Σήμερα η μελέτη των τεχνητών νευρωνικών δικτύων είναι ένα ώριμο επιστημονικό πεδίο. Τα πρώτα μοντέλα νευρωνικών δικτύων έκαναν την εμφάνιση τους την δεκαετία 1940 έως 1950, ξεκινώντας από το βασικό μοντέλο του νευρώνα του Mc Culloch-Pitls και τον πρώτο αλγόριθμο εκπαίδευσης ενός νευρώνα, τον γνωστό Perceptron του Frank Rosenblatt. Σήμερα υπάρχουν πληθώρα νευρωνικών μοντέλων που ακολουθούν διάφορα πρότυπα μάθησης όπως εκπαίδευση με εποπτεία (επίβλεψη) εκπαίδευση χωρίς εποπτεία κ.α. Η εργασία αυτή αποτελείται από 6 κεφάλαια ξεκινώντας από τις βασικές έννοιες των τεχνητών νευρωνικών δικτύων και συνεχίζοντας μέχρι την ανάλυση των ανατροφοδοτούμενων νευρωνικών δικτύων καθώς και την χρήση τους στον έλεγχο συστημάτων παρουσιάζοντας και διάφορες εφαρμογές τους. Στο πρώτο εισαγωγικό κεφάλαιο αναφέρουμε τις βασικές αρχές των τεχνητών νευρωνικών δικτύων και την αντιστοιχία τους με τον φυσικό νευρώνα του ανθρώπου. Παραθέτουμε επίσης μια σύντομη ιστορική αναδρομή Στην συνέχεια στο κεφάλαιο 2 ασχολούμαστε με τα ανατροφοδοτούμενα νευρωνικά δίκτυα. Δίνεται ένας ορισμός τον ανατροφοδοτούμενων νευρωνικών δικτύων (recurrent neural networks RNN) και αναφέρονται τα κυριότερα και δημοφιλέστερα είδη αυτών. Δίνοντας μια σύντομη ανάλυση της λειτουργίας τους. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την εκπαίδευση των νευρωνικών δικτύων και τους διάφορους αλγόριθμους εκπαίδευσης. Ξεκινώντας από τον αλγόριθμο εκπαίδευσης του πιο απλού νευρωνικού δικτύου του Perceptron και καταλήγοντας στον αλγόριθμο Back-Propagation. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στον έλεγχο συστημάτων και την χρήση των νευρωνικών και ανατροφοδοτούμενων νευρωνικών δικτύων σε αυτόν. Αναλύονται οι διάφορες μοντελοποιήσεις καθώς και οι δομές ελέγχου (υπό επίβλεψη , αντίστροφος έλεγχος, προσαρμοστικός γραμμικός έλεγχος κ.α.) Στα δύο τελευταία κεφάλαια παραθέτουμε ένα παράδειγμα χρήσης ενός απλού ανατροφοδοτούμενου νευρωνικού δικτύου (simple recurrent network SRN) στον έλεγχο και τέλος εφαρμογές των νευρωνικών δικτύων σε διάφορους τομείς. / -

This thesis is dealing with classifiers in Computer Aided Diagnosis in medical imaging. In particular, it focuses on artificial neural networks and feature selection methods. The specific goals of the thesis are: 1. Search for optimal topology of a feed-forward neural network (FFNN), dealing with four (4) medical imaging classification problems (Cytology, MRI, CT, and Mammography). 2. Study three (3) feature selection (dimensionality reduction) methods including PCA, stepwise analysis and t-test ranking for the FFNN topology defined in the previous step, for the four (4) medical imaging classification problems at hand. 3. Compare performance of the FFNN scheme to KNN, SVM, PNN and LDA classifiers, dealing with the above mentioned four (4) medical imaging classification problems. 10-fold cross validation estimation of generalization performance (generalization error) of the classification schemes was utilized. 4. Statistical significance of the results was validated utilizing ANOVA and Duncan’s test. To facilitate experimentation, a user-friendly application was developed (Chapter 3) that allows the user to find the best network topology on feature vectors, selected by various pre-processing techniques, and compared with other classifiers. The results of this are: 1. There is no statistical evidence that the different topology that is tested have any impact on classification performance of FFNN in any of the classification problem that this thesis is dealt off. 2. The stepwise method of dimensionality reduction (feature selection) is statistically significance better method than the other methods, except in the case of one dataset (Cytology) where there are no statistical significant differences. This is because of the inherent ability of stepwise method to select uncorrelated features unlike the other two methods (the datasets that the stepwise featured better performance had many highly correlated features). 3. There is no statistical significant better classifier in most cases, while neuronal classifier exhibits very good behaviour on all cases. For that reason, the selection of classifier does not seem to affect the classification problems at hand. Furthermore, the choice of classifier could be done based on other criteria than the classification performance, such as, the simplicity and plasticity, features that characterize the FFNN. / Το αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι οι ταξινομητές στα συστήματα υποβοηθούμενης διάγνωσης στην ιατρική απεικόνιση. Ειδικότερα, εστιάζει στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα καθώς και σε μεθόδους επιλογής χαρακτηριστικών. Οι στόχοι αυτής της εργασίας είναι: 1. Η αναζήτηση της βέλτιστης τοπολογίας ενός πρόσω κατευθυντικού νευρωνικού δικτύου, σε τέσσερα (4) προβλήματα ταξινόμησης ιατρικής απεικόνισης (κυτταρολογία, μαγνητική απεικόνιση, αξονική τομογραφία και μαστογραφία). 2. Η μελέτη τριών (3) μεθόδων επιλογής χαρακτηριστικών (μείωσης διαστάσεων) συμπεριλαμβανομένων της ανάλυσης κύριων συνιστωσών, της σταδιακής αναζήτησης και της κατάταξης κατά τ-τέστ για τα τέσσερα (4) προβλήματα ταξινόμησης που είχαμε στη διάθεσή μας. 3. Η σύγκριση της απόδοσης του πρόσω κατευθυντικού νευρωνικού δικτύου (FFNN) με τους KNN, SVM, PNN και LDA ταξινομητές, στα τέσσερα (4) προαναφερθέντα ιατρικά προβλήματα ταξινόμησης. Για την εκτίμηση της απόδοσης γενίκευσης (σφάλμα γενίκευσης) χρησιμοποιήθηκε η 10-πτυχη διασταυρούμενη επικύρωση. 4. Η στατιστική σημαντικότητα των αποτελεσμάτων ελέγχθηκε με τις δοκιμασίες της ανάλυσης της διακύμανσης κατά ένα παράγοντα (ANOVA) και της δοκιμασίας Duncan. Για την διευκόλυνση του πειραματικού μέρους αναπτύχθηκε μια φιλική στο χρήστη εφαρμογή που επιτρέπει την αναζήτηση της βέλτιστης τοπολογίας του νευρωνικού δικτύου για τα επιλεγμένα χαρακτηριστικά, και τις προεπιλεγμένες τεχνικές προ-επεξεργασίας, ενώ επιτρέπει και την σύγκριση του με άλλους ταξινομητές. Τα αποτελέσματα του πειραματικού μέρους αυτής της εργασίας είναι: 1. Δεν αποδεικνύεται στατιστικά ότι η τοπολογία του δικτύου έχει κάποια επίδραση στην απόδοση του στα τέσσερα αυτά προβλήματα που μελετήθηκαν. 2. Η μέθοδος σταδιακής αναζήτησης είναι στατιστικά καλύτερη μέθοδος για επιλογή χαρακτηριστικών (τη μείωση των διαστάσεων), εκτός από το ένα πρόβλημα που αφορούσε στην κυτταρολογία όπου δεν αποδείχθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ των μεθόδων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μέθοδος σταδιακής αναζήτησης έχει την «ενδογενή» ικανότητα να επιλέγει χαρακτηριστικά που είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους με αποτέλεσμα την αυξημένη διακριτική ικανότητα του τελικού συνόλου (τα προβλήματα που η μέθοδος αυτή επέδειξε καλή συμπεριφορά είχαν χαρακτηριστικά με υψηλό βαθμό συσχέτισης). 3. Δεν αποδεικνύεται στατιστικά καλύτερος ταξινομητής στις περισσότερες περιπτώσεις ενώ ο νευρωνικός ταξινομητής επιδεικνύει πολύ καλή συμπεριφορά σε όλες τις περιπτώσεις. Για το λόγο αυτό, η επιλογή του ταξινομητή δεν φαίνεται να επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό την απόδοση του συστήματος στα προβλήματα που έχουν μελετηθεί εδώ. Επιπλέον, η επιλογή του ταξινομητή μπορεί να γίνει με όρους διαφορετικούς από την ταξινομητική ικανότητά τους όπως απλότητα και ευελιξία, χαρακτηριστικά που έχει ο νευρωνικός ταξινομητής.

Ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία. Στη ραγδαία εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις της σύγχρονης αγοράς για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας παράλληλα πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) – UMTS γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες, όπως και στην Ελλάδα. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Ωστόσο, η αδήριτη ανάγκη για μεγαλύτερες (ευρυζωνικές) ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών, με κυριότερο εκπρόσωπο τους την τεχνολογία HSPA. Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη του UMTS, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) προτύπου. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3GPP ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Κατά συνέπεια, η αγορά κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη του αποκαλούμενου «Mobile Broadband». Ταυτόχρονα με την εκτεταμένη εξάπλωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και τις αυξημένες δυνατότητες των κινητών συσκευών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της πολυεκπομπής δεδομένων (multicasting) στα δίκτυα αυτά με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Επιπρόσθετα, οι χρήστες των κινητών δικτύων έχουν πλέον την απαίτηση να προσπελαύνουν εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Η MBMS υπηρεσία 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. 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 ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Το κρισιμότερο σημείο που εντοπίζεται κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι ο αποτελεσματικός έλεγχος ισχύος. Οι σταθμοί βάσης των κυψελωτών αυτών δικτύων διαθέτουν περιορισμένους πόρους ισχύος (άρα και περιορισμένη χωρητικότητα κυψέλης), γεγονός που επιβάλλει τη χρήση μίας βέλτιστης στρατηγικής για την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων ισχύος. Ο έλεγχος ισχύος στοχεύει στη μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος, στην ελαχιστοποίηση του θορύβου στο κυψελωτό δίκτυο και κατά συνέπεια στη διασφάλιση μεγαλύτερης χωρητικότητας επιπλέον χρηστών. Ένα από τα βασικότερα στοιχεία του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς κατά τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων αποτελεί η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς για τη μετάδοση των δεδομένων από τον κόμβο RNC στον κινητό χρήστη. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο είναι ακόμα υπό εξέταση στο 3GPP. Προς την κατεύθυνση αυτή, στο MBMS στάνταρ έχει αναπτυχθεί ένας μηχανισμός που αποκαλείται Counting Mechanism. Ο στόχος του μηχανισμού αυτού είναι η βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων για την υπηρεσία MBMS, όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UTRAN (διεπαφές Iub και Uu). Ωστόσο, η υπάρχουσα μορφή του μηχανισμού αυτού διακρίνεται από πολλές αδυναμίες που δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική και μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Τα σημαντικότερα προβλήματα του υπάρχοντος Counting Mechanism είναι η απουσία ευρυζωνικών χαρακτηριστικών καθώς και η σπατάλη σημαντικού τμήματος των (ούτως ή άλλως περιορισμένων) πόρων ισχύος. Εν γένει, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των πολυμεσικών δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Γίνεται σαφές, λοιπόν, ότι απαιτείται μία βελτιωμένη έκδοση του υπάρχοντος Counting Mechanism για την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε μεγάλο πλήθος χρηστών. Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων για τη βελτιστοποίηση του Counting Mechanism. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της μεταπτυχιακής αυτής εργασίας είναι η ενσωμάτωση και η «εκμετάλλευση» όλων των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της HSDPA τεχνολογίας στην MBMS υπηρεσία. Η MBMS υπηρεσία μέχρι τώρα βασίζεται στη λειτουργικότητα των υπαρχόντων UMTS δικτύων. Ο συνδυασμός των δύο αυτών προτύπων, δηλαδή του MBMS και του HSDPA, υπόσχεται τόσο την παροχή ευρυζωνικών πολυμεσικών δεδομένων σε μεγάλο πλήθος κινητών χρηστών όσο και τη βέλτιστη επίτευξη ελέγχου ισχύος. Προς αυτή την κατεύθυνση, θα πραγματοποιηθεί ανάλυση όλων των υπαρχόντων καναλιών μεταφοράς του UMTS καθώς και της τεχνολογίας HSDPA και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, 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 την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, και κατά συνέπεια με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν, την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη, τη μέγιστη δυνατή κάλυψη της κυψέλης κ.α. Επίσης, αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η εύρεση ενός κατάλληλου σημείου εναλλαγής μεταξύ των διάφορων τύπων καναλιών κατά τη μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Θα διερευνηθούν τεχνικές μείωσης της εκπεμπόμενης ισχύος με απώτερο σκοπό την αποδοτικότερη χρήση των πόρων του συστήματος και θα προταθούν νέες παραλλαγές του Counting Mechanism με ανώτερα χαρακτηριστικά διαχείρισης και κατανομής πόρων ισχύος. Οι νέοι αυτοί μηχανισμοί υπόσχονται βελτιωμένη απόδοση, μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος και κατά συνέπεια αύξηση της χωρητικότητας των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιτρέψει τη μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πληθώρα κινητών χρηστών. Τέλος, θα διερευνηθούν και νέες, πιο αποδοτικές τεχνικές για τη μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων στα μελλοντικά δίκτυα LTE. Στην περίπτωση αυτή λαμβάνονται υπόψιν όλες οι βασικές τεχνικές μετάδοσης δεδομένων όπως τα MIMO κεραιοσυστήματα. / Due to rapid growth of mobile communications technology, the demand for wireless multimedia communications thrives in today’s consumer and corporate market. The need to evolve multimedia applications and services is at a critical point given the proliferation and integration of wireless systems. 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 highspeed 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. 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. High Speed Packet Access (HSPA) constitutes a significant step towards the so-called Mobile Broadband. HSPA supports both downlink and uplink communication through the HSDPA and HSUPA channels, respectively. HSPA promises the provision of enhanced end-users’ experience with a wide range of novel, interactive applications, faster performance and reduced delays. Furthermore, from the operators’ prism, HSPA ensures improved network performance, increased capacity and higher coverage. Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) is a novel framework, extending the existing UMTS infrastructure that constitutes a significant step towards the so-called Mobile Broadband. MBMS is intended to efficiently use network and radio resources, both in the core network and, most importantly, in the air interface of UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), where the bottleneck is placed to a large group of users. Actually, MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. MBMS is an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia and application services such as IP Video Conferencing, Streaming Video by supporting both broadcast and multicast transmission modes. Long Term Evolution (LTE) will stretch the performance of 3G systems with improved coverage and system capacity, as well as increased data rates and reduced latency. LTE also provides a tight integration between unicast and multicast/broadcast MBMS transport bearers. Moreover, it also takes 3G-MBMS one step further to provide highly efficient multi-cell broadcast. By transmitting not only identical signals from multiple cell sites (with identical coding and modulation), but also synchronize the transmission timing between cells, the signal at the mobile terminal will appear exactly as a signal transmitted from a single cell site and subject to multi-path propagation. There is a growing demand for wireless data applications, which although face low penetration today, are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a ‘killer’ application for 3G’s. Such mobile TV services include streaming live TV (news, weather forecasts etc.) and streaming video (such as video clips). All the above constitute a series of some indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. However, increased improvements have to be made both in the uplink and downlink transmission and in better radio resource management, in order to meet future demands and provide rich multimedia services to large users’ population. In addition, several obstacles, mainly regarding the interoperability and ubiquitous access between different access technologies and services, have to be overcome (thus leading to 4G). The main target of this dissertation is the study of power control issues, the development and the performance evaluation of an efficient power scheme for the provision of broadband, multicast services and applications to mobile users. This will be effectively implemented through the efficient use of MBMS and HSPA technologies in both 3G and its evolution LTE. An important aspect of this work is the investigation of the selection of the most efficient radio bearer for the transmission of MBMS multicast data. MBMS services can be provided in each cell by either multiple Point to Point (PTP) channels or by a single Point to Multipoint (PTM) channel. PTM transmission uses a single channel reaching down to the cell edge, which conveys identical traffic. On the other hand, PTP transmission uses dedicated channel allocated to each user, which conveys identical content. Obviously, a decision has to be made on the threshold between these two approaches. Therefore, improvements of the currently existing Counting Mechanism in MBMS will be studied. Although relative research work in this field considers the need for a power-based Counting Mechanism and not a UE-based Counting Mechanism, the case of HSDPA usage in such a power mechanism could be further investigated, taking also into account the availability of multi-mode cells. This could lead to an optimal scheme for the MBMS Counting Mechanism. The fundamental selection criterion of channel type is the amount of base station power required to transmit to a group of users. To this direction, the role of power control in the MBMS multicast transmission in UMTS is studied and analysed. A power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS is then proposed. 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.

Τα τελευταία χρόνια η ραγδαία αύξηση της υπολογιστικής ισχύος, των αποθηκευτικών μέσων καθώς και των τηλεπικοινωνιών έχει δημιουργήσει γόνιμο έδαφος για την ανάπτυξη πολύπλοκων, απαιτητικών εφαρμογών, τόσο στον χώρο της επιστημονικής έρευνας, όσο και στα πλαίσια της παραγωγής εμπορικών λύσεων. Ως αποτέλεσμα αυτού, πραγματοποιείται μετάβαση από το μοντέλο των μεμονωμένων διακριτών πόρων στο μοντέλο της συνεργασίας κατανεμημένων πόρων το οποίο υλοποιείται από την τεχνολογία πλέγματος (Grid Computing). Ένα πολύ σημαντικό θέμα που επηρεάζει την συνολική απόδοση των δικτύων πλέγματος είναι η χρονοδρομολόγηση των εργασιών που υποβάλλουν οι χρήστες στους διαθέσιμους πόρους του δικτύου. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη της χρονοδρομολόγησης στα δίκτυα πλέγματος όχι μέσω προγραμμάτων προσομοίωσης αλλά χρησιμοποιώντας το ενδιάμεσο λογισμικό gLite. Βασικό αντικείμενο μελέτης ήταν η υπηρεσία Workload Management System (WMS) στην οποία υλοποιούνται οι αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού που παρέχει το gLite. Στόχος ήταν η ανάλυση της λειτουργίας των δύο αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού που παρέχει το ενδιάμεσο λογισμικό και η κατανόηση τόσο της αρχιτεκτονικής της WMS υπηρεσίας, που είναι μια από τις πιο σημαντικές για την λειτουργία ολόκληρου του δικτύου, αλλά και του τρόπου υλοποίησης των δύο αλγορίθμων του gLite. Στην συνέχεια προσθέσαμε στην υπηρεσία WMS ένα νέο δίκαιο αλγόριθμο ανάθεσης εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του δικτύου πλέγματος. Τέλος αναπτύξαμε ένα μικρής κλίμακας δίκτυο πλέγματος για την πειραματική αξιολόγηση του νέου αλγορίθμου και την σύγκριση του με τους δύο βασικούς αλγορίθμους του gLite. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο αλγόριθμος μας παρέχει καλύτερη αξιοποίηση των πόρων του δικτύου, μειώνοντας παράλληλα το μέσο χρόνο εκτέλεσης μιας εργασίας στο δίκτυο. / The emergence of high speed optical networks is making the vision of Grids a reality. Grids consist of geographically distributed and heterogeneous computational and storage resources that may belong to different administrative domains, but can be shared among users by establishing global resource management architecture. An important issue in the performance of Grids is the scheduling of application tasks to the available resources. The Grid environment is quite dynamic, with resource availability and load varying rapidly with time, and application tasks have very different characteristics and requirements. Scheduling is a key to the success of Grid Networks, since it determines the efficiency in the use of the resources and the QoS provided to the users. In this work we present our experiences from implementing and integrating a new job scheduling algorithm in the gLite Grid middleware and present experimental results that compare it to the existing gLite scheduling algorithms. It is the first time that gLite scheduling algorithms are put under test and compared with a new algorithm under the same conditions. We describe the problems that were encountered and solved, going from theory and simulations to practice and the actual implementation of our fair scheduling algorithm. In this work we also describe the steps one needs to follow in order to develop and test a new scheduling algorithm in gLite. We present the methodology followed and the testbed set up for the comparisons. Our research sheds light on some of the problems of the existing gLite scheduling algorithms and makes clear the need for the development of new.

