Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς των WBAN (Wireless Body Area Networks) σαν μέρος του συστήματος παρακολούθησης υγείας ασύρματης τηλεϊατρικής. Αρχικά γίνεται σύντομη αναφορά στον τρόπο χρήσης των WBAN για την πραγματοποίηση της ιδέας της mHealth (mobile health) καθώς και σε ενδεικτικά ερευνητικά προγράμματα της Ευρωπαϊκής Ένωσης που περιλαμβάνουν χρήση της τεχνολογίας WBAN και της τεχνολογίας ασύρματων εμφυτεύσιμων αισθητήρων για εφαρμογές ιατρικής περίθαλψης, ενώ στη συνέχεια γίνεται περιγραφή της αρχιτεκτονικής του συστήματος ασύρματης τηλεϊατρικής. Έπειτα, περιγράφεται η αρχιτεκτονική των δύο βασικότερων πρωτοκόλλων επικοινωνίας για ασύρματους κόμβους αισθητήρων, Bluetooth Low Energy και ZigBee/IEEE 801.15.4 και αναλύεται το επίπεδο εφαρμογής του πρωτοκόλλου ZigBee. Τέλος, περιγράφεται η αρχιτεκτονική του ασύρματου κόμβου αισθητήρων και παρουσιάζονται και περιγράφονται οι τυπικές συσκευές που χρησιμοποιούνται σε ένα WBAN ιατρικής περίθαλψης. / The purpose of my diploma thesis was the study of WBAN (Wireless Body Area Networks) as part of the wireless telemedicine health-monitoring system. I focused on the architecture of the integrated telemedicine system, the architecture of the two main communication protocols used in WBANs, Bluetooth LE and ZigBee/IEEE 801.15.4, and the specification of the ZigBee Application Layer. Finally, I described the typical architecture of the wireless sensor node and the typical devices that are used in a health WBAN.

Η διαδικτυακή επικοινωνία αποτελεί σύγχρονο μέσο πραγματοποίησης αλληλοδράσεων και στον εκπαιδευτικό χώρο. Η Εκπαίδευση Ενηλίκων ως ενεργός χώρος έκφρασης του προτάγματος της Δια Βίου Μάθησης έχει προχωρήσει στην ανάπτυξη συλλογικών υποκειμένων – Δίκτυα – δια των οποίων το Διαδίκτυο, μέσω των ποικίλων εφαρμογών του, αξιοποιείται ως μέσο επικοινωνίας και μάθησης μεταξύ των μελών που εργάζονται σε κοινούς στόχους. Η επικοινωνία μεταξύ των μελών δομείται με αξιώσεις εγκυρότητας, δηλαδή με εκείνες τις αναγκαίες προϋποθέσεις που καθιστούν την διυποκειμενική συνάντηση, πεδίο της συναινεσιακής θεωρίας της αλήθειας. Στην παρούσα εργασία το διακύβευμα αφορά στην κριτική διερεύνηση των αξιακών απαιτήσεων των συμμετεχόντων στο διαδικτυακό διάλογο, όπως τον μεταφέρουν τα μέλη του Ευρωπαϊκού Δικτύου Διαπολιτισμικής Εκπαίδευσης Ενηλίκων (NILE) σε μια αναστοχαστικά διατυπωμένη εμπειρία καθώς και τη συσχέτιση της στάσης τους με την νομιμοποιημένη σε επίπεδο ευρωπαϊκής ρητορικής χρήσης του Διαδικτύου, ως απόδειξη της διαλεκτικής που διέπει τον τεχνοκρατικό λόγο στην Εκπαίδευση Ενηλίκων και του λόγου του στην διαμόρφωση Κοινοτήτων Γνώσης. / The digital communication consists a modern medium for the implementation of interactions in the field of Education. In particular The Adult Education as active agent where the Life Long Learning doctrine grounded, proceeds in articulating collective subjects – Networks – where Communication and learning is possible among participants collaboration within the Internet multiple applications. The Communication is articulated in validity claims, named those prerequisites that validate the intersubjectivity as the space of ‘the consensual theory of Truth’. The present thesis is referred to the claims that participants of the European Network on Intercultural Adult Learning (NILE) critical reveal through reflective utterances, concerning the internet discourse development. Hence, we are looking into the relationship of their attitude towards internet discourse with the legitimation of the digital communication in European policy rhetoric. Our basic aim is to justify the dialectics that regulates the technοcratic discourse of the Communication in Adult Education and its reason to the articulation of the Communities of Knowledge.

Tα τελευταία χρόνια τα κινητά δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες χώρες όπως και στην Ελλάδα. Παρόλο που αυτή η γενιά κινητών δικτύων προσφέρει προηγμένες υπηρεσίες στους χρήστες, η διαρκής ανάγκη για μεγαλύτερες ταχύτητες πρόσβασης που φτάνουν στα όρια της ευρυζωνικότητας, οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των κινητών δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών. Ο κυριότερος εκπρόσωπός τους είναι η τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+ προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3rd Generation (3G) προτύπου. Παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό προτυποποίησης για τις νέες κινητές τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν για τη νέα δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Η νέα αυτή τεχνολογία αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρους ζώνης. Κύρια προοπτική της τεχνολογίας LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Είναι προφανές ότι η τεχνολογία κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας». Είναι αναμενόμενο ότι ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία καθώς και για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας που θα παρέχει πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους χρήστες των κινητών δικτύων επικοινωνιών. Από την άλλη πλευρά, ταυτόχρονα με τις ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις των χρηστών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της multicast μετάδοσης δεδομένων στα κινητά δίκτυα με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Με αυτό τον τρόπο οι χρήστες των κινητών δικτύων θα έχουν πλέον πρόσβαση σε εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για κινητές υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως το mobile TV, το mobile gaming και το mobile streaming. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η έναρξη τη προτυποποίησης της υπηρεσίας Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών broadcast και 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 σχετικά νέα λειτουργία η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Το multicast είναι μία αποδοτική μέθοδος μετάδοσης δεδομένων προς πολλαπλούς προορισμούς καθώς χρησιμοποιεί λιγότερους πόρους από το δίκτυο. Το πλεονέκτημά του είναι ότι τα δεδομένα του αποστολέα μεταδίδονται μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που είναι κοινός στα διάφορα μονοπάτια προς ένα σύνολο από αποδέκτες. Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τη διερεύνηση της εφαρμογής διάφορων μηχανισμών βελτιστοποίησης της εφαρμογής του multicast στη μετάδοση δεδομένων πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Η διεξαχθείσα έρευνα εστιάζει στην υπηρεσία MBMS και εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο θα βελτιστοποιηθεί η εφαρμογή της στα κινητά δίκτυα. Επίσης, μελετά μηχανισμούς που εξασφαλίζουν τον έλεγχο συμφόρησης στις MBMS συνόδους καθώς και στην εφαρμογή του Forward Error Correction (FEC) για την αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Η πρώτη σημαντική συνεισφορά που περιλαμβάνει η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι ένας νέος μηχανισμός για τη multicast μετάδοση δεδομένων πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Αυτός ο μηχανισμός έχει σχεδιαστεί με βάση τις τρέχουσες προδιαγραφές έτσι όπως αυτές έχουν καθοριστεί από το 3GPP. Ο σχεδιασμός έχει γίνει με στόχο την ελαχιστοποίηση των απαιτούμενων πακέτων και τη βελτιστοποίηση της χρήσης των πόρων του δικτύου. Εκτός από την κανονική multicast μετάδοση δεδομένων, λαμβάνονται υπόψη ειδικές περιπτώσεις οι οποίες προκαλούνται από διάφορα σενάρια κινητικότητας των χρηστών. Βασικός στόχος του μηχανισμού είναι να μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα στα υπάρχοντα δίκτυα και να εισάγει ελάχιστες τροποποιήσεις στην αρχιτεκτονική των κινητών δικτύων και τους μηχανισμούς διαχείρισης της κινητικότητας των χρηστών. Ο προτεινόμενος μηχανισμός υλοποιήθηκε στον εξομοιωτή δικτύων ns-2 προκειμένου να διερευνηθεί σε βάθος μέσω πειραμάτων εξομοίωσης. Τα πειράματα εξομοίωσης έδειξαν ότι η κινητικότητα των χρηστών μπορεί να αντιμετωπιστεί χωρίς καμία διακοπή παροχής της υπηρεσίας και χωρίς καμία απώλεια δεδομένων. Επίσης, είναι πολύ σημαντικό ότι το υλοποιημένο τμήμα λογισμικού στον ns-2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω ως πλατφόρμα αξιολόγησης άλλων μηχανισμών που βασίζονται στη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Κάποιες ενδεικτικές περιοχές έντονης έρευνας που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από το υλοποιημένο τμήμα λογισμικού είναι η διαχείριση multicast ομάδων, η διαχείριση ασύρματων πόρων, η ανάλυση σεναρίων κινητικότητας χρηστών κ.α.. Στο παρόν ερευνητικό έργο, το νέο αυτό τμήμα του ns-2 χρησιμοποιήθηκε ως πλατφόρμα για την αξιολόγηση μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης κατά τη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα. Ο έλεγχος συμφόρησης είναι ένας μηχανισμός που προσαρμόζει το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων της πηγής ανάλογα με τις συνθήκες συμφόρησης του δικτύου. Στο IP multicast, για το επίπεδο μεταφοράς χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο User Datagram Protocol (UDP). Το πρωτόκολλο αυτό δεν εμπεριέχει κανέναν υλοποιημένο έλεγχο συμφόρησης. Αντίθετα, το πρωτόκολλο Transmission Control Protocol (TCP) προσαρμόζει το ρυθμό μετάδοσης ανάλογα με τις συνθήκες συμφόρησης του δικτύου. Είναι προφανές ότι η συνύπαρξη κίνησης multicast με κίνηση TCP μπορεί να οδηγήσει σε έλλειψη δικαιοσύνης στην κατανομή των πόρων του δικτύου. Προκειμένου να αποφευχθεί η κατάσταση αυτή είναι απαραίτητη η εφαρμογή του ελέγχου συμφόρησης στη multicast μετάδοση. Αυτού του είδους ο έλεγχος συμφόρησης ονομάζεται TCP-friendliness. Η υιοθέτηση ελέγχου συμφόρησης στη multicast μετάδοση πάνω από κινητά δίκτυα θέτει ένα πρόσθετο σύνολο από προκλήσεις. Αυτό συμβαίνει διότι όλοι οι αλγόριθμοι ελέγχου συμφόρησης αντιμετωπίζουν τις απώλειες πακέτων σα μία προφανή εκδήλωση συμφόρησης του δικτύου. Όμως αυτή η υπόθεση δεν είναι πάντα ο κανόνας σε δίκτυα με ασύρματους συνδέσμους. Στους ασύρματους συνδέσμους οι απώλειες πακέτων πολλές φορές οφείλονται σε λόγους που δε σχετίζονται με συμφόρηση δικτύου. Τέτοιοι λόγοι είναι ο θόρυβος ή σφάλμα στον ασύρματο σύνδεσμο. Προφανώς, σε τέτοιες περιπτώσεις η δραστική μείωση του ρυθμού μετάδοσης δεν αποτελεί λύση. Ένα άλλο περιοριστικό στοιχείο είναι η υπολογιστική ισχύς των κινητών τερματικών συσκευών. Οι συσκευές αυτές δεν μπορούν να εκτελέσουν πολύπλοκες στατιστικές μετρήσεις και παρακολούθηση της κίνησης. Κατά συνέπεια, αυτού του είδους οι διαδικασίες δεν πρέπει να εκτελούνται στις συσκευές αυτές. Στο τμήμα της διδακτορικής διατριβής που σχετίζεται με τον έλεγχο συμφόρησης μελετάται η εφαρμογή δύο ήδη γνωστών μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης πάνω σε κινητά δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Οι εξεταζόμενοι μηχανισμοί είναι ο TCP-Friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) και ο Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC). Οι δύο αυτοί μηχανισμοί ανήκουν στην ομάδα των μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης μοναδικού ρυθμού οι οποίοι αναπόφευκτα δεν προσφέρουν πολλαπλούς ρυθμούς μετάδοσης όπως κάνουν οι πολύ-επίπεδοι μηχανισμοί. Παρόλα αυτά είναι τόσο απλοί ώστε να εξυπηρετούν μία θεμελιώδη απαίτηση για τη multicast μετάδοση σε UMTS δίκτυα που είναι η επεκτασιμότητα για τις εφαρμογές που απευθύνονται σε χιλιάδες χρήστες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αποδεικνύεται ότι η υποβάθμιση των ασύρματων καναλιών του δικτύου ασύρματης πρόσβασης δημιουργεί δυσλειτουργίες στους υπάρχοντες μηχανισμούς TFMCC και PGMCC. Η συνεισφορά του έργου αυτού έγκειται στο γεγονός ότι οι υπάρχοντες μηχανισμοί έχουν υποστεί μία μερική τροποποίηση και έχουν επεκταθεί προκειμένου να υποστηρίξουν τις ιδιαιτερότητες του δικτύου ασύρματης πρόσβασης. Οι προτάσεις που γίνονται δεν εισάγουν παρά μόνο ελάχιστες τροποποιήσεις στην αρχιτεκτονική των κινητών δικτύων. Επιπλέον, αποφεύγεται η εκτέλεση πολύπλοκων λειτουργιών στις κινητές τερματικές συσκευές. Στα πλαίσια της αξιολόγησης των προτεινόμενων μηχανισμών η απόδοσή τους μελετάται μέσω πειραμάτων εξομοίωσης. Η απόδοση των προτεινόμενων μηχανισμών συγκρίνεται με αυτή των αντίστοιχων υπαρχόντων και, τέλος, οι αποδόσεις των δύο προτεινόμενων μηχανισμών συγκρίνονται μεταξύ τους. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η διεξαχθείσα έρευνα που περιγράφεται εστιάζει επίσης στην εφαρμογή του FEC για την αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Γενικότερα στη βιβλιογραφία, έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για την εξασφάλιση αξιοπιστίας κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Η πιο γνωστή μέθοδος είναι η Automatic Repeat re-Quest (ARQ) η οποία δουλεύει αποτελεσματικά κυρίως κατά την unicast μετάδοση. Όταν η μέθοδος ARQ εφαρμόζεται σε μία multicast σύνοδο, οι αποδέκτες στέλνουν αιτήσεις για αναμετάδοση χαμένων πακέτων μέσω καναλιών επικοινωνίας προς τον αποστολέα. Η μέθοδος ARQ γενικά είναι αποτελεσματική κατά τη multicast μετάδοση και αποτελεί ένα αξιόπιστο εργαλείο. Παρόλα αυτά, όταν ο αριθμός των αποδεκτών αυξάνει, οι περιορισμοί στις δυνατότητες της μεθόδου αυτής αποκαλύπτονται. Ένας σημαντικός περιορισμός είναι το πρόβλημα του καταιγισμού ανατροφοδοτήσεων. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν πολλοί αποδέκτες στέλνουν ταυτόχρονα αιτήσεις για αναμετάδοση στον αποστολέα. Ένα δεύτερο πρόβλημα είναι ότι, για ένα δεδομένο ρυθμό απώλειας πακέτων, όσο ο αριθμός των αποδεκτών αυξάνει, τόσο η πιθανότητα να αναμεταδοθεί ένα πακέτο τείνει προς τη μονάδα. Με άλλα λόγια, ένας μεγάλος μέσος αριθμός από μεταδόσεις χρειάζονται για κάθε πακέτο. Σε ένα ασύρματο περιβάλλον, η μέθοδος ARQ έχει ένα ακόμα μεγάλο μειονέκτημα το οποίο οφείλεται στην προϋπόθεση ύπαρξης αμφίδρομου συνδέσμου επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα, στα περισσότερα ενσύρματα δίκτυα είναι αυτονόητο ότι το κανάλι ανατροφοδότησης παρέχεται από το δίκτυο. Αντίθετα, στα ασύρματα δίκτυα η μετάδοση της ανατροφοδότησης από τον αποδέκτη μπορεί να κοστίζει ακριβά είτε με όρους κατανάλωσης ισχύος είτε λόγω περιορισμών στην τηλεπικοινωνιακή υποδομή. Το FEC είναι μία μέθοδος ελέγχου λαθών η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συμπληρώσει ή να αντικαταστήσει άλλες μεθόδους για αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων. Το βασικό χαρακτηριστικό των μηχανισμών FEC είναι ότι ο αποστολέας προσθέτει επιπλέον πληροφορία στα μηνύματα προς τον αποδέκτη. Αυτά τα επιπλέον δεδομένα δίνουν τη δυνατότητα στον αποδέκτη να ανακατασκευάσει την αρχική πληροφορία. Αναπόφευκτα, αυτού του είδους οι μηχανισμοί προκαλούν μία σταθερή επιβάρυνση στον όγκο των μεταδιδόμενων δεδομένων και είναι υπολογιστικά ακριβοί. Στα multicast πρωτόκολλα όμως, η χρήση των τεχνικών FEC έχει πολύ δυνατά πλεονεκτήματα. Η κωδικοποίηση περιορίζει το φαινόμενο των ανεξάρτητων απωλειών πακέτων σε διαφορετικούς αποδέκτες. Αυτό κάνει τους μηχανισμούς αυτούς να μπορούν να κλιμακωθούν σε πολλούς αποδέκτες ανεξάρτητα από το ρυθμό απώλειας πακέτων. Επιπλέον, η δραματική μείωση στο ρυθμό απώλειας πακέτων περιορίζει σημαντικά την ανάγκη για την αποστολή ανατροφοδότησης στον αποδέκτη. Επομένως, ένα κανάλι ανατροφοδότησης μπορεί να μην είναι απαραίτητο ή αν χρησιμοποιείται τέτοιου είδους κανάλι, η πιθανότητα εμφάνισης καταιγισμού από ανατροφοδοτήσεις εκμηδενίζεται. Είναι προφανές ότι οι μηχανισμοί FEC είναι τόσο απλοί ώστε να εξυπηρετούν ένα από τους βασικούς στόχους των multicast κινητών υπηρεσιών και ο οποίος είναι η επεκτασιμότητα σε εφαρμογές με χιλιάδες χρηστών. Αυτός είναι και ο λόγος που το 3GPP συστήνει τη χρήση του FEC στο επίπεδο εφαρμογής για την υπηρεσία MBMS και πιο συγκεκριμένα υιοθετεί τη χρήση του κώδικα Raptor FEC. Στο τμήμα της διδακτορικής διατριβής που σχετίζεται με το FEC διερευνάται η εφαρμογή του FEC στη multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Η έρευνα διεξάγεται με τη βοήθεια ενός νέου μηχανισμού ο οποίος ενσωματώνει ένα πιθανοτικό μοντέλο για την κατανομή των multicast χρηστών στο δίκτυο και καθορίζει το κόστος της multicast μετάδοσης δεδομένων. Σε αυτό το πλαίσιο, μελετάται η επίδραση της χρήσης του FEC στην υπηρεσία MBMS. Γίνεται μία προσπάθεια για τον καθορισμό ενός αποδοτικού σημείου λειτουργίας στη διελκυστίνδα μεταξύ της επιβάρυνσης εξαιτίας του κώδικα και του κόστους αναμετάδοσης. Εξετάζεται εάν η χρήση του FEC είναι αποδοτική ή όχι, πώς η βέλτιστη διάσταση για τον κώδικα FEC μεταβάλλεται ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο, ποιες παράμετροι επηρεάζουν την επιλογή του βέλτιστου κώδικα FEC καθώς και ο τρόπος που το κάνουν. Επιπλέον, εξετάζεται ένα από τα ποιο κρίσιμα θέματα στη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα και το οποίο είναι ο έλεγχος ισχύος στο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης. Ο προτεινόμενος μηχανισμός ενσωματώνει τις ιδιότητες ενός εξελιγμένου κινητού δικτύου που χρησιμοποιεί την τεχνολογία HSPA για την μετάδοση δεδομένων προς τις κινητές τερματικές συσκευές με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Η αξιολόγηση δε γίνεται μόνο μέσα από το πρίσμα της κατανάλωσης ισχύος αλλά επίσης και μέσα από τα πρίσματα της ταχύτητας μετάδοσης και της κατανάλωσης ενέργειας. Κάτι που είναι επίσης σημαντικό, είναι ότι η ανάλυση που γίνεται είναι πλήρως συμβατή με τις προδιαγραφές του 3GPP και λαμβάνει υπόψη όλου τους δυνατούς τρόπους επικοινωνίας στο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης (σημείο-προς-σημείο, σημείο-προς-πολλαπλά σημεία καθώς και την υβριδική επικοινωνία που συνδυάζει και τους δύο φορείς του δικτύου ασύρματης πρόσβασης). Η δημιουργία αυτού του πλήρους και συμπαγούς πλαισίου είναι ένα από τα κίνητρα που κρύβονται πίσω από αυτό το ερευνητικό έργο. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μία πλήρης και συμπαγής θεώρηση όλων των ζητημάτων που αφορούν την εφαρμογή του FEC κατά τη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα, κάποια από τα οποία δεν είχαν εξεταστεί καθόλου έως σήμερα. / In the recent years, the use of 3rd Generation (3G) cellular networks has begun to rise in most of the countries, as in Greece. 3G networks have the capability to offer advanced services to mobile users. However, the need for higher speeds that approach the capacity of broadband communication, led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. Despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel technology is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to existing mobile networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication and for a unified and functional system of mobile communications that is able to provide numerous broadband services to its users. On the other hand, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and reuse the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. Such mobile services include streaming live TV and streaming video. All the above constitute a series of indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). 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. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. Multicast is an efficient method for data transmission to multiple destinations. Its advantage is that the sender’s data are transmitted only once over the links which are shared along the paths to a targeted set of destinations. Data duplication is restricted only in nodes where the paths diverge to different subnetworks. The present dissertation describes the investigation of several schemes that optimize the deployment of multicast transmission over mobile communication networks. The conducted research focuses on the MBMS service and examines the way that its deployment should be performed. Additionally, it investigates schemes that can assure an effective congestion control over the MBMS sessions. Finally, it examines the use of Forward Error Correction (FEC) mechanisms for reliable data transmission during the mobile multicast communication. The first major contribution that is presented in this dissertation is a novel scheme for the multicast transmission of data over mobile communication networks. This scheme has been designed with respect to the current specifications of the MBMS service defined by the 3GPP. The design of the scheme has been performed in a way that minimizes the transmitted packets and makes efficient use of the network resources. Apart from the normal multicast transmission of data over UMTS the handling of special cases caused by user mobility scenarios, is considered. It was a major goal to develop an easily deployed scheme that introduces just minor modifications in the mobile network architecture and the mobility management mechanisms that already exist. The proposed scheme has been implemented as a new module in the widely used ns-2 network simulator in order to be evaluated. The simulation experiments show that the proposed scheme can cope with the user mobility without any disruption of the service provision or any packet loss. It is important to highlight that this new ns-2 module can be employed by researchers as a platform to validate and analyze multicast mechanisms over mobile networks. Some areas of active research that may be boosted by the deployment of this new module are MBMS service congestion control, mobile multicast group management, multicast radio resource management, MBMS Quality of Service and analysis and testing of user