Οι σημερινές εφαρμογές έχουν ολοένα και μεγαλύτερες ανάγκες επεξεργαστικής ισχύος προκειμένου να εκτελεστούν σε συντομότερο χρονικό διάστημα. Για να την ικανοποίηση αυτών των χρονικών περιορισμών απαιτείται η ανάπτυξη βελτιστοποιημένων τεχνικών σχεδιασμού. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής σχετίζεται με την ανάπτυξη αρχιτεκτονικών και τεχνικών μεταφραστών με σκοπό την γρηγορότερη τροφοδότηση του επεξεργαστή με δεδομένα από την ιεραρχία μνήμης. α) Μεθοδολογία επιτάχυνσης εκτέλεσης εφαρμογής πολλαπλασιασμού πινάκων Παρουσιάζεται μία μεθοδολογία που βασίζεται στην τοπικότητα των δεδομένων με σκοπό την επιτάχυνση εκτέλεσης του πολλαπλασιασμού πινάκων. Μετά από διερεύνηση, παράγεται ο βέλτιστος τρόπος χρονοπρογραμματισμού των προσπελάσεων στη μνήμη λαμβάνοντας υπόψη την τοπικότητα των δεδομένων και τα μεγέθη των επιπέδων ιεραρχίας μνήμης. Ο χρόνος διερεύνησης είναι σύντομος καθώς απορρίπτονται όλες οι μη-βέλτιστες λύσεις. Η προτεινόμενη μεθοδολογία συγκρίνεται με άλλες υπάρχουσες και παρατηρείται αύξηση της απόδοσης μέχρι 55%. β)Mεθοδολογία αποδοτικής υλοποίησης του Fast Fourier Transform (FFT) Παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία, που επιτυγχάνει βελτιωμένη απόδοση στην υλοποίηση του FFT, έχοντας ως γνώμονα την ελαχιστοποίηση των προσπελάσεων που πραγματοποιούνται στα δεδομένα. Η προτεινόμενη μεθοδολογία έχει σημαντικά πλεονεκτήματα. Πρώτον, την πλήρη αξιοποίηση της παραγωγής και της κατανάλωσης των αποτελεσμάτων των πεταλούδων του FFT αλγορίθμου, της επαναχρησιμοποίησης δεδομένων και της συμμετρίας των twiddle συντελεστών του FFT αλγορίθμου. Δεύτερον, η βέλτιστη λύση χρονοπρογραμματισμού βρίσκεται λαμβάνοντας υπόψη τόσο τον αριθμό των καταχωρητών, όσο και το μέγεθος της κρυφής μνήμης κάθε επιπέδου, αναζητώντας μόνο τον αριθμό του επιπέδου του tiling του FFT. Τρίτον, ο χρόνος μετάφρασης και το μέγεθος του πηγαίου κώδικα είναι πολύ μικροί συγκρινόμενοι με την SOA βιβλιοθήκη υλοποίησης του FFT αλγορίθμου, την FFTW. Η προτεινόμενη μεθοδολογία επιτυγχάνει αύξηση της απόδοσης μέχρι και 63% σε σχέση με την βιβλιοθήκη FFTW. γ)Ανάπτυξη Αρχιτεκτονικών για Διαχείριση Μνήμης Παρουσιάζεται μια αποσυζευγμένη αρχιτεκτονική επεξεργαστών με μια ιεραρχία μνήμης που αποτελείται μόνο από μνήμες scratch-pad, και μια κύρια μνήμη. Η αρχιτεκτονική αυτή εκμεταλλεύεται τα οφέλη των scratch-pad μνημών και τον παραλληλισμό μεταξύ της επεξεργασίας δεδομένων και υπολογισμού διευθύνσεων. Η αρχιτεκτονική συγκρίνεται στην απόδοση με την αρχιτεκτονική MIPS με cache και με scratch-pad ιεραρχίες μνήμης και παρουσιάζεται η υψηλότερη απόδοσή της. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η απόδοση αυξάνεται μέχρι 3,7 φορές. Στη συνέχεια γίνεται περαιτέρω έρευνα σε αρχιτεκτονικές με Scratch-pad μνήμες. Παρουσιάζεται μια αρχιτεκτονική που είναι σε θέση να παρέχει πληροφορίες για το ακριβές περιεχόμενο δεδομένων της scratch-pad, κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης και μπορεί επίσης να εκτελέσει όλες τις απαραίτητες ενέργειες για την τοποθέτηση των νέων δεδομένων στη scratch-pad. Με αυτόν τον τρόπο, αξιοποιείται η επαναχρησιμοποίηση δεδομένων που εμφανίζεται τυχαία και δεν μπορεί να προσδιοριστεί από το μεταγλωττιστή. Συγκρίνεται με αρχιτεκτονική MIPS που περιέχει cache και με scratch-pad μνήμες και αναδεικνύεται η μεγαλύτερη απόδοσή της. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η απόδοση αυξάνεται μέχρι 5 φορές έναντι των αρχιτεκτονικών με scratch-pad και 2.5 φορές έναντι των αρχιτεκτονικών με cache. / Modern applications have indence needs in processing power in order to be executed in short time. For satisfying the time limits, there have to be generated new techniques for optimizing the designs. The object of the present thesis is about developing new compiler techniques and hardware architectures which aim to transfer data faster, from the memory hierarchy to the CPU. a) Methdology for accelerating the execution of matrix multiplications A new methodology using the standard MMM algorithm is presented, achieving improved performance by focusing on data locality (both temporal and spatial). This methodology finds the scheduling which conforms with the optimum memory management. The scheduling used for the tile level is different from the element level’s one, having better data locality, suited to the sizes of memory hierarchy. Its exploration time is short, because it searches only for the number of the level of tiling used for finding the best tile size for each cache level. Compared with the best existing related work, which we implemented, better performance up to 55% β)Methodology for increasing performance on Fast Fourier Transform (FFT) A new methodology is presented based on minimizing the memory accesses for FFT. It exploits, the production and comsumption of the FFT batterfly results and the reuse of data. The optimum scheduling solution is found taking into account the number of registers and the cache memory size. The compile time and source code size are short comparing to SOA library. The methodology performance gains are up to 63% comparing to FFTW library. γ)Ανάπτυξη Αρχιτεκτονικών για Διαχείριση Μνήμης A decoupled processors architecture with a memory hierarchy is presented consisting only of scratch–pad memories, and a main memory. This architecture exploits both the benefits of scratch-pad memories and the parallelism between address computation and application data processing. The architecture is compared in performance with the MIPS architecture with cache and with scratch-pad memory hierarchies and with the existing decoupled architectures showing its higher normalized performance. Experimental results show that the performance is increased up to 3.7 times. Continuing, more research is done on Scratch-pad memories. We present an architecture that is able to provide information about the exact data contents of scratch-pad during execution and can also do all the necessary operations for placing the new data blocks in scratch-pad. Thereby, the temporal locality which occurs randomly and can not be identified by the compiler is exploited. It is compared with the MIPS architecture with cache and with scratch-pad memories showing its higher normalized performance. Experimental results show that the performance is increased up to 5 times compared to cache architectures and 2,5 times compared to existing scratch-pad architectures.