Η μερική αντικατάσταση των παραδοσιακών ενσύρματων επικοινωνιών από ασύρματες οδήγησε στην ανάγκη για κατάλληλη σχεδίαση των ασύρματων δικτύων, ώστε να υποστηρίζουν τα απαιτούμενα επίπεδα ποιότητας. Η προσφερόμενη ποιότητα περιορίζεται σίγουρα από φυσικά εμπόδια όπως τα όρια που έθεσε ο Shannon, αλλά και από την περιορισμένη γνώση μας στην εκπομπή και διάδοση κυμάτων. Η διαρκής βελτίωση της ικανότητας των ασύρματων δικτύων να προσφέρουν υψηλής ποιότητας υπηρεσίες είναι όμως γεγονός και οφείλεται σε δύο βασικούς ερευνητικούς άξονες, αυτόν που εφευρίσκει νέες μεθόδους επικοινωνίας (διαμόρφωση, κωδικοποίηση, πολυπλεξία, κεραίες κ.α.) και αυτόν που προσπαθεί να βελτιώσει τη διαχείριση των ήδη υπαρχόντων πόρων. Η παρούσα διατριβή προσφέρει επιστημονικές ιδέες και μοντέλα, που έχουν σαν σκοπό την καλύτερη διαχείριση των πόρων. Τα παραδοσιακά αλλά και τα μοντέρνα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας έχουν κατακλύσει την αγορά. Η λειτουργία τους όμως, παραμένει να κινείται στα πλαίσια συμβιβασμών, προσφέροντας χαμηλή ποιότητα υπηρεσίας. Η είσοδος των ασύρματων δικτύων υπολογιστών στην αγορά, ως ανταγωνιστές παροχής κλασικών υπηρεσιών (υπηρεσία φωνής και υπηρεσία δεδομένων), δίνει μια ώθηση αναπροσαρμογής των στόχων των δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι διαχείρισης των δικτύων αυτών προσφέρουν καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών με αλλαγή μεμονωμένων μόνο τμημάτων του δικτύου, χωρίς την ασύμφορη ολική επανασχεδίασή του. Αποτελούν δηλαδή πρακτικές λύσεις για την αποδοτικότερη λειτουργία των ήδη εγκατεστημένων δικτύων. Από την άλλη πλευρά, η ανερχόμενη τεχνολογία των ασύρματων δικτύων υπολογιστών βρίσκεται περισσότερο σε ανταγωνισμό με τα κλασικά ενσύρματα δίκτυα υπολογιστών. Το πλεονέκτημα της ελεύθερης κίνησης μετατρέπεται σε δυσβάσταχτο περιορισμό όταν η σύγκριση ποιότητας των δύο δικτύων είναι αναπόφευκτη. Για το λόγο αυτό, υπάρχει η μεγάλη ανάγκη τα ασύρματα δίκτυα να γίνουν ανταγωνιστικά των ενσύρματων και κυρίως να παρέχουν ποιότητα ικανού επιπέδου, ώστε οι διάφορες υπηρεσίες να μπορούν να λειτουργήσουν ανεπηρέαστες από την χρήση του ασύρματου καναλιού. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι σε αυτόν τον τομέα αποσκοπούν στην βελτίωση της λειτουργίας των ασύρματων δικτύων με τελικό σκοπό την εξασφάλιση επιπέδων ποιότητας. Για την μελέτη των ασύρματων δικτύων κινητής τηλεφωνίας και υπολογιστών και την εξαγωγή συμπερασμάτων απαιτούνται αναλυτικές μέθοδοι περιγραφής και εξομοιώσεις των δικτύων αυτών ώστε να γίνουν και οι κατάλληλες συγκρίσεις της προσφερόμενης ποιότητας. Ο τομέας αυτός της επιστήμης είναι διαρκώς ενεργός καθώς νέες τεχνικές και αναλύσεις προτείνονται συνεχώς. Με στόχο την ανάλυση και την εξομοίωση των προηγούμενα αναφερθέντων αλγορίθμων αναπτύχθηκε ένας αριθμός τεχνικών, που αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα της διατριβής αυτής. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής και συγκεκριμένα στο τμήμα μελέτης της επίδοσης των δικτύων, προτείνεται η μετατροπή μη γραμμικών αλυσίδων Markov σε γραμμικές, για χρήση σε προβλήματα κίνησης ταυτόχρονων πολλαπλών υπηρεσιών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία οδηγεί σε ταχύτατο υπολογισμό της αλυσίδας με τη χρήση μιας προσέγγισης. Παράλληλα, αναλύεται ο χρόνος διαμονής και ο εναπομένων χρόνος διαμονής σε μια κυψέλη. Η ανάλυση γίνεται εκ του μηδενός και με χρήση βασικών στοχαστικών μοντέλων, ενώ το αποτέλεσμα καταλήγει σε κατανομή gamma, κάτι που είχε ήδη παρατηρηθεί από πειράματα στην βιβλιογραφία. Στη συνέχεια κατασκευάζεται ένα ντετερμινιστικό μοντέλο εξομοίωσης που μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα μέσω ενός χάρτη σε κάθε πόλη με ορθογώνια δόμηση. Στο τμήμα των δικτύων κινητής τηλεφωνίας προτείνεται ένας αλγόριθμος διαχείρισης και αποδοχής κλήσεων που προκαλεί μεταπομπές συστήματος (system initiated handover). Η χρήση των μεταπομπών αυτών επιφέρει μεταβλητή χωρητικότητα (soft capacity) σε μια ομάδα κυψελών με αποτέλεσμα την αποδοτικότερη διαχείριση πόρων σε περιπτώσεις άνισης κατανομής κίνησης. Ένας άλλος αλγόριθμος προτείνεται για διαρκή διαπραγμάτευση (real-time negotiation) ποιότητας μεταξύ του δικτύου και του χρήστη με αποτέλεσμα την καλύτερη οργάνωση και διαχείριση των πόρων. Αποδεικνύονται η δυνατότητα χρήσης του αλγορίθμου σε πραγματικό χρόνο και τα οφέλη που αποκομίζονται από αυτήν. Στο τμήμα ασύρματων δικτύων υπολογιστών προτείνεται ένα νέο πρωτόκολλο πρόσβασης μέσου, για χρήση στα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Το πρωτόκολλο αυτό είναι πλήρως κατανεμημένο (μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε αυτοοργανονούμενα δίκτυα - ad hoc), ενώ προσφέρει τη δυνατότητα παροχής διαφορετικών επιπέδων ποιότητας, από άριστη ποιότητα για κλήσεις πραγματικού χρόνου μέχρι ποιότητα καλύτερης δυνατής προσπάθειας (best effort). Επίσης προτείνονται αλγόριθμοι βελτίωσης των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Αναλύεται συγκεκριμένα ο αυτόματος εντοπισμός κόμβων με χρήση τριγωνισμού και μεταβλητής ισχύος σημάτων-φάρων και η εξοικονόμηση ενέργειας με χρήση συστημάτων πολλαπλών κεραιών (MIMO). / The trend of replacing the traditional wired communications with their wireless counterparts led to the need for better design and organization of wireless networks so as to provide the necessary Quality of Service (QoS) levels. The offered QoS is bounded by Shannon’s limit and from the limitation of human knowledge on the wireless channel matters. However, the constant improvement of