mobility scenarios. In this dissertation is ns-2 module has been used for the evaluation of two congestion control schemes for the multicast transmission over mobile networks. Congestion control is a policy that adapts the source transmission rate according to the network congestion. In IP multicast, User Datagram Protocol (UDP) is used for the transport layer. This protocol does not implement any congestion control. Instead, the Transmission Control Protocol (TCP) adapts its transmission rate according to network congestion. The coexistence of multicast traffic and TCP traffic may lead to unfair use of network resources. In order to prevent this situation, the deployment of multicast congestion control is indispensable. This kind of congestion control is well known as TCP-friendliness. The adoption of a multicast congestion control in cellular networks poses an additional set of challenges. All the algorithms for congestion control treat the packet loss as a manifestation of network congestion. This assumption does not always apply to networks with radio links, in which packet loss is often induced by reasons other than network congestion like noise or radio link error. In these cases, the network reaction should not be a drastic reduction of the sender’s transmission rate. Another limitation is that the mobile terminals’ computing power cannot afford complicated statistics and traffic measurements, which in turn means that such operations should not be executed on the mobile equipment. In the part of this dissertation that is related with the multicast congestion control over mobile networks, the applicability of two well-known multicast congestion control schemes over mobile networks is investigated. The examined schemes are namely: the TCP-Friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) and the Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC). Both schemes belong to the class of single-rate congestion control schemes. Such schemes are simple enough, so as to meet a prime objective for UMTS multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. It is showed that the degradation of the radio channels in the radio access network causes malfunctions in the legacy TFMCC and PGMCC schemes. The innovation of this work stems from the fact that the original schemes are partly modified and extended in order to support the particularities of the radio access network. It is proposed to introduce minor modifications in the mobile network architecture. Furthermore, complicated operations like statistics and traffic measurements are avoided to be performed on mobile equipment. Last but not the least, the performance of the modified TFMCC and PGMCC schemes is examined and presented in a comparative way. The other aspect that this dissertation examines, is the use of FEC during the mobile multicast communication. A lot of proposals to provide reliability in multicast transmission can be found in the literature. The best-known method that works efficiently for unicast transmission is the Automatic Repeat re-Quest (ARQ). When ARQ is applied in a multicast session, receivers send requests for retransmission of lost packets over a back channel towards the sender. Although ARQ is an effective and reliable tool for point-to-multipoint transmission, when the number of receivers increases, it reveals its limitations. One major limitation is the feedback implosion problem which occurs when too many receivers are transmitting back to the sender. A second problem is that for a given packet loss rate, and a set of receivers experiencing losses, the probability that every single data packet needs to be retransmitted quickly approaches unity as the number of receivers increases. In other words, a high average number of transmissions are needed per packet. In a wireless environment, ARQ has another major disadvantage, due to the requirement for a bidirectional communication link. On most wired networks the feedback channel comes for free, but on wireless networks the transmission of feedback from the receiver can be expensive, either in terms of power consumption, or due to limitations of the communication infrastructure. Forward Error Correction (FEC) is an error control method that can be used to augment or replace other methods for reliable data transmission. The main attribute of FEC schemes is that the sender adds redundant information in the messages transmitted to the receiver. This additional data allow the receiver to reconstruct the source information. Such schemes inevitably add a constant overhead in the transmitted data and are computationally expensive. In multicast protocols however, the use of FEC techniques has very strong motivations. The encoding eliminates the effect of independent losses at different receivers. This makes these schemes able to scale irrespectively of the actual loss pattern at each receiver. Additionally, the dramatic reduction in the packet loss rate largely reduces the need to send feedback to the sender. Therefore a feedback channel may not be necessary or whenever feedback sending is possible, the feedback implosion is avoided. FEC schemes are therefore so simple as to meet a prime objective for mobile multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. This is the reason why 3GPP recommends the use of application layer FEC for MBMS and, more specifically, adopts the use of Raptor FEC code. In this dissertation, a complete study of the applicability of FEC over the multicast data transmission in mobile networks is presented. The investigation is performed with the aid of a novel scheme that incorporates a probabilistic model for the multicast user distribution in the network and analyzes the multicast data delivery cost. In this framework, the impact of FEC use in MBMS is investigated. It is tried to determine the efficient working point in the trade-off between the FEC code overhead and the retransmission cost. It is examined whether FEC use is beneficial or not, how the optimal FEC code dimensioning varies based on the network conditions, which parameters affect the optimal FEC code selection and how they do it. Additionally, the study focuses on one of the most critical aspects in mobile multicast transmission which is the power control in the radio access network. The proposed scheme incorporates the properties of an evolved mobile network that uses High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) technology for high speed data delivery to mobile terminals. The assessment is not only from power consumption point of view but also from energy consumption and time perspective. It is important that the analysis is compliant with the 3GPP specifications and considers the point-to-point, the point-to-multipoint as well as the hybrid transmission that combines both bearers in the radio access network. The creation of this complete and solid framework is the motivation behind this study. The result is a full view of all the aspects of the FEC application during mobile multicast transmission, some of which have not been considered so far.

