Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία μελετάται ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη, η εγκατάσταση και λειτουργία ολοκληρωμένων εφαρμογών δίαχυτου υπολογισμού με χρήση ετερογενών ασυρμάτων αισθητήρων. Η ασύρματη επικοινωνία ετερογενών συσκευών σε ένα διάχυτο σύστημα παρουσιάζει σημαντικά προβλήματα καθώς χρησιμοποιούνται συσκευές με εντελώς διαφορετική αρχιτεκτονική, διαφορετικά χαρακτηριστικά και διαφορετικές δυνατότητες όσον αφορά τις τεχνολογίες που υποστηρίζουν για την υλοποίηση εφαρμογών σε αυτές. Αρχικά εστιάζουμε στον εντοπισμό των αιτιών που δεν επιτρέπουν την ασύρματη επικοινωνία των συσκευών και προτείνουμε συγκεκριμένες λύσεις. Προτείνουμε επίσης, μια αρχιτεκτονική ενός συγκεκριμένου συστήματος η οποία βασίζεται σε μια ιεραρχία επιπέδων προσφέροντας επεκτασιμότητα καθώς επίσης και χρήση διαφορετικών συσκευών.Για την μελέτη της συμπεριφοράς του συστήματος αναπτύσσονται συγκεκριμένες εφαρμογές οι οποίες παρουσιάζουν τις δυνατότητες του. / Within the scope of this MSc dissertation, we discuss the design and implementation of pervasive applications on top of heterogeneous wireless sensor network environment. The wireless communication between heterogeneous devices is an inherently difficult research problem due to fundamental differences in system architecture, properties and capabilities of the these devices. Initially, our research focused on the identification of the problems related to the intercommunication among the devices of a heterogeneous wireless sensor network. As a solution, we propose a new abstract system that provides the key qualities needed for a successful pervasive system; expandability, scalability and performance. The new architecture achieves interoperability among the devices by introducing abstraction in the communication protocol. In order to demonstrate the applicability of our system we include various representative use case scenarios, that illustrate the usage of our infrastructure.

Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και κατασκευή εφαρμογής ασύρματου δικτύου με σκοπό την αναγνώριση της ανθρώπινης δραστηριότητας και τον εντοπισμό της πτώσης σε πραγματικό χρόνο, καθώς επίσης και την παρακολούθηση των αποτελεσμάτων από απομακρυσμένη τοποθεσία. Στη συγκεκριμένη εργασία σκοπός είναι η αναγνώριση των τεσσάρων βασικών καταστάσεων της ανθρώπινης φυσικής δραστηριότητας (κάθομαι, ξαπλώνω, στέκομαι, κινούμαι) και ο εντοπισμός της πτώσης με χρήση της των επιταχυνσιομέτρων που προσφέρει η πλατφόρμα SunSpot καθώς και η σύνδεση της διάταξης με το διαδίκτυο για την παροχή πληροφορίας σχετικά με την κατάσταση του κατόχου του συστήματος σε απομακρυσμένη τοποθεσία. Πραγματοποιήθηκε μελέτη σχετικά με διάφορες διατάξεις των αισθητήρων ,την συχνότητα δειγματοληψίας, τους αλγορίθμους κατάταξης καθώς και για τις μεθόδους διάθεσης της πληροφορίας στο διαδίκτυο. Για την αναγνώριση των καταστάσεων και τον εντοπισμό της πτώσης χρησιμοποιήθηκαν δυο πλατφόρμες αισθητήρων SunSPOT, μια στο στήθος (master) και μια στο δεξιό τετρακέφαλο (slave) / A wearable wireless sensor network application performing human activity recognition and fall detection using the Naïve Bayesian Classifier algorithm in the SunSpot Platform accompanied by a web application in the Google App Engine platform to be able to monitor the classification results from a remote location and to automatically notify via e-mail in case of emergency.

Τα ασύρματα κινητά Ad Hoc δίκτυα γίνονται ολοένα και πιο δημοφιλή λόγω της αυξανόμενης χρήσης κινητών συσκευών. Οι κόμβοι αυτών των δικτύων μπορούν να κινούνται ελεύθερα στον χώρο, έχοντας ταυτόχρονα πολλαπλούς ρόλους αφού μπορούν να λάβουν και να στείλουν πληροφορία προερχόμενη από οποιοδήποτε πόρο του δικτύου. Αυτό σημαίνει ότι ένας κόμβος μπορεί να έχει το ρόλο του αποστολέα, του παραλήπτη και του αναμεταδότη. Η ικανότητα αυτών των δικτύων να αυτοπροσαρμόζονται και να δημιουργούν ένα συνεκτικό δίκτυο μέσω ασύρματων συνδέσεων, τα κάνει κατάλληλα για μια σειρά από εφαρμογές στις οποίες τα άλλα δίκτυα αποτυγχάνουν. Τέτοιες εφαρμογές περιλαμβάνουν τοπολογίες που στήνονται σε συνθήκες έκτακτης ανάγκης, δίκτυα αισθητήρων και γενικά τοπολογίες στις οποίες δεν υπάρχει προκαθορισμένη υποδομή ή η υποδομή που υπήρχε έχει καταστραφεί. Τα ασύρματα κινητά δίκτυα παρέχουν την ελευθερία στους κόμβους να κινηθούν ακόμα και μακρυά από σταθμούς βάσης ή και να αποσυνδεθούν προσωρινά από το υπόλοιπο δίκτυο, με αποτέλεσμα να καθιστούν δύσκολο το πρόβλημα της δρομολόγησης. Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης που έχουν αναπτυχθεί για τέτοιου τύπου δίκτυα επηρεάζουν άμεσα τα χαρακτηριστικά της μετάδοσης δεδομένων και την απόδοση των σχετικών εφαρμογών. Κάθε πρωτόκολλο έχει τη δική του στρατηγική δρομολόγησης έτσι ώστε να καταφέρει να συνδέσει δυο κινητούς κόμβους του δικτύου. Η απόδοση μεταβάλλεται ανάλογα με την κατάσταση του δικτύου και τις επικρατούσες συνθήκες όπως η πυκνότητα των κόμβων σε μια συγκεκριμένη περιοχή, η ταχύτητα και η κατεύθυνση τους. Είναι προφανές ότι η επιλογή του κατάλληλου πρωτοκόλλου δρομολόγησης ανάλογα με τα χαρακτηριστικά και τις παραμέτρους του δικτύου παίζει πολύ σημαντικό ρόλο. Η ενσωμάτωση των κινητών συσκευών σε κινούμενα οχήματα έχει οδηγήσει σε έναν νέο τύπο δικτύων, τα ονομαζόμενα Ad Hoc δίκτυα οχημάτων ή Vehicular Ad hoc Networks (VANETs). Αυτά τα δίκτυα απαιτούν εξειδικευμένα πρωτόκολλα δρομολόγησης εξαιτίας της φύσης των κινητών Ad Hoc δικτύων. Η απόδοση αυτών των πρωτοκόλλων έχει αξιολογηθεί για την περίπτωση της γενικευμένης κίνησης αλλά όχι υπό το πρίσμα της μετάδοσης πολυμέσων και ειδικότερα της μετάδοσης βίντεο. Αρχικός στόχος αυτής της εργασίας είναι η πραγματοποίηση ενός συνόλου από εξομοιώσεις με στόχο την αξιολόγηση της απόδοσης των τριών από τα πιο δημοφιλή πρωτόκολλα δρομολόγησης για τα κινητά Ad Hoc δίκτυα MANETs και VANETs: AODV, DSR, και OLSR. Ο σκοπός της αξιολόγησης είναι η μελέτη της