network performance is a fact based on two parallel scientific axes, the one that provides new communication techniques (modulation, coding, multiple access, antennas, etc) and the one that handles the already invented methods in an optimized manner. This thesis offers new scientific ideas and models for better resource management of wireless networks. Traditional and modern mobile telephone networks have occupied the market. Nevertheless, their functionality is still based on compromising of offered quality with the needs of a two-way voice application. Wireless computer networks appear in the market as contenders of voice service, acting like a threat to telephone networks. The proposed models for the mobile telephone networks provide solutions for improving overall QoS by altering only minor parts of these already-installed networks. On the other hand, the advancement of the wireless technology gives rise to visions of the so called Broadband Wireless Access. Computer Networks are expected to offer global roaming and provide traditional services over the IP protocol. In this context, QoS is necessary for guaranteeing service levels of quality. The proposed models in this part are focused in offering acceptable quality levels over the wireless channel for these services. The performance analysis of wireless networks requires the use of analytical approaches and simulation of these networks in order to assess the final offered quality. This section of science is constantly developing since new methods and techniques are applied to different parts of research. Through the procedure of analyzing the wireless networks in this thesis, a number of new techniques have been invented which constitute an important part of it. In terms of network traffic description, a new transformation of nonlinear markov chain to linear is proposed. By means of this transformation, the calculation of unbalanced nonuniform traffic can be accelerated. In the section of performance analysis, the sojourn time and the remaining sojourn time are analytically calculated. These cell parameters are found to follow a gamma distribution, a result that is backed from simulations in bibliography. Moreover, a deterministic simulation model is derived to enable easy calculation of these parameters from a map. As regards the mobile telephone networks, a new call admission control scheme is proposed in order to simulate soft capacity functionality in 2G networks. This feature, organizes better the resources in a cluster in cases of inhomogeneous network traffic. Moreover, a QoS negotiation algorithm is proposed for use in 3G networks (e.g. UMTS). Real-time negotiation is proposed for better resource organization and management. The gain from these schemes is calculated and presented. A new Medium Access Control (MAC) protocol is proposed for use in 802.11 Wireless Local Area Networks. This protocol is backward compatible with the protocol 802.11e and offers better quality infrastructure for VoIP services. The proposed protocol is analyzed and simulated and the results are compared to the previously used protocols to showcase the improvements. A new analytical approach with better accuracy is proposed for this reason. Finally, two techniques are proposed for improving the quality of wireless sensor networks. Firstly, a technique for low cost real-time localization with a small number of GPS or other beacons is proposed and tested. Secondly, a means of energy conservatiοn by use of Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems is proposed, and then the gain from a QoS scheme is derived.

Αυτή η εργασία μελετά την εφαρμογή προηγμένων τεχνικών επεξεργασίας εικόνας από υπολογιστές για την επίλυση του προβλήματος της ανίχνευσης ατελειών σε υφάσματα από τις βιομηχανίες παραγωγής υφασμάτων. Προτείνεται μία νέα μέθοδος ανίχνευσης ατελειών, η οποία αποτελείται από ένα περιττό συμμετρικό φίλτρο Gabor πραγματικών τιμών, ένα άρτιο συμμετρικό φίλτρο Gabor πραγματικών τιμών και ένα φίλτρο εξομάλυνσης. Κατά την ανάπτυξη της μεθόδου, τα φίλτρα Gabor σχεδιάζονται με βάση τα χαρακτηριστικά του texture που εξάγονται βέλτιστα από μία εικόνα ενός μη ελαττωματικού υφάσματος με τη χρήση ενός Gabor Wavelet Network (GWN). Η απόδοση της προτεινόμενης μεθόδου αξιολογείται με τη χρήση ενός σετ εικόνων υφασμάτων που προέρχονται από μία βάση δεδομένων που περιέχει μία μεγάλη ποικιλία εικόνων ομογενών υφασμάτων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζουν ακρίβεια στην ανίχνευση ατελειών με πολύ λίγες λάθος ανιχνεύσεις, από όπου φαίνεται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις δυνατότητες της μεθόδου και ένας υπολογισμός του υπολογιστικού φορτίου που χρειάζεται για την υλοποίηση της έδειξε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και σε συστήματα ανίχνευσης πραγματικού χρόνου. / -