Τα ασύρματα συστήματα τέταρτης γενιάς (4G) στοχεύουν σε πολύ υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων, 100 Mbps (Mega bits per second) για ταχέως κινούμενους πομποδέκτες και έως 1 Gbps για ακίνητους. Αυτός ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί με τα συστήματα Πολλαπλής Εισόδου-Πολλαπλής Εξόδου (Multiple Input-Multiple Output, MIMO) τα οποία χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στον πομπό και στο δέκτη. Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής (ΔΔ) εστιάζεται στην ανάλυση και βελτιστοποίηση αυτών των συστημάτων, υπό το πρίσμα των φαινομένων της σκέδασης και των διαλείψεων μικρής κλίμακας. Το αντικείμενο μελέτης συνοψίζεται στις ακόλουθες θεματικές ενότητες: α) μοντελοποίηση των ασυρμάτων καναλιών με διαλείψεις, β) απόδοση ακριβών και εύχρηστων μαθηματικών εκφράσεων της εργοδικής (μέσου όρου) χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στο δέκτη, γ) αύξηση της εργοδικής χωρητικότητας του συστήματος ΜΙΜΟ χρησιμοποιώντας πληροφορία από το μέσο διάδοσης. Αρχικά περιγράφεται η γενική μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού που είναι αναγκαία για την κατανόηση βασικών εννοιών για την ανάλυση που θα ακολουθήσει. Αυτό έχει ως στόχο μία σύντομη περιγραφή των βασικών χαρακτηριστικών ενός οποιουδήποτε ασύρματου καναλιού και να γίνουν κατανοητές κάποιες σημαντικές έννοιες που προκύπτουν και χρησιμοποιούνται κατά κόρον στις ασύρματες επικοινωνίες. Πιο συγκεκριμένα, παρατίθενται βασικές θεωρητικές γνώσεις όπου περιγράφονται τα διάφορα προβλήματα διάδοσης, δίνοντας μια σύντομη περιγραφή των φυσικών φαινομένων που εμπλέκονται, χωρίς να εμβαθύνουμε σε πολύπλοκες μαθηματικές σχέσεις. Στη συνέχεια, γίνεται προσπάθεια ακριβέστερης μοντελοποίησης, με χρήση στοχαστικών διαδικασιών, των ασύρματων μη επιλεκτικών στη συχνότητα καναλιών με διαλείψεις (frequency non-selective fading channels) σε περιβάλλον τρισδιάστατης ανισοτροπικής σκέδασης καναλιού Rice. Με τον όρο ανισοτροπική εννοείται ότι η λήψη των διαφόρων συνιστωσών για το αζιμούθιο επίπεδο γίνεται από κάποιους τομείς γωνιών και όχι από όλες τις κατευθύνσεις, ενώ στο επίπεδο της ανύψωσης θεωρούμε την ύπαρξη ενός τομέα άφιξης των συνιστωσών στον οποίο η ισχύς δεν κατανέμεται ομοιόμορφα αλλά βάσει μιας κατανομής. Επιπλέον λόγω της θεώρησης καναλιού Rice, συμπεριλαμβάνεται η ύπαρξη μιας δεσπόζουσας συνιστώσας με σταθερό πλάτος η οποία συνήθως προέρχεται από οπτική επαφή του πομπού με το δέκτη. Θεωρώντας συγκεκριμένες κατανομές για την άφιξη των συνιστωσών σε αυτούς τους τομείς από τη διεθνή βιβλιογραφία, εξάγεται αναλυτικά η συνάρτηση της αυτοσυσχέτισης και το φάσμα της ολίσθησης των συχνοτήτων σε αναλυτική μορφή και υπολογίζονται σημαντικά μεγέθη που εκφράζουν την ταχύτητα αυξομείωσης του σήματος και τη διάρκεια των διαλείψεων. Επιπλέον με αυτό τον τρόπο είναι δυνατόν να καθοριστεί η απόσταση μεταξύ των κεραιών που πρέπει να τηρείται ώστε να εξασφαλίζονται οι υψηλές επιδόσεις. Σε αστικό περιβάλλον, αποδεικνύεται ότι η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των κεραιών ενός πομποδέκτη θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από ότι σε ένα υπαίθριο περιβάλλον. Στην επόμενη ενότητα επιτυγχάνεται η απόδοση ακριβών και εύχρηστων μαθηματικών εκφράσεων της εργοδικής (μέσου όρου) χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στο δέκτη σε περιβάλλον Nakagami (που θεωρείται από τα πιο αντιπροσωπευτικά για την περιγραφή της ασύρματης διάδοσης σε κλειστούς χώρους) με όσο το δυνατό απλούστερες μαθηματικές συναρτήσεις. Με αυτό τον τρόπο, η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων εκφράζεται συναρτήσει των φυσικών παραμέτρων του συστήματος, δηλαδή το κανάλι, τον αριθμό των κεραιών κτλ. Ήδη έχουν γίνει πολλές δημοσιεύεις σε αυτό τον τομέα για διάφορες περιπτώσεις μοντελοποίησης των καναλιών (Rayleigh, Rice κτλ) και για διάφορες τεχνικές λήψης. Όμως υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις όπου υπάρχουν κενά στη διεθνή βιβλιογραφία ή η έκφραση της χωρητικότητας δεν γίνεται με κλειστές μαθηματικές μορφές. Έτσι παρουσιάζονται αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις της εργοδικής χωρητικότητας των συστημάτων SIMO που δεν υπήρχαν έως τώρα στη διεθνή βιβλιογραφία, για διάφορες περιπτώσεις γνώσης του καναλιού. Αυτό γίνεται κάνοντας τον άμεσο παραλληλισμό των συστημάτων SIMO με τις διάφορες τεχνικές διαφορισμού. Εξετάζεται η εργοδική χωρητικότητα ενός συστήματος SIMO το οποίο λειτουργεί σε κανάλι διαλείψεων Nakagami-m στο οποίο όλες οι ζεύξεις είναι ανεξάρτητες αλλά δεν είναι κατά ανάγκη όμοιες. Συγκεκριμένα εξάγονται μαθηματικές εκφράσεις κλειστού τύπου για την εργοδική χωρητικότητα συστημάτων Equal Gain Combining και Selection Combining και Switch and Stay Combining δύο κλάδων. Επιπλέον, παρουσιάζεται για πρώτη φορά, η εργοδική χωρητικότητα ενός συστήματος SIMO στο οποίο δεν εφαρμόζεται καμία τεχνική διαφορικής λήψης και εξάγονται πολύ διδακτικά συμπεράσματα. Αυτό σημαίνει ότι ο δέκτης δεν έχει καμία πληροφορία για το κανάλι (no channel state information CSI) και απλά προσθέτει τα λαμβανόμενα σήματα από κάθε κλάδο-ζεύξη. Επιπλέον γίνεται προσπάθεια οι μαθηματικοί τύποι να είναι εύχρηστοι και υλοποιήσιμοι χωρίς την χρήση ιδιαίτερων μαθηματικών λογισμικών. Ουσιαστικά η μαθηματική έκφραση της χωρητικότητας των συστημάτων SIMO σε κανάλι διαλείψεων Nakagami-m, ανάγεται στην επίλυση ενός είδους ολοκληρώματος που περιέχει ταυτόχρονα τη λογαριθμική συνάρτηση, την εκθετική συνάρτηση και πολυώνυμα νιοστής δύναμης. Αυτός ο τύπος ολοκληρωμάτων είναι δυσεπίλυτος και προκύπτει συχνά στις ασύρματες επικοινωνίες. Στην τελευταία ενότητα, γίνεται προσπάθεια αύξησης του μέσου όρου της χωρητικότητας του συστήματος ΜΙΜΟ χρησιμοποιώντας πληροφορία από το μέσο διάδοσης. Πιο συγκεκριμένα μελετάται η πολιτική εκπομπής, αν ο πομπός γνωρίζει τις παραμέτρους του καναλιού οι οποίες είναι δυνατό να γνωστοποιηθούν στον πομπό σε ρεαλιστικό επίπεδο. Ως παράμετροι του καναλιού οι οποίες είναι απαραίτητο να είναι γνωστές, θεωρούνται ο μέσος όρος και η διασπορά του καναλιού που είναι δυνατό να μετρηθούν στην πράξη ιδιαίτερα για κανάλια που δε μεταβάλλονται πάρα πολύ γρήγορα στο χρόνο. Το πρόβλημα της μεγιστοποίησης της εργοδικής χωρητικότητας, στην γενική του μορφή έως τώρα αντιμετωπίζεται μόνο με χρονοβόρες υπολογιστικές μεθόδους που απαιτούν αρκετή υπολογιστική ισχύ, καθιστώντας τη λύση μη εφαρμόσιμη σε πραγματικό χρόνο και επομένως μη ρεαλιστική. Το πρόβλημα είναι δυσεπίλυτο και οι μόνες αναλυτικές λύσεις που υπάρχουν αναφέρονται σε ιδιαίτερες περιπτώσεις. Η παρούσα ΔΔ ασχολείται με τη μεγιστοποίηση της εργοδικής χωρητικότητας του συστήματος MISO (Multiple Input-Single Output) το οποίο χρησιμοποιεί την τεχνική beamforming στην εκπομπή. Το πρόβλημα επιλύεται και η λύση του ανάγεται στη λύση ενός συστήματος δύο εξισώσεων το οποίο λύνεται αριθμητικά. Έτσι είναι δυνατή η μεγιστοποίηση της χωρητικότητας σε πραγματικό χρόνο χωρίς ιδιαίτερη υπολογιστική ισχύ. Έως τώρα η προσέγγιση αυτού του προβλήματος γίνεται αποκλειστικά με αλγορίθμους μεγιστοποίησης μη γραμμικού προγραμματισμού. Επιπλέον εξετάζοντας τη λύση του απλού συστήματος , εξάγονται καθολικά συμπεράσματα που εκφράζουν το γενικό πρόβλημα. Για τη μεγιστοποίηση του συστήματος MISO beamforming, απαιτήθηκε η διανυσματική ανάλυση του μέσου όρου του καναλιού και του διανύσματος beamforming του πομπού σε μία κατάλληλη ορθοκανονική βάση. Έτσι το πρόβλημα ανάγεται στην εύρεση των γωνιών που σχηματίζει το διάνυσμα beamforming με την ορθοκανονική βάση ώστε να μεγιστοποιείται η χωρητικότητα για δεδομένες παραμέτρους του καναλιού. Με αυτή τη μέθοδο το πρόβλημα επιλύεται πολύ εύκολα με αριθμητικές μεθόδους. Αυτό δίνει, πέρα από την ίδια τη λύση, τη δυνατότητα να γίνει σύγκριση και με υπάρχουσες μεθόδους που προσέγγιζαν τη λύση, όπως η μεγιστοποίηση του σηματοθορυβικού λόγου (Signal to Noise Ratio, SNR). Επίσης αποδεικνύεται ότι το λαμβανόμενο SNR στο δέκτη επηρεάζει το διάνυσμα beamforming που μεγιστοποιεί την χωρητικότητα. Λαμβάνοντας υπόψη όλα αυτά, προτείνεται ένας κανόνας για την πολιτική εκπομπής του πομπού. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην επίλυση του γενικότερου προβλήματος της μεγιστοποίησης της χωρητικότητας σε συστήματα ΜΙΜΟ. / 4G Wireless Communication Systems aim at high data rates, 100 Mbps (Mega bits per second) for high speed transceivers and up to 1 Gbps for stationary transceivers. This target can be accomplished with Multiple Input Multiple Output (MIMO) Systems which use multiple antennas at both the transmitter and the receiver. The subject of this Philosophy Diploma (PhD) dissertation focuses on analysis and optimization of these systems, taking into account the effects of small scale fading and scattering which occur in a wireless channel. The subject of this study is summarized in the following thematic units: a) Fading channel modelling b) Closed-form mathematical expressions for the ergodic capacity of wireless systems which use multiple antennas at the receiver c) increase MISO ergodic capacity through channel state information. Initially, the general wireless fading channel model is described which is necessary for the better understanding of the analysis used in this dissertation. This aims at a brief description of the basic characteristics of the wireless channel. Specifically, general theoretical knowledge of propagation channel is presented, giving a description of the phenomena occurring in the channel without presenting complex mathematical expressions. Next, using stochastic procedures, an accurate model of frequency non-selective Rician fading channel with 3 dimensional anisotropic scattering is presented. The term anisotropic means that the arrival of the multipath components comes from some specific sectors and not from any direction. In the elevation plane, we assume a sector for the arrival of the multipath components in which power does not arrive uniformly but follows a specific distribution. In addition, assuming a communication system operating in a Rice fading channel, a dominant component is included which usually represents the Line of Sight (LOS) component between the transmitter and the receiver. Taking into account international literature and assuming specific probability density functions for the angle of arrivals in these sectors, analytical mathematical expressions of the auto-correlation function and the power spectral density of the received signal are derived. Moreover important measures of the level crossing rate and the average duration of fades are calculated. By this analysis, the system designer is able to estimate the optimal distance between antennas in order to assure high performance of the communication system. It is proved that the distance between antennas should be greater in rural than in urban environments. In the next section, accurate closed-form mathematical expressions for the ergodic capacity of SIMO (Single Input Multiple Output) systems in Nakagami fading channel are derived with the help of known and easy to use mathematical functions (Nakagami fading is appropriate for indoor channel modelling). Thus channel capacity is expressed with respect to the physical system parameters such as: amount of fading, number of antennas etc. Many studies have been published for different cases of fading channel models (Rayleigh, Rice, etc) and diversity techniques. But for some cases there are no mathematical expressions for the ergodic capacity or it is expressed in a no closed form way. Thus in this study, new analytical mathematical expressions for the ergodic capacity of SIMO systems with different channel knowledge cases are derived. Also the relation between diversity techniques and SIMO systems is taken into account. We assume that the SIMO system operates in a Nakagami fading channel where each branch is statistically independent but not identically distributed. More precisely, new ergodic capacity formulas for dual Equal Gain Combining, Selection Combining and Switch and Stay Combining techniques are presented. In addition, a new mathematical formula for the ergodic capacity of a SIMO system with no channel knowledge is presented, resulting in useful conclusions. All these mathematical expressions are calculated with mathematical functions that are included in any mathematical software. Essentially, the calculation of the ergodic capacity of SIMO systems in Nakagami fading channels entails the calculation of an integral which contains the logarithmic function, the exponential function and n power polynomials. This type of integral is intractable and arises frequently in wireless communications. In the last section, the ergodic capacity of a MIMO channel using channel state information is studied. In particular, this dissertation studies the transmit strategy if the transmitter knows the statistical parameters of the channel which is feasible in a realistic scenario. The statistical parameters of the channel that have to be transferred to the transmitter are channel mean and covariance. These parameters can be measured in practice especially for low time variant channels. Transmitter optimization problem, in its general form, is tackled only with hard optimization methods which are not feasible for real time applications due to large processing time. The problem is intractable and the only analytical solutions in literature are referred to special cases. The current dissertation studies the ergodic capacity optimization problem of a MISO (Multiple Input-Single Output) system which uses beamforming as its transmit strategy. The problem is solved through a system of two equations which is solved numerically. Thus the problem is extremely simplified and beamforming capacity optimization is feasible even for real time applications. So far this problem was tackled with non linear programming optimization methods. Also examining the solution for the MISO system, it is provided intuition into the problem. Also general results are presented which express the general problem. Beamforming capacity optimization solution was achieved by following an analytical approach that projects the beamforming vector on an appropriate orthonormal basis defined by the eigenvectors of the channel covariance matrix. Thus the problem reduces to calculation of the angles between the beamforming vector and the orthonormal basis which maximize capacity for given channel parameters. Following this method, the problem is solved very easily through numerical root finding algorithms. Besides the solution itself, a comparison against existing approximate solutions is possible, e.g. SNR (Signal to Noise Ratio) maximization solution. It is proved that the optimal beamforming vector is dependent on the received SNR. Taking into account all the arising results, a rule of thumb for the transmit policy is proposed. In addition, the used method can help significantly towards the solution of the MIMO transmitter optimization problem.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται τεχνικές μετάδοσης σε ασύρματα συστήματα επικοινωνιών και μελετάται η επίδοσή τους με χρήση προσομοιώσεων. Κύριος στόχος είναι η παρουσίαση και η μελέτη τεχνικών ποικιλότητας, που χρησιμοποιούνται στα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών, ώστε να αντιμετωπιστούν οι διαλείψεις του καναλιού και να βελτιωθεί η αξιοπιστία της επικοινωνίας. Αρχικά, εισάγεται το μοντέλο του ασύρματου καναλιού ως ένα σύστημα και εξετάζεται το φαινόμενο των διαλείψεων που επηρεάζει τη διάδοση του σήματος. Παρουσιάζονται, επίσης, πιθανοτικά μοντέλα του ασύρματου καναλιού, τα οποία χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του καναλιού και για τη σχεδίαση ασύρματων συστημάτων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται συνοπτικά διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης και μελετάται, μέσω προσομοιώσεων, η απόδοση ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν μία κεραία σε πομπό και δέκτη (SISO) για μετάδοση μέσω καναλιού Λευκού Προσθετικού Γκαουσιανού Θορύβου (AWGN) και μέσω καναλιού Rayleigh επίπεδων διαλείψεων. Ακολουθεί η παρουσίαση και η μελέτη τεχνικών ποικιλότητας (diversity), που εφαρμόζονται είτε στον πομπό συστημάτων με πολλές κεραίες στον πομπό και μία κεραία στο δέκτη (MISO) είτε στο δέκτη συστημάτων με μία κεραία στον πομπό και πολλές κεραίες στο δέκτη (SIMO) και έχουν ως στόχο τη βελτίωση της επίδοσης των συστημάτων σε περιβάλλοντα διαλείψεων. Συγκεκριμένα, μελετώνται οι τεχνικές Maximal Ratio Combining (MRC) και selective combining για χρήση σε δέκτες συστημάτων SIMO, καθώς και η τεχνική Maximal Ratio Transmission (MRT) και ο χωροχρονικός κώδικας Alamouti για χρήση σε πομπούς συστημάτων MISO. H εργασία ολοκληρώνεται με τη σύγκριση των τεχνικών ως προς το κέρδος ισχύος (power gain) και το κέρδος ποικιλότητας (diversity gain) που επιτυγχάνουν. / The topic of this thesis is the study of transmission techniques for wireless communication systems and the evaluation of their performance using simulations. The main goal is to present and study diversity techniques, which are employed in wireless communications systems in order to address the effects of channel fading and improve the reliability of communication. First, the system model of the wireless channel is introduced, and the impact on the fading effect on the propagation of the signals is examined. Moreover, probabilistic models are presented for the wireless channel, which are used for the prediction of the behavior of the channel and for the design of wireless communication systems. Then modulation techniques are presented and their performance is evaluated for wireless systems that employ one antenna at both the transmitter and the receiver (SISO) and transmit over the Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel and the flat-fading Rayleigh channel. The study of SISO systems is followed by the presentation of diversity techniques that are used either at the transmitter of systems with many antennas at the transmitter and one antenna at the receiver (MISO) or at the receiver of systems with a single antenna at the transmitter and many antennas at the receiver (SIMO). Diversity techniques aim at improving the performance of wireless systems in fading environments. More precisely, the Maximal Ratio Combining (MRC) and the Selective Combining technique are studied for use at receivers of SIMO systems, whereas the Maximal Ratio Transmission (MRT) technique and the Alamouti space-time code are considered for transmitters of MISO systems. The thesis concludes with a comparison of the power gain and the diversity gain that is achieved by the diversity techniques.