Στην εργασία αυτή προτείνεται η δημιουργία ενός κατάλληλου περιβάλλοντος ανάλυσης για Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Για την αποτελεσματική του λειτουργία είναι απαραίτητη η συλλογή, αποθήκευση, διαχείριση, επεξεργασία, ανάλυση και παρουσίαση όλων των δεδομένων που σχετίζονται με την ανάλυση του δικτύου όταν σε αυτό συνδέονται παραγωγές από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Επιλέχθηκε η χρήση των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν ως προς την αποθήκευση της πληροφορίας. Τα GIS ταξινομούν τα δεδομένα σε επίπεδα (layers). Κάθε επίπεδο περιλαμβάνει μια συγκεκριμένη πληροφορία (για παράδειγμα το ηλεκτρικό δίκτυο, γεωγραφικά δεδομένα, αιολικό δυναμικό, φωτοβολταϊκό δυναμικό, υδάτινο δυναμικό). Η υπέρθεση όλων των επιπέδων οδηγεί στη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος εξομοίωσης. Στη συνέχεια η πληροφορία αντλείται αυτόματα και αποστέλλεται σε κατάλληλο πρόγραμμα ανάλυσης δικτύων ισχύος. Στη συγκεκριμένη περίπτωση έχει επιλεγεί για την ανάλυση το πρόγραμμα ATP-EMTP. Η προτεινόμενη τεχνική είναι χρήσιμη για την ανάλυση δικτύων με τοπικές παραγωγές από ΑΠΕ (κατανεμημένη παραγωγή) όπου η μετατροπή του κλασσικού παθητικού δικτύου σε ενεργητικό αναδεικνύει διάφορα λειτουργικά-τεχνικά προβλήματα καθώς και προβλήματα σχεδιασμού. Τα προβλήματα αυτά κυρίως σχετίζονται με θέματα λειτουργίας του συστήματος όπου διαπιστώνεται ότι η διείσδυση της κατανεμημένης παραγωγής επιφέρει τις σημαντικότερες αλλαγές στις πρακτικές που χρησιμοποιούνται. Η διείσδυση της κατανεμημένης παραγωγής αυξάνει την ισχύ βραχυκύκλωσης, άρα και το ρεύμα βραχυκύκλωσης, απαιτώντας ιδιαίτερα μέτρα. Επιπλέον, με τη διείσδυση της κατανεμημένης παραγωγής και την αυξημένη πολυπλοκότητα που αυτή συνεπάγεται, αναδεικνύονται προβλήματα συντονισμού των μέσων προστασίας, αλλά και προβλήματα προστασίας των ίδιων τον μονάδων κατανεμημένης παραγωγής κατά τη σύνδεση και τη λειτουργία τους στο δίκτυο, όπως επίσης και του υπάρχοντος δικτύου με τον εξοπλισμό του. Για την εξομοίωση και ιδιαίτερα για τη μελέτη των μεταβατικών φαινόμενων σε δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας με κατανεμημένη παραγωγή είναι απαραίτητη η ύπαρξη απλών μοντέλων που είναι ικανά να τα εξομοιώσουν με επάρκεια. Η ως τώρα ερευνητική δραστηριότητα σε δυναμικά μοντέλα εστιάζεται κυρίως στις ασύγχρονες και σύγχρονες μηχανές που συμβάλουν καθοριστικά στη λειτουργία του συστήματος (εφαρμόζονται σε ανεμογεννήτριες, υδροηλεκτρικά και σε μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού-θερμότητας). Επίσης έχουν αναπτυχθεί μοντέλα για φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις ενώ υπάρχει έλλειμμα στη κυκλωματική μοντελοποίηση μονάδων παραγωγής με κυψέλες υδρογόνου. Κατόπιν τούτου και στα πλαίσια της εργασίας αναδείχτηκε η ανάγκη για ένα νέο κυκλωματικό μοντέλο κυψελίδων υδρογόνου για χρήση στην ανάλυση ηλεκτρικών δικτύων κυρίως σε επίπεδο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας το οποίο και αναπτύχθηκε. Στόχος ήταν να σχηματιστεί ένα απλουστευμένο αλλά ακριβές ηλεκτρικό ισοδύναμο που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εξομοιώσεις απότομης μεταβολής του φορτίου. Για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με τη χρήση εργαστηριακής συσκευής κυψελών υδρογόνου ισχύος 1,2 kW. / An ad-hoc environment for electric system analysis is presented in this dissertation. This environment is capable to calculate the steady and dynamic behavior of the electric grid. In order this system to operate adequately the collection, store, compilation, analysis, and presentation of all the data needed is essential. Consequently the use of Geographic Information System (GIS) is proposed, mainly due to their readiness of data store. GIS are classifying the data in layers. Every layer includes a package of information (exempli gratia the electric grid, geographic data, photovoltaic potential wind potential). The anteposition of a group layer creates the complete simulation system. After this, the information needed is dispatched to an appropriate for electric grid simulation program. This program is ATP-EMTP which is able to give reliable results and it is an open source program. The suggested technique could be used for grid analysis with renewable energy generations (distributed generations) where the old designed passive electric grid brings out several questions. These questions are related with grid stability issues where the penetration of distributed generation causes important changes to design procedures used. The distributed generation increases short circuit power at the grid. This creates an increase to short circuit currents and requires additional protection measures. Also protection selectivity issues are created. To simulate adequately the electric grid and especially its dynamic behavior the use of appropriate circuit models is essential. Until now the scientific community created efficient circuit models mainly for asynchronous and synchronous generators. Also models are developed for photovoltaic plants but not for fuel cells. A simple and novel dynamic circuit model for a proton exchange membrane (PEM) fuel cell suitable for the analysis and design of power systems is also presented in this dissertation. To evaluate the effectiveness of the proposed model its dynamic performance under load step changes is simulated. Experimental results coming from a commercial PEM fuel cell module that uses hydrogen from a pressurized cylinder at the anode and atmospheric oxygen at the cathode, clearly verify the simulation results.

