Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Η βιολογική απομάκρυνση του αζώτου μέσω της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης είναι οι διεργασίες οι οποίες χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των αστικών και των βιομηχανικών υγρών αποβλήτων καθώς και για την προεπεξεργασία του πόσιμου νερού. Η νιτροποίηση (βιολογική οξείδωση της αμμωνίας) υλοποιείται από δύο διαφορετικές κατηγορίες αυτότροφων βακτηριών. Η πρώτη ομάδα (νιτρωδοποιητές) μετατρέπει την αμμωνία ( + 4 NH ) σε νιτρώδη ( − 2 NO ) και στη συνέχεια η δεύτερη ομάδα, οι νιτρικοποιητές, οξειδώνει περαιτέρω το ενδιάμεσο προϊόν σε νιτρικά. Η απονιτροποίηση είναι η βιολογική διεργασία, η οποία ευθύνεται για την απομάκρυνση του αζώτου με τη μορφή των νιτρικών και/ή νιτρωδών από τα απόβλητα με μετατροπή σε αέριο άζωτο. Τα τελευταία χρόνια, γίνεται σημαντική ερευνητική προσπάθεια για να παρακαμφθεί το στάδιο της νιτρικοποίησης. Είναι επιθυμητό η αμμωνία να οξειδώνεται σε νιτρώδη και μετά απευθείας να λαμβάνει χώρα η απονιτροποίηση, παρά να γίνεται πρώτα η μετατροπή σε νιτρικά στα συστήματα απομάκρυνσης αζώτου. Θεωρητικά εξοικονομείται περίπου 25% σε δέκτη ηλεκτρονίων (οξυγόνο) και 40% σε δότη ηλεκτρονίων, ενώ επίσης ο ρυθμός απονιτροποίησης αυξάνεται κατά 63% με μικρότερη παραγωγή βιομάζας για κάθε μονάδα αζώτου που απομακρύνεται, πράγμα το οποίο είναι πολύ ελκυστικό από οικονομικής πλευράς, καθώς μειώνεται αρκετά το κόστος λειτουργίας της διεργασίας. Η παράκαμψη αυτή συνήθως επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας κατάλληλα τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου, το pH και τη θερμοκρασία. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν να εξεταστεί το φαινόμενο «υστέρησης» που παρουσιάζουν οι νιτρικοποιητικοί μικροοργανισμοί εξαιτίας της μετάβασης από ανοξικές σε αερόβιες συνθήκες. Επίσης το συγκεκριμένο φαινόμενο μοντελοποιήθηκε για τη διεργασία της νιτροποίησης για (α) ένα αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας (CSTR) στον οποίο λάμβανε χώρα ανάπτυξη βιομάζας τόσο στον υγρό όγκο όσο και στα τοιχώματα του αντιδραστήρα (προσκολλημένη) και (β) σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Με σκοπό να παρακαμφθεί η νιτρικοποίηση χρησιμοποιήθηκε ένας αντιδραστήρας διαλείποντος έργου (SBR) για να προσομοιωθεί η διεργασία της νιτροποίησης λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο υστέρησης των νιτρικοποιητικών βακτηρίων. Η προσομοίωση αυτή έδειξε ότι είναι δυνατό να παρακαμφθεί η νιτρικοποίηση χρησιμοποιώντας 3 ζεύγη αερόβιας – ανοξικής φάσης, με συνολική διάρκεια κάθε φάσης 4.5 και 5.5 ωρών αντίστοιχα, επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα σχεδόν πλήρη απομάκρυνση του αζώτου. Οι μονάδες βιολογικής επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων γίνονται συχνά δέκτες αρκετών ξενοβιοτικών ουσιών, τα οποία πρέπει να επεξεργαστούν ταυτόχρονα με τα αστικά απόβλητα προτού εναποτεθούν στους υδάτινους αποδέκτες. Η παρουσία αυτών των ουσιών στις εισροές των βιολογικών καθαρισμών είναι πιθανόν παρεμποδιστικός παράγοντας για ευαίσθητες βιολογικές διεργασίες όπως η νιτροποίηση. Παρεμπόδιση αυτής της διεργασίας, μπορεί κάτω από ανεξέλεγκτες συνθήκες να οδηγήσει σε αποτυχία της βιολογικής απομάκρυνση αζώτου. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε η τυχόν παρεμπόδιση 12 ξενοβιοτικών ουσιών σε (α) νιτρωδοποιητικά βακτήρια και (β) νιτρικοποιητικά βακτήρια τα οποία είχαν απομονωθεί από την ενεργό ιλύ. Από τα πειράματα αυτά προέκυψαν αξιοσημείωτα φαινόμενα παρεμπόδισης για κάποιες από τις εξεταζόμενες ουσίες. Η συγκεκριμένη παρεμπόδιση μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το μη – ανταγωνιστικό μοντέλο παρεμπόδισης. / In the recent years significant research effort has been spent in bypassing the nitrification process. It is beneficial if ammonium is oxidized to nitrite and is thereafter directly denitrified rather than first being converted to nitrate in biological nitrogen removal systems. the bypass is often accimplished by changing the concentration of the dissolved oxygen, the pH and the temperature. The aim of this work was to examine the \"delay\" effect exhibited by nitrite oxidezers during the transition from anoxic to aerobic conditions. Furthermore, this effect was modeled for the nitrification process that took place in a)a continuously stirred tank reactor (CSTR) and b)in batch reactors. In order to bypass nitrification, a system called Sequencing Batch Reactor (SBR) was used to simulate the nitrification process by taking into account the delay effect of nitrite oxidizers. Sewage Treatment Plants (STPs) are usual receptors of xenobiotic compounds which may inhibit biological processes such as nitrification irrevesibly. This work also examined the possible inhibitory effect of twelve xenobiotic compounds an a)a mixed culture of autotrophic ammonium-oxidizing bacteria and b)nitrite-oxidizing bacteria isolated from activated sludge.

Στο πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής παρουσιάζεται ο σχεδιασμός, η κατασκευή και η λειτουργία μιας τριοδικής SOFC με state-of-the-art υλικά ηλεκτροδίων. Η τριοδική λειτουργία ενίσχυσε την απόδοση της κυψέλης έως και 7.7% κάτω από μη-ευνοϊκές συνθήκες λειτουργίας. Το δεύτερο μέρος αφορά τη μαθηματική μοντελοποίηση των SOFC. H μοντελοποίηση μόνιμης κατάστασης περιγράφει τη λειτουργία των κεραμομεταλλικών ανόδων μέσω ενός παράγοντα αποτελεσματικότητας, η, ο οποίος σχετίζεται με το αδιάστατο ρεύμα, J, και έναν αδιάστατο ρυθμό αντίδρασης, Φ2. Η μοντελοποίηση λαμβάνει υπ’όψη αποκλειστικά την υπερχείλιση ιόντων οξυγόνου από τον ηλεκτρολύτη και αφορά διάφορες γεωμετρίες των καταλυτικών σωματίων. Το μοντέλο επιβεβαιώνεται ικανοποιητικά από πειραματικά αποτελέσματα σε state-of-the-art κυψέλη SOFC. Για τη μοντελοποίηση της απενεργοποίησης των κεραμομεταλλικών ανόδων προτείνεται ότι η αύξηση του μεγέθους των καταλυτικών σωματίων Ni της ανόδου υπακούει σε μία συνάρτηση εκθετικής αύξησης της ακτίνας. Με τη χρήση θεμελιωδών ηλεκτροχημικών εξισώσεων σχετίζεται ο ρυθμός υποβάθμισης με τη μεταβολή του μήκους ορίου τριών φάσεων, που υπολογίζεται από την συνάρτηση εκθετικής αύξησης της ακτίνας, και με δομικές και λειτουργικές παραμέτρους της ανόδου. Το μοντέλο επιβεβαιώνεται από πειραματικά δεδομένα συστοιχιών SOFC. Τέλος, μελετώνται οι ιδιότητες των κεραμομεταλλικών ανόδων με τη μέθοδο της Θερμοπρογραμματιζόμενης εκρόφησης. Με τη μέθοδο της αέριας ρόφησης αναγνωρίστηκαν τρία κύρια είδη κορυφών τα οποία είναι σε συμφωνία με κορυφές που έχουν παρατηρηθεί σε αντίστοιχα συστήματα. Εκτιμήθηκαν οι ενέργειες ενεργοποίησης της εκρόφησης των κορυφών. Με τη μέθοδο της ηλεκτροχημικής ρόφησης επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη των κορυφών και παρατηρήθηκε μετατόπιση της κύριας κορυφής σε υψηλότερη θερμοκρασία εκρόφησης υποδηλώνοντας ισχυρότερη σύνδεση με τον καταλύτη, σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία. / In the first part of the present dissertation the design, construction and operation of a triode SOFC with state-of-the-art electrode materials is presented. The triode operation led to an increased performance of the fuel cell up to 7.7% under unfavorable operating conditions. The second part of the dissertation regards the mathematical modeling of SOFC cermet anodes. Under steady state conditions the operation of the cermet anode is described via the use of an effectiveness factor, η, that is related to the dimensionless current of the anode, J, and a dimensionless reaction rate, Φ2. The modeling accounts explicitly for the migration of the oxygen spillover species from the electrolyte and examines various geometries of the catalytic particles. The model is in good agreement with experimental data obtained from state-of-the-art SOFC cells. For the anode degradation modeling it is proposed that the radius of the Ni particles of the follows an exponential growth function, to describe the sintering induced particle growth. Using fundamental electrochemical equations the degradation is linked to the three phase boundary length, that can be estimated from the exponentially growing radius, and operational and structural data of the anode. The model is validated using SOFC stack experimental data. The third part involves the study of SOFC cermet anodes with the use of Temperature Programmed Desorption. Using gaseous adsorption we identified three peaks that are in agreement with peaks observed in similar systems. The activation energies of the desorption peaks were calculated. Using electrochemical adsorption we verified the origin of the peaks. The shift of the main peak towards higher desorption temperature implies stronger bonding of the relevant species with the catalyst, in agreement with literature data.