Η αυτόματη ταυτοποίηση εικόνων δακτυλικών αποτυπωμάτων αποτελεί ένα δύσκολο και πολυδιάστατο πρόβλημα, το οποίο έχει απασχολήσει πλήθος ερευνητών και για το οποίο έχει αναπτυχθεί μεγάλος αριθμός τεχνικών. Η δυσκολία του προβλήματος έγκειται στο γεγονός ότι οι εικόνες των αποτυπωμάτων είναι σε μεγάλο ποσοστό αλλοιωμένες ή ακόμα σε κάποιες περιπτώσεις δεν είναι διαθέσιμη η πλήρης εικόνα του αποτυπώματος, αλλά μόνο ένα μέρος αυτής. Στη συγκεκριμένη διατριβή, προτείνονται δύο μέθοδοι αυτόματης ταυτοποίησης δακτυλικών αποτυπωμάτων: α) η μέθοδος ταυτοποίησης δακτυλικών αποτυπωμάτων με χρήση τεχνικών ευθυγράμμισης και β) μέθοδος ταυτοποίησης δακτυλικών αποτυπωμάτων από το συνδυασμό του Δικτύου Αυτό-Οργανούμενων Δικτύων του Kohonen και του ορισμού των σημείων μικρολεπτομερειών των αποτυπωμάτων ως νευρώνων του δικτύου. Επιπλέον, ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην προεπεξεργασία των εικόνων των δακτυλικών αποτυπωμάτων βάσει της ανάπτυξης και εφαρμογής κατάλληλων τεχνικών επεξεργασίας εικόνων προκειμένου να προκύψει βελτίωση της ποιότητας της εικόνας του δακτυλικού αποτυπώματος και να εξαχθούν οι μικρολεπτομέρειες που χρησιμοποιούνται για την ταύτιση των δακτυλικών αποτυπωμάτων. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα δακτυλικών αποτυπωμάτων από τις βάσεις VeriFingerSample_DB της Neurotechnology και η DB3 του διαγωνισμού δακτυλικών αποτυπωμάτων FVC2004. Για την ποσοτική αποτίμηση της απόδοσης των προτεινόμενων μεθόδων χρησιμοποιήθηκε το κριτήριο της Αναλογίας Ίσου Σφάλματος (EqualErrorRate – EER). Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό, η μέθοδος ταυτοποίησης δακτυλικών αποτυπωμάτων βάσει του Δικτύου Αυτό-Οργανούμενων Δικτύων παρείχε καλύτερα αποτελέσματα σε σύγκριση με οποιαδήποτε μέθοδο ευθυγράμμισης που εφαρμόστηκε. / Automatic Fingerprint Identification is a difficult and multidimensional problem. For this reason, the number of papers and techniques regarding this issue is numerous. The hardness of the problem lies with the fact that there is a large percentage of corrupted and partial fingerprint images. Throughout this Thesis, two methods were proposed for the Automatic Fingerprint Identification: a) the Automatic Fingerprint Identification based on registration techniques and b) the Automatic Fingerprint Identification based on the theory of Self Organizing Maps of Kohonen, setting the minutiae of the fingerprint images as input neurons of the Map. Furthermore, an important step prior to the application of the proposed automatic fingerprint identification methods is the pre-processing of these images by the development and implementation of a series of image processing techniques in order to enhance the image quality and to extract the minutiae which are then used for the fingerprint identification. In this Thesis, a substantial number of fingerprint images were used from the database VeriFingerSample_DB kai from the database DB3 of the competition FVC2004. The quantitative evaluation of both proposed automatic fingerprint identification methods were based on the Equal Error Rate (EER) criterion. According to this, the Automatic Fingerprint Identification based on the Self Organizing Maps outperformed against any other method based on registration techniques.

