Ο σκοπός της παρούσας εργασίας αφορά ένα αντικείμενο που έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην οικονομική αγορά, την τεχνολογική εξέλιξη και τα Διεθνή Δίκτυα Παραγωγής. Το πρώτο μέρος της εργασίας αφορά στο θεωρητικό πλαίσιο ώστε να γίνει κατανοητός ο όρος Διεθνών Δικτύων Παραγωγής και γενικότερα τα χαρακτηριστικά, τα πλεονεκτήματα και τα επιμέρους τμήματα που τα αποτελούν. Επίσης αναφέρεται η άμεση σχέση των δικτύων με το Κράτος , το ανθρώπινο δυναμικό καθώς και οι άμεσες επιπτώσεις από την ανάπτυξη των δικτύων δηλαδή την διάχυση της τεχνολογίας και της γνώσης. Τέλος, η μελέτη ολοκληρώνεται με την αναφορά μιας μελέτης περίπτωσης για το κλάδο της αυτοκινητοβιομηχανίας γενικότερα, και ειδικότερα στην Ταϊλάνδη. / The purpose of this work it refers to a subject that has a particular interest in the financial market, technological progress and Global Production Networks. The first part of this project concerns the theoretical framework to understand the term of Global Production Networks and general characteristics, advantages and the individual parts that a network includes. Also, the networks are directly connected with the State, the human resources and the direct impact of the development of networks in the diffusion of technology and knowledge. Finally, the study concludes with a report of a case study for the automotive industry in general and particularly in Thailand.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός Συστήματος Υποστήριξης Αποφάσεων βασισμένο στα Ασαφή Γνωστικά Δίκτυα, το οποίο θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον ιατρικό τομέα για τη διάγνωση ασθενειών και πιο συγκεκριμένα της νόσου του Parkinson. Αρχικά θα γίνει περιγραφή των Ασαφών Γνωστικών Δικτύων αλλά και του τρόπου υλοποίησης ενός Συστήματος Υποστήριξης Αποφάσεων για τη διάγνωση της νόσου του Parkinson. Στη συνέχεια θα γίνει πείραμα με στόχο να διαγνωσθεί το στάδιο, στο οποίο βρίσκονται τρεις ασθενείς. Αυτή η διάγνωση θα γίνει με δύο διαφορετικούς τρόπους. Τέλος θα συγκριθούν και θα αναλυθούν τα πειραματικά αποτελέσματα καθώς και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από μία τέτοια έρευνα. / The purpose of this diploma thesis is to develop a Decision Support System based on Fuzzy Cognitive Maps. This system can be used in medicine in order to diagnose diseases, and more specifically Parkinson’s disease. After that three patients will be examined and the system will diagnose the stage of their disease. This diagnose will be achieved in two different ways. Finally we will compare and analyze the experimental results and the conclusions derived from such research.

