Η παρούσα διπλωματική εργασία έγινε στα πλαίσια του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών Ηλεκτρονικής και Υπολογιστών, στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενό της αποτελεί η μελέτη του φυσικού επιπέδου συστημάτων κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς και η εξομοίωση χαρακτηριστικού καναλιού του φυσικού επιπέδου σύμφωνα με την παγκόσμια προτυποποίηση 3GPP. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται ιστορική ανασκόπηση των συστημάτων προηγούμενων γενεών. Αναφέρονται βασικά προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπίσει ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα καθώς και η βασική δομή των κυψελοειδών συστημάτων. Γίνεται εισαγωγή στα συστήματα τρίτης γενιάς ως προς τις απαιτήσεις, τις υπηρεσίες που προσφέρουν, την προτυποποίηση και την αρχιτεκτονική τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετώνται οι τρόποι πολλαπλής πρόσβασης με ιδιαίτερη έμφαση στην προσπέλαση με διαίρεση κωδικών. Αναλύονται τα συστήματα διάχυσης φάσματος. Γίνεται εκτενής αναφορά και υλοποίηση προγραμμάτων για τις ψευδοτυχαίες ακολουθίες και τις ακολουθίες Gold. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται η δομή δικτύων επικοινωνίας κατά το μοντέλο OSI. Αναφέρονται τα επίπεδα των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων με διεξοδική μελέτη του φυσικού επιπέδου και στις διεπαφές που χρησιμοποιεί για επικοινωνία καθώς και στις υπηρεσίες που προσφέρει. Αναλύεται η δομή όλων των φυσικών καναλιών και εξομοιώνεται η διαδικασία ενθυλάκωσης του καναλιού PRACH. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται οι κώδικες διάχυσης των φυσικών καναλιών ανερχόμενης ζεύξης καθώς και η διαδικασία διάχυσης τους. Δημιουργούνται προγράμματα που παράγουν αυτούς τους κώδικες και γίνεται εξομοίωση της διάχυσης και της αποδιάχυσης του PRACH καναλιού. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται η διαδικασία κωδικοποίησης πηγής και μελετάται η PSK διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση που χρησιμοποιούν τα συστήματα τρίτης γενιάς. Υλοποιούνται προγράμματα που εξομοιώνουν τη συνολική διαδικασία σε ενθόρυβο κανάλι AWGN μελετώντας την επίδραση του θορύβου σε μεταδιδόμενο σήμα. Όλες οι εξομοιώσεις υλοποιήθηκαν με το πρόγραμμα Matlab 7.1. / This master thesis is a part of the post-graduate course of the Physics department of the University of Patras, on Electronics and Computers. Its main objective is the study of the physical layer of 3rd generation telecommunication systems and the simulation of a particular channel, in accordance to 3GPP specifications. In the first chapter we review telecommunication systems of previous generations. We also refer to major problems that need to be dealt with and also the basic structure of cellular networks. 3rd generation telecommunication systems, their requirements, offered services, standardisation and architecture are all introduced. In the second chapter we study multiple access methods, emphasising CDMA methods. Moreover, spread spectrum systems are analysed. Finally we refer to pseudorandom and Gold sequences. Programs are created which generate these sequences. In the third chapter we look into the structure of communication networks according to the OSI model. The layers of telecommunication systems are mentioned, laying emphasis on the physical layer, the interfaces used for communication as well as the offered services. We report all physical channels and we simulate the encapsulation of the PRACH channel. In the fourth chapter we analyse the spreading and scrambling codes referring to the uplink channels. Next we point out the code allocation process. Programs are created which generate these spreading and scrambling codes and we finally simulate the spreading and de-spreading process of the PRACH channel. In the fifth chapter we outline the source coding process using PCM, and we study PSK modulation and demodulation which are used by 3rd generation telecommunication systems. We create programs that simulate the whole procedure in a noisy channel, and we study the effect of AWGN. The programs were created and the simulations were run using Matlab version 7.1.

Η ασύρματη επικοινωνία αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, που η μορφολογία του εδάφους της δεν επιτρέπει πολλές φορές τη χρήση εναλλακτικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξής του καθώς το πέρασμα από τη δεύτερη στην τρίτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας πληθώρα υπηρεσιών στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Στην πραγματικότητα είμαστε περισσότερο κοντά παρά ποτέ στο όραμα της ενοποίησης των δικτύων παγκοσμίως καθώς επίσης και στο όραμα του “Mobile Broadband”. Είναι εύλογο λοιπόν, οι χρήστες των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς να έχουν πλέον την απαίτηση να εκτελούν εφαρμογές και να προσπελαύνουν υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας ακούμε για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις παραπάνω εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Πρόκειται για μια προσπάθεια να αναλυθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών αλλά επίσης και να προταθούν νέοι μηχανισμοί για την όσο το δυνατόν βέλτιστη (από άποψη απόδοσης και ικανοποίησης του τελικού χρήστη) μετάδοση των δεδομένων. Γενικότερα οι μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο (point-to-point data transmission - Unicast). • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά σημεία (point-to-multipoint data transmission). Όσον αφορά την πρώτη κατηγορία μηχανισμών στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και προτείνονται μηχανισμοί οι οποίοι προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες φόρτου που επικρατούν στο δίκτυο. Οι μηχανισμοί αυτοί που ονομάζονται μηχανισμοί προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων είναι κυρίως μηχανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για μετάδοση εφαρμογών πραγματικού χρόνου όπως είναι για παράδειγμα η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο ή μια βιντεοκλήση μεταξύ δύο συνδρομητών ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Οι μηχανισμοί προσαρμογής της μετάδοσης πολυμέσων είναι μηχανισμοί μετάδοσης πολυμεσικών (adaptive streaming multimedia) δεδομένων πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν τη μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση μηχανισμών προσαρμογής της μετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη μηχανισμών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρμογή των πολυμεσικών δεδομένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των μηχανισμών είναι η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες μεταβάλλονται. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). To MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Έτσι λοιπόν, όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία μηχανισμών, η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting λόγω του γεγονότος ότι εκμεταλλεύεται την κατανομή των χρηστών μέσα στο δίκτυο προς όφελος της οικονομίας στην αποστολή πακέτων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται ένας multicast μηχανισμός ο οποίος προσφέρει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων από έναν κεντρικό εξυπηρετητή προς μια ομάδα κινητών χρηστών ενός δικτύου UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκτός από τη λειτουργικότητα της multicast δρομολόγησης των πακέτων στους κόμβους του δικτύου, υποστηρίζεται επίσης από ένα σχήμα διαχείρισης της ομάδας των multicast χρηστών. Επιπλέον, στο μηχανισμό έχει ενσωματωθεί επιπλέον λειτουργικότητα η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη μετάδοση των δεδομένων στην ομάδα των multicast χρηστών ακόμα και όταν αυτοί βρίσκονται σε διαρκή κίνηση (Handover functionality). Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται μια προσπάθεια να αξιολογηθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο UMTS για μετάδοση δεδομένων από έναν αποστολέα προς μια ομάδα παραληπτών. Συγκεκριμένα, οι τρεις μηχανισμοί που αναλύονται είναι ο Broadcast μηχανισμός, o Multiple Unicast μηχανισμός και ο Multicast μηχανισμός. Η αξιολόγηση των μηχανισμών γίνεται με χρήση ενός αναλυτικού μοντέλου το οποίο μετρά το τηλεπικοινωνιακό κόστος μετάδοσης των δεδομένων από τον έναν κόμβο του δικτύου στον άλλον. Το συγκεκριμένο μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι μηχανισμοί αξιολογούνται για διάφορες τοπολογίες του δικτύου και διαφορετικές κατανομές των χρηστών στο δίκτυο. Τέλος, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η αξιολόγηση των καναλιών μεταφοράς του UMTS και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση των δεδομένων. Ειδικότερα, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Τα κανάλια τα οποία αξιολογούνται είναι τα: Forward Access Channel, High Speed – Downlink Shared Channel και Dedicated Channel. Τα παραπάνω κανάλια μεταφοράς αξιολογούνται με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν και τέλος την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη. / As communications technology is being developed, users’ demand for multimedia services raises. Meanwhile, the Internet has enjoyed tremendous growth in recent years. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide high-speed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. The recent years, the usage of third generation cellular networks has begun to rise all over the world. These new infrastructures substitute the existed second generation cellular networks and offer broadband services to mobile users. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. The main target of this dissertation is the study and the analysis of the mechanisms that are operated behind the above mentioned services and applications. More specifically, we analyze already existed mechanisms used for the transmission of real time services over 3G networks and furthermore we propose new mechanisms for the effective data transmission in 3G networks in terms of network performance and satisfaction of the mobile user. Generally, we consider two categories of mechanisms for the data transmission: • Mechanisms for point to point data transmission. • Mechanisms for point to multipoint data transmission. Regarding the first category of the mechanisms, in this dissertation, we analyze and propose mechanisms for real time data transmission in 3G networks. We focus firstly on schemes that reliable transmit the real time data to mobile users and secondly on mechanisms for adaptive multimedia transmission in UMTS. Bandwidth is a valuable and limited resource for UMTS and every wireless network, in general. Therefore, it is of extreme importance to exploit this resource in the most efficient way. It is essential for a wireless network to have an efficient bandwidth allocation scheme in order the mobile user to experience both real time applications and Internet applications such as HTTP or SMTP. Consequently, when a user experiences a real time application, there should be enough bandwidth available at any time for any other application that the mobile user might realize. In addition, when two different applications run together, the network should guarantee that there is no possibility for any of the above-mentioned applications to prevail against the other by taking all the available channel bandwidth. Taking into consideration the fact that Internet applications adopt mainly TCP as the transport protocol, while real time applications mainly use RTP, the network should guarantee that RTP does not prevail against the TCP traffic. Consequently, this means that there should be enough bandwidth available in the wireless channel for the Internet applications to run properly. To this direction, rate control of real time applications is an important issue in mobile networks. With the aid of rate control schemes the network could adapt the packet transmission rate of real time applications according to the current network conditions giving the opportunity to the mobile users to experience both real time and non real time applications at the same time in their mobile devices. Regarding the second category of the mechanisms, although UMTS networks offer high capacity, the expected demand will certainly overcome the available resources. Thus, the multicast transmission over the UMTS networks constitutes a challenge and an area of research. To this direction the third Generation Partnership Project (3GPP) is currently standardizing the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) framework of UMTS. In this dissertation, we present a new mechanism for the efficient multicast data routing in UMTS. The proposed mechanism is enhanced with multicast group management functionality as well as with functionality related to the user mobility (handover and relocation). Furthermore, it is known that multicasting is more efficient method of supporting group communication than unicasting or broadcasting, as it allows transmission and routing of packets to multiple destinations using fewer network resources. In this dissertation, the three above mentioned methods of supporting group communication in UMTS are analyzed in terms of their performance. The critical parameters of primary interest for the evaluation of any method are the packet delivery cost and the scalability of the method. Finally, this dissertation analyses the role of power control in the multicast transmission in UMTS. It is proposed a power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station.