Αντικείμενο της διατριβής ήταν η ανάπτυξη υπολογιστικών μεθόδων διάγνωσης και εκτίμησης της κατάστασης της υγείας του εμβρύου. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες αναλύουν και εξάγουν πληροφορίες από το σήμα της ΕΚΣ καθώς το συγκεκριμένο σήμα αποτελεί ένα από τα λιγοστά διαθέσιμα εργαλεία για την εκτίμηση της οξυγόνωσης του εμβρύου και της αξιολόγησης της κατάστασης της υγείας του κατά τη διάρκεια του τοκετού. Για την αξιολόγηση των μεθόδων εξετάστηκε η συσχέτιση της Εμβρυϊκής Καρδιακής Συχνότητας (ΕΚΣ) με βραχυπρόθεσμες αξιόπιστες ενδείξεις για την κατάσταση του εμβρύου και πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε η συσχέτιση της τιμής του pH του αίματος του εμβρύου η οποία αποτελεί μια έμμεση ένδειξη για την ανάπτυξη υποξίας κατά τη διάρκεια του τοκετού. Στα πλαίσια της διατριβής χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά η μέθοδος της ανάλυσης σε ανεξάρτητες συνιστώσες για την εξαγωγή χαρακτηριστικών από το σήμα της ΕΚΣ. Επίσης προτάθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν Κρυφά Μοντέλα Markov σε μια προσπάθεια να «συλληφθεί» η χρονική εξέλιξη του φαινομένου της μεταβολής της κατάστασης του εμβρύου. Επιπλέον προτάθηκαν νέα χαρακτηριστικά εξαγόμενα με τη χρήση του Διακριτού Μετασχηματισμού Κυματιδίου. Με χρήση μιας υβριδική μέθοδος, που βασίζεται στη χρήση εξελικτικής γραμματικής «κατασκευάστηκαν» νέα χαρακτηριστικά παραγόμενα από τα χαρακτηριστικά που είχαν ήδη εξαχθεί με συμβατικές μεθόδους. Επιπρόσθετα στα πλαίσια της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά (και η μόνη μέχρι στιγμής) μηχανές διανυσμάτων υποστήριξης για την ταξινόμηση και προτάθηκε και χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά η μέθοδος βελτιστοποίησης με σμήνος σωματιδίων για τη ρύθμιση των παραμέτρων τους. Τέλος προτάθηκε και χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά η μέθοδος βελτιστοποίησης με σμήνος σωματιδίων για την εκπαίδευση μιας νέας οικογένειας νευρωνικών δικτύων, των νευρωνικών δικτύων κυματιδίου. Μέσα από τα πειράματα τα οποία διεξήγαμε καταφέραμε να δείξουμε ότι τα δεδομένα της ΕΚΣ διαθέτουν σημαντική πληροφορία η οποία με τη χρήση κατάλληλων προηγμένων μεθόδων επεξεργασίας και ταξινόμησης μπορεί να συσχετιστεί με την τιμή του pH του εμβρύου, κάτι το οποίο θεωρούνταν ουτοπικό στη δεκαετία του 90. / This Dissertation dealt with the development of computational methods for the diagnosis and estimation of fetal condition. The proposed methods analyzed and extracted information from the Fetal Heart Rate (FHR) signal, since this is one of the few available tools for the estimation of fetal oxygenation and the assessment of fetal condition during labor. For the evaluation of the proposed methods the correlation of the FHR signal with short term indices were employed and to be more specific, its correlation with the pH values of fetal blood, which is an indirect sign of the development of fetal hypoxia during labor. In the context of this Dissertation, Independent Component Analysis (ICA) for feature extraction from the FHR signal was used for the first time. Moreover we used Hidden Markov Models in an attempt to “capture” the evolution in time of the fetal condition. Furthermore, new features based on the Discrete Wavelet Transform were proposed and used. Using a new hybrid method based on grammatical evolution new features were constructed based on already extracted features by conventional methods. Moreover, for the first (and only) time, Support Vector Machine (SVM) classifiers were employed in the field of FHR processing and the Particle Swarm Optimization (PSO) method was proposed for tuning their parameters. Finally, a new family of neural networks, the Wavelet Neural Networks (WNN) was proposed and used, trained using the PSO method. By conducting a number of experiments we managed to show that the FHR signal conveys valuable information, which by the use of advanced data processing and classification techniques can be associated with fetal pH, something which was not regarded feasible during the 90’s.

The main goal of this thesis is to propose an evaluation method for visual interface design and more specifically for website design. The proposed visual design evaluation method is an adaptation of Preference Mapping (PM) techniques. It is based on overall preference ratings after multiple comparisons of alternative designs and on various multivariate statistical techniques for the analysis, visualization and interpretation of the resulting data. The suitability of the approach for visual interface design evaluation has been explored in four case studies involving overall 149 participants judging 51 websites. In each case study a different website domain was explored in order to examine whether the importance of certain design characteristics is context specific. Heterogeneity in preferences and perceptions was also studied showing that average construct scores are only representative for subsections of the participant sample. In order to aid the preference interpretation process additional data about study websites have been collected from three distinct sources: a) Subjective construct ratings provided by the participants after preference evaluation b) Descriptive attribute ratings obtained from trained expert panel on the same websites c) Objective measures of visual characteristics of the websites In each case study the potential of these types of measurements to explain preference variance has been investigated individually and in combination. The results showed that depending on the characteristics of each case study varying combinations of these types of data had the best explanatory power. A variety of methods (e.g. Internal and External PM) and statistical techniques (e.g. Principal Component Analysis (PCA), Generalized Procrustes Analysis (GPA) and Partial Least Squares (PLS)) have been used in order to summarize and visualize participant preference data of all case studies. In general, the method proposed in this thesis has several advantages over other visual design evaluation methods as for example use of standardized questionnaires. The method is flexible and can be used in various stages of design development but most importantly it allows for the identification of important visual design characteristics without ignoring the diversity that exist both among users and among website domains. These advantages have been demonstrated in the visual design evaluation studies presented in this thesis involving websites from four distinct domains. / Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η πρόταση και ανάπτυξη μεθόδου αξιολόγησης διεπιφανειών χρήστη που θα λαμβάνει υπόψη τόσο τα αντικειμενικά χαρακτηριστικά σχεδιασμού, όσο και την υποκειμενική διάσταση που διέπει αξιολογήσεις με επίκεντρο τον χρήστη. Για την επίτευξη του στόχου αυτού αναπτύχθηκε μέθοδος αξιολόγησης, η οποία βασίζεται στην συγκριτική αξιολόγηση εναλλακτικών σχεδιασμών κατά την φάση συλλογής δεδομένων και στην χαρτογράφηση προτίμησης κατά την φάση ανάλυσης αποτελεσμάτων. Για την διερεύνηση της καταλληλότητας της προτεινόμενης μεθόδου αξιολόγησης, διεξήχθησαν τέσσερις μελέτες περίπτωσης κατά τις οποίες αξιολογήθηκαν συνολικά 51 ιστοσελίδες από 149 αξιολογητές. Κάθε μελέτη περίπτωσης διερευνούσε διαφορετική κατηγορία ιστοσελίδων και διαφορετικά σενάρια χρήσης της μεθόδου (π.χ. φάση προδιαγραφών, αξιολόγηση πρωτοτύπων κ.α.), έτσι ώστε να αξιολογηθεί η δυνατότητα της μεθόδου να εφαρμοστεί σε διαφορετικές συνθήκες. Σημαντικό πλεονέκτημα της προτεινόμενης μεθόδου είναι η δυνατότητα αναγνώρισης ετερογένειας απόψεων του δείγματος, η οποία σε άλλες μεθόδους αξιολόγησης θεωρείται θόρυβος στα δεδομένα και παραβλέπεται. Τα αποτελέσματα των αξιολογήσεων αναδεικνύουν σημαντική ετερογένεια αλλά και σχετική συμφωνία στις προτιμήσεις και αντιλήψεις των συμμετεχόντων. Με στόχο την ερμηνεία των αποτελεσμάτων από τα πειράματα αξιολόγησης διερευνήθηκαν τρεις πηγές δεδομένων πέρα από τις ταξινομήσεις προτίμησης από τους συμμετέχοντες σε όλες τις μελέτες περίπτωσης: α) αξιολογήσεις βάσει υποκειμενικών χαρακτηριστικών από τους ίδιους τους συμμετέχοντες που ταξινόμησαν τις ιστοσελίδες με βάση την προτίμηση τους β) αξιολογήσεις περιγραφικών και αντικειμενικών σχεδιαστικών χαρακτηριστικών από ομάδα εκπαιδευμένων εμπειρογνωμόνων γ) Αντικειμενικές μετρήσεις σχεδιαστικών χαρακτηριστικών με αυτόματα και ημιαυτόματα εργαλεία αναγνώρισης εικόνας Η δυνατότητα να ερμηνευτούν οι προτιμήσεις των χρηστών με την βοήθεια αυτών των πηγών δεδομένων, διερευνήθηκε ξεχωριστά αλλά και σε συνδυασμό σε κάθε μελέτη περίπτωσης. Στόχος ήταν να αποτιμηθεί η δυνατότητα συσχέτισης δεδομένων που διακατέχονται από διαφορετικά επίπεδα υποκειμενισμού με τις προτιμήσεις των συμμετεχόντων. Ιδανικά, θα αρκούσαν αντικειμενικές μετρήσεις και δεν θα επιβαρύνονταν οι χρήστες με επιπλέον βαθμολογήσεις των διεπιφανειών. Τα αποτελέσματα όμως έδειξαν ότι ένας συνδυασμός αντικειμενικών και υποκειμενικών χαρακτηριστικών ήταν ο βέλτιστος για την επιτυχή ερμηνεία των προτιμήσεων των χρηστών. Η μέθοδος αξιολόγησης που προτείνεται στα πλαίσια αυτής της διατριβής παρουσιάζει συγκριτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με την χρήση τυποποιημένων ερωτηματολόγιων που είναι η επικρατέστερη μέθοδος στον χώρο της επικοινωνίας ανθρώπου υπολογιστή. Τα πλεονεκτήματα αυτά σχετίζονται κυρίως με την ευελιξία της μεθόδου και γίνονται εμφανή στις μελέτες αξιολόγησης που διεξήχθησαν με στόχο την εφαρμογή της μεθόδου για την αξιολόγηση ιστοσελίδων που ανήκουν σε τέσσερα διαφορετικά πεδία εφαρμογής.

