Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

İHA Destekli Nesnelerin İnterneti Ağlarında Kümeleme Tabanlı Bilgi Yaşı Minimizasyonu

Yıl 2025, Cilt: 41 Sayı: 3, 973 - 984, 31.12.2025
https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1822011
https://izlik.org/JA58JE36YU

Öz

İnsansız Hava Araçları (İHA’lar) büyük ölçekli Nesnelerin İnterneti (IoT) ağlarında veri toplama amacıyla büyük ilgi görmektedir. Ancak, enerji kısıtları altında Bilgi Yaşı’nı (AoI) en aza indirme hesaplama açısından zor bir problemdir. Klonal Seçim Algoritması (CSA) gibi meta-sezgisel algoritmalar seyrek IoT ağları için optimale yakın çözümler sağlamalarına rağmen ağdaki IoT düğümlerinin sayısı arttıkça ölçeklenebilirlikleri hızla azalmaktadır. Bu sınırlamayı aşmak için bu makale, UAV destekli IoT ağlarında ölçeklenebilir AoI minimizasyonu için kümeleme tabanlı bir yöntem önermektedir. Önerilen yaklaşımda, IoT düğümleri, Silhouette Skor yöntemiyle belirlenen optimal küme boyutu kullanılarak K-means kümeleme yöntemiyle kümelere ayrılmaktadır. Her küme, CSA kullanılarak bağımsız bir şekilde çözülmekte ve sonuçlar birleştirilerek küresel bir çözüm oluşturulmaktadır. Bu yaklaşım çözüm kalitesini korurken hesaplama karmaşıklığını önemli ölçüde azaltmaktadır. Ayrıca, birden fazla kümenin aynı anda optimize edilmesi için paralel işlem kullanılmaktadır. Simülasyon sonuçları, önerilen kümeleme tabanlı yaklaşımın, ortalama AoI ve enerji verimliliğini korurken, temel CSA’ya kıyasla hesaplama süresini %90,54 oranında azalttığını göstermektedir. Böylece bu yöntem, yüzlerce düğüm içeren büyük ölçekli UAV destekli IoT ağlarında AoI farkındalıklı veri toplamayı mümkün kılmaktadır.

Proje Numarası

TÜBİTAK 3501 (124E544)