Οι απαιτήσεις των δικτύων διασύνδεσης, στα υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης, αυξάνονται με αλματώδη ρυθμό τόσο σε χωρητικότητα, όσο και σε ρυθμούς σηματοδοσίας που πρέπει να εξυπηρετηθούν. Αυτή η αύξηση των ρυθμών σηματοδοσίας επιβάλλει την αντικατάσταση των ηλεκτρικών διακοπτών που χρησιμοποιούνται μέχρι τώρα, από τους οπτικούς. Η τεχνολογία των οπτικών ινών παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα για τέτοιες εφαρμογές διότι επιτρέπει τη μετάδοση σε μεγαλύτερες αποστάσεις, παρέχει ευρυζωνικότητα, είναι πιο ανθεκτική στην ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, και μπορεί να είναι πιο συμφέρουσα ενεργειακά, κάτι που εξαρτάται από το ρυθμό σηματοδοσίας και το μήκος της ζεύξης. Σε αυτή την κατεύθυνση, αυτή η διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στο σχεδιασμό και την επίδειξη οικονομικά συμφέροντων, υψηλής διεκπαιρεωτικής ικανότητας, οπτικών δικτύων διασύνδεσης ικρυωμάτων για τα exascale (10^18 Flops) υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης και τα κέντρα δεδομένων. Ειδικότερα, μελετάται μία πρωτότυπη, οικονομικά βελτιστοποιημένη, αρχιτεκτονική ενός αμιγώς οπτικού δικτύου διασύνδεσης η οποία χρησιμοποιεί οπτικούς ημιαγωγικούς ενισχυτές για να επιτελέσει τη μεταγωγή. Αυτή η προτεινόμενη, οικονομικότερη εκδοχή του υπο μελέτη N×N αμιγώς οπτικού, ραβδεπαφικού διακόπτη, χρησιμοποιεί ένα μειωμένο αριθμό απαιτούμενων πυλών ON/OFF. Στην παρούσα διατριβή η προτεινόμενη αρχιτεκτονική συγκρίνεται με την αρχικά προταθείσα και αποδεικνύεται η εξίσου καλή λειτουργία της με την πρώτη, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Επιπλέον, για την αύξηση της χωρητικότητας και παράλληλα για την καταπολέμηση των φαινομένων μετάδοσης στο δίκτυο διασύνδεσης (ιδιαίτερα της αυτοδιαμόρφωσης και ετεροδιαμόρφωσης της απολαβής (SGM και XGM), της αυτοδιαμόρφωσης και ετεροδιαμόρφωσης της φάσης (SPM και XPM), και της εξάρτησης της απολαβής από την πόλωση (PDG)), μελετώνται, εκτός από την τεχνική διαμόρφωσης πλάτους με άμεσης φώραση (IM/DD), διάφορες προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης όπως η διαφορική διαμόρφωση φάσης (DPSK) με άμεση φώραση, η διαμόρφωση με ορθογώνια πολυπλεξία συχνότητας (OFDM) με άμεση φώραση, καθώς και μελλοντικά υποψήφιες τεχνικές διαμόρφωσης, για τέτοια είδους δίκτυα, όπως η τετραδική διαμόρφωση φάσης με πολυπλεξία της πόλωσης (PDM-QPSK), και η δεκαεξαδική διαμόρφωση φάσης και πλάτους (16QAM) χωρίς (SP) και με (PDM) πολυπλεξία της πόλωσης, με σύμφωνη φώραση. Τέλος, ως δεύτερη ερευνητική δραστηριότητα, μελετώνται ζεύξεις σημείου-προς-σημείο, που βασίζονται στη χρήση πομπών κάθετης κοιλότητας επιφανειακής εκπομπής (VCSELs) και πολύτροπες (MMF) ή μονότροπες (SMF) ίνες, σε συνδυασμό με συμβατικές τεχνικές διαμόρφωσης, όπως η ΙΜ/DD, και προηγμένες, όπως η διαμόρφωση πλάτους τεσσάρων επιπέδων (4-PAM), και η OFDM διαμόρφωση. Η χρήση των παραπάνω τεχνολογιών επιτρέπει την αύξηση της χωρητικότητας και τη μείωση του κόστους στα τρέχοντα συστήματα οπτικής διασύνδεσης. / Data rates are continuing to increase for box-to-box, rack-to-rack, board-to-board, and chip-to-chip interconnects for terabit switches and routers, multiprocessor computers and high-end servers. The increase in individual line rates and bandwidth drives the need to replace copper interconnects with optical interconnects. Fiber optics are advantageous for these applications because they allow for longer link lengths, increased bandwidth, smaller cables and connectors, less susceptibility to electromagnetic interference, and potentially lower power dissipation, depending on the data rate and link length. Towards this direction, this thesis aims to design and demonstrate low-cost, low-latency, high