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η κατασκευή, η μοντελοποίηση και η μελέτη της φυσικής και μηχανικής συμπεριφοράς συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα. Πρώτος στόχος της εργασίας είναι η μελέτη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα. Για τη μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκαν μια σειρά διαφορετικών πειραμάτων προκειμένου να προκύψουν αξιόπιστα συμπεράσματα. Το πρώτο και βασικότερο πρόβλημα που μελετά η συγκεκριμένη εργασία είναι η κατασκευή νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα με τρόπους που συνδυάζεται το χαμηλό κόστος εξοπλισμού και η μικρή διάρκεια προετοιμασίας για την κατασκευή. Η κατασκευή των νανοσυνθέτων έγινε με δύο βασικές μεθόδους, με μηχανική ανάδευση και με χρήση υπερήχων. Το κύριο πρόβλημα που έπρεπε να ξεπερασθεί ήταν η ομογενής διασπορά μέσα στη ρητίνη καθώς η τάση που έχουν οι νανοσωλήνες να σχηματίζουν συσσωματώματα επιδρά αρνητικά. Από τη βιβλιογραφική και πειραματική μελέτη που έγινε προκύπτει πως ο χρόνος ανάμιξης, η μέθοδος ανάμιξης και η μεθοδολογία κατασκευής παίζουν καθοριστικό ρόλο στην επίτευξη καλής διασποράς των νανοσωλήνων μέσα στη ρητίνη. Εδώ πρέπει να σημειωθεί πως ο τύπος της ρητίνης και ο τύπος των νανοσωλήνων ανατρέπουν τη βέλτιστη μέθοδο. Για παράδειγμα στη μία ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε, βέλτιστος χρόνος ήταν τα 10 λεπτά ενώ στην άλλη ρητίνη, βέλτιστος χρόνος ήταν τα 20 λεπτά. Για το στατικό μηχανικό χαρακτηρισμό νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων. Για πληρότητα της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι εποξικών ρητινών. Και οι δύο τύποι ρητινών ενισχύθηκαν με νανοσωλήνες άνθρακα σε διάφορες περιεκτικότητες. Από τα συγκεκριμένα πειράματα προέκυψε ότι υπάρχει μία συγκεκριμένη περιεκτικότητα σε νανοσωλήνες στην οποία το νανοσύνθετο εμφανίζει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, για τον πρώτο τύπο εποξικής ρητίνης βρέθηκε πως το ποσοστό αυτό είναι το 0.3% κ.β. με ποσοστιαία αύξηση 10.6% και 2.6% σε μέτρο ελαστικότητας και αντοχής σε κάμψη. Σε ποσοστό 3% κ.β., η αύξηση στο μέτρο ελαστικότητας ήταν 14.03% αλλά η αντοχή του ήταν πολύ μικρή. Για το δεύτερο τύπο εποξικής ρητίνης βρέθηκε ότι το ποσοστό αυτό είναι το 0.2% κ.β., με ποσοστιαία αύξηση στο μέτρο ελαστικότητας σε κάμψη 22.8% και στην αντοχή σε κάμψη 29.4%. Για τον πειραματικό χαρακτηρισμό της βισκοελαστικής συμπεριφοράς (Long term testing) των υλικών που κατασκευάσθηκαν πραγματοποιήθηκαν πειράματα εφελκυστικού ερπυσμού-επανάταξης, ενώ για τον έλεγχο της βραχυπρόθεσμης βισκοελαστικής συμπεριφοράς πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων σε διαφορετικούς ρυθμούς παραμόρφωσης για τα οποία έγινε μοντελοποίηση με εφαρμογή των βισκοελαστικών προτύπων του στερεού των τεσσάρων και τριών παραμέτρων, αντίστοιχα. Εξίσου σημαντική ήταν και η μελέτη των υλικών σε μη ιδανικές συνθήκες, δηλαδή σε συνθήκες όπου μπορεί να βρεθούν τα υλικά αυτά όταν αποτελέσουν μέρος μιας πραγματικής μηχανολογικής κατασκευής. Για το σκοπό αυτό έγινε μελέτη της βλάβης που εμφανίζεται σε υλικά καθαρής ρητίνης αλλά και ενισχυμένης τόσο ύστερα από κυκλικό θερμικό σοκ όσο και μετά από απορρόφηση υγρασίας. Η μελέτη που έγινε χωρίζεται σε δύο μέρη, το πειραματικό και το θεωρητικό. Όσον αφορά το πειραματικό σκέλος έγινε μηχανικός χαρακτηρισμός των υλικών με στατικά πειράματα κάμψης τριών σημείων, ενώ όσον αφορά το θεωρητικό σκέλος έγινε εξήγηση των μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα με αποτέλεσμα την πρόκληση βλάβης. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν στην περίπτωση της θερμικής κόπωσης είναι ενθαρρυντικά. Συγκεκριμένα για το μέτρο ελαστικότητας σε περιεκτικότητα 0.2%, όπου έχει γίνει μια επιτυχημένη κατασκευή νανοσυνθέτου με αύξηση που ξεπερνάει το 22.5%, παρατηρείται ότι η σχετική αύξηση σε πέντε κύκλους θερμικής κόπωσης ξεπερνάει το 30% (30, 40, 50, 80 και 90) και μάλιστα φτάνει το 40.2% στους 80 κύκλους. Όσον αφορά την αντοχή, αντίστοιχα είναι τα συμπεράσματα. Φαίνεται πως τα νανοσύνθετα συνεχίζουν να υπερτερούν έναντι του παρθένου υλικού με πιο χαρακτηριστική περίπτωση την αύξηση που παρατηρείται στους 40 κύκλους θερμικής κόπωσης όπου φτάνει το 46.7%. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν μετά από απορρόφηση υγρασίας δεν είναι ενθαρρυντικά καθότι τόσο στο 0.2%κ.β. όσο και στο 0.3%κ.β. η σχετική μείωση των ιδιοτήτων είναι ιδιαίτερα υψηλή. Για το δυναμικό χαρακτηρισμό των υλικών έγιναν πειράματα δυναμικής θέρμο-μηχανικής ανάλυσης μέσω των οποίων προσδιορίσθηκε η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης Tg και η ικανότητα απόσβέσης των νανοσυνθέτων. Από τα πειράματα προέκυψε πως τα νανοσύνθετα έχουν Tg μεγαλύτερη από αυτή του μητρικού υλικού και συγκεκριμένα 126°C έναντι 101°C. Επίσης, η ικανότητα απόσβεσης των νανοσυνθέτων φαίνεται να είναι αισθητά μικρότερη. Τα πειραματικά αποτελέσματα ενισχύθηκαν με θεωρητική μελέτη. Για το σκοπό αυτό έγινε εφαρμογή αναλυτικών μοντέλων και αριθμητική ανάλυση με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων. Το πρώτο μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε ήταν το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης που έχει αναπτυχθεί από τον καθηγητή Γ. Παπανικολάου και την ερευνητική του ομάδα. Το μοντέλο αυτό εισάγει την έννοια του συντελεστή πρόσφυσης και της ενδιάμεσης φάσης, ως μίας φάσης που ξεκινά αμέσως μετά τη διεπιφάνεια ίνας-μήτρας και καταλήγει στη μήτρα. Κατά το πάχος της ενδιάμεσης φάσης οι ελαστικές ιδιότητες. Η ενδιάμεση φάση συμπεριφέρεται βισκοελαστικά με αποτέλεσμα το πάχος της να μεταβάλλεται με το χρόνο. Η υβριδική ενδιάμεση φάση είναι πολύ σημαντική και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό από τους μηχανικούς. Η άποψη αυτή ενισχύεται από την παρατήρηση που γίνεται στη συγκεκριμένη εργασία, ότι, δηλαδή, μπορεί να προκύψει ένα σύνθετο υλικό με πλήρως τροποποιημένη μήτρα. Στην περίπτωση αυτή, το σύνθετο σε μικροσκοπική κλίμακα εμφανίζει ιδιότητες ίνας και ιδιότητες ενδιάμεσης φάσης, αλλά όχι μήτρας. Τα μοντέλα, τόσο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης όσο και της βισκοελαστικής ενδιάμεσης φάσης χρησιμοποιήθηκαν στη μοντελοποίηση που έγινε με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων. Συγκεκριμένα, έγινε μοντελοποίηση ενός αντιπροσωπευτικού στοιχείου όγκου που συνδέει τις μακροσκοπικές με τις μικροσκοπικές ιδιότητες και στη συνέχεια μελετήθηκε η εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αναλυτικά μοντέλα που μελετούν τη διεπιφάνεια. / Nanocomposites constitute a very special category of composite materials. Only a small amount of nano-inclusions is enough to achieve unique mechanical, electrical and other properties. Carbon nanotubes have gain the scientists’ interest the last ten years due their becoming a material with many prospects. After an extended research by Iijima, S. in 1991, carbon nanotubes became a new attractive material to Nanotechnology. Thorough investigations in polymer matrix composites reinforced with carbon nanotubes are being developed in an effort to explain their properties. The aim of the present master thesis is multiple. The first step was the experimental procedure which started with the static mechanical characterization of epoxy polymer matrices reinforced with Multi Walled Carbon Nanotubes in order