συμπεριφοράς των πρωτοκόλλων όταν μεταβάλλεται το πλήθος των ταυτόχρονων μεταδόσεων βίντεο. Οι μετρικές που προτείνονται είναι • το ποσοστό απώλειας πακέτων • η καθυστέρηση από άκρο σε άκρο • η διακύμανση της καθυστέρησης (jitter) • η επιβάρυνση του δικτύου με πακέτα δρομολόγησης Η μετάδοση πολυμέσων μέσα από τα ασύρματα κινητά Ad Hoc δίκτυα δεν είναι πάντοτε αποδοτική εξαιτίας των υψηλών απαιτήσεων που υπάρχουν, όπως το υψηλό εύρος ζώνης και οι χαμηλοί χρόνοι καθυστέρησης. Δηλαδή, αυτά τα δίκτυα δεν δείχνουν ικανά να υποστηρίξουν μεταδόσεις πολυμέσων υψηλής ποιότητας και ειδικότερα μεταδόσεις βίντεο. Στα πλαίσια της εργασίας αναπτύσσεται και παρουσιάζεται ένας διαστρωματικός μηχανισμός για αποδοτική μετάδοση βίντεο πάνω σε ασύρματα Ad Hoc δίκτυα οχημάτων (VANETs). Ο μηχανισμός αυτός αποτελείται από έναν αλγόριθμο χρονοπρογραμματισμού και ανάθεσης προτεραιότητας στο επίπεδο δικτύου. Ακόμα προτείνεται και αξιολογείται η χρήση του προτύπου IEEE 802.11e στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων. Ο αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμού και ανάθεσης προτεραιότητας στοχεύει στο να αξιοποιεί την πληροφορία που αφορά στον τύπο των πλαισίων των MPEG-4 βίντεο, με στόχο να παρέχει διαφορετικές προτεραιότητες ανάλογα με τη σημαντικότητα του κάθε πλαισίου. Στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων το πρωτόκολλο IEEE 802.11e προτείνεται να αναθέτει τη μέγιστη προτεραιότητα στα πακέτα βίντεο με στόχο την καλύτερη εξυπηρέτηση των εφαρμογών μετάδοσης πολυμέσων. Αυτή η επιλογή γίνεται για τη μείωση της καθυστέρησης και της απώλειας πακέτων εξαιτίας της κίνησης ανταγωνιστικών δεδομένων. Ο σχεδιασμός που παρουσιάζεται είναι εύκολα ενσωματώσιμος σε κάθε ασύρματο Ad Hoc δίκτυο, σαν επέκταση του δημοφιλούς πρωτοκόλλου δρομολόγησης AODV. Οι εφαρμογές μετάδοσης πολυμέσων συνήθως χρησιμοποιούν το UDP ως πρωτόκολλο μεταφοράς. Με αυτή την επιλογή αποφεύγονται οι καθυστερήσεις που προκαλούνται από αναμεταδόσεις πακέτων και από τους μηχανισμούς ελέγχου συμφόρησης του TCP, αλλά δημιουργούνται δυο σημαντικά προβλήματα. Το πρώτο πρόβλημα έχει να κάνει με τους πιθανούς περιορισμούς εύρους ζώνης με αποτέλεσμα τα πακέτα πολυμέσων να μην ελέγχονται από μηχανισμούς ελέγχου ροής και συμφόρησης, οδηγώντας σε αυξημένη απώλεια πακέτων. Το δεύτερο πρόβλημα είναι σχετικό με τη φιλικότητα προς το TCP πρωτόκολλο. Κάτω υπό ορισμένες συνθήκες, η μετάδοση πακέτων χωρίς κάποιον ελεγκτικό μηχανισμό μπορεί να οδηγήσει σε μια κατάσταση στην οποία οι εφαρμογές του δικτύου που χρησιμοποιούν το TCP να μην εξυπηρετούνται. Στα πλαίσια της εργασίας προτείνονται διαστρωματικές τεχνικές και μηχανισμοί που στοχεύουν στη βελτίωση της μετάδοσης βίντεο, μέσω του πρωτοκόλλου TFRC το οποίο είναι φιλικό ως προς την συνυπάρχουσα TCP κίνηση. Ο σχεδιασμός περιλαμβάνει μηχανισμούς που δίνουν προτεραιότητα στα πακέτα βίντεο, ενώ παράλληλα αξιοποιούνται πληροφορίες από τα κατώτερα επίπεδα του μοντέλου OSI. Συγκεκριμένα, αξιοποιούνται πληροφορίες που συλλέγονται από το στρώμα ζεύξης δεδομένων οι οποίες αφορούν την ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος. Ο προτεινόμενος μηχανισμός χρησιμοποιεί τις μετρήσεις της ενέργειας σήματος ως προς τον θόρυβο του καναλιού (SNR) σε όλο το μήκος ενός μονοπατιού, προκειμένου να βελτιώσει την αποδοτικότητα του πρωτοκόλλου δρομολόγησης AODV και συγκεκριμένα τη διαδικασία ανακατασκευής μονοπατιών. Η αξιολόγηση που προτείνεται είναι με εξομοιώσεις στον εξομοιωτή δικτύων ns-2. Συμπερασματικά, στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων μέσω διαφόρων πρωτοκόλλων δρομολόγησης σε συνθήκες αστικού περιβάλλοντος. Επίσης, στόχος είναι η μελέτη και η ανάπτυξη διαστρωματικών μηχανισμών προσαρμοστικής μετάδοσης και η πιθανή βελτίωση ή παραμετροποίηση υπαρχόντων μηχανισμών για την αποδοτικότερη μετάδοση πάνω από τα ασύρματα κινητά Ad Hoc δίκτυα. Ο κεντρικός άξονας στην ανάπτυξη αυτών των μηχανισμών στηρίζεται στην παροχή προτεραιότητας στα πακέτα που περιέχουν δεδομένα πολυμέσων, στην ενίσχυση των μηχανισμών ελέγχου ροής και συμφόρησης και στη βελτίωση των πρωτοκόλλων δρομολόγησης αξιοποιώντας στοιχεία του φυσικού δικτύου, με απώτερο στόχο τη βελτίωση της απόδοσης της μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων. / Mobile ad hoc networks (MANETs) are becoming more essential to wireless commu- nications due to growing popularity of mobile devices. The integration of mobile ad hoc devices inside vehicles has led to another type of networks, called Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) which are also becoming important. These networks require specialized routing protocols due to their ad hoc nature. The performance of these pro- tocols has been tested for the case of general traffic but not in respect with to multimedia traffic and especially video transmission. In this work we conduct a number of simulations in order to evaluate the performance of three of the most popular routing protocols for MANETs and VANETs, namely AODV, DSR and OLSR, for different number of simultaneous video transmissions. We use the packet delivery ratio, the end-to-end delay, the packet delay variation (jit- ter) and the routing overhead as evaluation metrics. The results indicate that the DSR protocol outperforms AODV and OLSR in terms of end-to-end delay and packet delay variation and seems to be the most efficient routing protocol when multimedia traffic and especially video traffic is considered. Moreover, we present a cross-layer mechanism for efficient video transmission over this type of networks. The proposed mechanism consists of a priority-scheduling algorithm, at the network layer, and the use of the IEEE 802.11e standard at the MAC layer. The priority-scheduling algorithm takes into account the frame type of the MPEG-4 video file in order to provide different priorities to the most important video packets. At the MAC layer, the IEEE 802.11e protocol assigns the