- / -

- / -

- / -

- / -

- / -

Στην εν λόγω εργασία, έγινε μια προσπάθεια καταγραφής του τεχνολογικού τοπίου της τηλεπικοινωνιακής αγοράς, με έμφαση την διαλειτουργικότητα μεταξύ των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και των Ασύρματων Δικτύων Δεδομένων και των σχετικών αλλαγών που έχει επιφέρει αυτή η διαλειτουργικότητα, τόσο στις παρεχόμενες υπηρεσίες, όσο και στα εφαρμοζόμενα επιχειρηματικά μοντέλα από πλευράς εταιρειών της συγκεκριμένης αγοράς. Στα πλαίσια αυτής της προσπάθειας, χρειάστηκε να πραγματοποιηθεί μια λεπτομερής καταγραφή των τεχνολογικών εξελίξεων, σε επίπεδο τεχνικών προδιαγραφών και προτύπων, στις παραπάνω δύο κατηγορίες δικτύων, ώστε να καταλήξουμε σε εκείνα τα πρότυπα που πλέον μπορούν να οδηγήσουν στην υλοποίηση δικτύων τα οποία θα χαρακτηρίζονται από τα παρακάτω: • θα είναι ενοποιημένα ώστε οι διαφορετικές τεχνολογικές πλατφόρμες των εταιρειών να λειτουργούν απρόσκοπτα, • θα χαρακτηρίζονται από χαμηλό κόστος, • ο τελικός χρήστης θα μπορεί να είναι συνεχώς συνδεδεμένος με κάποιο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης και να απολαμβάνει τις υπηρεσίες που επιθυμεί, οποτεδήποτε και οπουδήποτε. Η δομή της διπλωματικής εργασίας ακολουθεί τον προαναφερθέντα τρόπο σκέψης. Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του στόχου σε επίπεδο τεχνολογιών αλλά και υπηρεσιών, δηλαδή των αναμενόμενων αποτελεσμάτων αυτών των δικτύων νέας γενιάς, στα οποία έχουμε συνηθίσει να αναφερόμαστε ως δίκτυα 4G (4th Generation) ή δίκτυα B3G (Beyond 3G) ή τέλος ως All – IP ασύρματα δίκτυα. Στο 2ο Κεφάλαιο, γίνεται μια λεπτομερής παρουσίαση των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας από τις πρώτες τους εκδοχές (1G) έως τις πλέον σύγχρονες (3.5G) που έχουν εμφανιστεί μέχρι σήμερα. Αναλύονται τόσο οι γενιές των δικτύων όσο και τα χρησιμοποιούμενα πρότυπα, σε επίπεδο αρχιτεκτονικής όσο και σε επίπεδο πρωτοκόλλων. Στη συνέχεια του κεφαλαίου υπάρχει η τεχνική περιγραφή των επικρατέστερων δικτύων κινητής τηλεφωνίας, σήμερα, δηλαδή των GSM, GPRS και UMTS, ενώ στο τέλος του κεφαλαίου υπάρχει μια σύντομη περιγραφή της διαδικασίας intersystem handover μεταξύ των GSM και UMTS. Στο 3ο Κεφάλαιο, περνάμε πλέον στα Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων. Γίνεται μια εκτενής περιγραφή των προτύπων που έχουν καθοριστεί και συγκεκριμένα στα πρότυπα IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) με κυριότερους εκφραστές τα δίκτυα βασιζόμενα σε Bluetooth και IrDA, το πρότυπο IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) με σημαντικότερος εκπροσώπους τα WiFi και HyperLan/2, το πρότυπο IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) ή αλλιώς γνωστότερο ως WiMAX και τέλος το πρότυπο IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) ή διαφορετικά Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) το οποίο είναι υπό διερεύνηση ακόμα και φιλοδοξεί να αποτελέσει το ασύρματο ανάλογο της τεχνολογίας xDSL, καθώς θα προσφέρει ασύρματες ευρυζωνικές υπηρεσίες. Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται μεθοδολογίες υλοποίησης του integration μεταξύ δικτύων των δύο κατηγοριών και συγκεκριμένα παραδείγματα διαλειτουργικότητας, όπως μεταξύ GPRS ή UMTS και WLANs ή μεταξύ UMTS και WiMAX. Γίνεται εκτενής συζήτηση γύρω από τα προβλήματα που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν, όπως η εξασφάλιση ανεκτού επιπέδου QoS, οι μηχανισμοί για handover μεταξύ των δικτύων, η διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών και των τερματικών και δίνονται παραδείγματα δημιουργίας ενοποιημένων δικτύων, τόσο με τη τεχνική της χαλαρής όσο και με την τεχνική της ισχυρής ζεύξης. Στο τελευταίο τμήμα του Κεφαλαίου, γίνεται μια εκτενής αναφορά στις αρχιτεκτονικές διασύνδεσης ετερογενών δικτύων με IP δίκτυα κορμού, τα γνωστά All – IP networks. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στους μηχανισμούς πραγματοποίησης των handovers βάσει πολιτικών (policy based) και η χρήση τεχνικών για micromobility και macromobility σε σχέση με την κινητικότητα των τερματικών. Το 5ο Κεφάλαιο αφορά τις εφαρμογές και υλοποιήσεις ασυρμάτων δικτύων δεδομένων στον Ελληνικό χώρο, στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Κοινωνία της Πληροφορίας» και πιο συγκεκριμένα τα «Εξοπλισμός και δικτύωση σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης», «Ασύρματα Ευρυζωνικά Δίκτυα ΟΤΑ»και «Μητροπολιτικά Ευρυζωνικά Δίκτυα Οπτικών Ινών ΟΤΑ» και ουσιαστικά αποτελούν παραδείγματα και υλοποιήσεις διασύνδεσης WiFi, WiMAX και IP backbone δικτύων όπως το ΣΥΖΕΥΞΙΣ με δυνατότητες για παροχή VoIP. / In this thesis, an effort of presenting the technological landscape of the telecommunication market takes place, with focus on the interoperability between the Mobile Telephony Networks and the Wireless Data Networks and the relative changes that have evolved through this interoperability, both regarding the provided services and the applied business models by the enterprises