Internet of Things (IoT) is a recent paradigm, rapidly gaining traction across a variety of disciplines, including but not limited to communications, electronics, computer engineering and social sciences. In its fundamentals, IoT provides a link between cyber and physical world by connecting devices over the Internet. Recent advances in hardware systems, signal processing and wireless communications have made it possible to manufacture low cost, low complexity wireless communicatingthings; which are the key to full scale adoption of the IoT paradigm. On the other hand, with the recent progress in nanotechnology, things are also quickly moving into to microscales and nanoscales. As the offspring of nanotechnology, nanomachines are strong candidates for realization of Internet of Bio-Nano Things (IoBNT).Full realization of IoT and IoBNT, however, will require surmounting of additional challenges. One of the upcoming difficulties is spectrum scarcity, which is a result of the inefficiency of the fixed spectrum assignment paradigm. Additionally, most of the communicating entities are traditionally batter-powered and run out of batteries at fairly random instants after their deployment, which makes battery replenishments an unfeasible operation. With the scale game, rising need for self-sustainability and coordination is a clear reality. Whilst IoBNT opens doors for advanced applications such as nanoscale sensing and intelligent drug delivery, they depend on nanomachines with scarce processing, memory, and networking capabilities. There is clearly a need for energy and medium-efficient nanonetworking techniques, that would help nanomachines carry out more complex tasks, towards the IoBNT vision.To that end, in this thesis, we focus on energy and spectrum-efficient communication techniques for next-generation networks that are likely to constitute the backbones of IoT and IoBNT. We address key challenges brought by IoT and IoBNT applications, and solutions provided by next-generation networks and techniques thereof in two main parts:In Part I, we consider next-generation ad hoc networks, which are enhanced with energy and spectrum-efficient communication techniques to satisfy demanding future IoT functions. More specifically, architectures and techniques in Cognitive Radio Ad Hoc Networks (CRAHN) and Cognitive Radio Sensor Networks (CRSN) are studied to optimize performance in critical metrics such as sensing coverage, connectivity, spectrum- and energy-efficient communication duration and goodput-meters-per-Joule toward the fusion center. For future IoT applications in which demanding data rates cannot be achieved with today's traditional spectrum, a self-organizing capacity optimization procedure for low THZ band is developed. Lastly, a novel electric-field base energy harvesting method is proposed, tested and studied in detail to enable self-sustaining networks for real-life IoT applications.In Part II, we consider architectures that will help realization of nanonetworks, composed of nanomachines. Different communication types, namely; acoustic, electromagnetic, nanomechanical and molecular communications could be viable alternatives nanonetworking. However, acoustic and electromagnetic communications require entities that can carry out acoustic or electromagnetic operations at nanoscale. On the other hand, nanomechanical communications require direct contact between communicating parties and is not suitable for distant applications. In this context, wefocused on Molecular Communications (MC) in this thesis, as it is a viable method for nanonetworking, backed by the fact that similar mechanisms are already present in many living organisms and environments. We extensively review in detail the existing modulation schemes in MC, and propose a novel messenger-based modulation scheme to increase channel performance in terms of achievable channel capacity without the need for synchronization.

