Στην παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία υλοποιήθηκε ένα προγραμματιστικό περιβάλλον σε Matlab το οποίο μας επιτρέπει να μελετήσουμε τη συσχέτιση της δυναμικής βιολογικών νευρωνικών δικτύων με χρήση ομοιοματικών τεχνικών και μαθηματικών μοντέλων. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν προγράμματα που υλοποιούν μαθηματικά μοντέλα της δυναμικής νευρωνικών πληθυσμών και αντίστοιχα ομοιοματικές μέθοδοι. Το περιβάλλον δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης της δυναμικής με τους δύο αυτούς τρόπους και παρέχει τρόπους σύγκρισης μεταξύ τους, ώστε να διερευνηθεί αν από τους δύο αυτούς τρόπους προσέγγισης, υπό τις ίδιες αρχικές συνθήκες, προκύπτουν αποτελέσματα συγκρίσιμα μεταξύ τους. Αρχικά, εξομοιώθηκε ένα βιολογικό νευρωνικό δίκτυο στην προσπάθεια προσέγγισης της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου από έναν υπολογιστή. Εξομοιώσαμε ένα νευρωνικό δίκτυο χρησιμοποιώντας μια σχέση η οποία δεδομένων των παραμέτρων του δικτύου και της κατάστασης διεγερσιμότητας του δικτύου αn κάποια χρονική στιγμή n υπολογίζει την κατάσταση διεγερσιμότητας του δικτύου αn+1 την επόμενη χρονική στιγμή n+1. Στη συνέχεια, περιγράφονται και αναλύονται μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για τη μακροσκοπική (στατιστική) συμπεριφορά των μεμονωμένων – δηλαδή χωρίς εξωτερικές συνδέσεις – νευρωνικών δικτύων (ομάδων αλληλοσυνδεδεμένων νευρώνων) του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος. Μελετώντας κάποιες ξεχωριστές περιπτώσεις των νευρωνικών δικτύων και κάνοντας συγκεκριμένες θεωρήσεις για την κάθε μια, καταλήγουμε σε μαθηματικές εξισώσεις που αφορούν την περιγραφή της δυναμικής των δικτύων. Θα παρουσιαστεί, δηλαδή ένα πακέτο προγραμμάτων υλοποιημένο στο περιβάλλον Matlab που θα δέχεται ως είσοδο παραμέτρους του νευρωνικού πληθυσμού (δικτύου), θα υλοποιεί τις δύο μεθόδους μελέτης της δυναμικής του και θα εμφανίζει και θα συγκρίνει τα λαμβανόμενα αποτελέσματα. Ο σκοπός της εν λόγω διπλωματικής είναι η σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν για τη δυναμική νευρωνικών πληθυσμών με χρήση μαθηματικών μοντέλων σε σχέση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν με χρήση μεθόδων εξομοίωσης. / -

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζονται τρíα νέα στοχαστικά μοντέλα, τα οποία αναπτύχθηκαν με σκοπό την εξομοίωση της διάδοσης των streamers και των leaders, και της επακόλουθης ηλεκτρικής διάσπασης σε διάκενα αέρα μεγαλύτερα από 5cm υπό ατμοσφαιρική πίεση. Η εξομοίωση της διαδικασίας διάσπασης με την χρήση των στοχαστικών μοντέλων, οδήγησε στην εξαγωγή αποτελεσμάτων που αφορούσαν την τάση διάσπασης U50 καθώς και την τυπική απόκλιση σ, όταν τα διάκενα καταπονούνται από συνεχείς και κρουστικές (1,2/50μsec) τάσεις, θετικής πολικότητας. Εξήχθησαν επίσης αποτελέσματα που αφορούσαν τη μέση και στιγμιαία ταχύτητα διάδοσης των streamers μέσα σε διάκενα αέρα μήκους έως 20cm. / At the present PhD Thesis three new stochastic fractal models were introduced. The stochastic models were developed in order to simulate the propagation of streamers and leaders in air gaps, in a wide range of gap distances, under the application of DC and impulse (1,2/50μsec) voltage of positive polarity. Various results, concerning breakdown voltage U50 and standard deviation σ, were obtained. Results concerning mean and instantaneous propagation velocity of streamers (only for gaps up to 20cm), were also obtained.