throughput, rack-to-rack optical interconnect architectures for exascale (i.e., performing 10^18 floating point operations per second) high-performance computing (HPC) systems and data centers. In particular, a novel, cost-effective, optical interconnect architecture for ultrafast optical switching, based on semiconductor optical amplifiers (SOAs), is studied. The proposed design of a fast N×N all-optical, wavelength-space crossbar switch for optical interconnects uses a minimum number of ON/OFF gates. This thesis compares and proves the superiority of the proposed architecture with respect to its originally-proposed counterpart, both theoretically and experimentally. Additionally, in order to increase the capacity and to minimize the impact of transmission effects (especially self-gain modulation (SGM), cross-gain modulation (XGM), self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM), and polarization dependent gain (PDG)), we investigate the performance of conventional binary intensity modulation (IM), in conjunction with direct detection, as well as of advanced, more resilient, spectrally-efficient modulation formats (e.g., Differential Phase Shift Keying (DPSK), Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Polarization Division Multiplexed Quadrature Phase Shift Keying (PDM-QPSK), Single (SP)- and PDM- 16-ary Quadrature Amplitude Modulation (16QAM) in conjunction with coherent detection). Finally, as a seperate research activity, we study the performance of point-to-point links based on vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and single- or multi- mode fibers, in conjuction with IM/DD, four-level Pulse Amplitude Modulation (4-PAM), and OFDM, to enable state-of-the-art, high-capacity, low-cost optical interconnects.

Τα κατανεμημένα δίκτυα κλίμακας Ίντερνετ και κυρίως τα δίκτυα ομοτίμων εταίρων, γνωστά και ως peer-to-peer (p2p), που αποτελούν το πιο αντιπροσωπευτικό παράδειγμά τους, προσελκύουν τα τελευταία χρόνια μεγάλο ενδιαφέρον από τους ερευνητές και τις επιχειρήσεις λόγω των ιδιόμορφων χαρακτηριστικών τους, όπως ο πλήρης αποκεντρωτικός χαρακτήρας, η αυτονομία των κόμβων, η ικανότητα κλιμάκωσης, κ.λπ. Αρχικά σχεδιασμένα να υποστηρίζουν εφαρμογές διαμοιρασμού αρχείων με βασική υπηρεσία την επεξεργασία απλών ερωτημάτων, σύντομα εξελίχτηκαν σε ένα καινούργιο μοντέλο κατανεμημένων συστημάτων, με μεγάλες και αυξανόμενες δυνατότητες για διαδικτυακές εφαρμογές, υποστηρίζοντας πολύπλοκες εφαρμογές διαμοιρασμού δομημένων και σημασιολογικά προσδιορισμένων δεδομένων. Η προσέγγισή μας στην περιοχή αυτή γίνεται προς δύο βασικές κατευθύνσεις: (α) την επεξεργασία πολύπλοκων ερωτημάτων και (β) την εκτίμηση των ανομοιομορφιών των διαφόρων κατανομών που συναντάμε στα δίκτυα αυτά (π.χ. φορτίου, προσφοράς ή κατανάλωσης ενός πόρου, τιμών των δεδομένων των κόμβων, κ.λπ.), που εκτός των άλλων αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο στην υποστήριξη πολύπλοκων ερωτημάτων. Συγκεκριμένα, ασχολούμαστε και επιλύουμε τρία βασικά ανοικτά προβλήματα. Το πρώτο ανοικτό πρόβλημα είναι η επεξεργασία ερωτημάτων εύρους τιμών σε ομότιμα συστήματα κατανεμημένου πίνακα κατακερματισμού, με ταυτόχρονη εξασφάλιση της εξισορρόπησης του φορτίου των κόμβων και της ανοχής σε σφάλματα. Προτείνουμε μια αρχιτεκτονική επικάλυψης, που ονομάζουμε Saturn, που εφαρμόζεται πάνω από ένα δίκτυο κατανεμημένου πίνακα κατακερματισμού. Η αρχιτεκτονική Saturn χρησιμοποιεί: (α) μια πρωτότυπη συνάρτηση κατακερματισμού που τοποθετεί διαδοχικές τιμές δεδομένων σε γειτονικούς κόμβους, για την αποδοτική επεξεργασία των ερωτημάτων εύρους τιμών και (β) την αντιγραφή, για την εξασφάλιση της εξισορρόπησης του φορτίου προσπελάσεων (κάθετη, καθοδηγούμενη από το φορτίο