of the specific market. Within the frames of this effort, a detailed recording of technological developments is realised, in terms of technical specifications and standards, in the two aforementioned categories of networks, so as to conclude to those standards that are utilized by the next generation networks (4G) which will be: • Networks that will be unified so as the different technological platforms will function smoothly. • Networks that will be characterized by low cost of deployment. • The end user will be continuously connected with a wireless access network, enjoying the preferred services anywhere and anytime. The master thesis structure follows the aforementioned methodology. The 1st Chapter includes a short presentation of expected results, both in terms of technologies and services for next generation networks, which we usually refer to as 4G networks (4th Generation) or B3G networks (Beyond 3G) or finally as All - IP wireless networks (AIPN). In the 2nd Chapter, a detailed presentation of Mobile Telephony Networks takes place, from their first versions (1G) until the most modern (3.5G) that have been presented up to today. The analysis includes both the various generations of networks and the used standards, in terms of modulation and multiplexing techniques. The rest of the chapter focuses on the technical description of the prevailing networks, GSM, GPRS and UMTS, while the chapter ends with a short description of intersystem handover processes between GSM and UMTS. Τhe 3rd Chapter, includes an extensive description of the Wireless Data Networks standards such as: IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) with main representatives networks based on Bluetooth and IrDA, standard IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) mainly represented by WiFi and HyperLan/2, IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) standard, widely known as WiMax and finally the IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) standard, namely Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) that is still under development and aspires to constitutes the wireless version of the xDSL technology, since it aims to provide wireless broadband services. In the 4th Chapter methodologies for integrating the two types of networks, are presented along with examples of interoperability between GPRS / UMTS and WLANs or between UMTS and WiMAX. Extensive discussion around the problems that should be faced, as the guarantee of bearable QoS level, the mechanisms for handover between the networks and the management of mobility of users and terminals, is held. Moreover, examples of integrated networks with both loose and tight coupling methodologies are presented. The last section of the chapter concerns a detailed description of architectures for interconnecting heterogeneous wireless networks over IP – based backhaul networks, namely All – IP networks, with special focus on policy based handover mechanisms and techniques for managing micromobility and macromobility issues. The 5th Chapter concerns the changes taking place in the telecommunications market deriving from the technological progress in the subject of heterogeneous wireless networks interconnection. New service packets are created, as a result of new business plans that are drawn up by the big telecommunications organizations. Finally, we present the developments in the Greek market and subsidised projects from Information Society AE, via which wireless networks have been materialised, with aim to promote Broadband Services.

Long Term Evolution (LTE) είναι το όνομα που έδωσε το 3GPP στο πρόγραμμα εξέλιξης των κινητών συστημάτων επικοινωνιών τρίτης γενιάς UMTS, με στόχο την αντιμετώπιση των μελλοντικών απαιτήσεων της αγοράς των κινητών δικτύων. Βασικοί στόχοι του νέου προτύπου LTE αποτελούν η αυξημένη απόδοση, το μικρότερο κόστος υλοποίησης, η μείωση της πολυπλοκότητας λειτουργίας και η παροχή νέων εξελιγμένων υπηρεσιών, κάνοντας χρήση νέων φασμάτων λειτουργίας. Οι προσδοκίες από το LTE είναι ιδιαίτερα υψηλές και βασίζονται στην παροχή υπηρεσιών απαλλαγμένων από τις απώλειες. Συνεπώς, η επιτυχία του LTE θα καθοριστεί από την ικανότητα παροχής κινητών συσκευών και ασύρματης υποδομής που θα ανταποκρίνονται στα πρότυπα του 3GPP και θα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στις απώλειες της ασύρματης μετάδοσης, ώστε να προσφέρονται βελτιωμένες υπηρεσίες υψηλής απόδοσης. Μία βασική πτυχή των προδιαγραφών του συστήματος LTE είναι η ενίσχυση της υπηρεσίας Multimedia Broadcast/Multicast Services, όπου το ίδιο περιεχόμενο μεταδίδεται σε πολλαπλούς χρήστες που βρίσκονται σε μία συγκεκριμένη περιοχή μετάδοσης της υπηρεσίας. Η υπηρεσία MBMS πρωτοπαρουσιάστηκε σαν ένα νέο χαρακτηριστικό στην έκδοση 6 του 3GPP, ώστε να προσφέρει broadcast και multicast μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε κινητούς χρήστες μέσω MBMS ασύρματων φορέων μετάδοσης. Η