- / -

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των μεθόδων βελτιστοποίησης της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών των δικτύων κυτταρικής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς σε διαλειπτικό περιβάλλον. Αρχικά γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη των συστημάτων κινητών επικοινωνιών και παρουσιάζεται το σημαντικότερο πρότυπο τρίτης γενιάς, το UMTS και τα ιδιαίτερα τεχνικά χαρακτηριστικά του. Στην συνέχεια αναλύεται το LTE το οποίο αποτελεί την τελευταία εξέλιξη των δικτύων τρίτης γενιάς και αναμένεται να αντικαταστήσει το UMTS στο άμεσο μέλλον αποτελώντας στην πραγματικότητα τον πρόδρομο των συστημάτων τέταρτης γενιάς. Στην συνέχεια εστιάζουμε στα διαλειπτικά κανάλια αναλύοντας τα φαινόμενα που παρατηρούνται σε αυτά και τα στατιστικά μοντέλα μέσα από τα οποία περιγράφονται. Παράλληλα διερευνάται η επίδραση των φαινομένων αυτών (θετική ή αρνητική) στο QoS των δικτύων τρίτης γενιάς βάσει των χαρακτηριστικών τους (όπως παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 1) και οι δυνατότητες για περαιτέρω βελτιστοποίηση κατα τον σχεδιασμό των δικτύων και την σωστή εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών του περιβάλλοντος όδευσης. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στα μοντέλα εσωτερικού χώρου λόγω του μεγάλου φορτίου κίνησης που καλούνται να εξυπηρετήσουν. Στο τελευταίο μέρος παρουσιάζεται η διαδικασία παραμετροποίησης κάποιων σημαντικών μοντέλων και τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που έγιναν στον χώρο του κτηρίου των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών. / The subject of this diploma thesis is the study of the optimization techniques of the quality of service for third generation cellular telephony networks in fading enviroment. After a short presentation of the evolution of the systems of wireless telecommunications, it is discussed UMTS the most important third generation system which dominated the european market and its technical features. LTE is also introduced, the system which is expected to replace UMTS in the near future while being the predecessor of the fourth generation systems. Then we focus on the fading channels analysing the phenomena wich are related to them and analysing the statistical models that describe them. It is also studied the effect (positive or negative) of these phenomena on the QoS of the third generation networks and the optimization methods which can be applied during the network designing process with special reference to the indoor propagation models because of the big amount of traffic load that they are asked to serve. At the last chapter of the thesis there is a presentation of the parameter setting procedure for some important models and the outcomes of the simulation that took place in the building of Electronic Engineering.

Objective of the present study is the development of design methods for the control of products’ architecture in order to obtain modular designs. Towards this target, an integrated approach is proposed, investigating the design architecture from two aspects: the -functions to parts- mapping as well as the point of view related to parts’ interactions. For the first aspect, an approach utilizing Axiomatic Design Theory is described in order to control the design architecture with regards to the -functions to parts- mapping. As far as the second aspect is concerned, two indexes are developed quantifying the design architecture in terms of the parts’ interactions perspective. Furthermore, an algorithm for clustering of product’s parts into clusters/modules is introduced. The algorithm utilizes Artificial Neural Networks (ANNs) and Design Structure Matrices (DSMs). The aforementioned developments were incorporated into a CAD based software tool, having as objective the support of modular design. Its main functions are: (a) DSM generation from product CAD model, (b) calculation of the aforementioned indexes, (c) facilitation of clustering and (d) representation of clustered DSM in CAD form. Application of the tool to real case studies from the automotive industry, provide an evaluation of the developed methods. The main outcome of the present work is the integrated approach that was proposed and realized through the software tool, which integrates methods for the handling of a product’s design architecture. This process assists in real time (during the design process) design engineers to the generation of modular designs. The evaluation of the case studies reveals the efficiency of the proposed approach to produce such designs and validates its applicability to industry. / Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων για τον έλεγχο της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής των προϊόντων. Για το σκοπό αυτό προτείνεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση η οποία διερευνά τη σχεδιαστική αρχιτεκτονική και από τις δύο της διαστάσεις: την αντιστοίχιση των λειτουργιών του προϊόντος στα μέρη από τα οποία αποτελείται καθώς και την αλληλεπίδραση που έχουν τα μέρη αυτά μεταξύ τους. Για τη πρώτη διάσταση, προτείνεται ένας τρόπος χρησιμοποίησης της Θεωρίας του Αξιωματικού Σχεδιασμού (Axiomatic Design Theory) ώστε να γίνεται έλεγχος της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής ως προς την αντιστοίχιση των λειτουργιών στα μέρη του προϊόντος. Όσον αφορά τη δεύτερη διάσταση, αναπτύσσονται δύο δείκτες οι οποίοι ποσοτικοποιούν την σχεδιαστική αρχιτεκτονική που αφορά τη δομή των αλληλεπιδράσεων των τμημάτων του προϊόντος. Επίσης, εισάγεται ένας αλγόριθμος για την ομαδοποίηση (clustering) των μερών ενός προϊόντος. Ο αλγόριθμος αυτός χρησιμοποιεί Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα και πίνακες DSM (Design Structure Matrix). Οι παραπάνω μέθοδοι ενσωματώθηκαν σε ένα λογισμικό εργαλείο που αναπτύχθηκε. Το εργαλείο αυτό συνεργάζεται με προγράμματα CAD και έχει ως στόχο την στήριξη του ομαδοποιημένου σχεδιασμού. Οι βασικές του λειτουργίες είναι η δημιουργία του πίνακα DSM ενός προϊόντος χρησιμοποιώντας το αντίστοιχο σχέδιο CAD, ο υπολογισμός των προαναφερθέντων δεικτών, η διευκόλυνση της διαδικασίας ομαδοποίησης καθώς και η αναπαράσταση σε CAD ενός ομαδοποιημένου πίνακα DSM. Μέσω της εφαρμογής του εργαλείου αυτού σε πραγματικές περιπτώσεις της αυτοκινητοβιομηχανίας, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν. Το κυριότερο αποτέλεσμα της εργασίας είναι η ολοκληρωμένη λύση που προτάθηκε και υλοποιήθηκε μέσω ενός λογισμικού εργαλείου, η οποία ενσωματώνει μεθόδους ελέγχου της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής προϊόντων. Η λύση αυτή βοηθάει σε πραγματικό χρόνο (κατά τη διάρκεια της σχεδιαστικής διαδικασίας) τους σχεδιαστές μηχανικούς, στη δημιουργία καινοτόμων σχεδιασμών. Η αξιολόγηση των περιπτώσεων της αυτοκινητοβιομηχανίας έδειξε την δυνατότητα της προτεινόμενης λύσης να παράγει τέτοιους σχεδιασμούς και επικύρωσε την εφαρμοσιμότητά της σε βιομηχανικό περιβάλλον.