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία επικεντρώνεται σε προσπάθειες σύνθεσης και χαρακτηρισμού νέων συμπλόκων ενώσεων του In(III) με τη χρήση 2-πυρίδυλο οξιμών, αζολίων, 2-ακετυλοπυριδίνης υδραζόνης, δι-2-πυρίδυλο κετόνης και βάσεων Schiff ως υποκαταστάτες. Μελετήθηκε η επίδραση αρκετών συνθετικών παραμέτρων στη χημική και δομική ταυτότητα των προϊόντων. Οι οργανικοί υποκαταστάτες που χρησιμοποιήθηκαν και οδήγησαν σε αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα Ι. Σχήμα Ι. Οι συντακτικοί τύποι και οι συντομογραφίες των υποκαταστατών που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα Διπλωματική Εργασία. Χρησιμοποιώντας ως ανόργανη πηγή Ιn(III) το InCl3 παρασκευάστηκαν τα ακόλουθα σύμπλοκα: [InCl3(H2O)(Mebta)2].Η2Ο (1.Η2Ο), (2-ΜeImH2)6{[InCl4(2-MeImH)2]}3[InCl6] (2), [InCl3(ΕtOH)(MepaoH)] (3), [CH3C(NH2)2][InCl4(NH2paoH].0.5MeCN (4.0.5MeCN), [InCl3{(py)2C(OEt)(OH)}].EtOH (5.EtOH), [InCl3{(py)2C(OH)2}].2MeCN (6.2MeCN), [InCl2(aphz)2][InCl4(aphz)]. Η2Ο (7.Η2Ο) και [In2Cl(saph)2(saphH)]. Et2O.EtOH (8.Et2O.EtOH). Οι δομές των ενώσεων 1-8 προσδιορίσθηκαν με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ μονοκρυστάλλου. Όλα τα σύμπλοκα χαρακτηρίσθηκαν με φασματοσκοπία IR, και επιλεγμένες ενώσεις με τεχνικές Raman, p-XRD, 1H NMR και Θερμοσταθμική Ανάλυση (TG). Τα φασματοσκοπικά δεδομένα εξετάζονται σε σχέση με τις γνωστές δομές των ενώσεων και τους τρόπους ένταξης των υποκαταστατών. Τα κέντρα InIII στις ενώσεις είναι 6- ενταγμένα με οκταεδρική γεωμετρία. Οι υποκαταστάτες Μebta και 2-ΜeImH συμπεριφέρονται ως μονοδοντικοί Ν- δότες, οι υποκαταστάτες MepaoH και NH2paoH ως Ν(2-πυρίδυλο), Ν(οξιμικό)- διδοντικοί χηλικοί και τα μόρια (py)2C(OEt)(OH) και (py)2C(OH)2 ως Ν,Ο,Ν΄- τριδοντικοί χηλικοί υποκαταστάτες. Ο υποκαταστάτης aphz συμπεριφέρεται ως Ν(2-πυρίδυλο), Ν(ιμινικό)- διδοντικός χηλικός, το ιόν saphH- ως Ο,Ν,Ο΄- τριδοντικός χηλικός και οι διδοντικοί υποκαταστάτες saphH2- γεφυρώνουν δύο κέντρα InIII μέσω δύο διαφορετικών αποπρωτονιωμένων ατόμων οξυγόνου. Πιστεύουμε ότι τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στη Διπλωματική Εργασία συνιστούν συνεισφορά στη χημεία ένταξης του ινδίου(ΙΙΙ), καθώς επίσης και στη χημεία ένταξης των οργανικών υποκαταστατών που φαίνονται στο Σχήμα Ι. / Our Diploma Work focused on the synthesis and characterization of new complexes of In(III) using 2-pyridyl oximes, azoles, 2-acetylpyridine hydrazone, di-2-pyridyl ketone and Schiff bases as ligands. The effect of several synthetic parameters on the chemical and structural identities of the products has been studied. The organic ligands used are shown in Scheme I. Scheme I. The structural formule and abbreviations of the ligands used in this Diploma Work. Using InCl3 as a source of inorganic ln(III), following complexes hve been prepared: [InCl3(H2O)(Mebta)2].Η2Ο (1.Η2Ο), (2-ΜeImH2)6{[InCl4(2-MeImH)2]}3[InCl6] (2), [InCl3(ΕtOH)(MepaoH)] (3), [CH3C(NH2)2][InCl4(NH2paoH].0.5MeCN (4.0.5MeCN), [InCl3{(py)2C(OEt)(OH)}].EtOH (5.EtOH), [InCl3{(py)2C(OH)2}].2MeCN (6.2MeCN), [InCl2(aphz)2][InCl4(aphz)]. Η2Ο (7.Η2Ο) και [In2Cl(saph)2(saphH)]. Et2O.EtOH (8.Et2O.EtOH). The structures of compounds 1-8 were determined by single-crystal X-ray crystallography. All the complexes were characterized by IR spectroscopy, and selected compounds by Raman, p- XRD, 1H NMR and thermogravimetric (TG) techniques . The spectroscopic data are discussed in terms of the known structures of the compounds and the coordination modes of the ligands. The InIII centers in the complexes are all 6- coordinate with an octahedral geometry. Mebta and 2- MeImH behave as monodentate N- donors, MepaoH and NH2paoH as N(2-pyridyl), N(oxime)-bidentate chelating ligands and (py)2C(OEt)(OH) and (py)2C(OH)2 as N,O,N΄- tridentate chelating ligands. The aphz molecule acts as a N(2-pyridyl), N(imino)- bidentate chelating ligand, the saphH- anion as an O,N,O΄- tridentate chelating ligand and each saph2- ligand bridges two InIII centers through a (different in each case) deprotonated oxygen atom. We believe that our results contribute into the chemistry of indium(III) and into the coordination chemistry of the ligands shown in Scheme I.