υπηρεσία MBMS παρέχει δύο διαφορετικές μεθόδους διανομής περιεχομένου, τη μέθοδο download και τη μέθοδο streaming. Για να υποστηρίξει την αποδοτική διανομή MBMS περιεχομένου, το 3GPP συμπεριέλαβε ένα μηχανισμό Forward Error Correction στο επίπεδο εφαρμογών (AL-FEC). Το FEC είναι μία μέθοδος που προσφέρει έλεγχο λαθών κατά τη μετάδοση δεδομένων, η οποία χρησιμοποιείται για να υποστηρίξει ή να αντικαταστήσει άλλες μεθόδους παροχής αξιοπιστίας. Στο FEC, ο αποστολέας εισάγει πλεονάζουσα πληροφορία στη μετάδοση δεδομένων. Αυτή η πληροφορία επιτρέπει στο δέκτη να ανακατασκευάσει τα αρχικά δεδομένα. Τέτοια σχήματα αναπόφευκτα προσθέτουν ένα σταθερό overhead στα μεταδιδόμενα δεδομένα με αποτέλεσμα να είναι υπολογιστικά ακριβά. Παρόλα αυτά στα multicast πρωτόκολλα, η χρήση FEC τεχνικών προσφέρει πολύ ισχυρά κίνητρα. Η κωδικοποίηση μπορεί να εξαλείψει τις ανεξάρτητες απώλειες στους διαφορετικούς δέκτες. Επιπρόσθετα, η δραματική μείωση του ρυθμού απώλειας πακέτων μειώνει κατά ένα μεγάλο μέρος την ανάγκη επαναποστολής των χαμένων πακέτων από τον αποστολέα. Επομένως, οι FEC τεχνικές είναι πολύ εύκολο να εκπληρώσουν έναν πρωταρχικό σκοπό των multicast κινητών υπηρεσιών, που είναι η προσαρμοστικότητα σε εφαρμογές με μεγάλο αριθμό δεκτών. Αυτός είναι ο λόγος που το 3GPP συνιστά τη χρήση του AL-FEC για την υπηρεσία MBMS και πιο συγκεκριμένα, υιοθετεί τη χρήση των συστηματικών κωδίκων Raptor. Λαμβάνοντας υπόψιν τα παραπάνω, στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της απόδοσης του AL-FEC πάνω σε υπηρεσίες MBMS, εστιάζοντας στην υπηρεσία της streaming μεθόδου παράδοσης δεδομένων. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα εργασία μελετάμε την εφαρμογή του μηχανισμού AL-FEC πάνω σε multicast streaming υπηρεσίες των LTE, διερευνώντας πως το ποσό της πλεονάζουσας πληροφορίας ποικίλλει σε πολλαπλούς χρήστες χρησιμοποιώντας ρεαλιστικά περιβάλλοντα προσομοίωσης. Επίσης, εξετάζουμε την απόδοση του AL-FEC για διάφορες διατάξεις του δικτύου ασύρματης πρόσβασης, διάφορα μοντέλα κινητικότητας των χρηστών καθώς και διάφορες παραμέτρους της FEC κωδικοποίησης. / Long Term Evolution (LTE) is the name given to a project within the Third Generation Partnership Project (3GPP) to improve the UMTS 3G mobile system standard to cope with future requirements. Goals include improving efficiency, lowering cost, reducing complexity and improving services, making use of new spectrum opportunities. Expectations are high for LTE and are based on the premise of fault-free performance. Therefore, LTE’s initial success will be determined by the ability of handset and radio infrastructure manufacturers to deliver products that conform to 3GPP standards and are robust enough to allow operators to introduce improved services. A key aspect of LTE specifications is the enhancement of Multimedia Broadcast/Multicast Services (MBMS), where the same content is transmitted to multiple users located in a specific service area. MBMS was firstly standardized as a new feature in 3GPP Release 6, in order to broadcast and multicast multimedia content to mobile terminals via MBMS radio bearer. The MBMS provides two different delivery methods, the download delivery and the streaming delivery method. To support efficient download and streaming delivery, 3GPP has included Application Layer Forward Error Correction (AL-FEC) in the MBMS standard. FEC is a method for error control for data transmission that is used to augment or replace other reliability methods. In FEC, the sender introduces redundant information in the data transmitted. This information allows the receiver to reconstruct the source data. Such schemes inevitably add a constant overhead in the transmitted data and are computationally expensive. In multicast protocols however, the use of FEC techniques has very strong motivations. The encoding eliminates the effect of independent losses at different receivers. This makes these schemes able to scale irrespectively of the actual loss pattern at each receiver. Additionally, the dramatic reduction in the packet loss rate largely reduces the need for retransmission of lost data from the sender. FEC schemes are therefore so simple as to meet a prime objective for mobile multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. This is the reason why 3GPP recommends the use of AL-FEC for MBMS and, more specifically, adopts the use of systematic Raptor code. After taking into account the above analysis, objective of this master thesis is the study of AL-FEC in MBMS, focusing on the streaming delivery method. To this direction, in this work we study the application of AL-FEC for the streaming delivery method over LTE networks. We investigate how the amount of FEC overhead varies at multiple receivers using realistic simulation scenarios and we investigate the performance of AL-FEC overhead considering different cell deployments, user mobility models and FEC encoding parameters.