Kaynakça

  • J. Liu, X. Wang, B. Bai, and H. Dai, “Age-optimal trajectory planning for UAV-assisted data collection,” in IEEE INFOCOM 2018 - IEEE Conference on Computer Communications Workshops (INFOCOM WKSHPS), IEEE, Apr. 2018, pp. 553–558. doi: 10.1109/INFCOMW.2018.8406973.
  • J. Liu, P. Tong, X. Wang, B. Bai, and H. Dai, “UAV-Aided Data Collection for Information Freshness in Wireless Sensor Networks,” IEEE Trans Wirel Commun, vol. 20, no. 4, pp. 2368–2382, Apr. 2021, doi: 10.1109/TWC.2020.3041750.
  • C. Liu, Y. Guo, N. Li, and X. Song, “AoI-Minimal Task Assignment and Trajectory Optimization in Multi-UAV-Assisted IoT Networks,” IEEE Internet Things J, vol. 9, no. 21, pp. 21777–21791, Nov. 2022, doi: 10.1109/JIOT.2022.3182160.
  • M. Sun, X. Xu, X. Qin, and P. Zhang, “AoI-Energy-Aware UAV-Assisted Data Collection for IoT Networks: A Deep Reinforcement Learning Method,” IEEE Internet Things J, vol. 8, no. 24, pp. 17275–17289, Dec. 2021, doi: 10.1109/JIOT.2021.3078701.
  • A. Ferdowsi, M. A. Abd-Elmagid, W. Saad, and H. S. Dhillon, “Neural Combinatorial Deep Reinforcement Learning for Age-Optimal Joint Trajectory and Scheduling Design in UAV-Assisted Networks,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 39, no. 5, pp. 1250–1265, May 2021, doi: 10.1109/JSAC.2021.3065049.
  • O. A. Amodu, U. A. Bukar, R. A. Raja Mahmood, C. Jarray, and M. Othman, “Age of Information minimization in UAV-aided data collection for WSN and IoT applications: A systematic review,” Journal of Network and Computer Applications, vol. 216, p. 103652, Jul. 2023, doi: 10.1016/j.jnca.2023.103652.
  • O. A. Amodu et al., “Deep Reinforcement Learning for AoI Minimization in UAV-Aided Data Collection for WSN and IoT Applications: A Survey,” IEEE Access, vol. 12, pp. 108000–108040, 2024, doi: 10.1109/ACCESS.2024.3425497.
  • H. Shen, D. Wang, Z. Huang, and Y. Jia, “Optimization of Clustering and Trajectory for Minimizing Age of Information in Unmanned Aerial Vehicle-Assisted Mobile Edge Computing Network,” Sensors, vol. 24, no. 6, p. 1742, Mar. 2024, doi: 10.3390/s24061742.
  • M. Abdel-Basset, R. Mohamed, D. El-Shahat, K. M. Sallam, I. M. Hezam, and N. M. AbdelAziz, “Energy-efficient trajectory optimization algorithm based on K-medoids clustering and gradient-based optimizer for multi-UAV-assisted mobile edge computing systems,” Sustainable Computing: Informatics and Systems, vol. 44, p. 101045, Dec. 2024, doi: 10.1016/j.suscom.2024.101045.
  • X. Fu, C. Deng, and A. Guerrieri, “Low-AoI data collection in integrated UAV-UGV-assisted IoT systems based on deep reinforcement learning,” Computer Networks, vol. 259, p. 111044, Mar. 2025, doi: 10.1016/j.comnet.2025.111044.
  • W. Yuan et al., “Hierarchical Reinforcement Learning based Joint Trajectory Planning and Resource Allocation in UAV-assisted IoT-Sensor Networks,” IEEE Transactions on Communications, pp. 1–1, 2025, doi: 10.1109/TCOMM.2025.3618699.
  • M. Ma, Z. Wang, S. Guo, and H. Lu, “Cloud–Edge Framework for AoI-Efficient Data Processing in Multi-UAV-Assisted Sensor Networks,” IEEE Internet Things J, vol. 11, no. 14, pp. 25251–25267, Jul. 2024, doi: 10.1109/JIOT.2024.3392244.
  • B. Zhu, E. Bedeer, H. H. Nguyen, R. Barton, and Z. Gao, “UAV Trajectory Planning for AoI-Minimal Data Collection in UAV-Aided IoT Networks by Transformer,” IEEE Trans Wirel Commun, vol. 22, no. 2, pp. 1343–1358, Feb. 2023, doi: 10.1109/TWC.2022.3204438.
  • M. Kang and S.-W. Jeon, “Energy-Efficient Data Aggregation and Collection for Multi-UAV-Enabled IoT Networks,” IEEE Wireless Communications Letters, vol. 13, no. 4, pp. 1004–1008, Apr. 2024, doi: 10.1109/LWC.2024.3355934.
  • S. Alfattani, W. Jaafar, H. Yanikomeroglu, and A. Yongacoglu, “Multi-UAV Data Collection Framework for Wireless Sensor Networks,” in 2019 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), IEEE, Dec. 2019, pp. 1–6. doi: 10.1109/GLOBECOM38437.2019.9014306.
  • X. Gao, X. Zhu, and L. Zhai, “AoI-Sensitive Data Collection in Multi-UAV-Assisted Wireless Sensor Networks,” IEEE Trans Wirel Commun, vol. 22, no. 8, pp. 5185–5197, Aug. 2023, doi: 10.1109/TWC.2022.3232366.
  • N. Tekin, “Age of Information minimization for secure data collection in multi UAV-assisted IoT applications,” Internet of Things, vol. 33, p. 101672, Sep. 2025, doi: 10.1016/j.iot.2025.101672.
  • Y. Zeng, J. Xu, and R. Zhang, “Energy Minimization for Wireless Communication With Rotary-Wing UAV,” IEEE Trans Wirel Commun, vol. 18, no. 4, pp. 2329–2345, Apr. 2019, doi: 10.1109/TWC.2019.2902559.
  • J. B. McQueen, “Some methods for classification and analysis of multivariate observations,” in Proc. 5th Berkeley Symp. Math. Statist. Probab., 1967, pp. 281–297.
  • L. N. de Castro and F. J. Von Zuben, “Learning and optimization using the clonal selection principle,” IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 6, no. 3, pp. 239–251, Jun. 2002, doi: 10.1109/TEVC.2002.1011539.
  • B. K. Dedeturk and B. Akay, “A parallel hybrid approach integrating clonal selection with artificial bee colony for logistic regression in spam email detection,” Neural Comput Appl, vol. 37, no. 27, pp. 22401–22419, Sep. 2025, doi: 10.1007/s00521-024-10505-7.

Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks

Yıl 2025, Cilt: 41 Sayı: 3, 973 - 984, 31.12.2025
https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1822011
https://izlik.org/JA58JE36YU

Öz

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have attracted attention for collecting data in large-scale Internet of Things (IoT) networks. However, the Age of Information (AoI) minimization under energy constraints remains a computationally challenging problem. Although metaheuristic algorithms such as the Clonal Selection Algorithm (CSA) provide near-optimal solutions for sparse IoT networks, their scalability rapidly decreases with increasing numbers of IoT nodes in the network. To overcome this limitation, this work proposes a cluster-based method for scalable AoI minimization in UAV-assisted IoT networks. In the proposed approach, IoT nodes are clustered by using K-means clustering with optimal cluster size determination via the Silhouette Score method. Each cluster is solved independently using the CSA, and the results are merged to construct a global solution. This approach significantly reduces computational complexity while preserving the quality of the solution. Furthermore, parallel processing is used to optimize multiple clusters simultaneously. The results illustrate that the proposed cluster-based approach reduces the computation time by 90.54% compared to the baseline CSA while maintaining a comparable average AoI and energy efficiency. The method thus enables AoI-aware data collection in large-scale UAV-assisted IoT networks with hundreds of nodes.

Proje Numarası

TÜBİTAK 3501 (124E544)