Σε αυτή την εργασία μελετάμε τους αλγορίθμους που χρησιμοποιούνται στην αποκωδικοποίηση των LDPC, με έμφαση στους κώδικες του προτύπου 802.11n. Αντιμετωπίζουμε τις δυσκολίες που αντιμετωπίζουν στην υλοποίηση στο υλικό, κυρίως στην εκτέλεση αριθμητικών πράξεων, και προτείνουμε πρακτικές λύσεις. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα εκτενών εξομοιώσεων, καταλήγουμε στις βέλτιστες παραμέτρους που θα έχουν οι προτεινόμενες υλοποιήσεις. / In this thesis, we study the LDPC decoding algorithms, with emphasis on the 802.11n standard codes. We tackle the hardware implementation difficulties, especially those related to arithmetic computations, and propose practical solutions. Leveraging the results of extensive simulations, we find the optimal parameters of the proposed implementations.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται κατάλληλα μοντέλα για τις επιμέρους μονάδες φωτοβολταϊκού (ΦΒ) συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο. Στόχος είναι να αντιμετωπιστούν ταυτόχρονα και αποτελεσματικά οι ιδιαιτερότητές του, που οφείλονται στη συμπεριφορά των διακοπτικών στοιχείων και στα μη γραμμικά χαρακτηριστικά της ΦΒ γεννήτριας και του μετασχηματιστή απομόνωσης. Αναπτύσσονται μέθοδοι που αυξάνουν την ταχύτητα εξομοίωσης. Αυτό επιτυγχάνεται με χρήση αυξητικών μοντέλων για τα μη γραμμικά στοιχεία και αποτελεσματικών αλγορίθμων για την αντιμετώπιση της μεταβλητής τοπολογίας. Τα μοντέλα που παρουσιάζονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συνδεδεμένα στο δίκτυο ΦΒ συστήματα οποιασδήποτε διάταξης. Μέσω εξομοιώσεων της λειτουργίας ενός οικιακού ΦΒ συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο διερευνάται η ευαισθησία της αρμονικής παραμόρφωσης τάσεων και ρευμάτων σε μεταβολές παραμέτρων του συστήματος. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα νέο μοντέλο για τη ροή ενέργειας σε κυκλώματα με μη ημιτονοειδείς κυματομορφές. Το μοντέλο παρέχει μαθηματική περιγραφή μέσω του πολυδιανύσματος της ισχύος, το οποίο γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ στιγμιαίας και φαινομένης ισχύος, όπως η μιγαδική ισχύς υπό ημιτονοειδείς συνθήκες. Το πολυδιάνυσμα της ισχύος επιτρέπει συστηματική και ενιαία αντιμετώπιση όλων των περιπτώσεων. Το μοντέλο ροής ενέργειας που παρουσιάζεται περιγράφει τις συνιστώσες ισχύος όχι μόνο ποσοτικά, αλλά και ποιοτικά. Από φυσικής πλευράς βασίζεται στη γενίκευση της έννοιας της αμοιβαίας σύζευξης. Η προσέγγιση που ακολουθείται επιτρέπει την φυσική ερμηνεία όλων των συνιστωσών της ισχύος, οι οποίες συνδέονται με μια αναπαράσταση μέσω ισοδυνάμου κυκλώματος. Οι προϋπάρχουσες μέθοδοι μπορούν να προκύψουν ως ειδικές περιπτώσεις του μοντέλου. Η βαθύτερη κατανόηση των φαινομένων ισχύος που παρέχει θέτει το θεωρητικό υπόβαθρο για την επίλυση πρακτικών προβλημάτων, όπως η αντιστάθμιση. Ακολούθως εξετάζεται η επιλογή του βέλτιστου μεγέθους παθητικών φίλτρων με παράλληλους συντονιζόμενους κλάδους. Η διερεύνηση λαμβάνει υπόψη όχι μόνο πηγές αρμονικών ρευμάτων λόγω μη γραμμικών φορτίων αλλά και την παρουσία προϋπάρχουσας αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης. Μέσω αναλυτικής μεθόδου προκύπτουν εκφράσεις κλειστής μορφής για απλοποιημένες περιπτώσεις. Αυτές μπορούν να βοηθήσουν στην κατανόηση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων. Επίσης διαμορφώνεται η γενικότερη περίπτωση του προβλήματος και αντιμετωπίζεται με Γενετικούς Αλγόριθμους. Μέσα από εκτεταμένες εξομοιώσεις για διάφορα επίπεδα αρμονικών τάσης και ρεύματος, διερευνώνται διεξοδικά οι δυνατότητες των παθητικών φίλτρων. Τα πρακτικά συμπεράσματα που προκύπτουν μπορούν να βοηθήσουν στη λήψη αποφάσεων για τον έλεγχο των αρμονικών σε διάφορες εφαρμογές. / In this thesis, appropriate models for the individual components of a grid-connected photovoltaic (PV) system are developed. The aim is to simultaneously and efficiently handle its peculiarities, which are due to the switching action of the switching devices and the nonlinear characteristics of the PV generator and the isolation transformer. Methods that increase simulation speed are developed. This is accomplished by using incremental models for the nonlinear components and efficient algorithms to handle the variable topology. The presented models can be used for grid-connected PV systems of any configuration. Through simulations of the performance of a residential grid-connected PV system the sensitivity of the harmonic distortion of voltages and currents to variations in system parameters is investigated. Next, a novel model for the energy flow in circuits with nonsinusoidal waveforms is presented. This model provides a mathematical description through the power multivector, which bridges the gap between the instantaneous and apparent power, like the complex power does under sinusoidal conditions. The power multivector permits a systematic and uniform treatment of all cases. The presented energy flow model describes power components not only quantitatively but also qualitatively. From a physical perspective it is based on the generalization of the concept of mutual coupling. The approach that is followed permits the physical interpretation of all power components, which are associated with an equivalent circuit representation. Pre-existing methods can be derived as special cases of the model. The deeper understanding of power phenomena it provides sets the theoretical foundation for the solution of practical problems, such as compensation. Next, the optimal sizing of shunt, passive, single-tuned filters is examined. The investigation takes into account not only harmonic current sources due to nonlinear loads but also the presence of background voltage harmonic distortion. Through an analytical approach closed-form expressions are derived for simplified cases. These can help in the comprehension of the influence of various parameters. Moreover, the general case of this problem is formulated and solved using Genetic Algorithms. Through extensive simulations for various current and voltage harmonic levels, the potentialities of these filters are thoroughly investigated. The practical conclusions that are drawn can facilitate decisions regarding harmonic control in various applications.

Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η εξομοίωση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος διασυνδεδεμένου στο τριφασικό δίκτυο με σκοπό τη μελέτη της λειτουργίας του και του καλύτερου σχεδιασμού του. Το σύστημα περιλαμβάνει τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια, ένα φίλτρο διασύνδεσης της γεννήτριας με τον αντιστροφέα και ένα απλοποιημένο μοντέλο του τριφασικού συστήματος. Για την εξομοίωση του κυκλώματος το οποίο είναι χρονικά μεταβαλλόμενο λόγω της διακοπτικής λειτουργίας του μετατροπέα αναπτύσσεται μια συστηματική και αποτελεσματική μέθοδος για την ανάλυση κυκλωμάτων που περιέχουν e-R-L, C κλάδους και ιδανικούς διακόπτες. Χρησιμοποιώντας την τοπολογία του κυκλώματος και κατάλληλες μήτρες μετασχηματισμού οι εξισώσεις που περιγράφουν το αγώγιμο και μη αγώγιμο τμήμα του κυκλώματος προκύπτουν αυτόματα. Οι χρησιμοποιούμενες μήτρες μετασχηματισμού προκύπτουν με απλό και συστηματικό τρόπο από τις θεμελιώδης μήτρες του κυκλώματος. Σε κάθε βήμα προκύπτουν τα ρεύματα όλων των κλάδων του κυκλώματος από την επίλυση του αγώγιμου τμήματος αυτού και οι τάσεις των βαλβίδων που δεν άγουν από την επίλυση του μη αγώγιμου τμήματός του. Η μέθοδος είναι γενική και μπορεί να εφαρμοστεί για την μελέτη τυχόντων σφαλμάτων σε οποιοδήποτε τμήμα του κυκλώματος. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης για λειτουργία του μετατροπέα ως ανορθωτή, ως αντιστροφέα, ως αντιστροφέα με φωτοβολταϊκή γεννήτρια και ως αντιστροφέα με φωτοβολταϊκή γεννήτρια και με ανιχνευτή σημείου μέγιστης ισχύος. Το χρησιμοποιηθέν μοντέλο θα μπορούσε να βελτιωθεί αν στην θέση του τριφασικού συστήματος χρησιμοποιηθεί ακριβέστερη αναπαράσταση του τριφασικού δικτύου στην οποία να περιλαμβάνεται και ο τριφασικός μετασχηματιστής ισχύος που διασυνδέει το φωτοβολταϊκό σύστημα με το AC δίκτυο. / The objective of this “Diploma Thesis” is the simulation of a grid connected photovoltaic (PV) system and the study of its operation. The system consists of a PV generator, a DC filter and a simplified model of the three-phase system. The method which was used for the simulation of the circuit (which is a varying topology circuit due to the switching operation of the converter) is a systematic, efficient and conceptually simple method for the analysis of circuits consisting of linear e, R, L, C elements and ideal switches. On the basis of well known network topological concepts a suitable transformation tensor is constructed at every step. This tensor constitutes a flexible and powerful tool to assemble automatically the necessary on-switch current and off-switch voltage equations required for any conduction pattern. The method is general and can be applied for the study of any random faults in any part of the circuit. Results of the simulation for operation of the converter as rectifier, as inverter with battery, as inverter with PV generator and as inverter with PV generator and with MPPT are presented. The used model could be improved if the three-phase system is more precisely represented by a power three-phase transformer which connects the PV system with the AC network.

Αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της δυναμικής σύμμορφης ακτινοθεραπείας με χρήση φυσικών διαμορφωτών δέσμης. Η δυναμική διαμόρφωση δέσμης επιτυγχάνεται με δύο ειδών φυσικούς διαμορφωτές δέσμης: τους προστατευτές, που είναι αντίγραφα σε σμίκρυνση του υπό προστασία οργάνου, κατασκευασμένα από υλικό μεγάλου ατομικού αριθμού, και διατηρούν διεύθυνση παράλληλη σε αυτό κατά την περιστροφή, και τους διαμορφωτές, που τοποθετούνται και στις δύο πλευρές του προστατευτή εξασφαλίζοντας ομοιόμορφη δόση στην περιοχή του όγκου. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει τις βέλτιστες διαστάσεις και τις ακριβείς θέσεις των διαμορφωτών κατά τη διάρκεια της περιστροφής της ακτινογραφικής κεφαλής με βάση τις αρχές που διέπουν την κίνησή τους. Παράλληλα αναπτύχθηκε ένα εργαλείο λογισμικού, που ενσωματώνει το μαθηματικό υπόβαθρο και διευκολύνει την εισαγωγή των παραμέτρων θέσης και σύστασης των διαμορφωτών δέσμης. Το εργαλείο λογισμικού ενσωματώθηκε στον προσομοιωτή θεραπείας ακτινοβολίας Monte Carlo (MCRTS), που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της διάδοσης της ακτινοβολίας στη γεωμετρία του σχεδιασμένου συστήματος. Πραγματοποιήθηκαν μελέτες προσομοίωσης για την αποτελεσματικότητα της φυσικής διαμόρφωσης δέσμης στην περίπτωση όγκων στη περιοχή της κεφαλής και του αυχένα, βασισμένες σε γεωμετρική περιγραφή είτε με αναλυτικά αντικείμενα, είτε με στοιχειώδεις όγκους. Μελετήθηκε επίσης η επίδραση των διαμορφωτών στην τροποποίηση της κατανομής δόσης στις περιοχές που περιβάλλουν την προστατευμένη περιοχή. Οι μελέτες αυτές έδειξαν ότι η περιστροφική θεραπεία με διαμόρφωση δέσμης προσφέρει την επαρκή προστασία και ομοιόμορφη κατανομή δόσεων έξω από την προστατευμένη περιοχή. Προσομοιώσεις που χρησιμοποίησαν διαμορφωτές διαφορετικών υλικών οδήγησαν σε παρόμοιες κατανομές δόσεων. Επιπλέον μελετήθηκε η επίδραση των παραμέτρων του προστατευτή στη κατανομή δόσης στην περιστροφική θεραπεία. Εξετάστηκε η επίδραση μιας σειράς υλικών, που συνήθως χρησιμοποιούνται για προστασία στην ακτινοθεραπεία, καθώς επίσης και η επίδραση μερικών νέων μέταλλο-πολυμερών σύνθετων υλικών. Τα μέταλλο-πολυμερή σύνθετα παρέχουν προστασία στα ζωτικής σημασίας όργανα, συγκρίσιμη με αυτή του μολύβδου, εάν η πυκνότητα τους είναι υψηλή. Η τεχνική που μελετήθηκε έδωσε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα από άποψη κατανομής δόσης και σχέσης κόστους-αποτελέσματος. / This doctoral thesis addresses dynamic intensity modulation by means of physical beam modifiers. The principles of gravity-oriented devices were generalized and extended, preserving principles of a beam shaping, but introducing motor-driven “patient-oriented” beam modifying devices. Beam modifying devices were divided in two categories: protectors and shapers. The protectors are diminished copies of the Organs At Risk (OARs) and stay parallel to them during gantry rotation, keeping them in the attenuated field for every gantry angle. Shapers are placed at the both sides of the protector to ensure uniform dose in the Planning Target Volume (PTV). Mathematical formalism for calculations of the dimensions and the initial coordinates of the beam modifying devices was developed as well as the laws of their motion during gantry rotation were derived. A software tool, incorporating the mathematical background, with user interface to facilitate the introduction of the input parameters was created. The software module was subsequently integrated into a Monte Carlo Radiation Therapy Simulator (MCRTS), used to simulate particle transport through the designed system. Simulation studies of field shaping in rotational therapy by means of beam modifying devices were carried out. Dose distributions in solid-geometry and voxel-based neck models were evaluated. Furthermore, the effectiveness of the shapers to modify the dose distribution outside the protected area was studied. The results of simulation studies showed that rotational therapy with beam modifying devices offers adequate protection of the OAR and a uniform dose distribution outside the protected region. Studies using shapers of different materials were also carried out and resulted in similar dose distributions. Additionally, the effect of protector’s parameters on the dose distribution in rotational therapy was studied in the thesis. A range of materials, consisting of commonly used for protection in radiotherapy, as well as by some new metal-polymer composites was under investigation. The metal-polymer composites can rival the lead in the protection of vital organs if the density provided is high. The presented technique has showed promising results in terms of conformal dose delivery and can be a preferred choice in radiotherapy departments due to comprehensive and adequate protection of the OAR and uniform dose in PTV ensured as well as of its cost effectiveness.

Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στις Αρχές του Ηλεκτρομαγνητισμού, οι οποίες είναι και η βάση στην οποία στηρίζεται η λειτουργία του μετασχηματιστή. Αναλύεται ο τρόπος δημιουργίας του μαγνητικού πεδίου ενώ παρουσιάζονται συνοπτικά όλα εκείνα τα μαγνητικά μεγέθη τα οποία θα μας χρησιμεύσουν στην συνέχεια της διπλωματικής. Το κεφάλαιο κλείνει με μια αναφορά στην Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή στην οποία στηρίζεται η λειτουργία του μετασχηματιστή. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μια διεξοδική ανάλυση των στοιχείων των μετασχηματιστών, ενώ παράλληλα αναπτύσσονται και οι εξισώσεις που περιγράφουν την λειτουργία του μονοφασικού μετασχηματιστή. Γίνεται αναφορά στα είδη και την δομή των μετασχηματιστών, ενώ αναλύονται λεπτομερώς όλα τα είδη των απωλειών που παρουσιάζονται σε έναν μετασχηματιστή. Το κεφάλαιο κλείνει παραθέτοντας το ισοδύναμο κύκλωμα του μονοφασικού μετασχηματιστή. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μια εισαγωγή στα μαγνητικά κυκλώματα τα οποία μπορούν να περιγράψουν την μαγνητική συμπεριφορά ενός σιδηρομαγνητικού πυρήνα. Η ανάλυση περιλαμβάνει το ισοδύναμο μαγνητικό κύκλωμα του πυρήνα ενός μονοφασικού μετασχηματιστή, το οποίο μπορεί να επεκταθεί και για έναν τρισκελή ή πεντασκελή πυρήνα ενός τριφασικού μετασχηματιστή. Στο Κεφάλαιο 4 πραγματοποιείται η ανάλυση του τριφασικού μετασχηματιστή. Παρατίθενται όλες οι δυνατές συνδεσμολογίες μεταξύ των τυλιγμάτων του, ενώ στην συνέχεια αναλύεται το μαγνητικό ισοδύναμο κύκλωμα του τρισκελή σιδηρομαγνητικού πυρήνα βάση του οποίου προσδιορίζεται ο Πίνακας Ld. Από την ανάλυση του ηλεκτρικού κυκλώματος προκύπτουν οι καταστατικές εξισώσεις που περιγράφουν την λειτουργία του τριφασικού μετασχηματιστή και ομαδοποιούνται με την δημιουργία Πινάκων. Το κεφάλαιο κλείνει κάνοντας μια αναφορά στον τρόπο με τον οποίο εισάγεται η μη γραμμική χαρακτηριστική καμπύλη του υλικού του πυρήνα. Στο Κεφάλαιο 5 πραγματοποιείται η εξομοίωση του τριφασικού μετασχηματιστή, η οποία στηρίζεται στην ανάλυση του Κεφαλαίου 4. Περιγράφονται αριθμητικά και σχηματικά ο μετασχηματιστής καθώς και το δίκτυο μετασχηματιστή-φορτίου που χρησιμοποιήθηκαν. Στην συνέχεια, καταγράφονται οι κυματομορφές των μεγεθών του μετασχηματιστή, όταν στο δευτερεύον τύλιγμά του συνδεθεί είτε συμμετρικό ή ασύμμετρο φορτίο. Το κεφάλαιο κλείνει με την εξαγωγή των συμπερασμάτων που προέκυψαν από την ανάλυση και εξομοίωση του τριφασικού μετασχηματιστή. / This paper is entitled “Simulation of three-phase transformer when the primary windings are connected in delta and the secondary windings in wye” in case of symmetrical and asymmetrical load. First of all, there is an introduction in the basic principles of electromagnetism. Then, the analysis of the single-phase and three-phase transformer which can help us to derive the state equations. From the analysis of the magnetic core circuit, we can calculate the incremental matrix Ld. The matrix Ld depends on the topology of the magnetic core. Finally, simulation results and conclusions are presented for the three-phase transformer

Τα ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων είναι μια πρόσφατη κατηγορία αδόμητων υπολογιστικών δικτύων, τα οποία αποτελούνται από κόμβους με μικρό μέγεθος και περιορισμένους υπολογιστικούς και ενεργειακούς πόρους. Τέτοιοι κόμβοι έχουν δυνατότητες μέτρησης φυσικών μεγεθών (όπως πχ. θερμοκρασία, υγρασία, κ.α.), ασύρματης επικοινωνίας μεταξύ τους, και σε κάποιες περιπτώσεις αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον τους (μέσω κατάλληλων ηλεκτρομηχανικών μερών). Καθώς τα δίκτυα αυτά έχουν αρχίσει να γίνονται πιο προσιτά (από άποψη κόστους και διαθεσιμότητας hardware), το πεδίο εφαρμογής και η φιλοσοφία χρήσης τους συνεχώς εξελίσσεται και διευρύνεται. Έτσι, έχουμε παραδείγματα εφαρμογών από παρακολούθηση της βιοποικιλότητας μιας περιοχής έως την παρακολούθηση στατικότητας κατασκευών, και δίκτυα με πλήθος κόμβων από δεκάδες έως και εκατοντάδες ή και χιλιάδες κόμβων. Κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής ασχοληθήκαμε με τις εξής βασικές ερευνητικές κατευθύνσεις που αφορούν στα συγκεκριμένα δίκτυα: α) την εξομοίωσή τους, β) την ανάπτυξη πρωτοκόλλων διάδοσης πληροφορίας κατάλληλων για αυτά τα δίκτυα και τη μελέτη της απόδοσής τους μέσω εξομοίωσης, γ) τη μοντελοποίηση εχθρικών συνθηκών («εμποδίων») σε ένα τέτοιο δίκτυο και την εφαρμογή τους στο επίπεδο της εξομοίωσης, δ) την ανάπτυξη εφαρμογών για τη διαχείρισή τους. Στο σκέλος της εξομοίωσης, δόθηκε αρχικά έμφαση στην αποδοτική εξομοίωση τέτοιου τύπου δικτύων με μέγεθος αρκετών χιλιάδων κόμβων, και στα πλαίσια της έρευνας μας αναπτύχθηκε ένα περιβάλλον εξομοίωσης (simDust), με δυνατότητα προσθήκης νέων πρωτοκόλλων καθώς και οπτικοποίησης. Το περιβάλλον αυτό χρησιμοποιήθηκε ακολούθως για την επέκταση και πειραματική αξιολόγηση ορισμένων χαρακτηριστικών υπαρχόντων πρωτοκόλλων διάδοσης πληροφορίας σε ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων. Παράλληλα, αναπτύξαμε ένα νέο πρωτόκολλο και κάναμε μια σύγκριση της απόδοσής του με άλλα αντίστοιχα πρωτόκολλα. Η πειραματική μας αξιολόγηση έδειξε ότι το νέο πρωτόκολλο, το οποίο βασίζεται σε δυναμικές