to define the factors that, mainly, come up during the mixing process and contribute to the final mechanical properties, namely the bending modulus and the strength. High speed shearing and ultrasonication were the two main manufacturing techniques that were applied in order to disperse the nanotubes in different volume fractions. Neat epoxy and MWCNT’s-reinforced epoxy specimens were also tested with Dynamic Thermo Mechanical Analysis bending experiments, by which the glass transition temperature, Tg, and the damping response were defined. Furthermore, three point bending tests in different strain rates and creep-recovery tests were executed for the definition of the short-term and long-term viscoelastic response, respectively. Finally, the damage that occurs after thermal shock cycling and water absorption was examined thoroughly. More specifically, the elastic properties degradation, due to damage, of the neat epoxy and of the nanocomposites was compared. Next, using the hybrid interphase concept and the viscoelastic intrphase, a theoretical investigation of the fiber-matrix interphase region was executed in an effort to compute both analytically and numerically its effect on the interfacial stress and strain fields developed in the area close to CNT’s. Analytical models that give the distribution of the normal and shear stresses were applied and the results were compared with the numerical analysis. The Finite Element Method was used for the numerical analysis. Many simplifying assumptions were necessary for both analytical and numerical technique. Experimental findings combined with analytical and numerical results gave a better understanding on the structural and mechanical performance of epoxy resin-carbon nanotubes composites. The static mechanical characterization that is being presented shows that we can achieve better mechanical properties by using a quit simple and low cost mixing process, but it needs much better techniques to achieve high performance materials. Glass transition temperature, Tg, of the nanocomposite is clearly higher from that of the neat epoxy. On the other hand, the damping of the nanocomposite is much lower, especially in higher temperatures. Finally, the nanocomposites seem to have much better response after cyclic thermal shock in contrast with the effect of water absorption, that seem to degrade the properties. The theoretical investigation showed that the third phase formatted around the inclusion is responsible for the stress and strain field developed in the area close to the nanotube. The interphase is not simply a geometrical concept but it mainly a property dependent concept, the thickness of which vary in compliance with the adhesion coefficient and time. Nanocomposites are materials that need further investigation in order to achieve things that the human brain could never imagine a few decades before.

Οι ραγδαία αυξανόμενες απαιτήσεις για ασύρματες ευρείας ζώνης υπηρεσίες και τα πρόσφατα επιτεύγματα στο σχεδιασμό κι υλοποίηση κινητών τερματικών συσκευών με δυνατότητες παροχής υπηρεσιών διαδικτύου επισπεύδουν την εισαγωγή των ασυρμάτων συστημάτων επικοινωνίας τέταρτης γενεάς στην παγκόσμια αγορά. Βασικό ρόλο στην εκπλήρωση των απαιτήσεων για αυξημένο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και ποιότητα υπηρεσιών που έχουν τεθεί από τα συστήματα αυτά, διαδραματίζουν οι χωροχρονικές τεχνικές επεξεργασίας σήματος που εφαρμόζονται στα ασύρματα συστήματα με πολλαπλές κεραίες στον πομπό ή/και στο δέκτη. Ευρέως διαδεδομένα και συνάμα απλά στην υλοποίηση συστήματα πολλαπλών κεραιών είναι οι δέκτες χωρικού διαφορισμού (ΔΧΔ), οι οποίοι παρέχουν τη δυνατότητα αποδοτικής αντιμετώπισης του φαινομένου των διαλείψεων πολυδιόδευσης που εμφανίζονται στο ασύρματο κανάλι, συνδυάζοντας κατάλληλα τα πολλαπλά ληφθέντα αντίγραφα του εκπεμπόμενου σήματος. Η θεωρητικά αναμενόμενη βελτίωση στις επιδόσεις ασυρμάτων συστημάτων που δύνανται να προσφέρουν οι ΔΧΔ σε σύγκριση με τους συμβατικούς δέκτες μονής κεραίας, προϋποθέτει τη στατιστική ανεξαρτησία των διαλείψεων πολυδιόδευσης που εμφανίζονται στις πολλαπλές κεραίες του δέκτη. Σε πρακτικές υλοποιήσεις, όμως, ποικίλες παράμετροι, όπως για παράδειγμα η μικρή απόσταση μεταξύ των πολλαπλών κεραιών του δέκτη, συντελούν ώστε οι διαλείψεις που εμφανίζονται στους κλάδους των ΔΧΔ να είναι αυθαίρετα συσχετισμένες. Η θεωρητική μελέτη επιδόσεων ΔΧΔ που υπόκεινται σε αυθαίρετα συσχετισμένα κανάλια διαλείψεων πολυδιόδευσης, γνωστών ως διαλείψεις μικρής κλίμακας (ΔΜΙΚ), αποτελεί το αντικείμενο έρευνας της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Αν και πολυάριθμες ερευνητικές εργασίες ασχολούνται με τη μοντελοποίηση των συσχετισμένων ΔΜΙΚ και της επίδρασής τους στις επιδόσεις ΔΧΔ, η πλειονότητά τους, χρησιμοποιώντας τις στατιστικές ιδιότητες πολυ-μεταβλητών κατανομών, περιορίζεται σε ειδικές μορφές συσχέτισης των διαλείψεων και σε συμβατικές τεχνικές ΔΧΔ. Το γεγονός αυτό οφείλεται, σε μεγάλο βαθμό, στην απουσία απλών στη χρήση και στον υπολογισμό μαθηματικών εκφράσεων για τις στατιστικές ιδιότητες πολυ-μεταβλητών κατανομών με αυθαίρετα συσχετισμένες τυχαίες μεταβλητές (ΤΜ). Στα πλαίσια της διατριβής αυτής επισκοπούνται, αρχικά, οι προταθείσες μαθηματικές εκφράσεις για τις κυριότερες στατιστικές ιδιότητες των πολυ-μεταβλητών κατανομών Rayleigh, Nakagami-m, Weibull και γενικευμένου Γάμα (ΓG) με διάφορες μορφές συσχέτισης και περιγράφονται οι δυνατότητες χρησιμοποίησής τους στη μελέτη επιδόσεων ΔΧΔ που λειτουργούν σε συσχετισμένες ΔΜΙΚ. Κατόπιν, παρουσιάζοντας μια νέα μεθοδολογία δημιουργίας αυθαίρετα συσχετισμένων και μη απαραιτήτως ταυτόσημα κατανεμημένων (ΤΚ) ΤΜ ΓG, η οποία βασίζεται σε αυθαίρετα συσχετισμένες ΤΜ Gauss και στην ειδική κατηγορία των πινάκων Householder για την τριδιαγωνιοποίηση του πίνακα συσχέτισης (ΠΣ) των ΤΜ Gauss, προέκυψαν μια κλειστής μορφής έκφραση άνω φράγματος για την από κοινού συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (ΣΠΠ) και μια αναλυτική έκφραση άνω φράγματος σε αναπαράσταση απειροσειρών για την από κοινού αθροιστική συνάρτηση κατανομής (ΑΣΚ) αυθαίρετα συσχετισμένων και μη απαραιτήτως ΤΚ ΤΜ ΓG. Τα προταθέντα άνω φράγματα περιέχουν αρκετές γνωστές μαθηματικές εκφράσεις για τις από κοινού ΣΠΠ κι ΑΣΚ ως ειδικές περιπτώσεις. Στη συνέχεια, προσεγγίζοντας τον ΠΣ αυθαίρετα συσχετισμένων ΤΜ Gauss με έναν ειδικής κατηγορίας πίνακα Green, εξάγεται μια κλειστής μορφής έκφραση προσέγγισης για την από κοινού ΣΠΠ αυθαίρετα συσχετισμένων και μη απαραιτήτως ΤΚ ΤΜ ΓG καθώς και μια αναλυτική έκφραση προσέγγισης σε αναπαράσταση απειροσειρών για την από κοινού ΑΣΚ τους. Επίσης, παρουσιάζονται αναλυτικές εκφράσεις σε αναπαραστάσεις απειροσειρών για τις κυριότερες στατιστικές ιδιότητες της τρι-μεταβλητής κατανομής ΓG με αυθαίρετο ΠΣ και μη απαραιτήτως ΤΚ ΤΜ καθώς και της πολυ-μεταβλητής κατανομής ΓG με σταθερό ΠΣ και μη απαραιτήτως ΤΚ ΤΜ. Όλων των μορφών οι προταθείσες αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις για τις ΣΠΠ κι ΑΣΚ της πολυ-μεταβλητής κατανομής ΓG χρησιμοποιούνται για τη μελέτη επιδόσεων δεκτών διαφορισμού επιλογής (ΔΕ), διαφορισμού μέγιστου λόγου (ΔΜΛ) και διαφορισμού μεταγωγής κι εξέτασης (ΔΜκΕ) που υπόκεινται σε ποικίλα περιβάλλοντα αυθαίρετα συσχετισμένων ΔΜΙΚ. Αρχικά, εξάγονται αναλυτικές εκφράσεις άνω φραγμάτων για την πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας (ΠΔΕ), τη μέση πιθανότητα σφάλματος συμβόλου (ΜΠΣΣ) διαφόρων σχημάτων διαμόρφωσης και τη μέση χωρητικότητα καναλιού (ΜΧΚ) κατά Shannon δεκτών ΔΕ που λειτουργούν σε περιβάλλον αυθαίρετα συσχετισμένων και μη απαραιτήτως ΤΚ διαλείψεων ΓG. Επίσης, παρουσιάζονται αναλυτικές εκφράσεις για τα ίδια κριτήρια επίδοσης δεκτών ΔΕ με τρεις κεραίες καθώς κι αναλυτικές εκφράσεις προσεγγίσεων για τα κριτήρια επίδοσης δεκτών ΔΕ οποιουδήποτε πλήθους κεραιών. Κατόπιν, εξάγοντας νέες αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις σε αναπαραστάσεις απειροσειρών για τις κυριότερες στατιστικές ιδιότητες του αθροίσματος οποιουδήποτε αριθμού αυθαίρετα συσχετισμένων και ΤΚ ΤΜ Γάμα, προκύπτουν αναλυτικές εκφράσεις για την ΠΔΕ, τη ΜΠΣΣ διαφόρων σχημάτων διαμόρφωσης και τη ΜΧΚ κατά Shannon δεκτών ΔΜΛ που λειτουργούν σε αυθαίρετα συσχετισμένες και ΤΚ διαλείψεις Nakagami-m. Για το ίδιο περιβάλλον διαλείψεων, παρουσιάζονται αναλυτικές εκφράσεις σε αναπαραστάσεις απειροσειρών για την ΠΔΕ και τη ΜΠΣΣ διαφόρων σχημάτων διαμόρφωσης δεκτών ΔΜκΕ οποιουδήποτε πλήθους κεραιών. Η στενότητα των προταθέντων άνω φραγμάτων για τα κριτήρια επίδοσης των δεκτών ΔΕ, ΔΜΛ και ΔΜκΕ που υπόκεινται σε περιβάλλοντα αυθαίρετα συσχετισμένων ΔΜΙΚ, η ορθότητα των αναλυτικών εκφράσεων για τα ίδια κριτήρια κι η ακρίβεια των προταθέντων προσεγγίσεών τους μελετήθηκαν εκτενώς συγκρίνοντας πολυάριθμα αριθμητικά αποτελέσματα των εκφράσεων αυτών με αντίστοιχα αποτελέσματα που προέκυψαν από προσομοιώσεις σε Η/Υ, οι οποίες υλοποιήθηκαν για το σκοπό αυτό. / The rapidly increasing demands for wireless wideband services and the recent advances in the design and implementation of mobile terminal devices with Internet-based service providing capabilities expedite the introduction of fourth generation (4G) wireless communications systems in the international wireless market. These systems are expected to ensure increased data rates and quality of service in an anytime anywhere basis. Wireless systems that utilize multiple antennas at the transmitter and/or receiver as well as space-time signal processing techniques play a fundamental role in accomplishing the demands imposed by 4G wireless communications systems. Well-known multiple-antenna systems that enable simple implementations are space diversity receivers (SDRs). By properly combining the multiple received replicas of the transmitted signal, SDRs are capable of effectively mitigating the detrimental effects of multipath fading, known as small-scale fading (SSF), that is inherent in wireless channels. SDRs are theoretically known to improve wireless system’s performance compared with conventional single-antenna receivers. This improvement requires that the SSF channels among multiple receiver’s antennas are statistically independent. However, in practical implementations, due to several parameters such as for example the small distance among the receiver’s multiple branches, SSF channels are arbitrarily correlated. This doctoral dissertation presents a theoretical performance study of SDRs operating over arbitrarily correlated SSF channels. Although numerous scientific papers deal with correlated SSF channel modeling and the impact of correlated SSF on the performance of SDRs, their vast majority, which utilizes the statistical properties of multivariate distributions for studying SDRs’ performance, is restricted to special forms of fading correlation and conventional SDR techniques. This happens mainly due the fact that there is a lack of simple mathematical expressions for the statistical properties of multivariate distributions with arbitrarily correlated random variables (RVs) in the literature. Within the framework of this dissertation, firstly, the previously proposed mathematical expressions for the most prevalent statistical properties of the multivariate Rayleigh, Nakagami-m, Weibull and generalized Gamma (ΓG) distributions with various forms of correlation are summarized. Moreover, their capabilities of being utilized for the performance study of SDRs operating over correlated SSF are described. Next, by presenting a new methodology for generating arbitrarily correlated and not necessarily identically distributed (ID) ΓG RVs that is based on arbitrarily correlated Gaussian RVs and the special class of Householder matrices for tridiagonalizing the correlation matrix (CM) of Gaussian RVs, a closed-form upper bound expression for the joint probability density function (PDF) and an analytical upper bound expression in infinite series form for the joint cumulative distribution function (CDF) of arbitrarily correlated and not necessarily ID ΓG RVs are derived. The proposed upper bounds contain several known mathematical expressions for the joint PDF and CDF as special cases. In addition, by approximating the CM of arbitrarily correlated Gaussian RVs with the special class of Green’s matrices, a closed-form approximate expression for the joint PDF and an analytical approximate expression in infinite series form for the joint CDF of arbitrarily correlated and not necessarily ID ΓG RVs are obtained. Furthermore, analytical expressions in infinite series form for the most prevalent statistical properties of the trivariate ΓG distribution with an arbitrary CM and not necessarily ID RVs as well as of the multivariate ΓG distribution with a constant CM and not necessarily ID RVs are presented. The proposed analytic mathematical expressions of all forms for the PDF and CDF of the multivariate ΓG distribution are used for the performance study of selection diversity (SD), maximal-ratio diversity (MRD), and switch-and-examine diversity (SED) receivers over various arbitrarily correlated SSF channels. Firstly, analytical upper bound expressions for the outage probability (OP), average symbol error probability (ASEP) for several modulation formats, and average channel capacity (ACC) in Shannon’s sense of SD receivers operating over arbitrarily correlated and not necessarily ID ΓG fading are derived. Moreover, analytical expressions for the same performance criteria of triple-branch SD receivers as well as analytical approximate expressions for the performance criteria of multibranch SD receivers are presented. Next, by obtaining new analytic mathematical expressions in infinite series form for the most prevalent statistical properties of the sum of any number of arbitrarily correlated and ID Gamma RVs, analytical expressions for the OP, ASEP for several modulation formats, and ACC in Shannon’s sense of multibranch MRD receivers operating over arbitrarily correlated and ID Nakagami-m fading are derived. For the same fading conditions, analytical expressions in infinite series form for the OP and ASEP for several modulation formats of multibranch SED receivers are presented. The tightness of the proposed upper bounds for the performance criteria of multibranch SD, MRD, and SED receivers in various arbitrarily correlated SSF environments, the correctness of the analytical expressions for the same criteria, and the accuracy of the proposed approximations for them are studied in depth through comparisons between numerically evaluated results for the expressions and equivalent results obtained by means of computer simulations that were implemented for this purpose.