Τα συστήματα πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στο δέκτη (MIMO) αποτελούν βασικά μέτωπα ανάπτυξης των ασύρματων επικοινωνιών. Ωστόσο, η εφαρμογή της τεχνολογίας MIMO στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών αντιμετωπίζει το πρακτικό πρόβλημα της ενσωμάτωσης πολλαπλών κεραιών σε μικρά κινητά τερματικά. Με σκοπό την αντιμετώπιση του εμποδίου αυτού, δημιουργήθηκε ένα άλλο σημαντικό μέτωπο έρευνας, αυτό των συνεργατικών επικοινωνιών. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και μελέτη αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος για τα δύο παραπάνω συστήματα. Σχετικά με τα συστήματα MIMO η πρωτοποριακή έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα Bell labs στα μέσα της δεκαετίας του ΄90, απέδειξε ότι η χρήση πολλαπλών κεραιών μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων βελτιώνοντας την αξιοπιστία της μετάδοσης. Προκειμένου να αξιοποιηθούν οι παραπάνω δυνατότητες απαιτείται η σχεδίαση σύνθετων δεκτών MIMO. Προς αυτήν την κατεύθυνση έχει στραφεί ένας μεγάλος αριθμός μεθόδων ισοστάθμισης του καναλιού και πιο συγκεκριμένα δεκτών ανατροφοδότησης αποφάσεων. Δεδομένου ότι σε ευρυζωνικά συστήματα επικοινωνιών το ασύρματο κανάλι είναι άγνωστο στο δέκτη και μεταβάλλεται χρονικά, στραφήκαμε προς τις προσαρμοστικές μεθόδους ισοστάθμισης. Στα πλαίσια της διαριβής αναζήτησαμε προσαρμοστικούς αλγόριθμους κατάλληλους για τη σχεδίαση προσαρμοστικών ισοσταθμιστών MIMO DFE με τα εξής χαρακτηριστικά: 1) να παρουσιάζουν απόδοση (ταχύτητα σύγκλισης) συγκρίσιμη με αυτή του RLS, 2) η υπολογιστική τους πολυπλοκότητα να είναι μικρότερη από αυτή του RLS και 3) να είναι αριθμητικά ευσταθείς. ΄Εχει αποδειχθεί ότι προσαρμοστικοί αλγόριθμοι που βασίζονται στη μέθοδο των συζυγών κλίσεων (conjugate gradient (CG)) πληρούν τις παραπάνω προϋποθέσεις. Αρχικά αναζητήσαμε τεχνικές που βασίζονται στη μέθοδο αυτή και χρησιμοποιούνται σε προβλήματα προσαρμοστικού φιλτραρίσματος και πιο ειδικά, στο πρόβλημα προσαρμοστικής ισοστάθμισης διαύλου στη περίπτωση SISO. Πιο συγκεκριμένα, υλοποιήσαμε έναν προσαρμοστικό αλγόριθμο στο πεδίο των συχνοτήτων που επεξεργάζεται τα δεδομένα κάθε φορά που λαμβάνεται ένα νέο εισερχόμενο πακέτο δεδομένων. Ο προτεινόμενος ισοσταθμιστής πετυχαίνει μια πολύ καλή απόδοση, ενώ οι υπολογιστικές του απαιτήσεις είναι πολύ χαμηλές. Στη συνέχεια αναπτύξαμε τρεις νέους αλγορίθμους προσαρμοστικής ισοστάθμισης συχνοτικά επιλεκτικών συστημάτων MIMO, που βασίζονται στη μέθοδο CG και στις προβολές Galerkin. Το πρόβλημα σχεδιασμού προσαρμοστικών MIMO DFE αντιμετωπίζεται ως ένα πρόβλημα επίλυσης γραμμικών εξισώσεων, με πολλαπλά δεξιά μέλη, που εξελίσσεται στο χρόνο. Επισημαίνουμε ότι τα σχήματα που προτείνουμε θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα γενικότερο πλαίσιο σχεδίασης προσαρμοστικών δεκτών για συχνοτικά επιλεκτικά συστήματα MIMO, με ιδιότητες σύγκλισης παρόμοιες με αυτές του RLS, έχοντας, ωστόσο, μικρότερες υπολογιστικές απαιτήσεις. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύξαμε τεχνικές εκτίμησης καναλιού για συνεργατικά δίκτυα με N αναμεταδότες που είτε ενισχύουν και αναμεταδίδουν ή αποκωδικοποιούν και αναμεταδίδουν το λαμβανόμενο σήμα. ΄Ολες οι τεχνικές εκτίμησης που προτείναμε υλοποιούνται εξ΄ ολοκλήρου στο πεδίο των συχνοτήτων. Αρχικά παρουσιάσαμε τεχνικές που βασίζονται στη μετάδοση πιλοτικών συμβόλων σε συγκεκριμένες συχνοτικές συνιστώσες. Στη συνέχεια αποδείξαμε ότι όλα τα κανάλια από την πηγή μέσω των αναμεταδοτών προς τον προορισμό μπορούν να εκτιμηθούν τυφλά εάν γνωρίζουμε τις φάσεις της απόκρισης συχνότητας του ασύρματου καναλιού μεταξύ πηγής και προορισμού.. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε ϑεωρητική ανάλυση της απόδοσης των προτεινόμενων σχημάτων η οποία επαληθεύτηκε μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστή. Τέλος, αξιολογήσαμε πειραματικά διάφορα πρωτόκολλα συνεργατικής επικοινωνίας (AF, DF, SF) και τεχνικές κατανεμημένης χωροχρονικής επεξεργασίας DSTC για συνεργατικά δίκτυα σε μια πλατφόρμα υλοποίησης πραγματικού χρόνου που χρησιμοποιεί επεξεργαστές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Διαπιστώσαμε ότι τα πειραματικά αποτελέσματα συμφωνούν πλήρως με τα θεωρητικά. / Systems employing multiple antennas at the transmitter and the receiver, known as MIMO (multiinput multioutput) systems, as well as space time coding techniques developed for such systems, are two of the main technologies employed for the evolution of wireless communications. However, the application of MIMO technology to mobile networks, often faces the practical implementation problem of having too many antennas on a small mobile terminal. In an attempt to overcome such a severe limitation, cooperative communication schemes have been proposed. This PhD dissertation, described our work on the design and analysis of signal processing algorithms for the two aforementioned systems, as is described in detail next. Concerning MIMO systems, the pioneering work performed at Bell Labs in the middle of the nineties, proved that the use of multiple antennas can lead to a significant increase in wireless systems capacity. To exploit this potential, sophisticated MIMO receivers should be designed. To this end, a large amount of channel equalizers and, more specifically, decision feedback equalizers has been proposed. Because these assumptions are difficult to meet in high rate single carrier systems, we have focused our attention on decision feedback equalizers. . Our main goal is to derive algorithms for updating the MIMO DFE filters with the following characteristics: 1) convergence properties similar to these of the RLS 2) more computationally efficient than RLS and 3) numerically stable. It is known that adaptive algorithms based on the CG (conjugate gradient) have the above characteristics We initially studied this method as an iterative method for solving linear equations and we pointed out the main differences with the steepest descent method, on which the LMS algorithm is based. An extended search of adaptive DFE algorithms, based on the CG method was carried out. More specifically, a new block adaptive CG algorithm was developed. In the resulting algorithm, one CG iteration per block update is executed. In order to reduce even more the complexity, the algorithm was implemented in the Frequency Domain. The proposed equalizer offers a good performance - complexity trade off. Three new adaptive equalization algorithms for wireless systems operating over frequency selective MIMO channels, based on the CG method and the Galerkin projection method, are proposed. The problem of MIMO decision feedback equalizer (DFE) design is formulated as a set of linear equations with multiple righthand sides (RHSs) evolving in time. These schemes provide a flexible framework in MIMO adaptive equalization design to implement schemes with convergence properties comparable to the RLS, but of lower computational cost. Furthermore, we worked on channel estimation for cooperative communication networks, where the nodes either simply amplify and forward the received signal, or they decode and transmit the signal (DF). We first propose efficient channel estimation techniques for relay networks with N relays. The new methods are implemented in the frequency domain (FD). Initially, training based techniques are presented, where the training pilots are multiplexed with the data in the frequency domain. It is then shown that all the channels in the network can be estimated blindly provided that we know the phases of the frequency response of the (Source → Destination) channel. Thus, by making use of a small number of pilots in only one link (the sourcetodestination link) we can estimate all the other channels (Source→Relay i→Destination) in the network. A theoretical performance study of the proposed algorithms is presented and closed form expressions for the mean squared channel estimation error are provided. The presented theoretical analysis is verified by extensive Monte Carlo simulations. The application of the derived schemes to the DF case, and the impact of erroneous detection to their performance are also studied. Finally, we investigated experimentally four cooperative relaying schemes: amplify and forward (AF), detect and forward (DF), cooperative maximum ratio combining (CMRC) and distributed spacetime coding (DSTC), and one novel selection relaying (SR) scheme on a realtime DSP based testbed. The experimental results are fairly close to the ones predicted by theory

Στην παρούσα εργασία επιχειρείται η εφαρμογή αλγορίθμων αποθορυβοποίησης σε σήματα μουσικής και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την απόδοση αυτών ανά μουσικό είδος. Η κύρια επιδίωξη είναι να αποσαφηνιστούν τα βασικά προβλήματα της ενίσχυσης ήχων και να παρουσιαστούν οι διάφοροι αλγόριθμοι που έχουν αναπτυχθεί για την επίλυση των προβλημάτων αυτών. Αρχικά γίνεται μία σύντομη εισαγωγή στις βασικές έννοιες πάνω στις οποίες δομείται η τεχνολογία ενίσχυσης ομιλίας. Στην συνέχεια εξετάζονται και αναλύονται αντιπροσωπευτικοί αλγόριθμοι από κάθε κατηγορία τεχνικών αποθορυβοποίησης, την κατηγορία φασματικής αφαίρεσης, την κατηγορία στατιστικών μοντέλων και αυτήν του υποχώρου. Για να μπορέσουμε να αξιολογήσουμε την απόδοση των παραπάνω αλγορίθμων χρησιμοποιούμε αντικειμενικές μετρήσεις ποιότητας, τα αποτελέσματα των οποίων μας δίνουν την δυνατότητα να συγκρίνουμε την απόδοση του κάθε αλγορίθμου. Με την χρήση τεσσάρων διαφορετικών μεθόδων αντικειμενικών μετρήσεων διεξάγουμε τα πειράματα εξάγοντας μια σειρά ενδεικτικών τιμών που μας δίνουν την ευχέρεια να συγκρίνουμε είτε τυχόν διαφοροποιήσεις στην απόδοση των αλγορίθμων της ίδιας κατηγορίας είτε διαφοροποιήσεις στο σύνολο των αλγορίθμων. Από την σύγκριση αυτή γίνεται εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων σχετικά με τον προσδιορισμό των παραμέτρων κάθε αλγορίθμου αλλά και με την καταλληλότητα του κάθε αλγορίθμου για συγκεκριμένες συνθήκες θορύβου και για συγκεκριμένο μουσικό είδος. / This thesis attempts to apply Noise Reduction algorithms to signals of music and draw conclusions concerning the performance of each algorithm for every musical genre. The main aims are to clarify the basic problems of sound enhancement and present the various algorithms developed for solving these problems. After a brief introduction to basic concepts on sound enhancement we examine and analyze various algorithms that have been proposed at times in the literature for speech enhancement. These algorithms can be divided into three main classes: spectral subtractive algorithms, statistical-model-based algorithms and subspace algorithms. In order to evaluate the performance of the above algorithms we use objective measures of quality, the results of which give us the opportunity to compare the performance of each algorithm. By using four different methods of objective measures to conduct the experiments we draw a set of values that facilitate us to make within-class algorithm comparisons and across-class algorithm comparisons. From these comparisons we can draw conclusions on the determination of parameters for each algorithm and the appropriateness of algorithms for specific noise conditions and music genre.