highest priority to video applications to reduce delay and packets losses due to other competing traffic. This design is easily implemented in any ad hoc wireless network as an extension on the AODV MANET routing protocol. Simulation results conducted with the network simulator ns-2 show the advantages of the proposed design. Finally, we propose a cross-layer design that aims to improve the performance of video transmission using TCP Friendly Rate Control (TFRC). Our design provides priority to video packets and exploits information from the MAC layer in order to improve TFRC’s performance. The proposed cross-layer mechanism utilizes Signal to Noise Ratio (SNR) measurements along the routing path, in order to make the route recon- struction procedure more efficient. Simulation results show that both the use of traffic categorization and the SNR utilization lead to important improvements of video trans- mission over the mobile Ad hoc network. More specifically, simulations indicate in- creased average Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) for the received video, increased throughput and packet delivery ration, as well as reduced average end-to-end delay.

Η παρούσα διατριβή κινείται στο χώρο των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων και έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και τη σύνθεση μηχανισμών που βελτιώνουν τη λειτουργία τους. Ο όρος Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα αναφέρεται στα συστήματα των οποίων τα δομικά στοιχεία συνδέονται μέσω ασύρματων δικτύων, με την έμφαση να δίνεται στα αυτό-οργανωμένα δίκτυα και στα δίκτυα αισθητήρων. Η βελτιστοποίηση και ο έλεγχος ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος γίνεται με γνώμονα την Ποιότητα των παρεχόμενων Υπηρεσιών του δικτύου, η οποία χρησιμοποιείται ως μέτρο αξιολόγησης και επαναπροσδιορισμού των παραμέτρων λειτουργίας αυτού. Προσεγγίζοντας το θέμα από την οπτική γωνία του δικτύου, οι μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων, αποστασιοποιούνται από την ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων για τα διάφορα επίπεδα του μοντέλου αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων. Για τον λόγο αυτό, αναφορικά με το μοντέλο αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων, το ζήτημα της βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων προσεγγίζεται από τα ακραία επίπεδα της στοίβας πρωτοκόλλων, και συγκεκριμένα από την οπτική γωνία του Επιπέδου Εφαρμογής και του Φυσικού Επιπέδου. Στο Επίπεδο Εφαρμογής το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην διασφάλιση των περιθωρίων ευστάθειας για τα Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα Ελέγχου. Η διασφάλιση της ομαλής λειτουργίας του συστήματος κλειστού βρόχου βασίζεται σε διακοπτικές δομές ελέγχου, των οποίων οι παράμετροι λειτουργίας καθορίζονται από την Ποιότητα Υπηρεσίας του δικτύου, και συγκεκριμένα από το ποσοστό των επιτυχώς ληφθέντων πακέτων. Στο Φυσικό Επίπεδο εξετάζεται αρχικά το πρόβλημα αποκατάστασης της συνδεσιμότητας μεταξύ των μελών ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος και στην συνέχεια το πρόβλημα επαναπροσδιορισμού της ποιότητας των ασύρματων ζεύξεων. Οι κεντρικοποιημένοι και κατανεμημένοι μηχανισμοί που αναπτύσσονται για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της Ποιότητας Υπηρεσίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων στο Φυσικό Επίπεδο βασίζονται σε εργαλεία της Υπολογιστικής Γεωμετρίας, συνδυάζοντας τα χωρικά χαρακτηριστικά ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος με δημοφιλή μοντέλα διάδοσης μεγάλης κλίμακας. Τέλος, η αξιολόγηση των μεθόδων ελέγχου και βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων πραγματοποιείται με την εφαρμογή τους σε κατάλληλες πειραματικές διατάξεις και σε ένα καθορισμένο σύνολο σεναρίων εξομοίωσης. / The primary objective of the present PhD thesis is the analysis and the synthesis of mechanisms and algorithms that optimize the operation of Wireless Networked Systems. The term Wireless Networked Systems is used to describe the distributed systems, whose components are interconnected over wireless networks. Referring to wireless networking, the emphasis is given at the self-organized Ad-hoc and Sensor Networks. The effort made is focused on the reconfiguration of the Quality of Service of the underlying network. From such a perspective, the mechanisms responsible for improving the Quality of Service differentiate from the design of novel, specialized communication protocols. More specifically, with respect to the Open Systems Interconnection Reference Model (OSI-RM), the optimization issues of the Wireless Networked Systems’ operation are examined at the Application and Physical Layer. At the Application Layer, problems related to the guarantee of the stability margins for Wireless Networked Controlled Systems are studied. More precisely, the assurance of the desired performance for the closed-loop controlled system is based on switching control techniques. The optimization decision variables are determined by the network’s Quality of Service parameters. At the Physical Layer the objective is twofold: (a) to establish the physical connectivity among the members of the Wireless Networked System and (b) to optimize of the wireless link’s quality. Based on the combination of the spatial characteristics of the Wireless Networked Systems with large-scale radio propagation models, the centralized and distributed mechanisms, synthesized for the optimization of the network’s Quality of Service at the Physical Layer, exploit effectively concepts adopted by the Computational Geometry. Finally, properly developed experimental testbeds and network simulation scenaria are utilized to examine the efficiency of the synthesized mechanisms for the control and optimization of the operation of Wireless Networked Systems at the Application and Physical Layer.

