata kontrol algoritması önerilmiş ve bu algoritma çok kanallı sıralama algoritması ve LQ-CMST yönlendirme protokolü ile entegre edilmiştir. Performans sonuçları, LQ-CMST yönlendirme algoritması ile birlikte QFSA-MAC algoritmasının akıllı şebeke uygulamalarının QoS gereksinimlerini büyük ölçüde sağlayabileceğini ortaya koymaktadır. Bu nedenle, bu teknikler, akıllı şebeke uygulamalarının QoS gereksinimlerini sağlamak için önemli performans ölçümleri olan gecikme ve verim açısından kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Ek olarak, önerilen algoritmaların fiziksel katman parametrelerinin belirlenmesi için, performansları farklı modülasyon ve kodlama şemaları kullanılarak kapsamlı şekilde analiz edilmiştir. Ayrıca, uygulama gereksinimlerinin karşılanması için önerilen adaptif hata kontrol algoritmasının kullanılabilirliğini doğrulamak amacıyla algoritmanın gecikme ve üretim performansı farklı modülasyon şemaları kullanılarak değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, adaptif hata kontrol algoritmasının akıllı şebeke uygulamalarının güvenilirlik gereksinimlerini karşılamak için uygun olduğu bulunmuştur. WSN tabanlı akıllı şebeke uygulamaları için uygulamaya özel QoS gereksinimlerini karşılamak için QoS duyarlı yeni bir iletişim sistemi önerilmiştir. Önerilen sistem, akıllı şebeke uygulamalarının gecikme, güvenilirlik ve verimlilik gereksinimlerini sağlamayı amaçlamaktadır. Önerilen şemanın yeniliği, QFSA-MAC algoritması ile LQ-CMST yönlendirme algoritmasının birlikte kullanımı ve adaptif hata kontrol algoritması ile LQ-CMST yönlendirme algoritmasının kombine olarak kullanılmasına dayanmaktadır. Sonuç olarak, WSN tabanlı akıllı şebeke uygulamaları için verimli bir QoS duyarlı iletişim sistemi sağlanmıştır.