αντιγραφή) και της ανοχής σε σφάλματα (οριζόντια αντιγραφή). Μέσα από μια εκτεταμένη πειραματική αξιολόγηση του Saturn και σύγκριση με δύο βασικά δίκτυα κατανεμημένου πίνακα κατακερματισμού (Chord και OP-Chord) πιστοποιούμε την ανωτερότητα του Saturn να αντιμετωπίζει και τα τρία ζητήματα που θέσαμε, αλλά και την ικανότητά του να συντονίζει το βαθμό αντιγραφής ώστε να ανταλλάζει ανάμεσα στο κόστος αντιγραφής και στο βαθμό εξισορρόπησης του φορτίου. Το δεύτερο ανοικτό πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε αφορά την έλλειψη κατάλληλων μετρικών που να εκφράζουν τις ανομοιομορφίες των διαφόρων κατανομών (όπως, για παράδειγμα, το βαθμό δικαιοσύνης μιας κατανομής φορτίου) σε κατανεμημένα δίκτυα κλίμακας Ίντερνετ και την μη αποτελεσματική ή δυναμική εκμετάλλευση μετρικών ανομοιομορφίας σε συνδυασμό με αλγορίθμους διόρθωσης (όπως ο αλγόριθμος εξισορρόπησης φορτίου). Το πρόβλημα είναι σημαντικό γιατί η εκτίμηση των κατανομών συντελεί στην ικανότητα κλιμάκωσης και στην επίδοση αυτών των δικτύων. Αρχικά, προτείνουμε τρεις μετρικές ανομοιομορφίας (το συντελεστή του Gini, τον δείκτη δικαιοσύνης και το συντελεστή διασποράς) μετά από μια αναλυτική αξιολόγηση μεταξύ γνωστών μετρικών εκτίμησης ανομοιομορφίας και στη συνέχεια, αναπτύσσουμε τεχνικές δειγματοληψίας (τρεις γνωστές τεχνικές και τρεις προτεινόμενες) για τη δυναμική εκτίμηση αυτών των μετρικών. Με εκτεταμένα πειράματα αξιολογούμε συγκριτικά τους προτεινόμενους αλγορίθμους εκτίμησης και τις τρεις μετρικές και επιδεικνύουμε πώς αυτές οι μετρικές και ειδικά, ο συντελεστής του Gini, μπορούν να χρησιμοποιηθούν εύκολα και δυναμικά από υψηλότερου επιπέδου αλγορίθμους, οι οποίοι μπορούν τώρα να ξέρουν πότε να επέμβουν για να διορθώσουν τις άδικες κατανομές. Το τρίτο και τελευταίο ανοικτό πρόβλημα αφορά την εκτίμηση του μεγέθους αυτοσύνδεσης μιας σχέσης όπου οι πλειάδες της είναι κατανεμημένες σε κόμβους δεδομένων που αποτελούν ένα ομότιμο δίκτυο επικάλυψης. Το μέγεθος αυτοσύνδεσης έχει χρησιμοποιηθεί εκτεταμένα σε συγκεντρωτικές βάσεις δεδομένων για τη βελτιστοποίηση ερωτημάτων και υποστηρίζουμε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε ένα πλήθος άλλων εφαρμογών, ειδικά στα ομότιμα δίκτυα (π.χ. συσταδοποίηση του Ιστού, αναζήτηση στον Ιστό, κ.λπ.). Η συνεισφορά μας περιλαμβάνει, αρχικά, τις προσαρμογές πέντε γνωστών συγκεντρωτικών τεχνικών εκτίμησης του μεγέθους αυτοσύνδεσης (συγκεκριμένα, σειριακή, ετεροδειγματοληπτική, προσαρμοστική και διεστιακή δειγματοληψία και δειγματοληψία με μέτρηση δείγματος) στο περιβάλλον ομοτίμων εταίρων και η ανάπτυξη μια πρωτότυπης τεχνικής εκτίμησης του μεγέθους αυτοσύνδεσης, βασισμένη στο συντελεστή του Gini. Με μαθηματική ανάλυση δείχνουμε ότι οι εκτιμήσεις του συντελεστή του Gini μπορούν να οδηγήσουν σε εκτιμήσεις των υποκείμενων κατανομών δεδομένων, όταν αυτά ακολουθούν το νόμο της δύναμης ή το νόμο του Zipf και αυτές, με τη σειρά τους, σε εκτιμήσεις του μεγέθους αυτοσύνδεσης των σχέσεων των δεδομένων. Μετά από αναλυτική πειραματική μελέτη και σύγκριση όλων των παραπάνω τεχνικών αποδεικνύουμε ότι η καινούργια τεχνική που προτείνουμε είναι πολύ αποτελεσματική ως προς την ακρίβεια, την πιστότητα και την απόδοση έναντι των άλλων πέντε μεθόδων. / The distributed, Internet-scale networks, and mainly, the peer-to-peer networks (p2p), that constitute their most representative example, recently attract a great interest from the researchers and the industry, due to their outstanding properties, such as full decentralization, autonomy of nodes, scalability, etc. Initially designed to support file sharing applications with simple lookup operations, they soon developed in a new model of distributed systems, with many and increasing possibilities for Internet