Οι τελευταίες εξελίξεις στα πεδία της ασύρματης μετάδοσης ενέργειας και των υλικών μπαταρίας προσφέρουν καινούριες δυνατότητες για τη διαχείριση της διαθέσιμης ενέργειας στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. Στο πρώτο πεδίο, έχει αποδειχθεί ότι, μέσω ισχυρά συζευγμένων μαγνητικών συντονισμών, η αποδοτικότητα μεταφοράς 60 watts ισχύος σε απόσταση δύο μέτρων φτάνει το 40% και σε απόσταση ενός μέτρου φτάνει το 75%. Επίσης, εμπορικά προϊόντα που κάνουν χρήση αυτής της τεχνολογίας, ήδη κυκλοφορούν στην αγορά. Στο δεύτερο πεδίο, πραγματοποιήθηκε πρόσφατα άκρως ταχεία φόρτιση με μπαταρίες LiFePO4, επιτρέποντας πλήρη φόρτιση σε μερικά μόνο δευτερόλεπτα. Αυτές οι τεχνολογικές εξελίξεις ανοίγουν το δρόμο προς ένα νέο παράδειγμα για τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, τα Ασύρματα Επαναφορτιζόμενα Δίκτυα Αισθητήρων, τα οποία αποτελούνται από κόμβους αίσθησης (στάσιμους ή κινητούς) και έναν ή περισσότερους κινητούς κόμβους με υψηλό απόθεμα ενέργειας. Οι τελευταίοι, χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες τεχνολογίες, επιτυγχάνουν γρήγορη ασύρματη φόρτιση των κόμβων αίσθησης. Με αυτόν τον τρόπο, μας δίνεται η δυνατότητα διαχείρισης του πολύ περιορισμένου πόρου της ενέργειας στο δίκτυο, με περισσότερη λεπτομέρεια και αποδοτικότητα. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι, από την προοπτική των κόμβων αίσθησης, η διαχείριση της ενέργειας μπορεί να πραγματοποιηθεί παθητικά και χωρίς την υπολογιστική και επικοινωνιακή επιβάρυνση που εισάγουν σύνθετοι αλγόριθμοι διαχείρισης ενέργειας. Επίσης, η διαδικασία φόρτισης μπορεί να πραγματοποιηθεί με πρωτόκολλα τα οποία μελετώνται και σχεδιάζονται ανεξάρτητα από το υποκείμενο πρωτόκολλο δρομολόγησης που χρησιμοποιείται για την μετάδοση των δεδομένων. Το πρόβλημα. Έστω ένα Ασύρματα Επαναφορτιζόμενο Δίκτυο Αισθητήρων στο οποίο οι κόμβοι αίσθησης μεταδίδουν δεδομένα σε ένα κέντρο ελέγχου χρησιμοποιώντας ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης και ο κινητός κόμβος φόρτισης, με απόθεμα ενέργειας σημαντικά μεγαλύτερο από έναν κόμβο αίσθησης, είναι ικανός να αναπληρώνει ασύρματα την ενέργεια των κόμβων αίσθησης. Το πρόβλημα που εξετάζουμε είναι η εύρεση της καλύτερης διαμόρφωσης του κινητού κόμβου φόρτισης, με σκοπό τη βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητας του δικτύου και της παράτασης της διάρκειας ζωής των κόμβων. Η συνεισφορά μας. Αν και έχουν γίνει ήδη σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες για την ενεργειακά αποδοτική δρομολόγηση του κινητού κόμβου αίσθησης, οι περισσότερες προτεινόμενες λύσεις στη βιβλιογραφία μέχρι στιγμής υποθέτουν ολική γνώση επάνω στο δίκτυο. Αντιθέτως, οι λύσεις που παρέχουμε είναι πλήρως κατανεμημένες και προσαρμοστικές, και βασίζονται σε τοπική δικτυακή πληροφορία. Επίσης, τα πρωτόκολλά μας για τον κινητό κόμβο αίσθησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με κάθε πρωτόκολλο δρομολόγησης και προσαρμόζονται στην κατανομή των κόμβων αίσθησης στο επίπεδο. Τέλος αναγνωρίζουμε και σχεδιάζουμε σημαντικές παραμέτρους της διαδικασίας φόρτισης, όπως i) το ποσό της συνολικής αρχικής ενέργειας του δικτύου που δεσμεύει ο κινητός κόμβος φόρτισης, ii) το επίπεδο στο οποίο πρέπει να αναπληρώνεται η ενέργεια του κάθε κόμβου αίσθησης, iii) ποιες τροχιές πρέπει να ακολουθεί ο κινητός κόμβος φόρτισης ώστε να φορτίσει τους κόμβους αίσθησης. / Recent advances in the fields of wireless energy transmission and batteries material offer new possibilities for managing the available energy in WSNs. In the first field, the technology of highly efficient wireless energy transmission was proposed for efficient, non-radiative energy transmission over mid-range. It has been shown that through strongly coupled magnetic resonances, the efficiency of transferring 60 watts of power over a distance in excess of 2 meters is as high as 40%. Industry research also demonstrated that it is possible to improve transferring 60 watts of power over a distance of up to one meter with efficiency of 75%. At present, commercial products utilizing wireless energy transmission have been available on the market. In the second field, ultra-fast charging was recently realized in LiFePO4 by creating a fast ion-conducting surface phase through controlled off-stoichiometry. These technologies lead the way towards a new paradigm for wireless sensor networks; the Wireless Rechargeable Sensor Networks (WRSNs), which consist of sensor nodes that may be either stationary or mobile, as well as few mobile nodes with high energy supplies. The latter, by using wireless energy transmission technologies are capable of fast charging sensor nodes. This way, the highly constrained resource of energy can be managed in great detail and more efficiently. Another important aspect is the fact that energy management in WRSNs can be performed passively from the perspective of sensor nodes and without the computational and communicational overhead introduced by complex energy management algorithms. Finally, WRSNs allow energy management to be studied and designed independently of the underlying routing protocol used for data propagation. The Problem. Let a Wireless Rechargeable Sensor Network consisting of a set of stationary sensor nodes and a special mobile node called Mobile Charger. The sensor nodes are deployed uniformly at random over a network area and propagate data to a Sink using a routing protocol. The Mobile Charger has finite energy supplies, that are significantly greater than those of a single sensor node, and is capable of charging the sensors. The problem we study is identifying best possible configuration of the Mobile Charger in order to improve energy efficiency and to prolong the lifetime of the network. Our Contribution. While considerable research efforts have been invested into energy efficient scheduling of the Mobile Charger, proposed solutions in the literature so far require a global knowledge of the state of the network. On the contrary, the solutions proposed in this work are fully distributed and adaptive, and rely solely on local information. Furthermore, our proposed algorithm for the Mobile Charger can be used in combination with any underlying routing protocol and adapts on the distribution of sensors in the network area. We identify and investigate the following trade-offs: i) how the total available energy of the network should be split between sensor nodes and the Mobile Charger ii) given that the energy the charger may deliver to the nodes is finite, whether each sensor will be fully or partially charged and iii) what is the trajectory the Mobile Charger should follow in order to charge the sensor nodes.