Kaynakça

  • J. Liu, X. Wang, B. Bai, and H. Dai, “Age-optimal trajectory planning for UAV-assisted data collection,” in IEEE INFOCOM 2018 - IEEE Conference on Computer Communications Workshops (INFOCOM WKSHPS), IEEE, Apr. 2018, pp. 553–558. doi: 10.1109/INFCOMW.2018.8406973.
  • J. Liu, P. Tong, X. Wang, B. Bai, and H. Dai, “UAV-Aided Data Collection for Information Freshness in Wireless Sensor Networks,” IEEE Trans Wirel Commun, vol. 20, no. 4, pp. 2368–2382, Apr. 2021, doi: 10.1109/TWC.2020.3041750.
  • C. Liu, Y. Guo, N. Li, and X. Song, “AoI-Minimal Task Assignment and Trajectory Optimization in Multi-UAV-Assisted IoT Networks,” IEEE Internet Things J, vol. 9, no. 21, pp. 21777–21791, Nov. 2022, doi: 10.1109/JIOT.2022.3182160.
  • M. Sun, X. Xu, X. Qin, and P. Zhang, “AoI-Energy-Aware UAV-Assisted Data Collection for IoT Networks: A Deep Reinforcement Learning Method,” IEEE Internet Things J, vol. 8, no. 24, pp. 17275–17289, Dec. 2021, doi: 10.1109/JIOT.2021.3078701.
  • A. Ferdowsi, M. A. Abd-Elmagid, W. Saad, and H. S. Dhillon, “Neural Combinatorial Deep Reinforcement Learning for Age-Optimal Joint Trajectory and Scheduling Design in UAV-Assisted Networks,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 39, no. 5, pp. 1250–1265, May 2021, doi: 10.1109/JSAC.2021.3065049.
  • O. A. Amodu, U. A. Bukar, R. A. Raja Mahmood, C. Jarray, and M. Othman, “Age of Information minimization in UAV-aided data collection for WSN and IoT applications: A systematic review,” Journal of Network and Computer Applications, vol. 216, p. 103652, Jul. 2023, doi: 10.1016/j.jnca.2023.103652.
  • O. A. Amodu et al., “Deep Reinforcement Learning for AoI Minimization in UAV-Aided Data Collection for WSN and IoT Applications: A Survey,” IEEE Access, vol. 12, pp. 108000–108040, 2024, doi: 10.1109/ACCESS.2024.3425497.
  • H. Shen, D. Wang, Z. Huang, and Y. Jia, “Optimization of Clustering and Trajectory for Minimizing Age of Information in Unmanned Aerial Vehicle-Assisted Mobile Edge Computing Network,” Sensors, vol. 24, no. 6, p. 1742, Mar. 2024, doi: 10.3390/s24061742.
  • M. Abdel-Basset, R. Mohamed, D. El-Shahat, K. M. Sallam, I. M. Hezam, and N. M. AbdelAziz, “Energy-efficient trajectory optimization algorithm based on K-medoids clustering and gradient-based optimizer for multi-UAV-assisted mobile edge computing systems,” Sustainable Computing: Informatics and Systems, vol. 44, p. 101045, Dec. 2024, doi: 10.1016/j.suscom.2024.101045.
  • X. Fu, C. Deng, and A. Guerrieri, “Low-AoI data collection in integrated UAV-UGV-assisted IoT systems based on deep reinforcement learning,” Computer Networks, vol. 259, p. 111044, Mar. 2025, doi: 10.1016/j.comnet.2025.111044.
  • W. Yuan et al., “Hierarchical Reinforcement Learning based Joint Trajectory Planning and Resource Allocation in UAV-assisted IoT-Sensor Networks,” IEEE Transactions on Communications, pp. 1–1, 2025, doi: 10.1109/TCOMM.2025.3618699.
  • M. Ma, Z. Wang, S. Guo, and H. Lu, “Cloud–Edge Framework for AoI-Efficient Data Processing in Multi-UAV-Assisted Sensor Networks,” IEEE Internet Things J, vol. 11, no. 14, pp. 25251–25267, Jul. 2024, doi: 10.1109/JIOT.2024.3392244.
  • B. Zhu, E. Bedeer, H. H. Nguyen, R. Barton, and Z. Gao, “UAV Trajectory Planning for AoI-Minimal Data Collection in UAV-Aided IoT Networks by Transformer,” IEEE Trans Wirel Commun, vol. 22, no. 2, pp. 1343–1358, Feb. 2023, doi: 10.1109/TWC.2022.3204438.
  • M. Kang and S.-W. Jeon, “Energy-Efficient Data Aggregation and Collection for Multi-UAV-Enabled IoT Networks,” IEEE Wireless Communications Letters, vol. 13, no. 4, pp. 1004–1008, Apr. 2024, doi: 10.1109/LWC.2024.3355934.
  • S. Alfattani, W. Jaafar, H. Yanikomeroglu, and A. Yongacoglu, “Multi-UAV Data Collection Framework for Wireless Sensor Networks,” in 2019 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), IEEE, Dec. 2019, pp. 1–6. doi: 10.1109/GLOBECOM38437.2019.9014306.
  • X. Gao, X. Zhu, and L. Zhai, “AoI-Sensitive Data Collection in Multi-UAV-Assisted Wireless Sensor Networks,” IEEE Trans Wirel Commun, vol. 22, no. 8, pp. 5185–5197, Aug. 2023, doi: 10.1109/TWC.2022.3232366.
  • N. Tekin, “Age of Information minimization for secure data collection in multi UAV-assisted IoT applications,” Internet of Things, vol. 33, p. 101672, Sep. 2025, doi: 10.1016/j.iot.2025.101672.
  • Y. Zeng, J. Xu, and R. Zhang, “Energy Minimization for Wireless Communication With Rotary-Wing UAV,” IEEE Trans Wirel Commun, vol. 18, no. 4, pp. 2329–2345, Apr. 2019, doi: 10.1109/TWC.2019.2902559.
  • J. B. McQueen, “Some methods for classification and analysis of multivariate observations,” in Proc. 5th Berkeley Symp. Math. Statist. Probab., 1967, pp. 281–297.
  • L. N. de Castro and F. J. Von Zuben, “Learning and optimization using the clonal selection principle,” IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 6, no. 3, pp. 239–251, Jun. 2002, doi: 10.1109/TEVC.2002.1011539.
  • B. K. Dedeturk and B. Akay, “A parallel hybrid approach integrating clonal selection with artificial bee colony for logistic regression in spam email detection,” Neural Comput Appl, vol. 37, no. 27, pp. 22401–22419, Sep. 2025, doi: 10.1007/s00521-024-10505-7.
Toplam 21 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil İngilizce
Konular Ağ Oluşturma ve İletişim, Dağıtılmış Sistemler ve Algoritmalar, Eşzamanlı / Paralel Sistemler ve Teknolojiler, Siberfizik Sistemleri ve Nesnelerin İnterneti
Bölüm Araştırma Makalesi
Yazarlar