In this doctoral dissertation three proposed approaches were evaluated using two databases of different languages, one American-English and one Greek. The proposed approaches were compared to the state-of-the-art models in the phone duration modelling task. The SVR model outperformed all the other individual models evaluated in this dissertation. Their ability to outperform all the other models is mainly based on their advantage of coping in a better way with high-dimensionality feature spaces in respect to the other models used in phone duration modelling, which makes them appropriate even for the case when the amount of the training data would be small respectively to the number of the feature set used. The proposed fusion scheme, taking advantage of the observation that different prediction algorithms perform better in different conditions, when implemented with SVR (SVR-fusion), contributed to the improvement of the phone duration prediction accuracy over that of the best individual model (SVR). Furthermore the SVR-fusion model managed to reduce the outliers in respect to the best individual model (SVR). Moreover, the proposed two-stage scheme using individual phone duration models as feature constructors in the first stage and feature vector extension (FVE) in the second stage, implemented with SVR (SVR-FVE), improved the prediction accuracy over the best individual predictor (SVR), and the SVR-fusion scheme and moreover managed to reduce the outliers in respect to the other two proposed schemes (SVR and SVR-fusion). The SVR two-stage scheme confirms in this way their advantage over all the other algorithms of coping well with high-dimensionality feature sets. The improved accuracy of phone duration modelling contributes to a better control of the prosody, and thus quality of synthetic speech. Furthermore, the first proposed method (SVR) was also evaluated on the phone duration modelling task in emotional speech, outperforming all the state-of-the-art models in all the emotional categories. Finally, perceptual tests were performed evaluating the impact of the proposed phone duration models to synthetic speech. The perceptual test for both the databases confirmed the results of objective tests showing the improvement achieved by the proposed models in the naturalness of synthesized speech. / Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται προβλήματα που αφορούν στο χώρο της τεχνολογίας ομιλίας, με στόχο την μοντελοποίηση προσωδίας με χρήση τεχνικών μηχανικής μάθησης στα πλαίσια ουδέτερης και συναισθηματικής συνθετικής ομιλίας. Μελετήθηκαν τρεις καινοτόμες μέθοδοι μοντελοποίησης προσωδίας, οι οποίες αξιολογήθηκαν με αντικειμενικά τεστ και με υποκειμενικά τεστ ποιότητας ομιλίας για την συνεισφορά τους στην βελτίωση της ποιότητα της συνθετικής ομιλίας: Η πρώτη τεχνική μοντελοποίησης διάρκειας φωνημάτων, βασίζεται στην μοντελοποίηση με χρήση Μηχανών Υποστήριξης Διανυσμάτων (Support Vector Regression – SVR). Η μέθοδος αυτή δεν έχει χρησιμοποιηθεί έως σήμερα στην πρόβλεψη διάρκειας φωνημάτων. Η μέθοδος αυτή συγκρίθηκε και ξεπέρασε σε απόδοση όλες τις μεθόδους της επικρατούσας τεχνολογίας (state-of-the-art) στη μοντελοποίηση της διάρκειας φωνημάτων. Η δεύτερη τεχνική, βασίζεται στην μοντελοποίηση διάρκειας φωνημάτων με συνδυαστικό μοντέλο πολλαπλών προβλέψεων. Συγκεκριμένα, οι προβλέψεις διάρκειας φωνημάτων από ένα σύνολο ανεξάρτητων μοντέλων πρόβλεψης διάρκειας φωνημάτων χρησιμοποιούνται ως είσοδος σε ένα μοντέλο μηχανικής μάθησης, το οποίο συνδυάζει τις εξόδους από τα ανεξάρτητα μοντέλα πρόβλεψης και επιτυγχάνει μοντελοποίηση της διάρκειας φωνημάτων με μεγαλύτερη ακρίβεια, μειώνοντας επιπλέον και τα μεγάλα σφάλματα (outliers), δηλαδή τα σφάλματα που βρίσκονται μακριά από το μέσο όρο των σφαλμάτων. Η τρίτη τεχνική, είναι μια μέθοδος μοντελοποίησης διάρκειας φωνημάτων δύο σταδίων με κατασκευή νέων χαρακτηριστικών και επέκταση του διανύσματος χαρακτηριστικών. Συγκεκριμένα, στο πρώτο στάδιο, ένα σύνολο ανεξάρτητων μοντέλων πρόβλεψης διάρκειας φωνημάτων που χρησιμοποιούνται ως παραγωγοί νέων χαρακτηριστικών εμπλουτίζουν το διάνυσμα χαρακτηριστικών. Στο δεύτερο στάδιο, το εμπλουτισμένο διάνυσμα χρησιμοποιείται για να εκπαιδευτεί ένα μοντέλο πρόβλεψης διάρκειας φωνημάτων το οποίο επιτυγχάνει υψηλότερη απόδοση σε σχέση με όλες τις προηγούμενες μεθόδους, και μειώνει τα μεγάλα σφάλματα. Επιπλέον εφαρμόστηκε η πρώτη μέθοδος σε συναισθηματική ομιλία. Το προτεινόμενο SVR μοντέλο επιτυγχάνει την υψηλότερη απόδοση συγκρινόμενο με όλα τα state-of-the-art μοντέλα. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν υποκειμενικά τεστ ποιότητας ομιλίας ώστε να αξιολογηθεί η συνεισφορά των τριών προτεινόμενων μεθόδων στη βελτίωση της ποιότητας της συνθετικής ομιλίας. Τα τεστ αυτά επιβεβαίωσαν την αξία των προτεινόμενων μεθόδων και τη συνεισφορά τους στη βελτίωση της ποιότητας στην συνθετική ομιλία.

