Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση και προσομοίωση των συστημάτων απωλειών πολυδιάστατης τηλεπικοινωνιακής κίνησης, σε επίπεδο κλήσεων. Στα πλαίσια της διατριβής έχουν μελετηθεί ασύρματα δίκτυα τεχνολογίας W-CDMA, ενσύρματα συνδεσιμοστρεφή δίκτυα και οπτικά δίκτυα. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στα ασύρματα δίκτυα. Η ανάλυση των συστημάτων απωλειών κίνησης εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τις διαδικασίες άφιξης και εξυπηρέτησης των κλήσεων. Στην διδακτορική αυτή διατριβή προτείνονται οκτώ νέα μοντέλα απωλειών κλήσεων. Τα έξη από αυτά είναι κατάλληλα για την ανάλυση της απόδοσης σε επίπεδο κλήσεων των ασύρματων δικτύων τεχνολογίας W-CDMA. Τα υπόλοιπα δύο είναι γενικά μοντέλα, κατάλληλα για ενσύρματα συνδεσιμοστρεφή τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και οπτικά δίκτυα. Ανάλογα με την διαδικασία άφιξης των κλήσεων στο σύστημα, διακρίνουμε δύο είδη κίνησης: τυχαία και ψευδο-τυχαία. Η τυχαία κίνηση παράγεται όταν η διαδικασία άφιξης των κλήσεων στο σύστημα είναι Poisson. Αυτό αντιστοιχεί στην υπόθεση ότι έχουμε άπειρο πλήθος πηγών που παράγουν κλήσεις. Όταν το πλήθος των πηγών είναι πεπερασμένο, τότε παράγεται ψευδο-τυχαία κίνηση. Ανάλογα με τις απαιτήσεις των κλήσεων σε πόρους και σε χρόνο εξυπηρέτησης κατά την άφιξή τους στο σύστημα, διακρίνουμε τρία είδη κίνησης: σταθερή, ελαστική και προσαρμοζόμενη. Η σταθερή κίνηση παράγεται από κλήσεις που έχουν σταθερές απαιτήσεις σε πόρους και σε χρόνο εξυπηρέτησης. Η ελαστική και η προσαρμοζόμενη κίνηση παράγεται από κλήσεις που μπορούν να έχουν διαφορετικές, εναλλακτικές απαιτήσεις σε πόρους, ανάλογα με την διαθεσιμότητα των πόρων στο σύστημα. Ανάλογα με την συμπεριφορά των κλήσεων μετά την αποδοχή τους στο σύστημα, διακρίνουμε: α) κλήσεις που κατά την διάρκεια της εξυπηρέτησης δεν μπορούν να μεταβάλουν το εύρος ζώνης που τους έχει ανατεθεί (σταθερός ρυθμός μετάδοσης), και β) κλήσεις που κατά την διάρκεια της εξυπηρέτησης μπορούν να μεταβάλουν το εύρος ζώνης (ελαστικός ρυθμός μετάδοσης) προκειμένου το σύστημα να μπορεί να δεχτεί και άλλες κλήσεις. / In this PhD dissertation new multi-rate teletraffic loss models are developed for the call-level analysis of wireless W-CDMA networks, connection-oriented networks and optical networks. The model's accuracy and consistency are verified by simulation and found to be very satisfactory. The analysis of loss systems mainly depends on the call arrival and call service processes. Eight new teletraffic loss models are proposed. Six of them are suitable for the call-level performance analysis of W-CDMA networks, while the other two models are more general and suitable for the analysis of either connection-oriented networks or optical networks. According to the call arrival process, we distinguish two types of traffic: random and quasi-random. Random traffic is generated when the call arrival process is Poisson. This coincides with the assumption that the number of traffic sources is infinite. When the number of traffic sources is finite, we have the so called quasirandom traffic. According to the calls’ resource and service time requirements, we distinguish three types of traffic: stream, elastic and adaptive. Stream traffic is generated by calls that have fixed resource and service time requirements. Elastic and adaptive traffic is generated by calls that may have alternative contingency resource requirements depending on the resource availability or the capacity of the system. According to the calls’ behaviour after their acceptance into the system, we distinguish: a) calls that during their service time are not able to change the number of allocated resources (constant transmission rate) and b) calls that during their service time are able to change the number of allocated resources (elastic transmission rate) in order for the system to be able to accept more calls.

Στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες, χρησιμοποιείται μια μεγάλη γκάμα από RF μοντέλα, για τον υπολογισμό την μέσης τιμής ισχύος του σήματος εκπομπής για δεδομένη απόσταση από τον πομπό και για δεδομένη συχνότητα. Στις διεργασίες αυτές , επιδρούν στο δικό τους βαθμό διάφορες παράμετροι τοπολογικού (πληθυσμός , τύπος εμποδίων, πυκνότητα εμποδίων) και γεωγραφικού (μορφολογία εδάφους, υγρασία, διαμόρφωση χώρου) χαρακτήρα, αλλά και χαρακτηριστικά των πομποδεκτών ( συνήθως το ύψος και το κέρδος των κεραιών). Στις περισσότερες περιπτώσεις οι απώλειες όδευσης (Path Loss όπως είναι γνωστές στη διεθνή βιβλιογραφία) , εκφράζονται σε dB , σα συνάρτηση της συχνότητας λειτουργίας του υπό μελέτη συστήματος και της απόστασης ανάμεσα στον πομπό και το δέκτη ( πάντα για δεδομένα χαρακτηριστικά κεραιών και τύπο περιβάλλοντος). Έτσι μια ντετερμινιστική γνώση του μέσου path loss, που σε συνδυασμό με άλλες πιθανές απώλειες μας δίνει το σύνολο των απωλειών είναι εφικτή. O περιορισμός όσον αφορά στη συχνότητα και στις αποστάσεις , έχουν οδηγήσει τη σύγχρονη έρευνα στην επέκταση των υπαρχόντων μοντέλων , τόσο εξωτερικού όσο και εσωτερικού χώρου. Μια βασική παράμετρος της έρευνας στηρίζεται στην παραδοχή πως ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου , ο οποίος περιγράφεται από την εξίσωση του Friis δε βρίσκει εφαρμογή, παρά μόνο σε περιβάλλοντα όπου επιτυγχάνεται LOS( Line of Sight) όδευση. Η τροποποίηση της παραπάνω εξίσωσης με δυναμικό ως προς το εκάστοτε περιβάλλον τρόπο , επιτρέπει πλέον τον υπολογισμό της μέσης ισχύος του σήματος σε σχετικά ρεαλιστικό βαθμό. Για παράδειγμα έχει προταθεί τροποποίηση με την τρίτη δύναμη της απόστασης για ένα σύνολο εφαρμογών , που αφορούν συστήματα ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών εξωτερικού περιβάλλοντος.Ένα εσωτερικό περιβάλλον απαιτεί μια πολύ πιο ντετερμινιστική φόρμουλα υπολογισμού των απωλειών ώστε να μπορέσει ο μελετητής να υπολογίσει με αξιοπιστία την ισχύ του σήματος σε μια δεδομένη θέση. Η ακρίβεια λοιπόν των μοντέλων εξαρτάται άμεσα από την ικανότητά τους να απεικονίσουν και να αποδώσουν με τη σειρά τους , μέσω των υπολογισμών, όλα αυτά τα σύνθετα φαινόμενα με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η πλειοψηφία των RF μοντέλων που αναπτύσσονται στα πλαίσια ακόλουθων παραγράφων, έχει αναπτυχθεί και αξιολογηθεί για συστήματα κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας (GSM, PCS-1800, GPRS, UMTS). Προκειμένου να ξεπεραστούν διάφοροι περιορισμοί των αρχικών μοντέλων ως προς την συχνότητα λειτουργίας του συστήματος και την απόσταση πομπού-δέκτη (ουσιαστικά την εμβέλεια του μοντέλου), ορισμένες προεκτάσεις έχουν παρουσιαστεί σε διάφορες ερευνητικές εργασίες και χρησιμοποιούνται ευρέως . Ορισμένα νέα μοντέλα έχουν επίσης προστεθεί στα ήδη υπάρχοντα για τις συχνότητες συστημάτων κινητής τηλεφωνίας . Για άλλες περιοχές συχνοτήτων με έντονο ενδιαφέρον, πχ στα 5,2 GHz, διάφορες προτάσεις έχουν πραγματοποιηθεί, συχνά υποστηριζόμενες από μετρήσεις. Λαμβάνοντας υπόψη την συχνότητα των 2,4 GHz, δεν μπορούμε παρά να συμπεράνουμε ότι η όσο το δυνατόν πιο ακριβής και επιστημονικά αξιόπιστη μοντελοποίηση του ασύρματου διαύλου, ιδιαίτερα – άλλα όχι αποκλειστικά – για τοπολογίες εσωτερικών χώρων, είναι πολύ σημαντική για τον σχεδιασμό και την εύρυθμη λειτουργία των Wi-Fi συστημάτων και των WLAN δικτύων. Παρόλα αυτά, αν και στην υπάρχουσα βιβλιογραφία και στην διεθνή επιστημονική και ερευνητική κοινότητα υπάρχουν αρκετά σημαντικές εργασίες για την μοντελοποίηση του ασύρματου διαύλου στα 2,4 GHz , εντούτοις απουσίαζε, για πολύ καιρό, μία ολοκληρωμένη συγκριτική αντιπαραβολή και αξιολόγηση των βασικών θεωρητικών μοντέλων για τον υπολογισμό της μέσης απώλειας οδεύσεως στη συγκεκριμένη συχνότητα. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής , θα προσπαθήσουμε να αξιοποιήσουμε το σύνολο των μετρήσεων και των δεδομένων που συλλέξαμε , σε ρεαλιστικές συνθήκες και για πραγματικά συστήματα μετάδοσης , τόσο να αξιολογήσουμε τα ήδη υπάρχοντα RF μοντέλα , όσο και να προβούμε στις απαραίτητες προτάσεις και τροποποιήσεις όπου αυτό κριθεί σκόπιμο. Επίσης για τη σκίαση επιχειρούμε εδώ μια προσέγγιση υπολογισμού μέσω της χρήσης των RF μοντέλων και την ενσωμάτωση όλων των χαρακτηριστικών διάδοσης , που αφορούν και στα δύο στοιχεία των μεγάλης κλίμακας διαλείψεων. Οι μετρήσεις μέσης λαμβανόμενης ισχύος πραγματοποιήθηκαν σε πέντε διαφορετικές τοπολογίες. Σε κάθε μία από αυτές τις τοπολογίες ελήφθησαν μετρήσεις της μέσης λαμβανόμενης ισχύος σε διάφορες δειγματοληπτικές αποστάσεις πομπού-δέκτη