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSNs) είναι πολύ αναγνωρισμένα στις μέρες μας και γύρω από αυτά έχουν αναπτυχθεί χιλιάδες εφαρμογές που με χρήση άλλης τεχνολογίας ήταν σχεδόν ακατόρθωτες. Ένα WSN αποτελείται από κόμβους οι οποίοι είναι προγραμματισμένοι να επικοινωνούν και να συλλέγουν πληροφορίες μέσω των αισθητήρων που είναι αναρτημένοι πάνω τους. Οι πληροφορίες ή σύνολο των πληροφοριών καταλήγουν τελικά στους κόμβους που είναι προγραμματισμένοι ως τερματικοί κόμβοι ή βάσεις. Οι βάσεις είναι συνήθως συνδεδεμένες με ένα υπολογιστή και μεταφέρουν τα δεδομένα του δικτύου σε αυτόν. Τα κύρια χαρακτηριστικά των ασύρματων δικτύων αισθητήρων είναι η χαμηλή κατανάλωση ενεργείας των συσκευών-κόμβων (motes), η σταθερότητα και η απλότητα του κώδικα καθώς και η μεγάλη αξιοπιστία. Μερικές εφαρμογές των WSNs είναι για παράδειγμα η μέτρηση της υγρασίας στον τάπητα ενός γηπέδου γκολφ, η παρακολούθηση των κρίσιμων μεγεθών σε μεγάλες κατασκευές (π.χ. οι τάσεις των νημάτων μιας κρεμμαστης γέφυρας ή η παρακολούθηση της καταπόνησης των δοκών ενός ουρανοξύστη). Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας αυτής παρουσιάζουμε ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων όπου οι αισθητήρες είναι έξυπνες κάμερες! Παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον η μελέτη ενός τέτοιου δικτύου καθώς και η ανάπτυξη εφαρμογών γύρω από αυτό. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are very much recognized these days, and thousands of applications have been developed in relation to them, which, would have been impossible if other technologies were used. A WSN is made up of nodes programmed to collect information through sensors attached to them and transmit them. The information ends up finally to the nodes which are programmed as terminal nodes or base-stations. These base-stations are usually connected to a computer and transfer the data that have been retrieved from the network to it. The main features of a WSN is the low energy consumption by the node equipment (motes), the stability and simplicity of the code as well as their great reliability. Some applications of the WSNs are, for example, the measurement of humidity in a golf course, the monitoring of the crucial sizes in great constructions (e.g. the tensions of the fibers in a suspension bridge, the monitoring of the strains of girders in a skyscraper) Within the context of this thesis, we present a WSN where the sensors are smart cameras! The study of such a network presents great interest as well as the development of applications based on it.

Η παρούσα εργασία ασχολείται με κινητά Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων και προτείνεται ένα αποδοτικό πρωτόκολλο διάδοσης για κινητά Δίκτυα Αισθητήρων με σταθερό σταθμό Κόμβο-Πηγή. Επίσης, υλοποιούνται σε πραγματικό πειραματικό δίκτυο ασύρματων αισθητήρων και μελετάται πειραματικά η απόδοση πρωτοκόλλων εξισορρόπησης ενέργειας. Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων αποτελούνται από μεγάλο αριθμό αυτόνομων συσκευών με περιορισμένες δυνατότητες επικοινωνίας, αποθήκευσης, επεξεργασίας και ενέργειας, που τοποθετούνται σε μια συγκεκριμένη περιοχή ενδιαφέροντος στην οποία δεν υπάρχει καμία εκ των προτέρων εγκατεστημένη δικτυακή υποδομή και γνώση της τοπολογίας. Οι κόμβοι επικοινωνούν και συνεργάζονται μεταξύ τους και ακροάζονται το περιβάλλον με τη χρήση αισθητήρων με στόχο να φέρουν σε πέρας εφαρμογές όπως είναι, ο έλεγχος κυκλοφορίας, η συλλογή μετεωρολογικών δεδομένων, η παρακολούθηση του περιβάλλοντος καθώς και εφαρμογές ασφαλείας. Η δρομολόγηση δεδομένων στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων γίνεται ως εξής, οι αισθητήρες-κόμβοι συλλέγουν δεδομένα από το περιβάλλον που ακροάζονται και τα προωθούν σε γειτονικούς κόμβους με στόχο να φτάσουν κάποια στιγμή (multi-hop routing) σε ένα κόμβο-πηγή (sink) ο οποίος έχει απεριόριστο αποθηκευτικό χώρο και ενέργεια. Για την αύξηση της διάρκειας ζωής ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές όπως είναι οι τεχνικές εξισορρόπησης ενέργειας. Στόχος στο πρόβλημα της εξισορρόπησης κατανάλωσης ενέργειας σε ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων είναι να επιτύχουμε ίση κατανάλωση ενέργειας ανά κόμβο του δικτύου ώστε να μεγιστοποιήσουμε τη διάρκεια ζωής του δικτύου αποφεύγοντας την πρόωρη αποσύνδεση του δικτύου. Τα προτεινόμενα πρωτόκολλα για κινητά δίκτυα αισθητήρων αξιολογήθηκαν πειραματικά μέσω διεξοδικής προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας ποικίλες τιμές για βασικές παραμέτρους του δικτύου και συγκρίθηκαν με υπάρχουσες ευρέως αποδεκτές μεθόδους. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τόσο ο χρόνος παράδοσης των μηνυμάτων, όσο και η ενέργεια που απαιτείται διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα, βελτιώνοντας σημαντικά την προηγούμενη σχετική έρευνα. Όσον αφορά τα πρωτόκολλα εξισορρόπησης ενέργειας, υλοποιήθηκαν σε πραγματικό πειραματικό δίκτυο και αξιολογήθηκαν πειραματικά μέσω πραγματικών πειραμάτων. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τα θεωρητικά αποτελέσματα των μελετώμενων πρωτοκόλλων. / In this thesis we study Sensor Networks that are highly dynamic and mobile, and we propose a new efficient routing protocol for mobile Sensor Networks with a static base-station/sink. Moreover, we implement energy balancing data propagation protocols in a wireless sensor network test-bed and we investigate their performance. Wireless Sensor Networks consist of a large number of small, autonomous devices, that have limited communication, storage, computational and energy resources, that are deployed in a specific area of interest where there is no prior established network infrastructure and knowledge of topology. The nodes communicate and cooperate with each other and sense the environment by using sensors to carry out applications such as control traffic, weather monitoring, environmental monitoring and security applications. The routing of data in wireless sensor network is done as follows, the sensor-nodes sense the environment, collect data and relay the data to adjacent nodes in order to reach in a multi-hop way to a base station (sink) which has unlimited storage and energy resources. There have been developed various techniques to increase the lifetime of a wireless sensor network such as energy balancing propagation techniques. The goal of the energy balancing propagation schemes is to achieve equal energy consumption per node in order to maximize the lifetime of the network by avoiding early disconnection of the network. An extensive performance comparison of the protocols for mobile sensor networks proposed in this study to relevant methods from the state of the art demonstrates significant improvements i.e. latency is reduced by even four times while keeping energy dissipation and delivery success at very satisfactory levels. Regarding the energy balancing protocols, we have implemented them in a real experimental testbed and evaluated them experimentally via real experiments. The experimental results confirm the theoretical results of the studied protocols.

Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον στη μελέτη δικτύων (γραφημάτων) που προκύπτουν από διάφορες κοινωνικές, τεχνολογικές και επιστημονικές δραστηριότητες. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν το γράφημα του Διαδικτύου, το γράφημα του Παγκοσμίου Ιστού, κοινωνικά δίκτυα αναπαράστασης της αλληλεπίδρασης των ατόμων στην κοινωνία ή των χρηστών σε υπηρεσίες κοινωνικής δικτύωσης, δίκτυα μοντελοποίησης της συνεργασίας μεταξύ οντοτήτων, βιολογικά δίκτυα, κ.α.. Βασικό χαρακτηριστικό των γραφημάτων αυτών αποτελεί το μεγάλο μέγεθός τους, κάτι που πολλές φορές δυσχαιρένει την ανάλυση και μελέτη τους. Επιπλέον, τα γραφήματα αυτά στις περισσότερες περιπτώσεις δεν είναι στατικά, αλλά εξελίσσονται στο χρόνο με την προσθήκη-διαγραφή κόμβων και ακμών. Έτσι, ορισμένα από τα ερωτήματα που προκύπτουν και έχουν απασχολήσει την ερευνητική κοινότητα είναι πώς μπορούμε να αναλύσουμε τέτοιου είδους γραφήματα και να εξάγουμε ενδιαφέρουσα πληροφορία, ποια είναι η δομή των γραφημάτων αυτών, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο δομούνται και εξελίσσονται στο χρόνο. Ένα σημαντικό θέμα που σχετίζεται με τη δομή των γραφημάτων αυτών, αποτελεί η έννοια της ανθεκτικότητας. Γενικά, ένα γράφημα χαρακτηρίζεται ως ανθεκτικό, αν έχει τη δυνατότητα να διατηρήσει τη δομή του και τις ιδιότητες συνεκτικότητας που κατέχει, ύστερα από την απώλεια ενός μέρους των κόμβων και ακμών του. Η ιδιότητα της ανθεκτικότητας σε πραγματικά γραφήματα είναι άμεσα συνυφασμένη με την έννοια της δομής κοινοτήτων (community structure), δηλαδή της οργάνωσης των κόμβων σε ομάδες με υψηλό πλήθος συνδέσεων μεταξύ κόμβων της ίδιας ομάδας και μικρό πλήθος μεταξύ κόμβων που ανήκουν σε διαφορετικές ομάδες. Πώς μπορούμε να κάνουμε μια γρήγορη εκτίμηση των ιδιοτήτων ανθεκτικότητας ενός γραφήματος, χωρίς να επιτελέσουμε μια διαδικασία διαγραφής κόμβων και ακμών όπου σε κάθε βήμα υπολογίζεται η συνεκτικότητα; Με άλλα λόγια, υπάρχει κάποιος δείκτης (μετρική) που μπορεί να μας ενημερώσει τόσο για την ανθεκτικότητα όσο και για τις ιδιότητες δομής κοινοτήτων ενός γραφήματος, ο οποίος θα μπορεί να υπολογιστεί αρκετά γρήγορα ακόμα και για γραφήματα με εκατομμύρια κόμβους και ακμές; Επιπλέον, εάν το γράφημα εξελίσσεται στο χρόνο, τι μπορούμε να πούμε για την ανθεκτικότητά του και κατ' επέκταση, για τις ιδιότητες δομής κοινοτήτων που διαθέτει; Υπάρχει κάποια κοινή ιδιότητα (πρότυπο) στα κοινωνικά γραφήματα που σχετίζεται με τη χρονική εξέλιξη των ιδιοτήτων αυτών; Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας προσπαθούμε να απαντήσουμε τα παραπάνω ερωτήματα, μελετώντας τις ιδιότητες επέκτασης κοινωνικών γραφημάτων μεγάλης κλίμακας. Αρχικά παρουσιάζουμε μια μετρική που έχει τη δυνατότητα να χαρακτηρίσει τόσο την ανθεκτικότητα όσο και τις ιδιότητες δομής κοινοτήτων ενός γραφήματος και περιγράφουμε πώς μπορούμε να την υπολογίσουμε αποδοτικά και αποτελεσματικά εκμεταλλευόμενοι ορισμένες ιδιαίτερες φασματικές ιδιότητες των πραγματικών γραφημάτων. Στη συνέχεια, εφαρμόζουμε τη μετρική αυτή σε ένα μεγάλο πλήθος στατικών κοινωνικών γραφημάτων μεγάλης κλίμακας και παρατηρούμε ορισμένες ενδιαφέρουσες ιδιότητες που σχετίζονται με την ανθεκτικότητά του και κατ΄ επέκταση με τις ιδιότητες δομής κοινοτήτων που εμφανίζουν. Μελετάμε πώς οι ιδιότητες αυτές αλλάζουν στον χρόνο, καθώς το γράφημα εξελίσσεται και παρατηρούμε ορισμένα ενδιαφέροντα πρότυπα. Τέλος, παρουσιάζουμε πώς μπορούμε να εντοπίσουμε ανωμαλίες σε γραφήματα που εξελίσσονται στο χρόνο, μελετώντας τις ιδιότητες που σχετίζονται με την ανθεκτικότητά του. / Over the last few years there has been a lot of interest in the study of complex network structures (or graphs) arising in many diverse settings. Characteristic examples are networks from the domain of sociology (e.g., social networks), technological and information networks (e.g., the Internet, the Web, email exchange networks, social interaction networks over social media applications), biological networks (e.g., protein interactions), collaboration and citation networks (e.g., coauthorship networks), and many more. A basic characteristic of these networks is their large scale (size), which in many cases hinder their study. Moreover, the graphs usually are not static, but they evolve over time with the addition/deletion of nodes and edges. A large amount of research work has been devoted on understanding the structure, the organization and the evolution of these networks, with many interesting results. One important aspect which is related to the structure of such graphs, is the notion of robustness. Generally, a graph is characterized as robust, if it is capable to retain its structure and its connectivity properties after the loss of a portion of its nodes and edges. The property of robustness in real-world graphs is closely related to the notion of community structure, where the network is organized based on a modular architecture, presenting well-defined clusters with large inter-cluster and small intra-cluster edge density. We expect that the robustness of a network with good community structure will be poor, since it can be easily become disconnected with the removal of the edges which connect the different clusters. How can we do this estimation quickly without removing edges and nodes and measuring the connectivity? In other words, is there a robustness and community structure index (metric) which can be computed fast enough, even for graphs with millions of nodes and edges? Moreover, if the network evolves over time, what can we say about its robustness, and as an extension, about its community structure? Is there a common pattern in social graphs that govern the time evolution of these properties? In this thesis, we tackle the problem of estimating the robustness properties of a graph quickly, studying the expansion properties of several real-world time-evolving social graphs. First, we present a metric which can be used to characterize both the robustness and the community structure properties of a graph. We present how to efficiently and effectively compute this measure, exploiting the special spectral properties of real-world graphs. Then, we apply this method to several large static social graphs, and we observe some interesting properties that are related to their robustness. We study how these properties change over time, while the graph evolves, and we observe interesting patterns. Finally, we show how to spot outliers and detect anomalies in graphs that evolve over time, examining the change of the robustness properties of a graph.