Σήμερα, βρισκόμαστε ήδη στο στάδιο μετάβασης από τις παραδοσιακές επιτραπέζιες υπολογιστικές τεχνολογίες στα διάχυτα (ubiquitous) υπολογιστικά περιβάλλοντα που θα μας υποστηρίζουν σχεδόν σε κάθε καθημερινή μας λειτουργία ή δραστηριότητα. Παράλληλα, υπάρχει μία αυξανόμενη τάση για τοποθέτηση του χρήστη στο κέντρο των υπηρεσιών. Αυτό σημαίνει ότι οι υπηρεσίες θα προσαρμόζονται με βάση το στενό και ευρύτερο περιβάλλον διαβίωσης (context), τις ανάγκες και τις προτιμήσεις των χρηστών. Δύο από τις βασικότερες έννοιες στις οποίες βασίζεται η προσφορά διάχυτων εξατομικευμένων υπηρεσιών είναι η γνώση πλαισίου (context awareness) και η μοντελοποίηση χρηστών (user modeling). Η έλευση του διάχυτου υπολογισμού και η χρησιμοποίηση της διάχυτης μοντελοποίησης χρηστών (ubiquitous user modeling) έχει δημιουργήσει νέες προσδοκίες και προκλήσεις για την παροχή εξατομικευμένων υπηρεσιών σε πολλούς τομείς εφαρμογών μεταξύ των οποίων είναι και ο τομέας της υγείας. Η ιατρική αντιμετώπιση αλλάζει πλέον κατεύθυνση και γίνεται προστατευτική, προληπτική και εύκολα προσεγγίσιμη (π.χ. στη δουλειά, στο σπίτι, κλπ.), συνοδευόμενη από συνεχή και εμμένουσα παροχή υψηλής ποιότητας εξατομικευμένης ιατρικής συμβουλής και υποστήριξης. Οι σύγχρονες ιατρικές υπηρεσίες αναμένονται να είναι διαθέσιμες κάθε στιγμή, 7 ημέρες την εβδομάδα και να παρέχονται με έναν εξατομικευμένο τρόπο ώστε να απευθύνονται στις ιδιαίτερες ανάγκες και απαιτήσεις κάθε ατόμου. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται μία μεθοδολογία παροχής διάχυτων υπηρεσιών σε εξελιγμένα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα που συνδυάζει τη γνώση πλαισίου, τη μοντελοποίηση χρηστών και τα κοινωνικά δίκτυα (social networks). Η μεθοδολογία αυτή εφαρμόστηκε στον ιατρικό χώρο και ειδικότερα στις διαταραχές άγχους. Πιο συγκεκριμένα, στη διατριβή καθορίστηκαν πλήρως οι παράμετροι πλαισίου που σχετίζονται άμεσα με τις διαταραχές άγχους και προτάθηκε ένα μοντέλο πλαισίου που βασίζεται σε οντολογίες. Επίσης, μελετήθηκε η δομή και οι τεχνικές κατασκευής και ανανέωσης των μοντέλων χρηστών, ενώ μελετήθηκε η χρήση των κοινωνικών δικτύων για την παροχή ιατρικής φροντίδας και οι ρόλοι των μελών τους στις διαταραχές άγχους. Τέλος, προτάθηκε η αρχιτεκτονική ενός συστήματος γνώσης πλαισίου που ενσωματώνει τις ανωτέρω τεχνολογίες, τμήμα του οποίου αναπτύχθηκε, υλοποιήθηκε και αξιολογήθηκε από επαγγελματίες ιατρούς. Κατά την εφαρμογή της παραπάνω μεθοδολογίας στις διαταραχές άγχους αναπτύχθηκε η εφαρμογή PerMed που αποτελεί ένα εργαλείο αρχειοθέτησης και επεξεργασίας των προσωπικών πληροφοριών των ασθενών και τέσσερις υπηρεσίες που στοχεύουν στην υποστήριξη της θεραπείας των διαταραχών άγχους. Οι τρεις εστιάζουν στην ανακάλυψη πιθανών συσχετίσεων στα δεδομένα πλαισίου, ενώ η τέταρτη στοχεύει στην πρόβλεψη του άγχους που θα παρουσιάσει ένας ασθενής σε ένα δεδομένο πλαίσιο. Τα σχόλια που λάβαμε από επαγγελματίες ψυχιάτρους είναι αρκετά ενθαρρυντικά και ευελπιστούμε ότι η προτεινόμενη προσέγγιση θα αποτελέσει ένα ισχυρό εργαλείο υποστήριξης της θεραπείας των διαταραχών άγχους. / Today, we are already on the transition from the traditional desktop-based computing technologies towards ubiquitous computing environments that will enfold us in almost all our daily situations and activities. Simultaneously, there exists an increased tendency of putting the user into the center of service delivery. This means that the services in the ubiquitous environments should be adapted to the context, the needs and the preferences of users. Two of the key-concepts, based on which the delivery of ubiquitous personalized services is realized, are context-awareness and user modeling. The emergence of ubiquitous computing and ubiquitous user modeling has created new expectations and challenges for the delivery of personalized services in a considerable amount of application domains, among which is the healthcare domain. Healthcare provision changes direction becoming protective, proactive and more reachable (e.g. at home or at work), accompanied by continuous and persistent provision of personalized high-quality health advice and assistance. Modern healthcare services are expected to be available around the clock, seven days a week and delivered in a personalized manner addressing the specific needs and preferences of each individual. The present dissertation presents a methodology of providing ubiquitous services at advanced telecommunication networks, which combines context-awareness, user modeling and social networks. This methodology was implemented in the healthcare domain and more specifically in anxiety disorders. In particular, in this dissertation, the contextual aspects that are directly associated with anxiety disorders were defined and an ontology-based context model was proposed. In addition, the user models’ structure was determined and the techniques for the processing of their content were developed. Furthermore, the use of social networks in anxiety disorders and the role of their members were studied. Finally, the architecture of a context-aware system that integrates all the above technologies was proposed, a part of which was developed, implemented and evaluated by professional psychiatrists. During the implementation of the proposed methodology in anxiety disorders, the PerMed application that provides medical experts with a tool for archiving and processing the patient’s personal data and four treatment supportive services were developed. The three of them focus on the discovery of possible associations between the patient’s contextual data and the last service aims at predicting the stress level a patient might suffer from, in a given context. The feedback received from expertized psychiatrists was very encouraging and we hope that the proposed approach will constitute a powerful treatment supportive tool for anxiety disorders.