Τη σημερινή εποχή γινόμαστε καθημερινά μάρτυρες μίας ταχέως αναπτυσσόμενης αγοράς, που δεν είναι άλλη από αυτή των κινητών πολυμεσικών εφαρμογών, όπως του Mobile TV και του Mobile Streaming. Υπηρεσίες όπως αυτές έχουν ή αναμένεται να έχουν υψηλή διείσδυση στη βιομηχανία της κινητής πολυμεσικής επικοινωνίας. Για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις αυτών των υπηρεσιών για υψηλές ταχύτητες μετάδοσης, ο οργανισμός 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ανέπτυξε το Long Term Evolution Advanced (LTE-A), μία τεχνολογία η οποία αποτελεί την εξέλιξη των κινητών τηλεπικοινωνιακών τεχνολογιών 3ης γενιάς. Το LTE-A χρησιμοποιεί την τεχνολογία Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). Η συγκεκριμένη τεχνολογία μπορεί να προσφέρει νέες υψηλής χωρητικότητας ευρυζωνικές εφαρμογές και υπηρεσίες, ενώ παρέχει αποτελεσματική, από πλευράς κόστους, καθολική κάλυψη. Επιπλέον, ο οργανισμός 3GPP εισήγαγε την τεχνολογία Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS), ως μέσο πανεκπομπής και πολυεκπομπής πληροφοριών στους χρήστες κινητών, με το Mobile TV να είναι η κύρια υπηρεσία που παρέχεται. Η υποδομή του LTE-A προσφέρει στο MBMS την επιλογή να χρησιμοποιήσει ένα uplink κανάλι για την αλληλεπίδραση μεταξύ της υπηρεσίας και του χρήστη, η οποία στα συνήθη δίκτυα πανεκπομπής δεν είναι απλό θέμα. Στο πλαίσιο των LTE-A συστημάτων, το MBMS έχει εξελιχθεί σε e-MBMS (το "e-" αντιστοιχεί στη λέξη evolved, δηλαδή εξελιγμένο). Αυτό θα επιτευχθεί μέσα από την αυξημένη απόδοση της ασύρματης διεπαφής που περιλαμβάνει μία νέα τεχνολογία μετάδοσης που ονομάζεται MBMS over Single Frequency Network (MBSFN). Κατά τη λειτουργία του MBSFN, τα MBMS δεδομένα μεταδίδονται ταυτόχρονα μέσω του αέρα από πολλαπλά κελιά τα οποία είναι αυστηρά χρονο-συγχρονισμένα. Το σύνολο των κελιών που λαμβάνουν αυτά τα δεδομένα, καλείται MBSFN περιοχή. Δεδομένου ότι οι MBSFN μεταδόσεις ενισχύουν σημαντικά το λόγο σήματος προς παρεμβολή και θόρυβο, μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές βελτιώσεις στη φασματική απόδοση σε σύγκριση με την πολυεκπομπή μέσω των συστημάτων 3ης γενιάς. Αυτό είναι εξαιρετικά επωφελές στα όρια των κελιών, όπου οι μεταδόσεις (που στα συστήματα 3ης γενιάς, όπως το Universal Mobile Telecommunications System - UMTS, θεωρούνται ως παρεμβολή) μεταφράζονται σε χρήσιμη ενέργεια σήματος και ως εκ τούτου η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος είναι αυξημένη, ενώ την ίδια στιγμή η ισχύς παρεμβολής μειώνεται σε μεγάλο βαθμό. Για να αξιοποιηθούν πλήρως τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας MBSFN και να βελτιωθεί η φασματική απόδοση, θα πρέπει να επιλεχθεί με προσοχή το σχήμα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης για τη μετάδοση των δεδομένων. Η σχέση μεταξύ της απόδοσης του MBSFN και της επιλογής του σχήματος διαμόρφωσης και κωδικοποίησης έχει μελετηθεί διεξοδικά σε προηγούμενες ερευνητικές εργασίες. Ωστόσο οι περισσότερες (αν όχι όλες) από τις εργασίες αυτές επικεντρώνονται μόνο στην πλευρά των χρηστών και ως εκ τούτου δεν μπορούν να θεωρηθούν πλήρεις. Μερικές φορές ο στόχος του παρόχου μπορεί να είναι η μεγιστοποίηση της φασματικής απόδοσης σε όλους τους χρήστες της τοπολογίας ή η παροχή της υπηρεσίας σε όλους τους χρήστες ανεξάρτητα από τις συνθήκες που βιώνουν. Επίσης, οι περισσότερες από αυτές τις εργασίες καθορίζουν το σχήμα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης κατά τις MBSFN μεταδόσεις εξετάζοντας μόνο την περίπτωση της μετάδοσης από ένα πομπό σε ένα δέκτη και δεν εξετάζουν τα οφέλη που μπορούν να προσφέρουν οι τεχνικές Multiple Input Multiple Output (MIMO) στη συνολική απόδοση του συστήματος. Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι να επεκτείνει τις προηγούμενες ερευνητικές εργασίες και, επιπλέον, να προτείνει μια λύση στο πρόβλημα της επιλογής του σχήματος διαμόρφωσης και κωδικοποίησης. Προς την κατεύθυνση αυτή, αναλύουμε πρώτα μία διαδικασία τριών βημάτων η οποία επιλέγει το σχήμα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης και υπολογίζει τη φασματική απόδοση στην περίπτωση ενός μόνο χρήστη. Στη συνέχεια, ακολουθεί η γενίκευση της υπόθεσης ενός χρήστη και προτείνονται τρεις προσεγγίσεις που επιλέγουν το σχήμα κωδικοποίησης για την μετάδοση των MBSFN δεδομένων σε σενάρια πολλαπλών χρηστών. Οι προσεγγίσεις αξιολογούνται για τρεις διαφορετικούς τρόπους μετάδοσης, έτσι ώστε να εξεταστεί η επίδραση των τεχνικών MIMO στην επιλογή σχήματος διαμόρφωσης για διαφορετικές κατανομές χρηστών. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης δείχνουν ότι, ανάλογα με το στόχο που έχει θέσει ο πάροχος (π.χ. μεγιστοποίηση της φασματικής απόδοσης ή επίτευξη μίας συγκεκριμένης τιμής φασματικής απόδοσης) κάθε προσέγγιση θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιωμένη απόδοση. / Today we are witnesses of a rapidly increasing market for mobile multimedia applications, such as Mobile TV and Mobile Streaming. Services like these have or are expected to have high penetration in the mobile multimedia communications industry. In order to confront such high requirements for services that demand higher data rates, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) developed the Long Term Evolution Advanced (LTE-A) technology which constitutes the evolution of the 3rd Generation (3G) mobile telecommunications technologies. LTE-A utilizes Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). This radio technology is optimized to enhance networks