Στην εν λόγω εργασία, έγινε μια προσπάθεια καταγραφής του τεχνολογικού τοπίου της τηλεπικοινωνιακής αγοράς, με έμφαση την διαλειτουργικότητα μεταξύ των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και των Ασύρματων Δικτύων Δεδομένων και των σχετικών αλλαγών που έχει επιφέρει αυτή η διαλειτουργικότητα, τόσο στις παρεχόμενες υπηρεσίες, όσο και στα εφαρμοζόμενα επιχειρηματικά μοντέλα από πλευράς εταιρειών της συγκεκριμένης αγοράς. Στα πλαίσια αυτής της προσπάθειας, χρειάστηκε να πραγματοποιηθεί μια λεπτομερής καταγραφή των τεχνολογικών εξελίξεων, σε επίπεδο τεχνικών προδιαγραφών και προτύπων, στις παραπάνω δύο κατηγορίες δικτύων, ώστε να καταλήξουμε σε εκείνα τα πρότυπα που πλέον μπορούν να οδηγήσουν στην υλοποίηση δικτύων τα οποία θα χαρακτηρίζονται από τα παρακάτω: • θα είναι ενοποιημένα ώστε οι διαφορετικές τεχνολογικές πλατφόρμες των εταιρειών να λειτουργούν απρόσκοπτα, • θα χαρακτηρίζονται από χαμηλό κόστος, • ο τελικός χρήστης θα μπορεί να είναι συνεχώς συνδεδεμένος με κάποιο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης και να απολαμβάνει τις υπηρεσίες που επιθυμεί, οποτεδήποτε και οπουδήποτε. Η δομή της διπλωματικής εργασίας ακολουθεί τον προαναφερθέντα τρόπο σκέψης. Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του στόχου σε επίπεδο τεχνολογιών αλλά και υπηρεσιών, δηλαδή των αναμενόμενων αποτελεσμάτων αυτών των δικτύων νέας γενιάς, στα οποία έχουμε συνηθίσει να αναφερόμαστε ως δίκτυα 4G (4th Generation) ή δίκτυα B3G (Beyond 3G) ή τέλος ως All – IP ασύρματα δίκτυα. Στο 2ο Κεφάλαιο, γίνεται μια λεπτομερής παρουσίαση των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας από τις πρώτες τους εκδοχές (1G) έως τις πλέον σύγχρονες (3.5G) που έχουν εμφανιστεί μέχρι σήμερα. Αναλύονται τόσο οι γενιές των δικτύων όσο και τα χρησιμοποιούμενα πρότυπα, σε επίπεδο αρχιτεκτονικής όσο και σε επίπεδο πρωτοκόλλων. Στη συνέχεια του κεφαλαίου υπάρχει η τεχνική περιγραφή των επικρατέστερων δικτύων κινητής τηλεφωνίας, σήμερα, δηλαδή των GSM, GPRS και UMTS, ενώ στο τέλος του κεφαλαίου υπάρχει μια σύντομη περιγραφή της διαδικασίας intersystem handover μεταξύ των GSM και UMTS. Στο 3ο Κεφάλαιο, περνάμε πλέον στα Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων. Γίνεται μια εκτενής περιγραφή των προτύπων που έχουν καθοριστεί και συγκεκριμένα στα πρότυπα IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) με κυριότερους εκφραστές τα δίκτυα βασιζόμενα σε Bluetooth και IrDA, το πρότυπο IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) με σημαντικότερος εκπροσώπους τα WiFi και HyperLan/2, το πρότυπο IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) ή αλλιώς γνωστότερο ως WiMAX και τέλος το πρότυπο IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) ή διαφορετικά Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) το οποίο είναι υπό διερεύνηση ακόμα και φιλοδοξεί να αποτελέσει το ασύρματο ανάλογο της τεχνολογίας xDSL, καθώς θα προσφέρει ασύρματες ευρυζωνικές υπηρεσίες. Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται μεθοδολογίες υλοποίησης του integration μεταξύ δικτύων των δύο κατηγοριών και συγκεκριμένα παραδείγματα διαλειτουργικότητας, όπως μεταξύ GPRS ή UMTS και WLANs ή μεταξύ UMTS και WiMAX. Γίνεται εκτενής συζήτηση γύρω από τα προβλήματα που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν, όπως η εξασφάλιση ανεκτού επιπέδου QoS, οι μηχανισμοί για handover μεταξύ των δικτύων, η διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών και των τερματικών και δίνονται παραδείγματα δημιουργίας ενοποιημένων δικτύων, τόσο με τη τεχνική της χαλαρής όσο και με την τεχνική της ισχυρής ζεύξης. Στο τελευταίο τμήμα του Κεφαλαίου, γίνεται μια εκτενής αναφορά στις αρχιτεκτονικές διασύνδεσης ετερογενών δικτύων με IP δίκτυα κορμού, τα γνωστά All – IP networks. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στους μηχανισμούς πραγματοποίησης των handovers βάσει πολιτικών (policy based) και η χρήση τεχνικών για micromobility και macromobility σε σχέση με την κινητικότητα των τερματικών. Το 5ο Κεφάλαιο αφορά τις εφαρμογές και υλοποιήσεις ασυρμάτων δικτύων δεδομένων στον Ελληνικό χώρο, στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Κοινωνία της Πληροφορίας» και πιο συγκεκριμένα τα «Εξοπλισμός και δικτύωση σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης», «Ασύρματα Ευρυζωνικά Δίκτυα ΟΤΑ»και «Μητροπολιτικά Ευρυζωνικά Δίκτυα Οπτικών Ινών ΟΤΑ» και ουσιαστικά αποτελούν παραδείγματα και υλοποιήσεις διασύνδεσης WiFi, WiMAX και IP backbone δικτύων όπως το ΣΥΖΕΥΞΙΣ με δυνατότητες για παροχή VoIP. / In this thesis, an effort of presenting the technological landscape of the telecommunication market takes place, with focus on the interoperability between the Mobile Telephony Networks and the Wireless Data Networks and the relative changes that have evolved through this interoperability, both regarding the provided services and the applied business models by the enterprises of the specific market. Within the frames of this effort, a detailed recording of technological developments is realised, in terms of technical specifications and standards, in the two aforementioned categories of networks, so as to conclude to those standards that are utilized by the next generation networks (4G) which will be: • Networks that will be unified so as the different technological platforms will function smoothly. • Networks that will be characterized by low cost of deployment. • The end user will be continuously connected with a wireless access network, enjoying the preferred