The localization of the sensor nodes is a fundamental issue in the area of wireless sensor networks (WSNs). An attractive way for estimating the location of mobile or static wireless objects is by using the received signal strength (RSS) attenuation with the distance, which does not require any additional hardware. This is possible due to the fact that in most sensor nodes radios the received signal strength indicator (RSSI) is a standard feature and can be obtained automatically by the received messages. On the other hand the RSS is known for being noisy, unstable, variable and difficult to use in practice. For achieving a better understanding of the nature of these difficulties and limitations, and for identifying the range of applicability of the RSS in localization and tracking scenarios, a thorough study about the RSS and its dependence on the various factors and environmental conditions is essential. The present doctoral dissertation investigates the feasibility of sensor node localization and target tracking with the resources of the WSN technology, when using only the RSS of the exchanged messages. Moreover, it offers experimental support to the hypothesis that proper modeling of the RSS behavior and appropriate selection of the topology parameters are essential for the applicability of WSN in real world conditions. In brief, the present doctoral dissertation concerns with: (i) identifying the main factors that influence the accuracy, the variability and the reliability of the obtained RSS, (ii) modeling the RF signal propagation in the context of WSNs, and (iii)defining the basic deployment constraints and evaluation of the topology parameters that can guarantee successful localization and tracking. For assessing the practical value of various RF-models, experiments using Tmote Sky and TelosB sensor nodes in real-field outdoor environment were carried out. The impact of a number of factors, such as the operating frequency of the radio, the transmitter–receiver distance, the variation of transceivers hardware due to manufacturing tolerances, the antenna orientation, and the environmental conditions, on the RSS was investigated. The influence of the various factors that affect the RF signal propagation and some constraints imposed by the WSN nature was accounted in order to design practical models, suitable for outdoor unobstructed and outdoor tree-obstructed environments. A pre-deployment simulation framework has been introduced and in its context a RF signal propagation-based connectivity strategy (RFCS) has been developed to fulfill three deployment provisions: (i) discovering the most appropriate height from the ground and distances for the sensor nodes, (ii) reducing the transmission power, and (iii) minimizing the interference from non-neighbor nodes. The RFCS uses a RF signal propagation model to predict the RSS in order to identify the most appropriate communication-based deployment parameters, i.e. T-R distance, height from the ground and transmission power. The localization and tracking considerations, by means of localization and tracking techniques, topology parameters and factors influencing the localization and tracking accuracy, are combined in illustrative simulation examples to evaluate their significance concerning the performance of the localization and tracking task. Furthermore, the propagation model and the topology parameters being identified were validated in real outdoor sensor node localization and target tracking tests. / -

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται προβλήματα που αφορούν το χώρο της τεχνολογίας ομιλίας, με στόχο τη αναγνώριση συναισθημάτων από ομιλία με χρήση τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και μηχανικής μάθησης. Πιο αναλυτικά, στα πλαίσια της διατριβής προτάθηκαν και μελετήθηκαν καινοτόμες μέθοδοι σε μια σειρά από εφαρμογές που αξιοποιούν σύστημα αναγνώρισης συναισθηματικών καταστάσεων από ομιλία. Ο βασικός στόχος των μεθόδων ήταν η αντιμετώπιση των προκλήσεων που παρουσιάζονται όταν ένα σύστημα αναγνώρισης συναισθηματικών καταστάσεων καλείται να λειτουργήσει σε πραγματικές συνθήκες, με αυθόρμητες αντιδράσεις, ανεξαρτήτως ομιλητή. Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια της διατριβής, αξιολογήθηκε η συμπεριφορά ενός συστήματος αναγνώρισης συναισθημάτων σε προσποιητή ομιλία και σε διαφορετικές συνθήκες θορύβου, και συγκρίθηκε η απόδοση του συστήματος με την υποκειμενική αξιολόγηση των ακροατών. Επιπλέον, περιγράφηκε ο σχεδιασμός και η υλοποίηση βάση δεδομένων συναισθηματικής ομιλίας, όπως αυτή προκύπτει από την αλληλεπίδραση μη-έμπειρων χρηστών με ένα διαλογικό σύστημα και προτάθηκε ένα σύστημα το οποίο εντοπίζει αρνητικές συναισθηματικές καταστάσεις, στο ανεξάρτητου ομιλητή πρόβλημα, με χρήση μοντέλου Γκαουσιανών κατανομών. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική συνδυάζει παραμέτρους ομιλίας χαμηλού και υψηλού επιπέδου και εφαρμόζεται στα πραγματικά δεδομένα. Επίσης, αξιολογήθηκε και υλοποιήθηκε η πρακτική εφαρμογή ενός συστήματος αναγνώρισης συναισθημάτων βασισμένου σε οικουμενικό μοντέλο Γκαουσιανών κατανομών σε διαφορετικούς τύπους δεδομένων πραγματικής ζωής. Ακόμα, παρουσιάστηκε μια πρωτότυπη αρχιτεκτονική κατηγοριοποίησης για αναγνώριση συνυπαρχόντων συναισθημάτων από ομιλία προερχόμενη από αλληλεπίδραση σε πραγματικά περιβάλλοντα. Σε αντίθεση με γνωστές προσεγγίσεις, η προτεινόμενη αρχιτεκτονική μοντελοποιεί τις συνυπάρχουσες συναισθηματικές καταστάσεις μέσω της κατασκευής μιας πολυσταδιακής αρχιτεκτονικής κατηγοριοποίησης. Τα πειραματικά αποτελέσματα που διενεργήθηκαν υποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη αρχιτεκτονική είναι πλεονεκτική για τις συναισθηματικές καταστάσεις που είναι πιο διαχωρίσιμες, γεγονός που οδηγεί σε βελτίωση της συνολικής απόδοσης του συστήματος. / In this doctoral dissertation a number of novel approaches were proposed and evaluated in different applications that utilize emotion awareness. The major target of the proposed methods was facing the difficulties existing, when an emotion recognition system is asked to operate in real-life conditions, where human speech is characterized by spontaneous and genuine formulations. In detail, within the present dissertation, the performance of an emotion recognition system was evaluated, initially, in acted speech, under different noise conditions, and this performance was compared to the one of human listeners. Further, the design and implementation of a real world emotional speech corpus is described, as this results from the interaction of naive users with a smart home dialogue system. Moreover, a system which utilizes low and high level descriptors was suggested. The suggested architecture leads to significantly better performance in some working points of the integrated system in the dialogue system. Furthermore, we propose a novel multistage classification scheme for affect recognition from real-life speech. In contrast with conventional approaches for affect/emotion recognition from speech, the proposed scheme models co-occurring affective states by constructing a multistage classification scheme. The empirical experiments performed indicate that the proposed classification scheme offers an advantage for those classes that are more separable, which contributes for improving the overall performance of the affect recognition system.

Το πρόβλημα της μοντελοποίησης του ασύρματου διαύλου συνίσταται σε ένα ολοένα και αυξανόμενο πλήθος παραμέτρων και ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και να ενσωματώνονται στα πλαίσια του RF σχεδιασμού (Radio-Frequency planning) ενός ασύρματου δικτύου εύρωστης παροχής υπηρεσιών. Ο χαρακτηρισμός του ασύρματου καναλιού προϋποθέτει κάτι περισσότερο από μία ντετερμινιστική εξίσωση που υπολογίζει τις απώλειες οδεύσεως ελεύθερου χώρου συναρτήσει της απόστασης πομπού-δέκτη και της συχνότητας. Ένα αξιόπιστο μοντέλο απωλειών σε μία τέτοια περίπτωση απαιτεί τον συνυπολογισμό των απωλειών λόγω των διάφορων μηχανισμών διάδοσης και εξασθένησης της Η/Μ ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένων των απωλειών λόγω εμποδίων, αλλά και των φαινομένων σκίασης λόγω ανθρώπινης παρεμβολής. Η σημασία της συμβολής της διατριβής έγκειται στην συγκριτική αντιπαραβολή των βασικότερων μοντέλων απωλειών οδεύσεως και στην αριθμητική διόρθωση και επαναξιολόγηση του μοντέλου της ITU για ένα σύνολο τοπολογιών σύνθετης ράδιο-διάδοσης. Οι προτεινόμενες μας αλλαγές στο μοντέλο ITU αύξησαν σημαντικά την αξιοπιστία του όχι μόνο σε σχέση με την αρχική του απόδοση αλλά και συγκριτικά με τα υπόλοιπα μοντέλα. Επιπρόσθετα, υπολογίσαμε αναλυτικά για κάθε τοπολογία την εξασθένηση ανά απόσταση και προβήκαμε στην μοντελοποίηση της γεωγραφικής διασποράς της εξασθένησης ανά απόσταση με τρόπο που μπορεί να αποτελέσει το θεμέλιο ενός προγνωστικού εργαλείου για την παράμετρο αυτή. Επίσης, εξετάσαμε τις διαλείψεις μεγάλης κλίμακας και καταλήξαμε σε μία καινοτόμο μέθοδο για τον υπολογισμό του βάθους σκίασης απευθείας από τα εμπόδια της εκάστοτε τοπολογίας. Η μέθοδος αυτή προτάθηκε και ελέγχθηκε για την ακρίβειά της στα 2.4 GHz, αλλά μπορεί να εφαρμοστεί για κάθε συχνότητα ενδιαφέροντος εφόσον ακολουθηθούν οι διαδικασίες καταμέτρησης των απωλειών σκίασης των εμποδίων κάθε τύπου και πλήθους. Με τη μέθοδο αυτή μπορεί να υπολογιστεί και η εξασθένηση ανά απόσταση μέσω του βάθους σκίασης, συνεπώς είναι εφικτός ο χαρακτηρισμός της εξασθένησης εντός της τοπολογίας χωρίς την αναγκαιότητα πραγματοποίησης εκτεταμένων μετρήσεων. Επιπρόσθετα, εξετάσαμε πώς διαφορετικοί μηχανισμοί ράδιο-διάδοσης οδηγούν σε διαφορετική γεωγραφική διασπορά των τοπικών τιμών της λαμβανόμενης ισχύος. Τέλος, παρουσιάστηκε η λύση της Ασφάλειας Φυσικού Επιπέδου (Wireless Information-Theoretic Security, WITS) με διερεύνηση της επίδρασης των ρεαλιστικών απωλειών οδεύσεων ενός ασύρματου διαύλου με εμπόδια και διαλείψεις στα όρια των τιμών των παραμέτρων, ενώ επίσης εξετάστηκε για πρώτη φορά σε κλειστή μορφή η Αποκοπή Χωρητικότητας Ασφαλείας (Outage Secrecy Capacity). Μελετήσαμε την επίδραση της κινητικότητας των χρηστών στην αξιοπιστία της μεθόδου σε επίπεδο προσομοιώσεων αλλά και με πειραματικές μετρήσεις, αξιολογώντας ποσοτικά και ποιοτικά την επίδρασή τους στα όρια τιμών των παραμέτρων υπό την παρουσία ενός ωτακουστή, και εν συνεχεία σε καθεστώς πολλαπλών ωτακουστών, θεωρώντας μέθοδο συνεργασίας ωτακουστών SC και MRC. / Wireless Channel Modeling consists of an even more increasing number of factors and parameters that need to be accounted for, in the context of RF planning. Wireless Channel Characterization requires more than a deterministic formula for calculating free space path loss in relation to frequency and distance. A reliable path loss model needs to incorporate in its formula the various propagation mechanisms that influence signal attenuation, including losses due to obstacles and human body shadowing. The importance of our contribution lies in the comparative evaluation and validation of the most fundamental RF path loss models and in the numerical adjustment and re-evaluation of the ITU path loss model for a number of different complex propagation topologies. Our suggested correction to the ITU model has significantly increased its prediction precision compared not only to the initial ITU model but also to all other path loss models in question. In addition, we have calculated the attenuation over distance and modeled the distribution of the local mean values versus distance throughout each topology, in a way that can serve as the foundation of a prediction method for this parameter. The large-scale fading of the received signal has also been characterized and a new empirical method for the calculation of the shadow depth has been introduced. This method has been validated for the 2.4 GHz frequency, but it can be applied to any frequency of interest as long as the respective obstacle-caused losses are measured. Extending this method can be applied in order to calculate the attenuation over distance as a function of shadow depth, therefore allowing us to predict this parameter without extensive measurements. The impact of different propagation mechanisms on the variation of distribution of local mean values of received signal power throughout the topology has also been studied. Finally, the concept of Wireless Information-Theoretic Security (WITS) was discussed, by investigating the impact of channel-dependent variation of path loss on the boundaries of secure communications as defined by WITS parameters, whereas a closed-form expression for Outage Secrecy Capacity was introduced. The impact of user mobility on the range of these parameters was investigated in terms of simulations and experimental measurements, in the presence of a single eavesdropper and also for a multiple eavesdroppers scenario, assuming SC and MRC schemes.