ούτως ώστε να είναι εφικτή, με έναν υψηλό βαθμό αξιοπιστίας, η αξιολόγηση των βασικών μοντέλων απωλειών οδεύσεως. Ταυτόχρονα, μέσα από αυτή την διαδικασία, αξιολογήθηκε η αξιοπιστία των μοντέλων αναφορικά με τις ιδιαιτερότητες της κάθε τοπολογίας, που αποτυπώνονται ποιοτικά και ποσοτικά στους μηχανισμούς διάδοσης του ραδιοσήματος σε κάθε περίπτωση. / In modern wireless communications, a wide range of RF models are used to provide the median (average) value of the signal strength at a given distance from the transmitter and for a given frequency spectrum. In this procedure, certain geographical (ground, humidity, terrain irregularities), topological (heavy or scattered population, type of obstacles, density of the buildings) characteristics of the area, as well as certain specifications of the transmitter and receiver antennas (most notably antenna height and antenna gain) have to be taken into consideration. In most cases, the mean value of the path loss is expressed in dB in dependence with the frequency of the operating system and the distance between the transmitter and the receiver (for given antenna characteristics and a certain type of environment where the system operates). Thus, a deterministic knowledge of the average path loss (which along with the average rain loss and diffraction loss provides the overall propagation loss in dB) is available. However, distance and frequency limitations have led research to a further study and expanding of the existing empirical and semi-empirical models , for both outdoor and indoor scenarios. A fundamental parameter-based study of the path loss models is based on the concept that the second power law that is predicted by the Friis equation does not apply in real-life scenarios except for standard LOS paths. The modified power law research allows engineers and scholars to calculate the mean received power of a signal transmitted over a wireless link in a more realistic approach. It has been suggested that the third-power law is more suitable for a plethora of applications based on wireless communications for an outdoor environment.The indoor propagation channel, in particular, demands a lot more than a deterministic formula of calculating the average signal strength as a function of distance and frequency. The increased impact of multipath and other propagation phenomena such as reflection and scattering, as well as the existence of many objects whose proportions are comparatively close to the wavelength of the operating wireless systems, render the propagation of a signal and its arrival at a receiver (mobile or fixed) a rather complex procedure. The precision of the path loss models depends heavily on their ability to demonstrate and reflect, in the calculations, these complex phenomena to the best possible way .The majority of these models have been developed and validated for mobile telephony systems in both outdoor and indoor schemes (GSM, PCS-1800, GPRS, UMTS). Certain extensions of many of these models were conducted in order to expand the frequency and distance limitation of the original formulas. New empirical models have also been suggested for these certain frequencies .Taking into account the very sensitive and subject to many different factors nature of the indoor propagation channel, it is easily concluded that both researchers in academia and engineers in industry need to have reliable models that will predict precisely the average path loss over the indoor 2.4 GHz channel which is of utter importance as the de facto frequency of Wi-Fi and WLAN systems. A gap in aforementioned research, however, is that it either concentrates on multipath parameters or does not feature a full comparative validation of most well-known indoor path loss models.The purpose of this work is to present, all the data collected through experiments in realistic conditions and real telecom systems, in order to validate and modify (where necessary) the existing RF models. Furthermore an empirical formula to measure attenuation due to shadowing is derived through these RF models.Measurements took part in five different topologies. In each of them the mean received power was recorded, for various distances between the transmitter and the receiver, in order for our endeavor to validate the RF models in question to be reliable. Through this procedure, RF models where examined towards each topology’s distinctive characteristics that reflect in quality and quantity all the attenuation mechanisms that affect the propagated signal.