applications, supporting complex applications of structured and semantically rich data. Our research to the area has two basic points of view: (a) complex query processing and (b) estimation of skewness in various distributions existing in these networks (e.g. load distribution, distribution of offer, or consumption of resources, data value distributions, etc), which, among others, it is an important tool to complex query processing support. Specifically, we deal with and solve three basic open problems. The first open problem is range query processing in p2p systems based on distributed hash tables (DHT), with simultaneous guarantees of access load balancing and fault tolerance. We propose an overlay DHT architecture, coined Saturn. Saturn uses a novel order-preserving hash function that places consecutive data values in successive nodes to provide efficient range query processing, and replication to guarantee access load balancing (vertical, load-driven replication) and fault tolerance (horizontal replication). With extensive experimentation, we evaluate and compare Saturn with two basic DHT networks (Chord and OP - Chord), and certify its superiority to cope with the three above requirements, but also its ability to tune the degree of replication to trade off replication costs for access load balancing. The second open problem that we face concerns the lack of appropriate metrics to express the degree of skewness of various distributions (for example, the fairness degree of load balancing) in p2p networks, and the inefficient and offline-only exploitation of metrics of skewness, which does not enable any cooperation with corrective algorithms (for example, load balancing algorithms). The problem is important because estimation of distribution fairness contributes to system scalability and efficiency. First, after a comprehensive study and evaluation of popular metrics of skewness, we propose three of them (the coefficient of Gini, the fairness index, and the coefficient of variation), and, then, we develop sampling techniques (three already known techniques, and three novel ones) to dynamically estimate these metrics. With extensive experimentation, which comparatively evaluates both the various proposed estimation algorithms and the three metrics we propose, we show how these three metrics, and especially, the coefficient of Gini, can be easily utilized online by higher-level algorithms, which can now know when to best intervene to correct unfairness. The third and last open problem concerns self-join size estimation of a relation whose tuples are distributed over data nodes which comprise an overlay network. Self-join size has been extensively used in centralized databases for query optimization purposes, and we support that it can also be used in various other applications, specifically in p2p networks (e.g. web clustering, web searching, etc). Our contribution first includes the adaptations of five well-known self-join size estimation, centralized techniques (specifically, sequential sampling, cross-sampling, adaptive and bifocal sampling, and sample-count) to the p2p environment and a novel estimation technique which is based on the Gini coefficient. With mathematical analysis we show that, the estimates of the Gini coefficient can lead to estimates of the degree of skewness of the underlying data distribution, when these follow the power, or Zipf’s law, and these estimates can lead to self-join size estimates of those data relations. With extensive experimental study and comparison of all above techniques, we prove that the proposed technique is very efficient in terms of accuracy, precision, and cost of estimation against the other five methods.