αλλαγές της ακτίνας μετάδοσης των κόμβων του δικτύου, συμπεριφέρεται αποδοτικότερα από άλλα πρωτόκολλα της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, και συγκεκριμένα σε δίκτυα με εμπόδια και ανομοιογενή ανάπτυξη των αισθητήρων. Στη συνέχεια, δόθηκε έμφαση στην προσθήκη «ρεαλιστικών» συνθηκών κατά τη διάρκεια της εξομοίωσης τέτοιων πρωτοκόλλων, οι οποίες να λειτουργούν ανταγωνιστικά ως προς τα πρωτόκολλα αυτά. Σκοπός μας ήταν να προταθεί ένα μοντέλο, το οποίο να μπορεί να περιγράψει συνθήκες που περιορίζουν την αποτελεσματικότητά τους. Συγκεκριμένα, προτείναμε και υλοποιήσαμε ένα ολοκληρωμένο μοντέλο ``εμποδίων'', το οποίο εισάγει μικρή πρόσθετη υπολογιστική πολυπλοκότητα σε έναν εξομοιωτή, ενώ παράλληλα για να εξετάσουμε την επίδρασή του εστιάσαμε σε πρωτόκολλα τα οποία χρησιμοποιούν γεωγραφική γνώση (απόλυτη ή σχετική) για να δρομολογήσουν την πληροφορία μέσα σε ένα δίκτυο ασύρματων μικροαισθητήρων. Τέτοια πρωτόκολλα είναι σχετικά ευαίσθητα σε δυναμικές αλλαγές της τοπολογίας και των συνθηκών του δικτύου. Μέσω πειραματικής αξιολόγησης δείξαμε την σημαντική επίδραση που μπορούν να έχουν συγκεκριμένες αντίξοες συνθήκες μέσα στο δίκτυο στην απόδοση αυτών των πρωτοκόλλων. Στο σκέλος των εφαρμογών, προτείναμε αρχικά μια αρχιτεκτονική (WebDust/ShareSense) για ένα σύστημα διαχείρισης τέτοιων δικτύων, το οποίο να παρέχει βασικές δυνατότητες δημιουργίας εφαρμογών για τέτοια δίκτυα σε συνδυασμό με επεκτασιμότητα. Χαρακτηριστικά που ξεχωρίζουν είναι η δυνατότητα διαχείρισης πολλαπλών ετερογενών ασύρματων δικτύων μικροαισθητήρων, η ανοικτότητα, η χρήση peer-to-peer αρχιτεκτονικής για τη διασύνδεση πολλών διαφορετικών δικτύων. Υλοποιήθηκε μέρος του προτεινόμενου συστήματος, ενώ στη συνέχεια το σύστημα αναθεωρήθηκε σε ότι αφορά την αρχιτεκτονική του και εμπλουτίστηκε με πρόσθετες δυνατότητες παρουσίασης. / Wireless sensor networks are a recently introduced category of ad hoc computer networks, which are comprised by nodes of small size and limited computing and energy resources. Such nodes are able of measuring physical properties such as temperature, humidity, etc., wireless communication between each other and in some cases interaction with their surrounding environments (through the use of electromechanical parts). As these networks have begun to be widely available (in terms of cost and commercial hardware availability), their field of application and philosophy of use is constantly evolving. We have numerous examples of their applications, ranging from monitoring the biodiversity of a specific outdoor area to structural health monitoring of bridges, and also networks ranging from few tens of nodes to even thousands of nodes. In this PhD thesis we investigated the following basic research lines related to wireless sensor networks: a) their simulation, b) the development of data propagation protocols suited to such networks and their evaluation through simulation, c) the modelling of ``hostile'' circumstances (obstacles) during their operation and evaluation of their impact through simulation, d) the development of a sensor network management application. Regarding simulation, we initially placed an emphasis to issues such as the effective simulation of networks of several thousands of nodes, and in that respect we developed a network simulator (simDust), which is extendable through the addition of new data propagation protocols and visualization capabilities. This simulator was used to evaluate the performance of a number of characteristic data propagation protocols for wireless sensor networks. Furthermore, we developed a new protocol (VRTP) and evaluated its performance against other similar protocols. Our studies show that the new protocol, that uses dynamic changes of the transmission range of the network nodes, performs better in certain cases than other related protocols, especially in networks containing obstacles and in the case of non-homogeneous placement of nodes. Moreover, we emphasized on the addition of ``realistic'' conditions to the simulation of such protocols, that have an adversarial effect on their operation. Our goal was to introduce a model for obstacles that adds little computational overhead to a simulator, and also study the effect of the inclusion of such a model on data propagation protocols that use geographic information (absolute or relative). Such protocols are relatively sensitive to dynamic topology changes and network conditions. Through our experiments, we show that the inclusion of obstacles during simulation can have a significant effect on these protocols. Finally, regarding applications, we initially proposed an architecture (WebDust/ShareSense), for the management of such networks, that would provide basic capabilities of managing such networks and developing applications above it. Features that set it apart are the capability of managing multiple heterogeneous sensor networks, openess, the use of a peer-to-peer architecture for the interconnection of multiple sensor network. A large part of the proposed architecture was implemented, while the overall architecture was extended to also include additional visualization capabilities.