Καθώς η εξέλιξη της βιοϊατρικής επιστήμης και τεχνολογίας είναι συνεχής και ραγδαία, η έρευνα επικεντρώνεται τόσο στη βελτίωση των κλινικών τεχνικών όσο και στην ανάπτυξη νέων με κυριότερο σκοπό την ακριβέστερη και ασφαλέστερη διάγνωση και θεραπεία. Στην παρούσα διατριβή, μελετάται η χρήση δύο περιοχών του φάσματος, που ανήκουν στο πεδίο των μη ιοντιζουσών ακτινοβολιών, των μικροκυματικών και των ακουστικών συχνοτήτων, για διαγνωστικές λειτουργικές εφαρμογές εγκεφάλου. Παρόλο που η χρήση των υπερήχων έχει αξιοποιηθεί στην κλινική εφαρμογή, οι αναφορές για τη χρήση των ακουστικών κυμάτων στις βιοϊατρικές εφαρμογές είναι περιορισμένες στη διεθνή βιβλιογραφία. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η ανάπτυξη ενός συστήματος για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου στις ακουστικές συχνότητες. Στα δύο πρώτα κεφάλαια περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν την επιστήμη του ήχου (ακουστική) αλλά και οι φυσικές αρχές αλληλεπίδρασης των ακουστικών κυμάτων με τους βιολογικούς ιστούς (δημιουργία και εξέλιξη των φυσικών φαινομένων ανάκλασης, διάθλασης, μετάδοσης και απορρόφησης της ηχητικής δέσμης). Πιο συγκεκριμένα, μοντελοποιείται και μελετάται θεωρητικά το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης των ακουστικών κυμάτων με τον ανθρώπινο εγκέφαλο ενώ τέλος παρουσιάζονται βασικές και σύγχρονες εφαρμογές ακουστικής στην ιατρική. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και οι βασικές αρχές της προτεινόμενης μεθόδου για μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας στις ακουστικές συχνότητες και πραγματοποιούνται προσομοιώσεις, με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB, παραθέτοντας τα αντίστοιχα αριθμητικά αποτελέσματα. Ολοκληρώνοντας το πρώτο μέρος της διατριβής, στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πρακτική υλοποίηση του προτεινόμενου συστήματος, περιλαμβάνοντας ανάλυση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και των αντίστοιχων αισθητήρων, εκτενής μελέτη του κάθε τμήματός του καθώς και πειραματικές μετρήσεις με ομοιώματα. Τα μικροκύματα έχουν χρησιμοποιηθεί σε πλήθος διαγνωστικών και θεραπευτικών τεχνικών τόσο σε επίπεδο έρευνας όσο και στην κλινική πράξη. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιείται θεωρητική μελέτη και υλοποίηση πολυσυχνοτικών κυρτών προσαρμόσιμων μικροταινιακών τυπωμένων κεραιών και χρήση τους με σύστημα ευαίσθητου δέκτη μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφονται η βασική τεχνολογία και οι βασικές αρχές λειτουργίας της παθητικής μεθόδου διάγνωσης με μικροκύματα, της μικροκυματικής ραδιομετρίας ενώ στο κεφάλαιο 6 μοντελοποιούνται οι προτεινόμενες κυρτές κεραίες και μελετούνται με τη βοήθεια του ηλεκτρομαγνητικού προσομοιωτικού λογισμικού πακέτου HFSS που χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Επίσης, παρουσιάζονται αναλυτικά οι ιδιότητες εστίασης των κεραιών αυτών σε δύο διαφορετικά μοντέλα κεφαλιού στο εύρος συχνοτήτων 2 – 3.3 GHz. Τέλος, οι κεραίες που μελετήθηκαν θεωρητικά, κατασκευάζονται και χρησιμοποιούνται ως κεραίες λήψης ραδιομέτρου τύπου διακόπτη Dicke (Dicke switch) για πειραματικές μετρήσεις σε ομοιώματα (κεφάλαιο 7). Ο συνδυασμός των δύο συστημάτων σε μια κοινή υλοποίηση και η πραγματοποίηση κοινών πειραματικών μετρήσεων και στις δύο περιοχές συχνοτήτων είναι μια πολύ σημαντική προοπτική που μπορεί να βελτιώσει τα πιθανά μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου αλλά και να τις επαληθεύσει, με την παροχή και το συνδυασμό διαφορετικού είδους πληροφορίας για το ίδιο αίτιο. / As progress in the field of biomedical science and technology is continuous, the research focuses mainly on the improvement of existing clinical techniques and the development of new ones, aiming at the most accurate and safe diagnosis and treatment. In the present thesis, passive diagnosis in the non ionizing radiation regime and especially two frequency bands, microwave and acoustic frequencies, are used for diagnostic functional brain applications. Despite the fact that ultrasounds have been utilized in clinical practice, the references regarding the application of acoustic waves in medical diagnosis are restrained in international literature. In the present thesis the development of a system for diagnostic brain applications operating at acoustic frequencies is studied. In the first two chapters the basic principles of acoustics and the physical principles of the interaction of acoustic waves with biological tissue (including physical phenomena of reflection, diffraction, transmission and absorption of sound) are described. More specifically, the problem of the interaction of acoustic waves with the human brain tissues is theoretically modeled and studied. In the third chapter theoretical analysis is carried out and the basic operation principles of the suggested method for monitoring brain activity in acoustic frequencies are described. Simulations are performed using the MATLAB software and the respective numerical results are presented. Completing the first part of the thesis, the fundamentals of the system’s practical implementation are introduced in the fourth chapter. All system modules are described and the results of the implementation study through experiments using phantoms are presented. Microwaves have been used in many diagnostic and therapeutic techniques both at research level and in clinical practice. Herein, a theoretical study and implementation of various multi-frequency conformal microstrip patch antennas are performed, and finally they are used in conjunction with a sensitive microwave radiometry receiver. In chapter 5 the basic technology and the basic operation principles of the passive diagnostic method with microwaves (microwave radiometry) are described, while in chapter 6 the suggested conformal antennas are modeled and studied using the electromagnetic simulation tool HFSS that implements the finite element method (FEM). Moreover, the properties of these antennas and their focusing ability on specific brain areas are presented at 2 – 3.3 GHz in two different head models. Finally, a few are materialized in Rogers 4350B dielectric substrate and two of them are used together with a Dicke switch type radiometer for experimental measurements with phantoms (chapter 7). The combination of the aforementioned systems in a common implementation and the realization of common experimental measurements in both frequency bands is a very significant prospective which can optimize the performance of each methodology, by collecting and combining different types of information originating from the same event.