Η παρούσα εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια, τα οποία έχουν την εξής δομή: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στο πρόβλημα του καρκίνου του μαστού, κάνοντας αρχικά μία παρουσίαση της ανατομίας και της φυσιολογίας του μαστού. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά στο πως αναπτύσσεται ο καρκίνος του μαστού, ποιοι προδιαθεσιακοί παράγοντες υπάρχουν και πως αντιμετωπίζεται. Επίσης περιγράφονται και τα διάφορα είδη καρκινικών ευρημάτων. Αναλύονται τα διάφορα διαγνωστικά μέσα δίνοντας έμφαση στη μαστογραφία ως μέσο απεικόνισης του καρκίνου, στον τρόπο που παράγεται, ψηφιοποιείται και ερμηνεύεται. Τέλος γίνεται αναφορά στα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση του υπολογιστή στη μαστογραφική μελέτη. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στις μεθόδους ψηφιακής επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας που εφαρμόζονται στη μαστογραφία. Αναλύονται μια σειρά από τεχνικές βελτίωσης της ποιότητας των ψηφιακών μαστογραφιών, δίνοντας έμφαση στην έννοια του ιστογράμματος εικόνας και στις διάφορες τεχνικές τροποποίησης του. Τέλος γίνεται αναφορά στην υφή της εικόνας και στις διάφορες παραμέτρους που χρησιμοποιούνται στην ψηφιακή ανάλυση ενός μαστογραφήματος όπως επίσης και στην διαδικασία κατάταξης των διαφόρων περιοχών του σε υγιή και μη φυσιολογικά. Στο κεφάλαιο 3 αναλύεται μια άλλη ομάδα μεθόδων ανάλυσης εικόνας μαστογραφιών η οποία μπορεί να περιγραφεί ως τεχνικές ανίχνευσης ανωμαλιών. Αυτές οι μέθοδοι προσπαθούν να εντοπίσουν συγκεκριμένες ανωμαλίες, όπως οι μικροαποτιτανώσεις, οι οζώδεις σκιάσεις, ή οι αλλοιώσεις της δομής των γειτονικών ιστών μέσα στις εικόνες μαστογραφιών. Αυτές οι μέθοδοι ταξινομούνται στην ερευνητική περιοχή της επεξεργασίας εικόνας για τον εντοπισμό των ανωμαλιών στις μαστογραφίες. Στο κεφάλαιο 4 της διπλωματικής εργασίας γίνεται παρουσίαση της συγκριτικής ανάλυσης που χρησιμοποιείται για την ερμηνεία των ψηφιακών μαστογραφημάτων. Γίνεται αναφορά στα είδη της, στα στάδια από τα οποία αποτελείται καθώς και στις δυσκολίες που παρουσιάζονται κατά την εφαρμογή της. Αναλύεται η διαδικασία της συστοίχισης μαστογραφημάτων, που είναι ένα από τα πιο βασικά αλλά και συνάμα από τα πιο πολύπλοκα στάδια της συγκριτικής ανάλυσης και τέλος γίνεται εκτενής αναφορά στο συντελεστή ετεροσυσχέτισης ως μέσο για την αναγνώριση και τη συστοίχιση δισδιάστατων προτύπων. Στο κεφάλαιο 5 αναλύονται τα συστήματα ταξινόμησης προτύπων που χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση των υπόπτων περιοχών στα ψηφιακά μαστογραφήματα. Δίνεται έμφαση στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, που αποτελούν τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα απόφασης στο χώρο αυτό, και ιδιαίτερα στα δίκτυα ακτινικών συναρτήσεων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διπλωματική εργασία. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφονται τρεις ξεχωριστές μελέτες. Αρχικά μελετήθηκε το πρόβλημα της συστοίχισης ψηφιακών μαστογραφιών. Το πρώτο στάδιο της συγκριτικής ανάλυσης μαστογραφημάτων, είτε αυτή είναι δίπλευρη είτε πρόσκαιρη, είναι η συστοίχιση των αντίστοιχων μαστογραφημάτων. Στο σύστημα που υλοποιήθηκε, επιδιώκουμε τη συστοίχιση μαστογραφημάτων μέσω της εξαγωγής του περιγράμματος κάθε μαστού και της ελαχιστοποίησης της διαφοράς των εμβαδών τους. Βρίσκοντας την ελάχιστη τιμή του εμβαδού μετατοπίζοντας στο χώρο την μια μαστογραφία υπολογίζουμε ταυτόχρονα και τη θέση του καλύτερου ταιριάσματος των δύο μαστογραφημάτων. Έπειτα μελετήθηκαν διάφορες τοπολογίες νευρωνικών δικτύων ακτινικών συναρτήσεων. Ως παραμέτρους –εισόδους στο νευρωνικό δίκτυο- χρησιμοποιήσαμε στατιστικούς περιγραφείς της υφής. Οι πιο απλές τεχνικές περιγραφής της υφής, με πολύ καλή απόδοση, είναι οι στατιστικές τεχνικές που βασίζονται στα ιστογράμματα των περιοχών, τις επεκτάσεις τους και τις ροπές τους. Πραγματοποιήθηκαν αξιολογήσεις του συστήματος αναγνώρισης για ροπές από 1ης έως και 15ης τάξης ώστε να βρεθεί ο αριθμός που μας εξασφαλίζει την καλύτερη απόδοση. Η καλύτερη τοπολογία του δικτύου χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη ενός συστήματος ανίχνευσης υπόπτων περιοχών σε ψηφιακές μαστογραφίες. Τέλος αναπτύσσεται διεξοδικά σύστημα ανίχνευσης υπόπτων περιοχών σε ψηφιακά μαστογραφήματα Η ταξινόμηση πραγματοποιείται με στατιστικούς περιγραφείς της υφής ενώ ο έλεγχος γίνεται μέσω χρήσης νευρωνικού δικτύου ακτινικών συναρτήσεων. Το σύστημα ανίχνευσης δίνει ως αποτέλεσμα τα αρχικά μαστογραφήματα σηματοδοτημένα με τις πλέον ύποπτες περιοχές για την ύπαρξη νεοπλασίας. Παρουσιάζονται αναλυτικά τα στάδια που ακολουθήθηκαν για τη υλοποίηση του συστήματος, τα πειραματικά αποτελέσματα, τα προβλήματα που αντιμετωπίστηκαν και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν. / -

Το κύριο θέμα της εργασίας είναι η μοντελοποίηση και η αριθμητική επίλυση μη- μόνιμων και μεταβατικών φαινομένων ροής σε αγωγούς μεταφοράς και δίκτυα διανομής φυσικού αερίου. Το φυσικό αέριο είναι ένα σύγχρονο καύσιμο το οποίο έχει μεγάλες ενεργειακές εφαρμογές καλύπτοντας σε μεγάλο ποσοστό το ενεργειακό ισοζύγιο μιας χώρας. Είναι ένα αέριο και φυσικό καύσιμο για τη μεταφορά του οποίου από τα σημεία άντλησης του, έχει δημιουργηθεί ένα πολύπλοκο διεθνές δίκτυο. Το δίκτυο αυτό συνδέεται με τα εθνικά τοπικά δίκτυα που το διανέμουν στους καταναλωτές. Τα πολύπλοκα αυτά δίκτυα αν και σχεδιάζονται για λειτουργία σε μόνιμη ροή στην πραγματικότητα λειτουργούν υπό μη-μόνιμες συνθήκες. Οι μεταβολές και οι αιχμές στις καταναλώσεις κατά τη διάρκεια μια μέρας, η εκκίνηση ή το κλείσιμο των συμπιεστών ή των σταθμών ρύθμισης της ροής, η αστοχία συσκευών του δικτύου ή και αγωγών είναι μερικοί από τους παράγοντες οι οποίοι προκαλούν σημαντικές μεταβολές στη ροϊκή συμπεριφορά αυτών των συστημάτων. Η υπολογιστική προσομοίωση και η ακριβής πρόβλεψη αυτών των ακραίων ροϊκών καταστάσεων είναι πολύ σημαντική για τη σωστή και οικονομική λειτουργία αυτών των δικτύων. Για την ανάλυση αυτών των φαινομένων η παρούσα εργασία διαρθρώθηκε σε οκτώ κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται ο ορισμός του προβλήματος και η περιγραφή των ροϊκών συνθηκών που διέπουν τα δίκτυα φυσικού αερίου. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται εκτεταμένη διερεύνηση στην πρότερη ερευνητική προσπάθεια πάνω σε αυτό το θέμα. Στο κεφάλαιο 3 καταστρώθηκε το μαθηματικό μοντέλο το οποίο προσομοιώνει με επιτυχία τέτοιες ροϊκές καταστάσεις. Εν συνεχεία στα κεφάλαια 4 και 5 αναπτύσσονται αριθμητικές μέθοδοι κατάλληλες για την επίλυση αυτού του μοντέλου. Είναι μέθοδοι κατάλληλες για τον αρχικό σχεδιασμό των αγωγών μεταφοράς (κεφάλαιο 4) όσο και ανώτερης τάξης για πιο ακριβείς υπολογισμούς (κεφάλαιο 5). Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η παρουσίαση του αλγόριθμου, για την επέκταση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν στα κεφάλαια 4 και 5 για την επίλυση δικτύων πολλών αγωγών και κόμβων. Εν συνεχεία στο κεφάλαιο 7 γίνεται πειραματική διερεύνηση σε εργαστηριακές εγκαταστάσεις αγωγών αερίου που προσομοιώνουν μεταβατικά φαινόμενα ροής. Στο κεφάλαιο 8 γίνεται μια εκτεταμένη επισκόπηση και συγκεντρώνονται τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από το σύνολο της ερευνητικής εργασίας. Τέλος γίνονται προτάσεις για την περαιτέρω συνέχιση του ερευνητικού έργου πάνω στο συγκεκριμένο γνωστικό αντικείμενο. / The main subject of the present study is the modelling and the numerical simulation of unsteady and transient flow phenomena in natural gas transmission pipelines and distribution networks. Natural gas is a modern fuel which has serious energy applications covering in big percentage the energy balance of many countries. It is a gas and natural fuel for the transport of which from his points of pumping, has been created a complicated international network. This network is connected with the national local networks that distribute it to local consumers. These complicated networks even if they are designed for operation in steady flow conditions actually work under unsteady conditions. The changes and the peaks of the demand at the duration of a day, the start or the sudden stop of compressors or regulation stations, the failure of network appliances are few of the factors which cause important changes in the flow behaviour of these systems. The simulation and the precise forecast of these extreme flow situations are very important for safe, reliable and economic operation of these networks. For the analysis of these phenomena the present work was structured in eight chapters. In chapter 1 become the definition of problem and the description of flow conditions that rule the natural gas networks. In chapter 2 becomes extensive investigation in the previous research effort on this subject. In chapter 3, the mathematic model which simulates with success such flow situations is defined. Further more in chapters 4 and 5 numerical methods suitable for the numerical solution of this model were developed. These methods are suitable for the initial design of pipelines (chapter 4) as much for more precise calculations (chapter 5). In chapter 6 an improved algorithm for the simulation if complicated networks with many pipes and nodes is presented. The numerical solution of the transient network conditions based on the methodology that developed in previous chapters. In chapter 7 experimental investigations of transient flow phenomena in pipe networks was carried out in laboratory installations. In chapter 8 an extensive review of the basic conclusions was presented, combined with proposals for further research.

Το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της δομής υπηρεσιών πάνω στα 0ίκτυα Επόμενης Γενιάς (Next Generation Networks, NGN). Συγκεκριμένα, περιγράφεται η αρχιτεκτονική IMS (IP Multimedia Subsystem) πάνω στην οποία βασίζεται η δομή των 0ικτύων Επόμενης Γενιάς. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας γίνεται αρχικά μια σύντομη αναφορά στο ιστορικό δημιουργίας του IMS, ενώ στην συνέχεια γίνεται μια εκτεταμένη περιγραφή του μοντέλου και του τρόπου λειτουργίας του IMS. Συγκεκριμένα, αναλύονται οι οντότητες και τα σημεία αναφοράς από τα οποία αποτελείται το IMS καθώς και τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιεί. Στη συνέχεια γίνεται μία αναφορά στην ασφάλεια του IMS, όπου αναφέρονται πιθανοί κίνδυνοι και απειλές για το IMS καθώς και τρόποι αντιμετώπισής τους. Έπειτα, παρουσιάζονται και περιγράφονται αναλυτικά οι υπηρεσίες που μπορεί να προσφέρει το IMS στα πλαίσια των 0ικτύων Επόμενης Γενιάς. Τέλος, γίνεται παρουσίαση ενός παραδείγματος εφαρμογής της υπηρεσίας VoIP πάνω από την IMS αρχιτεκτονική. Για την υλοποίηση αυτού του παραδείγματος χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα προσομοίωσης OPNET 10.0, ενώ συλλέχθηκαν αποτελέσματα σχετικά με τη συμπεριφορά του πρωτοκόλλου SIP και της υπηρεσίας VoIP σε IMS περιβάλλον. / The objective of this diploma thesis is the study of the service structure of Next Generation Networks (NGN). Especially, the IMS architecture (IP Multimedia Subsystem) is being described, which the NGN structure is based on. Initially, there is a quick reference to the history of the development of IMS, and continually an extensive description is being made about the model and the functional mode of IMS. Next, security aspects of IMS are being described, and continually there is a presentation about the services that IMS offers. Finally, an example is being presented regarding the application of VoIP service using the IMS architecture. For the configuration of this example, the simulation program OPNET 10.0 was used, while results were collected regarding the behavior of SIP protocol and VoIP service in the IMS environment.