services anywhere and anytime. The master thesis structure follows the aforementioned methodology. The 1st Chapter includes a short presentation of expected results, both in terms of technologies and services for next generation networks, which we usually refer to as 4G networks (4th Generation) or B3G networks (Beyond 3G) or finally as All - IP wireless networks (AIPN). In the 2nd Chapter, a detailed presentation of Mobile Telephony Networks takes place, from their first versions (1G) until the most modern (3.5G) that have been presented up to today. The analysis includes both the various generations of networks and the used standards, in terms of modulation and multiplexing techniques. The rest of the chapter focuses on the technical description of the prevailing networks, GSM, GPRS and UMTS, while the chapter ends with a short description of intersystem handover processes between GSM and UMTS. Τhe 3rd Chapter, includes an extensive description of the Wireless Data Networks standards such as: IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) with main representatives networks based on Bluetooth and IrDA, standard IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) mainly represented by WiFi and HyperLan/2, IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) standard, widely known as WiMax and finally the IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) standard, namely Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) that is still under development and aspires to constitutes the wireless version of the xDSL technology, since it aims to provide wireless broadband services. In the 4th Chapter methodologies for integrating the two types of networks, are presented along with examples of interoperability between GPRS / UMTS and WLANs or between UMTS and WiMAX. Extensive discussion around the problems that should be faced, as the guarantee of bearable QoS level, the mechanisms for handover between the networks and the management of mobility of users and terminals, is held. Moreover, examples of integrated networks with both loose and tight coupling methodologies are presented. The last section of the chapter concerns a detailed description of architectures for interconnecting heterogeneous wireless networks over IP – based backhaul networks, namely All – IP networks, with special focus on policy based handover mechanisms and techniques for managing micromobility and macromobility issues. The 5th Chapter concerns the changes taking place in the telecommunications market deriving from the technological progress in the subject of heterogeneous wireless networks interconnection. New service packets are created, as a result of new business plans that are drawn up by the big telecommunications organizations. Finally, we present the developments in the Greek market and subsidised projects from Information Society AE, via which wireless networks have been materialised, with aim to promote Broadband Services.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται µία µελέτη τυπωµένων κεραιών γεωµετρίας φράκταλ για ασύρµατες τερµατικές συσκευές, µε έµφαση στις εφαρµογές των κινητών επικοινωνιών και των ασύρµατων τοπικών δικτύων. Η ραγδαία εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών είχε ως αποτέλεσµα την σηµαντική µείωση των διαστάσεων των τερµατικών συσκευών, την ολοκλήρωση διαφορετικών υπηρεσιών διαφορετικών συχνοτήτων λειτουργίας στην ίδια συσκευή και την ανάγκη πολλαπλών κεραιών για την αντιµετώπιση του φαινοµένου της διάλειψης και της διασυµβολικής παρεµβολής του ασύρµατου καναλιού. Αυτές οι εξελίξεις έθεσαν καινούργιες απαιτήσεις στην σχεδίαση της κεραίας οδηγώντας στην ανάγκη κεραιών εξαιρετικά µικρών διαστάσεων, πολυσυχνοτικών, χαµηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και επιθυµητών χαρακτηριστικών ακτινοβολίας κατά περίπτωση. Στα πλαίσια της διατριβής διερευνήθηκε η ικανότητα σµίκρυνσης και παραγωγής πολυσυχνοτικής συµπεριφοράς που παρουσιάζουν τα σχήµατα γεωµετρίας φράκταλ αν χρησιµοποιηθούν σαν κεραίες. Αρχικά προτείνεται µία καινούργια κατηγορία κεραιών, οι τυπωµένες µονοπολικές κεραίες γεωµετρίας φράκταλ και συγκρίνονται διάφορες γεωµετρίες φράκταλ τόσο ως προς την ικανότητα σµίκρυνσης όσο και ως προς τα χαρακτηριστικά εµπέδησης και ακτινοβολίας που παρουσιάζουν. Εξετάζεται ο καθοριστικός ρόλος του επιπέδου γείωσης αυτής της κατηγορίας κεραιών και εξάγονται γενικά συµπεράσµατα για την εκµετάλλευσή του µε τον βέλτιστο δυνατό τρόπο. Επιπλέον διερευνήθηκε η χρήση των σχηµάτων φράκταλ για την µείωση των διαστάσεων των µικροταινιακών κεραιών. Η φράκταλ ορθογώνια καµπύλη προτείνεται για εφαρµογές γραµµικής και κυκλικής πόλωσης, η οποία παρουσιάζει σηµαντική ικανότητα σµίκρυνσης και προσφέρει πολλούς σχεδιαστικούς βαθµούς ελευθερίας που µπορούν να χρησιµοποιηθούν είτε για περαιτέρω µείωση του µεγέθους της είτε για την διατήρηση του εύρους ζώνης της σε ικανοποιητικά επίπεδα. Λόγω του συµπαγούς σχήµατος και των επιθυµητών χαρακτηριστικών των τυπωµένων µονοπολικών και µικροταινιακών κεραιών φράκταλ, µελετάται περαιτέρω η χρησιµοποίησή τους για την υλοποίηση συστηµάτων πολλαπλών κεραιών µε σκοπό την βελτίωση της ποιότητας του λαµβανοµένου σήµατος. Ακόµη µελετάται η ικανότητα παραγωγής πολυσυχνοτικής συµπεριφοράς της µονοπολικής κεραίας Sierpinski και προτείνεται µία τροποποίηση η οποία µειώνει σηµαντικά το µέγεθος της κεραίας και καθίσταται δυνατόν να τυπωθεί σε ασύρµατες συσκευές µικρού µεγέθους. Επιπλέον, διερευνώνται διάφορες τεχνικές για να