Polarization mode dispersion (PMD) arises as a result of the birefringence in optical fibers, due to inherent asymmetries and deformities from external stresses. The spectral components of the input optical pulse propagate with different group velocities. Consequently, pulse duration increases leading to intersymbol interference between consequent symbols, leading to performance reduction of the coherent systems. In order to compensate for the PMD, we use adaptive linear PMD equalizers. Due to the dynamic and random nature of PMD, it is crucial for a system designer to efficiently simulate the PMD-induced outage probabilities of 10-5. Because of this stringent requirement, it is computationally costly to use the conventional Monte Carlo methods. To overcome this hurdle, Importance Sampling methods, such as the multicanonical Monte Carlo method have been applied in the past in order to efficiently reduce the simulation time required to estimate the statistics of these rare events. The multicanonical Monte Carlo method does not require any prior knowledge of which rare events contribute significantly to the PMD-induced outages. In essence, multicanonical Monte Carlo simulations adaptively bias the input random variables with a priori unknown weights. The PMD emulation model consists of a concatenation of birefringent sections, simulated based on MMC. The objective of this dissertation is to apply, for the first time, the multicanonical Monte Carlo method to accurately and efficiently evaluate the performance of adaptive, blind, feed-forward PMD equalizers employed in coherent polarization division multiplexed (PDM) quadrature phase-shift keying (QPSK) systems in all order PMD emulation model. In the exclusive presence of PMD, we demonstrated that the half-symbol-period-spaced adaptive electronic equalizers, based on the constant modulus algorithm (CMA) equalizers perform slightly better than the decision directed least mean square (DD-LMS) counterparts at links with larger PMD values, whereas the opposite holds true for the low PMD regime. Due to their distinguishable performance in different regimes of the PMD, they provided an even better performance when running DD-LMS after a first round of CMA-based equalization than using either one of the equalization algorithms stand alone. Finally, the joint presence of PMD and intermediate frequency offset or PMD and random differential phase carrier shifts slightly worsened the performance of the coherent PDM QPSK systems, independently of the equalizer. Although these random differential carrier phase shifts are typically omitted in similar PMD studies in intensity modulated/direct detection (IM/DD) systems, they should be taken into account in due to the phase sensitivity of the PDM QPSK coherent systems. / Οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν διπλοθλαστικότητα, η οποία οφείλεται σε κατασκευαστικές ατέλειες των οπτικών ινών και σε εξωτερικούς παράγοντες. Η διπλοθλαστικότητα προκαλεί διασπορά μεταξύ των φασματικών συνιστωσών ενός διαμορφωμένου οπτικού σήματος. Κάθε φασματική συνιστώσα, ανάλογα με την πόλωσή της στην είσοδο της οπτικής ίνας, υφίσταται διαφορετική αλλαγή φάσης κατά τη διέλευσή της μέσα από την οπτική ίνα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται διασπορά τρόπων πόλωσης. Η διασπορά τρόπων πόλωσης στην οπτική ίνα προκαλεί παραμόρφωση του οπτικού σήματος κι αλληλοπαρεμβολή συμβόλων στον οπτικό δέκτη, με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης ενός σύμφωνου οπτικού τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου, χρησιμοποιούνται οι προσαρμοστικοί γραμμικοί εξισωτές διασποράς τρόπων πόλωσης. Εξαιτίας της στατιστικής φύσης του φαινομένου, πιθανότητες διακοπής της λειτουργίας της τάξεως του 10-5 ενός σύμφωνου συστήματος, τετραδικής διαμόρφωσης φάσης με πολυπλεξία πόλωσης της τάξεως με εξισωτές διασποράς τρόπων πόλωσης, υπολογίστηκαν βάσει της πολυκανονικής Monte Carlo μεθόδου (MMC). Στην MMC μέθοδο. οι παράμετροι στην είσοδο του συστήματος κατευθύνονται, έτσι ώστε στην έξοδο, η (άγνωστη) συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της παραμέτρου ελέγχου να υπολογίζεται με ακρίβεια ακόμα και στις ουρές της. Το πλεονέκτημα της ΜΜC, σε σχέση με τις μεθόδους δειγματοληψίας σημαντικότητας, είναι ότι δεν απαιτείται καμία γνώση για το ποιες περιοχές στην είσοδο πρέπει να δειγματοληφθούν, ώστε στην έξοδο να προκύψουν τα σπάνια εκείνα γεγονότα που μας ενδιαφέρουν. Με βάση την ΜΜC μέθοδο υλοποιήθηκε και το μοντέλο της ίνας, ως μια αλληλουχία διπλοθλαστικών πλακιδίων. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής, είναι η αξιολόγηση της απόδοσης του ενός σύμφωνου συστήματος με χρήση των εξισωτών, συναρτήσει της πιθανότητας διακοπής της λειτουργίας του συστήματος. Για την περίπτωση της αποκλειστικής παρουσίας της διασποράς τρόπων πόλωσης, ο εξισωτής ελαχίστου μέσου τετραγώνου (DD-LMS) έχει αποδοτικότερη λειτουργία, σε σχέση με τον εξισωτή σταθερής περιβάλλουσας (CMA), για χαμηλές τιμές της διασποράς τρόπων πόλωσης, ενώ ο εξισωτής CMA κυριαρχεί στις περιοχές με μεγαλύτερες τιμές της διασποράς τρόπων πόλωσης. Η βέλτιστη λειτουργία του σύμφωνου συστήματος σε μια ευρύτερη περιοχή τιμών της διασποράς τρόπων πόλωσης, επιτυγχάνεται με την χρήση ενός συνδυασμού των δύο εξισωτών CMA και LMS. Η αλληλεπίδραση της διασποράς τρόπων πόλωσης και της ενδιάμεσης συχνότητας επηρεάζει την απόδοση του σύμφωνου συστήματος, όπου ο εξισωτής CMA λειτουργεί αποδοτικότερα σε σχέση με τον εξισωτή DD-LMS, τόσο στις περιοχές χαμηλής όσο και υψηλής τιμής της διασποράς τρόπων πόλωσης. Επίσης, αν στο μοντέλο της ίνας, προσομοιώσουμε και τις τυχαίες διαφορικές ολισθήσεις της φέρουσας συχνότητας μεταξύ των πλακιδίων, λόγω της διπλοθλαστικότητας, τότε η επίδοση των εξισωτών ελαττώνεται. Επομένως, θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν για την ορθότερη αξιολόγηση της απόδοσης του σύμφωνου συστήματος.

Οι οικονομικές και τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών, η απελευθέρωση της αγοράς, οι ισχυρές κατά απαίτηση πολυμεσικές υπηρεσίες καθώς και ο αυξημένος αριθμός χρηστών των κινητών δικτύων υποδεικνύουν την αναγκαιότητα της σύγκλισης των δύο δικτυακών τεχνολογιών (κινητή τηλεφωνία και internet) με στόχο την παροχή υπηρεσιών Internet στο περιβάλλον των κινητών επικοινωνιών. Η παραπάνω απαίτηση οδήγησε στην δημιουργία του δικτύου επόμενης γενιάς NGN. Η διπλωματική αυτή εργασία ασχολείται με την μελέτη της αρχιτεκτονικής του επιπέδου υπηρεσιών και την υποστήριξη Ποιότητας Υπηρεσίας (QoS) σε δίκτυα Νέας Γενιάς. Συγκεκριμένα δίνεται έμφαση στις λειτουργίες ελέγχου, σηματοδοσίας και λειτουργιών αρχιτεκτονικής του QoS σε επίπεδο υπηρεσιών. Αρχικά, ορίζουμε την έννοια “QoS” όσον αφορά την οπτική του δικτύου και το χρήστη. Περιγράφονται η αρχιτεκτονική του στρώματος υπηρεσιών του δικτύου καθώς και οι λειτουργίες ελέγχου πόρου και αποδοχής των κλήσεων, που αποτελούν σημαντικό μέρος της αρχιτεκτονικής του NGN. Στη συνέχεια παρουσιάζονται αρχιτεκτονικές που προορίζονται για την παροχή του QoS (IntServ, DiffServ), στη Συμφωνία Στάθμης Παρεχόμενης Υπηρεσίας (SLA), το πρωτόκολλο σηματοδοσίας COPS. Επίσης, δίνουμε έμφαση σε ορισμένες πτυχές (χρονοδρομολόγηση, διαχείριση ουρών) μίας QoS αρχιτεκτονικής, οι οποίες είναι ζωτικής σημασίας όσον αφορά την αποδοτική παροχή Ποιότητας Υπηρεσίας. Στη συνέχεια, με τη χρήση του εργαλείου προσομοίωσης OPNET, διεξάγουμε μια σειρά προσομοιώσεων σε ένα ATM και σε ένα NGN δίκτυο. Τέλος, παραθέτουμε και αναλύουμε τα αποτελέσματα των προαναφερθέντων πειραμάτων. / The concept of an NGN (Next Generation Network) has been introduced to take into consideration the new realities in the telecommunications industry, characterized by factors such as: competition among operators due to ongoing deregulation of markets, explosion of digital traffic, e.g.,increasing use of "the Internet", increasing demand for new multimedia services, increasing demand for a general mobility, convergence of networks and services, etc. This thesis has as subject the architecture of service stratum and presents an overview of standards functions defining the Quality of Service (QoS) in Next Generation Networks (NGNs). Several standards bodies define the QoS control architectures based on their scope of work. Specifically, emphasis is given to control functions, signalling and functional architecture of QoS in service stratum. Firstly, we define the meaning of QoS according to the view of the operator’s network and terminal users. The functional architecture of service stratum and especially the part of resource and admission control functions are described in the main body. Furthermore, architectures as IntServ and DiffServ, SLAs and COPS protocol are used as providers of the QoS. Scheduling and queuing management are necessary to optimize the QoS in NGN networks. In this project, we use OPNET simulator in two scenarios to determine construct and control ATM and NGN networks. Finally, collect the results of the experiments and analyze them.