Non-stationary signals, that is signals with time-varying (TV) statistical properties, are commonly encountered in engineering practice. The vibration responses of structures, such as traffic-excited bridges, robotic devices, rotating machinery, and so on, constitute typical examples of non-stationary signals. Structures characterized by properties that vary with time are generally referred as TV structures and their vibration-based identification under normal operating conditions is a significant and challenging problem. An important class of parametric methods for the solution of this problem is based on Functional Series Time-dependent AutoRegressive Moving Average (FS-TARMA) models. These models have parameters that explicitly depend on time, with the dependence described by deterministic functions belonging to specific functional sub-spaces. The focus of the present thesis is on the development of complete and advanced FS-TARMA methods that will offer important improvements in overcoming drawbacks of existent methods and will further foster practical use and application of FS-TARMA models in non-stationary vibration analysis. The specific objectives of the thesis are: a) The introduction of a novel class of Adaptable FS-TARMA (AFS-TARMA) models and the development of a method for their effective identification. AFS-TARMA models are adaptable in the sense that they are not based on basis functions of a fixed form, but instead, they use basis functions with a-priori unknown properties that may adapt to the specific random signal characteristics. b) The postulation of a vector FS-TARMA method for output-only structural identification and the development of effective tools for both model parameter estimation and model structure selection. c) The introduction of a statistical method for vibration-based fault diagnosis in TV structures. d) The presentation of a thorough review on FS-TARMA models covering both theoretical and practical aspects of the model parameter estimation and structure selection problems with special emphasis being placed on promising recent methods. The methods that are developed in each chapter of this thesis are validated through their application in both numerical and experimental case studies and comparisons with currently available non-stationary signal identification methods. The results of the study demonstrate the new methods' applicability, effectiveness, and high potential for parsimonious and accurate identification and dynamic analysis of TV structures. / Μη-στάσιμα σήματα, δηλαδή σήματα με χρονικά μεταβαλλόμενες (ΧΜ) στατιστικές ιδιότητες, απαντώνται συχνά στην επιστήμη του μηχανικού. Τυπικά παραδείγματα αποτελούν οι ταλαντωτικές αποκρίσεις κατασκευών, όπως γέφυρες με κινούμενα οχήματα, ρομποτικές διατάξεις, περιστρεφόμενες μηχανές και άλλες. Κατασκευές που χαρακτηρίζονται από ιδιότητες οι οποίες μεταβάλλονται με τον χρόνο αναφέρονται ως ΧΜ κατασκευές και η δυναμική αναγνώριση και ανάλυση τους επί τη βάση ταλαντωτικών σημάτων απόκρισης αποτελεί σημαντικό και ταυτόχρονα δύσκολο πρόβλημα. Μια σημαντική τάξη παραμετρικών μεθόδων για την επίλυση αυτού του προβλήματος βασίζεται στα συναρτησιακά χρονικά μεταβαλλόμενα μοντέλα αυτοπαλινδρόμησης κινητού μέσου όρου (FS-TARMA, Functional Series Time-Dependent Auto-Regressive Moving Average). Τα μοντέλα αυτά χαρακτηρίζονται απο ΧΜ παραμέτρους οι οποίες ακολουθούν καθοριστικό πρότυπο και κατά συνέπεια μπορούν να προβληθούν σε κατάλληλα επιλεγμένους συναρτησιακούς υποχώρους. Ως βασικός στόχος της παρούσας διατριβής ορίζεται η ανάπτυξη εξελιγμένων μεθόδων μοντελοποίησης FS-TARMA οι οποίες θα προσφέρουν σημαντικές βελτιώσεις στις υπάρχουσες προσεγγίσεις και θα βοηθήσουν στην αντιμετώπιση πρακτικών προβλημάτων που σχετίζονται τόσο με την αναγνώριση των δυναμικών χαρακτηριστικών όσο και την διάγνωση βλαβών σε ΧΜ κατασκευές. Οι συγκεκριμένοι στόχοι της διατριβής μπορούν να περιγραφούν ως ακολούθως: α) Εισαγωγή καινοτόμων προσαρμόσιμων μοντέλων FS-TARMA και ανάπτυξη κατάλληλης μεθόδου για την αποτελεσματική εκτίμηση τους. Τα νέα μοντέλα είναι προσαρμόσιμα υπό την έννοια ότι δεν βασίζονται σε προκαθορισμένες συναρτήσεις βάσης, αλλά αντιθέτως χρησιμοποιούν συναρτήσεις βάσης με εκ των προτέρων άγνωστες ιδιότητες οι οποίες μπορούν να προσαρμοστούν στα χαρακτηριστικά συγκεκριμένου σήματος. β) Ανάπτυξη διανυσματικής μεθόδου εκτίμησης μοντέλων FS-TARMA για την αναγνώριση κατασκευών μέσα από διανυσματικά σήματα ταλαντωτικής απόκρισης. Ανάπτυξη αποδοτικών εργαλείων τόσο για το πρόβλημα εκτίμησης των παραμέτρων όσο και της επιλογής της δομής του μοντέλου. γ) Εισαγωγή στατιστικής μεθόδου για την διάγνωση βλαβών σε ΧΜ κατασκευές μέσω μοντέλων FS-TAR. δ) Παρουσίαση μιας διεξοδικής επισκόπησης των μοντέλων FS-TARMA η οποία καλύπτει τόσο θεωρητικά όσο και πρακτικά ζητήματα των προβλημάτων εκτίμησης των παραμέτρων και επιλογής της δομής των μοντέλων. Η αποτελεσματικότητα των μοντέλων και των μεθόδων που αναπτύσσονται σε κάθε κεφάλαιο αυτής της διατριβής διερευνάται µέσω της εφαρµογής τους τόσο σε αριθµητικές όσο και πειραµατικές µελέτες και συγκρίσεις µε υπάρχουσες µη-στάσιµες µεθόδους αναγνώρισης σηµάτων. Τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής επιδεικνύουν την ικανότητα των νέων μοντέλων να παρέχουν εξαιρετικά ακριβείς αναπαραστάσεις ΧΜ κατασκευών κατάλληλων τόσο για την δυναμική ανάλυση όσο και για την διάγνωση βλαβών σε αυτές.