by enabling new high capacity mobile broadband applications and services, while providing cost efficient ubiquitous mobile coverage. In addition, 3GPP has introduced the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) as a means to broadcast and multicast information to mobile users, with Mobile TV being the main service offered. LTE-A infrastructure offers to MBMS an option to use an uplink channel for interaction between the service and the user, which is not a straightforward issue in usual broadcast networks. In the context of LTE-A systems, the MBMS will evolve into e-MBMS (“e-” stands for evolved). This will be achieved through the increased performance of the air interface that will include a new transmission scheme called MBMS over Single Frequency Network (MBSFN). In MBSFN operation, MBMS data are transmitted simultaneously over the air from multiple tightly time-synchronized cells. A group of those cells, which are targeted to receive these data, is called MBSFN area. Since the MBSFN transmission greatly enhances the Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR), the MBSFN transmission mode leads to significant improvements in Spectral Efficiency (SE) in comparison to multicasting over 3G systems. This is extremely beneficial at the cell edge, where transmissions (which in 3G systems, like Universal Mobile Telecommunications System - UMTS, are considered as inter-cell interference) are translated into useful signal energy and hence the received signal strength is increased, while at the same time the interference power is largely reduced. In order to fully exploit the benefits of MBSFN and to improve its performance in terms of SE, the Modulation and Coding Scheme (MCS) for the transmission of the data should be carefully selected. The relationship between MBSFN performance and MCS selection has been thoroughly studied in previous research works; however most (if not all) of these works focus only on the users’ side and therefore may not be sufficient. Sometimes the operator’s goal may be the maximization of the SE over all users of the topology or the provision of the service to all the users irrespectively of the conditions that they experience. In addition, most of these works determine the MCS scheme for MBSFN considering only the case of single antenna transmissions and they do not examine the benefits that Multiple Input Multiple Output (MIMO) transmissions may offer on the overall performance. The goal of this thesis is to extend the previous research works and, furthermore, to tackle the problems addressed. To this direction, we first analyze a 3-step procedure that selects the MCS and calculates the SE in the case of a single user. Then, we generalize the single-user case and we propose three approaches that select the MCS for the delivery of the MBSFN data in multiple-users scenarios. The approaches are evaluated for three different transmission modes, so as to examine the impact of multiple antennas techniques on the MCS selection, and for different users’ distributions. The evaluation results indicate that depending on the target that the operator may set (i.e. SE maximization or achievement of a specific SE) each approach could lead to improved performance.

This dissertation deals with the distributed processing techniques for parameter estimation and efficient data-gathering in wireless communication and sensor networks. With the aim of enabling an energy aware and low-complexity distributed implementation of the estimation task, several useful optimization techniques that generally yield linear estimators were derived in the literature. Up to now, most of the works considered that the nodes are interested in estimating the same vector of global parameters. This scenario can be viewed as a special case of a more general problem where the nodes of the network have overlapped but different estimation interests. Motivated by this fact, this dissertation states a new Node-Specific Parameter Estimation (NSPE) formulation where the nodes are interested in estimating parameters of local, common and/or global interest. We consider a setting where the NSPE interests are partially overlapping, while the non-overlapping parts can be arbitrarily different. This setting can model several applications, e.g., cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks, power system state estimation in smart grids etc. Unsurprisingly, the effectiveness of any distributed adaptive implementation is dependent on the ways cooperation is established at the network level, as well as the processing strategies considered at the node level. At the network level, this dissertation is concerned with the incremental and diffusion cooperation schemes in the NSPE settings. Under the incremental mode, each node communicates with only one neighbor, and the data are processed in a cyclic manner throughout the network at each time instant. On the other hand, in the diffusion mode at each time step each node of the network cooperates with a set of neighboring nodes. Based on Least-Mean Squares (LMS) and Recursive Least-Squares (RLS) learning rules employed at the node level, we derive novel distributed estimation algorithms that undertake distinct but coupled optimization processes in order to obtain adaptive solutions of the considered NSPE setting. The detailed analyses of the mean convergence and the steady-state mean-square performance have been