Τα Δίκτυα Αισθητήρων αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό μικρών αυτόνομων συσκευών, που αλληλεπιδρούν με το άμεσο περιβάλλον τους μέσω αισθητήρων, επικοινωνούν μεταξύ τους ασύρματα και συνεργάζονται φέροντας εις πέρας εργασίες που δε θα μπορούσε να ολοκληρώσει μία μόνο συσκευή. Κάθε συσκευή του δικτύου διαθέτει περιορισμένη υπολογιστική δύναμη και ενεργειακούς πόρους, επομένως η όσο το δυνατόν λιγότερη κατανάλωση ενέργειας είναι βασικό πρόβλημα των δικτύων αισθητήρων για τη μεγιστοποίηση του χρόνου ζωής τους. Συνήθως τα δίκτυα αισθητήρων αναπτύσσονται σε μεγάλες περιοχές ενδιαφέροντος για την υποστήριξη σημαντικών εφαρμογών του πραγματικού κόσμου. Η πληροφορία που ανιχνεύεται από τους κόμβους αισθητήρων προωθείται προς ένας σταθερό, συνήθως, κέντρο ελέγχου, με αναμεταδόσεις των δεδομένων στους ενδιάμεσους κόμβους. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη μεγάλη κατανάλωση ενέργειας στις συσκευές, ιδιαίτερα σε αυτές που βρίσκονται κοντά στο κέντρο ελέγχου, αφού πρέπει να αναμεταδίδουν και τα δεδομένα που φτάνουν από το υπόλοιπο δίκτυο προς το κέντρο ελέγχου. Για την επίτευξη μιας πιο ισορροπημένης και αποδοτικής διαδικασίας συλλογής δεδομένων, τα τελευταία χρόνια έχει υιοθετηθεί μια νέα προσέγγιση, όπου το κέντρο ελέγχου είναι κινητό. Η βασική ιδέα είναι ότι το κέντρο ελέγχου διαθέτει σημαντικά και εύκολα ανανεώσιμα αποθέματα ενέργειας, επομένως μπορεί να κινείται στην περιοχή όπου έχει αναπτυχθεί το δίκτυο αισθητήρων, αναλαμβάνοντας να συλλέξει τα δεδομένα από τους κόμβους με πολύ μικρό κόστος. Ωστόσο, η μετάδοση των δεδομένων μπορεί να παρουσιάζει σημαντικές καθυστερήσεις. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν πρωτόκολλα ελέγχου της κίνησης ενός κέντρου ελέγχου σε δίκτυο αισθητήρων με ανομοιογενή ανάπτυξη των κόμβων αισθητήρων, με στόχο την αποδοτική, ως προς την ενέργεια και τον χρόνο παράδοσης, συλλογή των δεδομένων. Συγκεκριμένα, το κέντρο ελέγχου διαιρεί νοητά το δίκτυο σε περιοχές τις οποίες και επισκέπτεται διαδοχικά, σταματώντας σε κάθε περιοχή για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, ώστε να συλλέξει τα δεδομένα. Προτείνουμε δύο τρόπους κίνησης του κέντρου ελέγχου, ντετερμινιστικό και τυχαίο. Στην τυχαία κίνηση, η επιλογή της επόμενης περιοχής την οποία θα επισκεφτεί το κέντρο ελέγχου γίνεται με τυχαίο τρόπο, εισάγοντας όμως ένα όρο μεροληψίας, έτσι ώστε να προτιμούνται περιοχές που έχουν δεχτεί λιγότερες επισκέψεις. Επιπλέον η μέθοδός μας αποφασίζει το χρόνο παύσης σε κάθε περιοχή λαμβάνοντας υπόψιν κάποιες βασικές παραμέτρους του δικτύου, όπως τα αρχικά αποθέματα ενέργειας των κόμβων αισθητήρων και την πυκνότητα της κάθε περιοχής, έτσι ώστε να παραμένει περισσότερο χρόνο σε περιοχές με μεγαλύτερη πυκνότητα, άρα και μεγαλύτερη ποσότητα πληροφορίας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η γρήγορη κάλυψη όλου του δικτύου, καθώς επίσης και η δίκαιη εξυπηρέτηση των επιμέρους περιοχών του δικτύου. Τα προτεινόμενα πρωτόκολλα αξιολογήθηκαν πειραματικά μέσω προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας ποικίλες τιμές για βασικές παραμέτρους του δικτύου και σύγκρινοντάς τα με σχετικές υπάρχουσες ευρέως αποδεκτές μεθόδους. Τα αποτελέσματα που πήραμε δείχνουν ότι τόσο ο χρόνος παράδοσης των μηνυμάτων, όσο και η ενέργεια που καταλώθηκε διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα, βελτιώνοντας σημαντικά την προηγούμενη σχετική έρευνα. / Wireless Sensor Networks consist of a large number of small, autonomous devices, that are able to interact with their inveronment by sensing and collaborate to fulfill their tasks, as, usually, a single node is incapable of doing so; and they use wireless communication to enable this collaboration. Each device has limited computational and energy resources, thus a basic issue in the applicastions of wireless sensor networks is the low energy consumption and hence, the maximization of the network lifetime. The collected data is disseminated to a static control point – data sink in the network, using node to node - multi-hop data propagation. However, sensor devices consume significant amounts of energy in addition to increased implementation complexity, since a routing protocol is executed. Also, a point of failure emerges in the area near the control center where nodes relay the data from nodes that are farther away. Recently, a new approach has been developed that shifts the burden from the sensor nodes to the sink. The main idea is that the sink has significant and easily replenishable energy reserves and can move inside the area the sensor network is deployed, in order to acquire the data collected by the sensor nodes at very low energy cost. However, the need to visit all the regions of the network may result in large delivery delays. In this work we have developed protocols that control the movement of the sink in wireless sensor networks with non-uniform deployment of the sensor nodes, in order to succeed an efficient (with respect to both energy and latency) data collection. More specifically, a graph formation phase is executed by the sink during the initialization: the network area is partitioned in equal square regions, where the sink, pauses for a certain amount of time, during the network traversal, in order to collect data. We propose two network traversal methods, a deterministic and a random one. When the sink moves in a random manner, the selection of the next area to visit is done in a biased random manner depending on the frequency of visits of its neighbor areas. Thus, less frequently visited areas are favored. Moreover, our method locally determines the stop time needed to serve each region with respect to some global network resources, such as the initial energy reserves of the nodes and the density of the region, stopping for a greater time interval at regions with higher density, and hence more traffic load. In this way, we achieve accelerated coverage of the network as well as fairness in the service time of each region.Besides randomized mobility, we also propose an optimized deterministic trajectory without visit overlaps, including direct (one-hop) sensor-to-sink data transmissions only. We evaluate our methods via simulation, in diverse network settings and comparatively to related state of the art solutions. Our findings demonstrate significant latency and energy consumption improvements, compared to previous research.