Bilge Kagan Dedeturk 0000-0002-8026-5003

Nazlı Tekın 0000-0002-4275-8544

Proje Numarası TÜBİTAK 3501 (124E544)
Gönderilme Tarihi 12 Kasım 2025
Kabul Tarihi 18 Aralık 2025
Yayımlanma Tarihi 31 Aralık 2025
DOI https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1822011
IZ https://izlik.org/JA58JE36YU
Yayımlandığı Sayı Yıl 2025 Cilt: 41 Sayı: 3

Kaynak Göster

APA Dedeturk, B. K., & Tekın, N. (2025). Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, 41(3), 973-984. https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1822011
AMA 1.Dedeturk BK, Tekın N. Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 2025;41(3):973-984. doi:10.65520/erciyesfen.1822011
Chicago Dedeturk, Bilge Kagan, ve Nazlı Tekın. 2025. “Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 41 (3): 973-84. https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1822011.
EndNote Dedeturk BK, Tekın N (01 Aralık 2025) Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 41 3 973–984.
IEEE [1]B. K. Dedeturk ve N. Tekın, “Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks”, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, c. 41, sy 3, ss. 973–984, Ara. 2025, doi: 10.65520/erciyesfen.1822011.
ISNAD Dedeturk, Bilge Kagan - Tekın, Nazlı. “Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 41/3 (01 Aralık 2025): 973-984. https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1822011.
JAMA 1.Dedeturk BK, Tekın N. Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 2025;41:973–984.
MLA Dedeturk, Bilge Kagan, ve Nazlı Tekın. “Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, c. 41, sy 3, Aralık 2025, ss. 973-84, doi:10.65520/erciyesfen.1822011.
Vancouver 1.Dedeturk BK, Tekın N. Cluster-Based Age of Information Minimization in UAV-Assisted IoT Networks. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi [Internet]. 01 Aralık 2025;41(3):973-84. Erişim adresi: https://izlik.org/JA58JE36YU

✯ Etik kurul izni gerektiren, tüm bilim dallarında yapılan araştırmalar için etik kurul onayı alınmış olmalı, bu onay makalede belirtilmeli ve belgelendirilmelidir.
✯ Etik kurul izni gerektiren araştırmalarda, izinle ilgili bilgilere (kurul adı, tarih ve sayı no) yöntem bölümünde, ayrıca makalenin ilk/son sayfalarından birinde; olgu sunumlarında, bilgilendirilmiş gönüllü olur/onam formunun imzalatıldığına dair bilgiye makalede yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, makalelerde Araştırma ve Yayın Etiğine uyulduğuna dair ifadeye yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, hakem, yazar ve editör için ayrı başlıklar altında etik kurallarla ilgili bilgi verilmelidir.
✯ Dergide ve/veya web sayfasında, ulusal ve uluslararası standartlara atıf yaparak, dergide ve/veya web sayfasında etik ilkeler ayrı başlık altında belirtilmelidir. Örneğin; dergilere gönderilen bilimsel yazılarda, ICMJE (International Committee of Medical Journal Editors) tavsiyeleri ile COPE (Committee on Publication Ethics)’un Editör ve Yazarlar için Uluslararası Standartları dikkate alınmalıdır.
✯ Kullanılan fikir ve sanat eserleri için telif hakları düzenlemelerine riayet edilmesi gerekmektedir.