ελεγχθούν οι συχνότητες συντονισµού της κεραίας και να συµπέσουν µε τις εκάστοτε επιθυµητές µπάντες λειτουργίας. Τέλος εξετάζεται η επίδραση των διαστάσεων του επιπέδου γείωσης στα χαρακτηριστικά εµπέδησης του συστήµατος. / This Ph.D. thesis presents a comprehensive study on printed fractal antennas for wireless terminal devices, with emphasis on mobile and wireless local area network applications. The rapid evolution of wireless communications resulted in a decrease of terminal devices’ dimensions, in the integration of different services, operating in different spectra, in the same device and finally in the deployment of multiple antenna systems to mitigate the phenomena of fading and intersymbol interference of wireless channel. These evolutions, in turn, set new demands on antenna’s design leading to the necessity of exceptionally small, multiband and low cost radiators possessing high efficiency and desirable radiation characteristics. In the context of the present work, the miniaturization and multiband ability of fractal shaped antennas is examined. Initially a new antenna type is proposed, that of printed fractal monopole antennas, and several innovative fractal shaped monopoles are compared with respect to their miniaturization ability, input impedance and radiation characteristics. The important role of the ground plane is also investigated and general conclusions are drawn to exploit its effects in the most appropriate way. The application of fractals on microstrip antennas was further studied with the fractal rectangular curve (frc) microstrip antenna being proposed for linear and circular polarization applications. The frc microstrip antenna proved to possess a noticeable miniaturization ability and a geometry with several degrees of freedom that can be used either to reduce further its size, or to keep the bandwidth to a satisfactory level. Due to the compact size and desirable electrical characteristics of printed monopole and microstrip fractal antennas, they were further considered for the implementation of multi element antenna systems in order to improve the SNR of the received signal. Finally, the multiband ability of the Sierpinski monopole antenna is investigated and a modification is proposed to decrease the overall antenna height making it feasible to be printed in small terminal devices. Several techniques to allocate the desirable bands of interest are also discussed along with the effect the ground plane dimension’s on the system’s input impedance.

Στην παρούσα εργασία περιγράφεται μια νέα προσέγγιση στο πρόβλημα του εντοπισμού θέσης πολλαπλών πηγών στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Ο αλγόριθμος που προτείνεται βασίζεται σε μια εναλλακτική ερμηνεία της πληροφορίας που παρέχεται από το δίκτυο (υπό τη μορφή της λαμβανόμενης ισχύος του σήματος από κάθε κόμβο- αισθητήρα). Στα πλαίσια της εργασίας διεξάχθηκαν εκτενή πειράματα για την αξιολόγηση της μεθόδου όσον αφορά στην απόδοση, συναρτήσει διαφόρων παραμέτρων του προβλήματος. / This work describes a new approach to the energy-based multiple source localization problem in wireless sensor networks. The algorithm that is proposed in the present work is based on a alternative interpretation of the information that is provided by the network (under the form of received signal strength in each sensor-node). Extensive simulations have been conducted to characterize the performance of this method under various parameters.

Η διαμόρφωση με πολύπλεξη συχνότητας ορθογωνίων φερουσών (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) είναι μια μέθοδος η οποία εξασφαλίζει άριστη αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους συχνοτήτων, ενώ παράλληλα παρέχει τα πλεονεκτήματα της μετάδοσης μέσω πολλαπλών φερουσών (multicarrier transmission). Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό της είναι ότι επιτρέπει τη μετάδοση μέσω επιλεκτικών στη συχνότητα καναλιών χρησιμοποιώντας απλές διαδικασίες ισοστάθμισης. Το χαρακτηριστικό αυτό συνέβαλε στην εδραίωσή της ως μία από τις επικρατέστερες μεθόδους διαμόρφωσης για την υψηλού ρυθμού μετάδοση δεδομένων μέσω ασύρματων μέσων. Το αντικείμενο της εργασίας είναι η μελέτη αλγορίθμων και αρχιτεκτονικών για το συγχρονισμό σε ασύρματους τηλεπικοινωνιακούς δέκτες που στηρίζονται στη διαμόρφωση OFDM. Ο συγχρονισμός είναι μία διαδικασία η οποία αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο για οποιοδήποτε τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Ιδιαίτερα όμως για δέκτες OFDM, έχει εντοπιστεί ως ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση. Το πρόβλημα παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον, καθώς η φύση της διαμόρφωσης καθιστά απαγορευτική την εφαρμογή πολλών από τις μεθόδους που έχουν αναπτυχθεί για συστήματα μετάδοσης με μονή φέρουσα, ενώ παράλληλα θέτει νέες παραμέτρους στο πρόβλημα. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε κατά την εκπόνηση της εργασίας περιλάμβανε σε πρώτη φάση τη μελέτη αλγοριθμικών λύσεων που έχουν προταθεί κατά καιρούς για το συγχρονισμό. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε σε βασικές τεχνικές με ευρεία εφαρμοσιμότητα ενώ ο στόχος της ανάλυσης ήταν να γίνουν κατανοητές με διαισθητικό τρόπο, στοιχειώδεις ιδέες οι οποίες χρησιμοποιούνται κατά κόρον για την επίλυση του προβλήματος του συγχρονισμού. Κατά τη δεύτερη φάση έγινε μια μελέτη γύρω από τις λεπτομέρειες που σχετίζονται με την υλοποίηση ορισμένων από τους αλγορίθμους συγχρονισμού σε επίπεδο αρχιτεκτονικής VLSI. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε σε μια αρχιτεκτονική μέσω της οποίας μπορεί να επιτευχθεί τυφλός συγχρονισμός για έναν ασύρματο δέκτη OFDM. Κατά την ανάλυση χρησιμοποιήθηκε ως βάση ένα αρκετά γενικό μοντέλο συστήματος OFDM βασικής ζώνης. Για την αξιολόγηση της αρχιτεκτονικής εκτελέστηκε ένα εκτενές σύνολο πειραμάτων, το οποίο είχε ως στόχο τον προσδιορισμό και την ποσοτικοποίηση των επιδόσεων τόσο για τη μονάδα συγχρονισμού, όσο και για το συνολικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Από τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας προέκυψαν πολύ ενδιαφέροντα συμπεράσματα για την ευαισθησία της τεχνικής OFDM σε σφάλματα συγχρονισμού καθώς επίσης και για την πολυπλοκότητα υλοποίησης της μονάδας συγχρονισμού. / The summary is not available.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται το πρόβλημα του διαμοιρασμού των διαθέσιμων πόρων ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνίας στους χρήστες μέσα στην περιοχή μιας κυψέλης. Γίνεται η υπόθεση ότι το ασύρματο σύστημα κάνει χρήση της τεχνικής πολλαπλής πρόσβασης (multiple–access technique) OFDMA, δηλαδή ότι χρησιμοποιεί έναν αριθμό ορθογώνιων υποφορέων τον οποίο αναθέτει στους χρήστες για τη μετάδοση της πληροφορίας. Η μελέτη εστιάζεται στην κάτω ζεύξη (downlink) του συστήματος OFDMA, δηλαδή στη μετάδοση δεδομένων από το σταθμός βάσης της κυψέλης στους χρήστες – δέκτες. Οι διαθέσιμοι πόροι του συστήματος είναι οι ορθογώνιοι υποφορείς και η συνολική διαθέσιμη ισχύς στο σταθμό βάσης. Θεωρούμε ότι ο σταθμός βάσης έχει στη διάθεσή του τέλεια γνώση του καναλιού που τον συνδέει με κάθε χρήστη (channel state information – CSI) μέσω καναλιών ανάδρασης. Η πληροφορία κατάστασης του καναλιού χρησιμοποιείται από τον σταθμό βάσης για την κατανομή των πόρων προς τους χρήστες με δυναμικό τρόπο με χρήση κατάλληλων αλγορίθμων. Εναλλακτικά, εάν ο πομπός δε διαθέτει αξιόπιστη πληροφορία σχετικά με την κατάσταση του καναλιού ή για απλοποίηση του σχεδιασμού η ανάθεση των πόρων μπορεί να πραγματοποιηθεί στατικά, δηλαδή γίνεται μόνιμη ανάθεση ενός συνόλου υποφορέων ανά χρήστη δίχως να λαμβάνεται υπόψη η CSI. Η ισχύς μπορεί να κατανεμηθεί στους υποφορείς είτε ισόποσα ή, βάσει της CSI, με χρήση του αλγορίθμου water–filling. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται διαφορετικά σενάρια κατανομής των πόρων που περιλαμβάνουν αλγορίθμους για την ανάθεση των υποφορέων και το διαμοιρασμό των κατάλληλων ποσοτήτων ισχύος στους υποφορείς. Ανάλογα με το στόχο και τις ανάγκες των χρηστών του συστήματος, καθώς και με το ποσό της διαθέσιμης πληροφορίας καναλιού στο σταθμό βάσης, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί αλγόριθμοι. Συγκεκριμένα, ο αλγόριθμος Maximum Sum Rate (MSR) επιδιώκει τη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης του συστήματος χωρίς, όμως, να ενδιαφέρεται για την πιθανότητα κάποιοι από τους χρήστες να υποεξηπηρετούνται. Αντιθέτως, ο αλγόριθμος μέγιστης δικαιοσύνης ή αλγόριθμος max–min (ΜΜ) έχει ως κύριο μέλημά του την όσο το δυνατόν καλύτερη εξυπηρέτηση όλων των πελατών στο σύστημα. Τέλος, οι στατικές στρατηγικές ανάθεσης, αν και υποδεέστερες όσον αφορά την επίδοση, είναι πιο απλές στην υλοποίησή τους και μπορούν να εφαρμοστούν σε περιπτώσεις όπου η CSI δεν είναι διαθέσιμη ή δεν είναι επαρκώς αξιόπιστη. / In this diploma thesis, the downlink of a single-cell system is considered in the downlink transmission. The multiple–access technique that is used in this system is OFDMA and the objective is the allocation of the resources among users that access the system. The available resources to be distributed among the users of the OFDMA system comprise the subcarriers over which the signals of the users are transmitted and the available power that is allocated among subcarriers. It is assumed that users estimate and feedback perfectly the channel state information (CSI) to the base station of the cell, where subcarrier and power allocation are determined according to the CSI of the users and the resource–allocation algorithm. Subcarrier assignment to each user can be implemented in a static or a dynamic fashion. When static subcarrier allocation is employed, the CSI is not taken into account, and a fixed set of subcarriers is assigned to each user. On the other hand, dynamic allocation uses CSI and results in improved achievable rates compared to static allocation. Regarding transmit power adaptation, it can be allocated to subcarriers either equally or, provided that the CSI is perfectly known to the transmitter (the base station), using the water–filling procedure. In this diploma thesis, different resource allocation strategies for the downlink of an OFDMA system are compared. Each algorithm has a different objective. For instance, the objective of the Maximum Sum Ratio (MSR) algorithm is to maximize the sum rate of all users on the system with no regard to underserved users. On the contrary, the Max–Min (MM) algorithm, also known as Maximum Fairness Algorithm, has a different philosophy. Specifically, the objective of MM is the better service of the underserved users allocating an amount of resources to them to provide the maximum possible fairness to all users. Despite the total sum rate penalty it experiences, the MM algorithm leads to improved fairness compared to MSR. Finally, although inferior to their dynamic counterparts, static resource allocation strategies are easier to implement and can be employed even in the absence of CSI.