provided. Finally, different performance gains have been illustrated in the context of cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks. Another fundamental problem that has been considered in this dissertation is the data-gathering problem, sometimes also named as the sensor reachback, that arises in Wireless Sensor Networks (WSN). In particular, the problem is related to the transmission of the acquired observations to a data-collecting node, often termed to as sink node, which has increased processing capabilities and more available power as compared to the other nodes. Here, we focus on WSNs deployed for structural health monitoring. In general, there are several difficulties in the sensor reachback problem arising in such a network. Firstly, the amount of data generated by the sensor nodes may be immense, due to the fact that structural monitoring applications need to transfer relatively large amounts of dynamic response measurement data. Furthermore, the assumption that all sensors have direct, line-of-sight link to the sink does not hold in the case of these structures. To reduce the amount of data required to be transmitted to the sink node, the correlation among measurements of neighboring nodes can be exploited. A possible approach to exploit spatial data correlation is Distributed Source Coding (DSC). A DSC technique may achieve lossless compression of multiple correlated sensor outputs without establishing any communication links between the nodes. Other approaches employ lossy techniques by taking advantage of the temporal correlations in the data and/or suitable stochastic modeling of the underlying processes. In this dissertation, we present a channel-aware lossless extension of sequential decoding based on cooperation between the nodes. Next, we also present a cooperative communication protocol based on adaptive spatio-temporal prediction. As a more practical approach, it allows a lossy reconstruction of transmitted data, while offering considerable energy savings in terms of transmissions toward the sink. / Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τεχνικές κατανεμημένης επεξεργασίας για εκτίμηση παραμέτρων και για την αποδοτική συλλογή δεδομένων σε ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών και αισθητήρων. Το πρόβλημα της εκτίμησης συνίσταται στην εξαγωγή ενός συνόλου παραμέτρων από χρονικές και χωρικές θορυβώδεις μετρήσεις που συλλέγονται από διαφορετικούς κόμβους οι οποίοι παρακολουθούν μια περιοχή ή ένα πεδίο. Ο στόχος είναι να εξαχθεί μια εκτίμηση που θα είναι τόσο ακριβής όσο αυτή που θα πετυχαίναμε εάν κάθε κόμβος είχε πρόσβαση στην πληροφορία που έχει το σύνολο του δικτύου. Στο πρόσφατο σχετικά παρελθόν έγιναν διάφορες προσπάθειες που είχαν ως σκοπό την ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών και χαμηλής πολυπλοκότητας κατανεμημένων υλοποίησεων του εκτιμητή. Έτσι, υπάρχουν πλέον στη βιβλιογραφία διάφορες ενδιαφέρουσες τεχνικές βελτιστοποίησης που οδηγούν σε γραμμικούς, κυρίως, εκτιμητές. Μέχρι τώρα, οι περισσότερες εργασίες θεωρούσαν ότι οι κόμβοι ενδιαφέρονται για την εκτίμηση ενός κοινού διανύσματος παραμέτρων, το οποίο είναι ίδιο για όλο το δίκτυο. Αυτό το σενάριο μπορεί να θεωρηθεί ως μια ειδική περίπτωση ενός γενικότερου προβλήματος, όπου οι κόμβοι του δικτύου έχουν επικαλυπτόμενα αλλά διαφορετικά ενδιαφέροντα εκτίμησης. Παρακινημένη από αυτό το γεγονός, αυτή η Διατριβή ορίζει ένα νέο πλαίσιο της Κόμβο-Ειδικής Εκτίμησης Παραμέτρων (ΚΕΕΠ), όπου οι κόμβοι ενδιαφέρονται για την εκτίμηση των παραμέτρων τοπικού ενδιαφέροντος, των παραμέτρων που είναι κοινές σε ένα υποσύνολο των κόμβων ή/και των παραμέτρων που είναι κοινές σε όλο το δίκτυο. Θεωρούμε ένα περιβάλλον όπου η ΚΕΕΠ αναφέρεται σε ενδιαφέροντα που αλληλεπικαλύπτονται εν μέρει, ενώ τα μη επικαλυπτόμενα τμήματα μπορούν να είναι αυθαίρετα διαφορετικά. Αυτό το πλαίσιο μπορεί να μοντελοποιήσει διάφορες εφαρμογές, π.χ., συνεργατική ανίχνευση φάσματος σε γνωστικά δίκτυα ραδιοεπικοινωνιών, εκτίμηση της κατάστασης ενός δικτύου μεταφοράς ενέργειας κλπ. Όπως αναμένεται, η αποτελεσματικότητα της οποιασδήποτε κατανεμημένης προσαρμοστικής τεχνικής εξαρτάται και από τον συγκεκριμένο τρόπο με τον οποίο πραγματοποιείται η συνεργασία σε επίπεδο δικτύου, καθώς και από τις στρατηγικές επεξεργασίας που χρησιμοποιούνται σε επίπεδο κόμβου. Σε επίπεδο δικτύου, αυτή η διατριβή ασχολείται με τον incremental (κυκλικά εξελισσόμενο) και με τον diffusion (διαχεόμενο) τρόπο συνεργασίας στο πλαίσιο της ΚΕΕΠ. Στον incremental τρόπο, κάθε κόμβος επικοινωνεί μόνο με ένα γείτονα, και τα δεδομένα από το δίκτυο υποβάλλονται σε επεξεργασία με ένα κυκλικό τρόπο σε κάθε χρονική στιγμή. Από την άλλη πλευρά, στον diffusion τρόπο σε κάθε χρονική στιγμή κάθε κόμβος του δικτύου συνεργάζεται με ένα σύνολο γειτονικών κόμβων. Με βάση τους αλγορίθμους Ελαχίστων Μέσων Τετραγώνων (ΕΜΤ) και Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων (ΑΕΤ) οι οποίοι χρησιμοποιούνται ως κανόνες μάθησης σε επίπεδο κόμβου, αναπτύσσουμε νέους κατανεμημένους αλγόριθμους για την εκτίμηση οι οποίοι αναλαμβάνουν ευδιακριτές, αλλά συνδεδεμένες διαδικασίες βελτιστοποίησης, προκειμένου να αποκτηθούν οι προσαρμοστικές λύσεις της εξεταζόμενης ΚΕΕΠ. Οι λεπτομερείς αναλύσεις για τη σύγκλιση ως προς τη μέση τιμή και για τη μέση τετραγωνική απόδοση σταθερής κατάστασης έχουν επίσης εξαχθεί στο πλαίσιο αυτής της Διατριβής. Τέλος, όπως αποδεικνύεται, η εφαρμογή των προτεινόμενων τεχνικών εκτίμησης στο πλαίσιο της