Nesnelerin İnterneti (Nİ), son dönemde haberleşme, elektronik, bilgisayar mühendisliği ve sosyal bilimler de dahil olmak üzere birçok alanda ivme kazanmış, yeni bir paradigmadır. Temelde Nİ, nesneleri çevrimiçi hale getirerek, siber ve fiziksel dünyalar arasında bir bağlantı sağlamaktadır. Elektronik donanımlar, sinyal işleme ve kablosuz haberleşme alanlarındaki son dönemdeki gelişmeler, düşük maliyetli ve düşük karmaşılığa sahip kablosuz haberleşebilen nesnelerin üretimine olanak sağlamıştır Bu durum, Nİ paradigmasının geniş çapta benimsenmesinde anahtar rol oynamaktadır. Öte yandan, nanoteknolojideki son gelişmelerle birlikte, nesneler hızla mikro ve hatta nano ölçeğe doğru inmektedirler. Nanoteknoloji ürünü olan nanomakinalar, Biyo Nano Nesnelerin İnterneti (BNNİ) paradigmasının gerçeklenmesi için en önemli adaylardır.Fakat, Nİ ve BNNİ'nin geniş çapta gerçeklenmesi için, bir takım ilave zorlukların üstesinden gelinmelidir. Baş göstermekte olan zorluklardan biri tayf kıtlığıdır, ve bu kıtlık günümüzde nesnelere verimsiz şekilde sabit tayf atama yaklaşımından kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, nesnelerin birçoğu geleneksel olarak bataryalardan güç almaktadır, ve konuşlanmaları sonrasında nesnelerin oldukça farklı zamanlarda enerji depoları tükenmektedir. Bu durum, günümüzde nesnelerin yoğun konuşlanması da göz önünde bulundurulduğunda, batarya değişimini de olanaksız kılmaktadır.Büyüyen ağ ölçekleri sebebiyle, kendini idame ettiren ve koordine eden ağlara ve tekniklere ihtiyacın arttığı da bir gerçektir. Öte yandan, BNNİ, nano-ölçekte algılama ve akıllı ilaç taşıma uygulamalarını mümkün kılsa da, çoğunlukla kısıtlı işleme, hafıza ve haberleşme yeteneklerine sahip nanomakinalara bağlı kalmaktadır. Dolayısıyla, BNNİ vizyonunun başarılması adına, nanomakinaların daha zorlu görevleri yerine getirmesini sağlayabilecek enerji ve ortam-verimli nano-ağ oluşturma tekniklerine ihtiyaç duyulduğu aşikardır.Bu bağlamda, bu tezde, gelecekteki Nİ ve BNNİ sistemlerinin belkemiği olması beklenen gelecek nesil ağlar için, enerji ve tayf-verimli haberleşme teknikleri geliştirilmesine odaklanılmıştır. Gelecek Nİ ve BNNİ uygulamarının getirdiği zorluklara, bunlara gelecek nesil haberleşme ağlarının nasıl cevap verebileceğine ve ne gibi teknikleri kullanabileceklerine, iki bölümde değinilmektedir:İlk bölümde, gelecek-nesil tasarsız ağlar üzerine yoğunlaşılmış, bu ağların Nİ uygulama gereksinimlerine cevap verebilmesi adına enerji ve tayf-verimli teknikler geliştirilmiştir. Bilişsel Radyolu Tasarsız Ağlar (BRTA) ve Bilişsel Radyolu Algılayıcı Ağlar (BRAA) üzerine yoğunlaşılarak, bu ağlarda algılama kapsama alanı, bağlanırlık, enerji ve tayf-verimli iletişim süresi uzunluğu ve harcanan Joule başına başarılan veri teslimi ve katedilen yol gibi performans göstergeleri eniyilenmiştir. Günümüz geleneksel tayfı kullanılarak erişilmesi mümkün görünmeyen seviyelerde veri hızı talebi olabilecek Nİ uygulamaları için; düşük THz bandını kullanan, kendini örgütleyebilen ve kapasiteyi eniyilen bir prosedür geliştirilmiştir. Son olarak, Nİ uygulamalarında ağların kendini idame ettirebilmesi adına elektrik alan bazlı yenilikçi bir enerji hasadı metodu önerilmiş, test edilmiş ve performansı ortaya konmuştur.İkinci bölümde, nanomakinalardan oluşan nanoağların gerçeklenmesine yardımcı olacak mimariler üzerine yoğunlaşılmıştır. Buna göre, nanoağların gerçeklenmesi için; akustik, elektromanyetik, nanomekanik ve moleküler olmak üzere dört tür haberleşme yöntemi izlenebilir. Fakat nano ölçekte akustik veya elektromanyetik operasyonları yürütebilecek nesneler henüz geliştirilmemiştir. Öte yandan nanomekanik haberleşme, iletişim kurmak isteyen nesneler arasında direk fiziksel teması zorunlu kılmaktadır; dolayısıyla uzak uygulamalar için uygun değildir. Bu nedenle, bu bölümde nanoağlar için Moleküler Haberleşme (MH) seçeneği üzerinde durulmuştur. MH benzeri haberleşme mekanizmaları, doğada canlı birçok organizma tarafından hali hazırda da kullanılmaktadır. Bu tezde, MH için mevcut tüm kipleme yöntemleri detaylı şekilde araştırılmış ve karşılaştırılmıştır. Bunun sonucunda, MH için senkronizasyon gerektirmeyen ve moleküler kanalın kullanımı başına yüksek kapasiteler sağlayabilen bir kipleme yöntemi geliştirilmiştir.