συνεργατικής ανίχνευσης φάσματος σε γνωστικές ραδιοεπικοινωνίες, οδηγεί σε αισθητά κέρδη απόδοσης. Ένα άλλο βασικό πρόβλημα που έχει μελετηθεί στην παρούσα εργασία είναι το πρόβλημα συλλογής δεδομένων, επίσης γνωστό ως sensor reachback, το οποίο προκύπτει σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (ΑΔΑ). Πιο συγκεκριμένα, το πρόβλημα σχετίζεται με την μετάδοση των λαμβανόμενων μετρήσεων σε έναν κόμβο συλλογής δεδομένων, που ονομάζεται sink node, ο οποίος έχει αυξημένες δυνατότητες επεξεργασίας και περισσότερη διαθέσιμη ισχύ σε σύγκριση με τους άλλους κόμβους. Εδώ, έχουμε επικεντρωθεί σε ΑΔΑ που έχουν αναπτυχθεί για την παρακολούθηση της υγείας κατασκευών. Σε γενικές γραμμές, σε ένα τέτοιο δίκτυο προκύπτουν πολλές δυσκολίες σε ότι αφορά το sensor reachback προβλήμα. Πρώτον, η ποσότητα των δεδομένων που παράγονται από τους αισθητήρες μπορεί να είναι τεράστια, γεγονός που οφείλεται στο ότι για την παρακολούθηση της υγείας κατασκευών είναι απαραίτητο να μεταφερθούν σχετικά μεγάλες ποσότητες μετρήσεων δυναμικής απόκρισης. Επιπλέον, η υπόθεση ότι όλοι οι αισθητήρες έχουν απευθείας μονοπάτι μετάδοσης, με άλλα λόγια ότι βρίσκονται σε οπτική επαφή με τον sink node, δεν ισχύει στην περίπτωση των δομών αυτών. Για να μειωθεί η ποσότητα των δεδομένων που απαιτούνται για να μεταδοθούν στον sink node, αξιοποιείται η συσχέτιση μεταξύ των μετρήσεων των γειτονικών κόμβων. Μία πιθανή προσέγγιση για την αξιοποίηση της χωρικής συσχέτισης μεταξύ δεδομένων σχετίζεται με την Κατανεμημένη Κωδικοποίηση Πηγής (ΚΚΠ). Η τεχνική ΚΚΠ επιτυγχάνει μη απωλεστική συμπίεση των πολλαπλών συσχετιζόμενων μετρήσεων των κόμβων χωρίς να απαιτεί την οποιαδήποτε επικοινωνία μεταξύ των κόμβων. Άλλες προσεγγίσεις χρησιμοποιούν απωλεστικές τεχνικές συμπίεσης εκμεταλλευόμενες τις χρονικές συσχετίσεις στα δεδομένα ή / και κάνοντας μία κατάλληλη στοχαστική μοντελοποίηση των σχετικών διαδικασιών. Σε αυτή τη Διατριβή, παρουσιάζουμε μία επέκταση της διαδοχικής αποκωδικοποίησης χωρίς απώλειες λαμβάνοντας υπόψιν το κανάλι και βασιζόμενοι σε κατάλληλα σχεδιασμένη συνεργασία μεταξύ των κόμβων. Επιπρόσθετα, παρουσιάζουμε ενα συνεργατικό πρωτόκολλο επικοινωνίας που στηρίζεται σε προσαρμοστική χωρο-χρονική πρόβλεψη. Ως μια πιο πρακτική προσέγγιση, το πρωτόκολλο επιτρέπει απώλειες στην ανακατασκευή των μεταδιδόμενων δεδομένων, ενώ προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας μειώνοντας των αριθμό των απαιτούμενων μεταδόσεων προς τον sink node.

Στην εν λόγω εργασία, έγινε μια προσπάθεια καταγραφής του τεχνολογικού τοπίου της τηλεπικοινωνιακής αγοράς, με έμφαση την διαλειτουργικότητα μεταξύ των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και των Ασύρματων Δικτύων Δεδομένων και των σχετικών αλλαγών που έχει επιφέρει αυτή η διαλειτουργικότητα, τόσο στις παρεχόμενες υπηρεσίες, όσο και στα εφαρμοζόμενα επιχειρηματικά μοντέλα από πλευράς εταιρειών της συγκεκριμένης αγοράς. Στα πλαίσια αυτής της προσπάθειας, χρειάστηκε να πραγματοποιηθεί μια λεπτομερής καταγραφή των τεχνολογικών εξελίξεων, σε επίπεδο τεχνικών προδιαγραφών και προτύπων, στις παραπάνω δύο κατηγορίες δικτύων, ώστε να καταλήξουμε σε εκείνα τα πρότυπα που πλέον μπορούν να οδηγήσουν στην υλοποίηση δικτύων τα οποία θα χαρακτηρίζονται από τα παρακάτω: • θα είναι ενοποιημένα ώστε οι διαφορετικές τεχνολογικές πλατφόρμες των εταιρειών να λειτουργούν απρόσκοπτα, • θα χαρακτηρίζονται από χαμηλό κόστος, • ο τελικός χρήστης θα μπορεί να είναι συνεχώς συνδεδεμένος με κάποιο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης και να απολαμβάνει τις υπηρεσίες που επιθυμεί, οποτεδήποτε και οπουδήποτε. Η δομή της διπλωματικής εργασίας ακολουθεί τον προαναφερθέντα τρόπο σκέψης. Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του στόχου σε επίπεδο τεχνολογιών αλλά και υπηρεσιών, δηλαδή των αναμενόμενων αποτελεσμάτων αυτών των δικτύων νέας γενιάς, στα οποία έχουμε συνηθίσει να αναφερόμαστε ως δίκτυα 4G (4th Generation) ή δίκτυα B3G (Beyond 3G) ή τέλος ως All – IP ασύρματα δίκτυα. Στο 2ο Κεφάλαιο, γίνεται μια λεπτομερής παρουσίαση των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας από τις πρώτες τους εκδοχές (1G) έως τις πλέον σύγχρονες (3.5G) που έχουν εμφανιστεί μέχρι σήμερα. Αναλύονται τόσο οι γενιές των δικτύων όσο και τα χρησιμοποιούμενα πρότυπα, σε επίπεδο αρχιτεκτονικής όσο και σε επίπεδο πρωτοκόλλων. Στη συνέχεια του κεφαλαίου υπάρχει η τεχνική περιγραφή των επικρατέστερων δικτύων κινητής τηλεφωνίας, σήμερα, δηλαδή των GSM, GPRS και UMTS, ενώ στο τέλος του κεφαλαίου υπάρχει μια σύντομη περιγραφή της διαδικασίας intersystem handover μεταξύ των GSM και UMTS. Στο 3ο Κεφάλαιο, περνάμε πλέον στα Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων. Γίνεται μια εκτενής περιγραφή των προτύπων που έχουν καθοριστεί και συγκεκριμένα στα πρότυπα IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) με κυριότερους εκφραστές τα δίκτυα βασιζόμενα σε Bluetooth και IrDA, το πρότυπο IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) με σημαντικότερος εκπροσώπους τα WiFi και HyperLan/2, το πρότυπο IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) ή αλλιώς γνωστότερο ως WiMAX και τέλος το πρότυπο IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) ή διαφορετικά Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) το οποίο είναι υπό διερεύνηση ακόμα και φιλοδοξεί να αποτελέσει το ασύρματο ανάλογο της τεχνολογίας xDSL, καθώς θα προσφέρει ασύρματες ευρυζωνικές υπηρεσίες. Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται μεθοδολογίες υλοποίησης του integration μεταξύ δικτύων των δύο κατηγοριών και συγκεκριμένα παραδείγματα διαλειτουργικότητας, όπως μεταξύ GPRS ή UMTS και WLANs ή μεταξύ UMTS και WiMAX. Γίνεται εκτενής συζήτηση γύρω από τα προβλήματα που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν, όπως η εξασφάλιση ανεκτού επιπέδου QoS, οι μηχανισμοί για handover μεταξύ των δικτύων, η διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών και των τερματικών και δίνονται παραδείγματα δημιουργίας ενοποιημένων δικτύων, τόσο με τη τεχνική της χαλαρής όσο και με την τεχνική της ισχυρής ζεύξης. Στο τελευταίο τμήμα του Κεφαλαίου, γίνεται μια εκτενής αναφορά στις αρχιτεκτονικές διασύνδεσης ετερογενών δικτύων με IP δίκτυα κορμού, τα γνωστά All – IP networks. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στους μηχανισμούς πραγματοποίησης των handovers βάσει πολιτικών (policy based) και η χρήση τεχνικών για micromobility και macromobility σε σχέση με την κινητικότητα των τερματικών. Το 5ο Κεφάλαιο αφορά τις εφαρμογές και υλοποιήσεις ασυρμάτων δικτύων δεδομένων στον Ελληνικό χώρο, στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Κοινωνία της Πληροφορίας» και πιο συγκεκριμένα τα «Εξοπλισμός και δικτύωση σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης», «Ασύρματα Ευρυζωνικά Δίκτυα ΟΤΑ»και «Μητροπολιτικά Ευρυζωνικά Δίκτυα Οπτικών Ινών ΟΤΑ» και ουσιαστικά αποτελούν παραδείγματα και υλοποιήσεις διασύνδεσης WiFi, WiMAX και IP backbone δικτύων όπως το ΣΥΖΕΥΞΙΣ με δυνατότητες για παροχή VoIP. / In this thesis, an effort of presenting the technological landscape of the telecommunication market takes place, with focus on the interoperability between the Mobile Telephony Networks and the Wireless Data Networks and the relative changes that have evolved through this interoperability, both regarding the provided services and the applied business models by the enterprises of the specific market. Within the frames of this effort, a detailed recording of technological developments is realised, in terms of technical specifications and standards, in the two aforementioned categories of networks, so as to conclude to those standards that are utilized by the next generation networks (4G) which will be: • Networks that will be unified so as the different technological platforms will function smoothly. • Networks that will be characterized by low cost of deployment. • The end user will be continuously connected with a wireless access network, enjoying the preferred services anywhere and anytime. The master thesis structure follows the aforementioned methodology. The 1st Chapter includes a short presentation of expected results, both in terms of technologies and services for next generation networks, which we usually refer to as 4G networks (4th Generation) or B3G networks (Beyond 3G) or finally as All - IP wireless networks (AIPN). In the 2nd Chapter, a detailed presentation of Mobile Telephony Networks takes place, from their first versions (1G) until the most modern (3.5G) that have been presented up to today. The analysis includes both the various generations of networks and the used standards, in terms of modulation and multiplexing techniques. The rest of the chapter focuses on the technical description of the prevailing networks, GSM, GPRS and UMTS, while the chapter ends with a short description of intersystem handover processes between GSM and UMTS. Τhe 3rd Chapter, includes an extensive description of the Wireless Data Networks standards such as: IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) with main representatives networks based on Bluetooth and IrDA, standard IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) mainly represented by WiFi and HyperLan/2, IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) standard, widely known as WiMax and finally the IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) standard, namely Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) that is still under development and aspires to constitutes the wireless version of the xDSL technology, since it aims to provide wireless broadband services. In the 4th Chapter methodologies for integrating the two types of networks, are presented along with examples of interoperability between GPRS / UMTS and WLANs or between UMTS and WiMAX. Extensive discussion around the problems that should be faced, as the guarantee of bearable QoS level, the mechanisms for handover between the networks and the management of mobility of users and terminals, is held. Moreover, examples of integrated networks with both loose and tight coupling methodologies are presented. The last section of the chapter concerns a detailed description of architectures for interconnecting heterogeneous wireless networks over IP – based backhaul networks, namely All – IP networks, with special focus on policy based handover mechanisms and techniques for managing micromobility and macromobility issues. The 5th Chapter concerns the changes taking place in the telecommunications market deriving from the technological progress in the subject of heterogeneous wireless networks interconnection. New service packets are created, as a result of new business plans that are drawn up by the big telecommunications organizations. Finally, we present the developments in the Greek market and subsidised projects from Information Society AE, via which wireless networks have been materialised, with aim to promote Broadband Services.