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

Η πρόσφατη τεχνολογική ανάπτυξη των οπτικών ενισχυτών, πολυπλεκτών/αποπλεκτών, οπτικών διακοπτών καθώς και άλλων οπτικών συσκευών μας οδηγεί στο να ελπίζουμε ότι σύντομα στο μέλλον θα υλοποιηθεί ένα πλήρες οπτικό (all optical), WDM (wavelength division multiplexing) δίκτυο που να ικανοποιεί και την ανάγκη για μεγάλα μεγέθη χωρητικότητας. Σε ένα τέτοιο δίκτυο η μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρονικό και εκ νέου στο οπτικό (ΟΕΟ) δεν θα χρησιμοποιείται στους ενδιάμεσους κόμβους, και αυτό συμβάλει σε οικονομικότερες υλοποιήσεις των οπτικών δικτύων. Σε ένα WDM δρομολογούμενο δίκτυο, τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω ενός οπτικού καναλιού, lightpath, στους κόμβους του δικτύου που συνδέονται με οπτικές ίνες. Στις πλείστες των περιπτώσεων, κατά την άφιξη ενός lightpath σε κάποιο κόμβο, εφαρμόζεται σε αυτό οπτικό-ηλεκτρονική μετατροπή και αντίστροφα, ούτως ώστε το σήμα να αναδημιουργηθεί λόγω των απωλειών που υπέστη κατά την μεταφορά, ή ακόμη για να αναλυθεί από ενδιάμεσες ηλεκτρονικές συσκευές. Στα μη πλήρη οπτικά δίκτυα, η μεταφορά των δεδομένων γίνεται από κόμβο σε κόμβο κατά μήκος του δικτύου, ούτως ώστε το οπτικό σήμα να ενισχύεται και να αναγεννάτε μέσω της OEO επεξεργασίας. Παρ’ όλα αυτά, η κάθε ενδιάμεση ανάλυση του θέματος σε ένα τέτοιο δίκτυο προϋποθέτει πολύ μεγάλα κόστη λόγω των πολλών συσκευών που απαιτούνται για τη OEO επεξεργασία. Το γεγονός αυτό μας οδηγεί στα ημί-πλήρη δίκτυα όπου η ενίσχυση και αναγέννηση του θέματος δε γίνεται σε όλους τους ενδιάμεσους κόμβους αλλά σε μερικούς από αυτούς. Ο τελικός στόχος όμως είναι η απαλοιφή της ηλεκτρονικής μετατροπής και αυτό οδηγεί στην υλοποίηση των πλήρως οπτικών δικτύων. Στα πλήρη οπτικά δίκτυα, ένα σήμα που μεταδίδεται παραμένει, για όλο το lightpath, στο οπτικό επίπεδο. Έτσι, το πλήρες οπτικό δίκτυο μπορεί να απαλείψει την ασύμφορη OEO μετατροπή. Η αναζήτηση των κατάλληλων μονοπατιών με τα κατάλληλα μήκη κύματος που θα ικανοποιούσε ένα πλήρες οπτικό δίκτυο το οποίο δρομολογείται από ligthpaths, ονομάζεται Routing and Wavelength Assignment (RWA) και αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα για το σωστό σχεδιασμό των οπτικών δικτύων τέτοιου είδους. Το πρόβλημα γίνεται ιδιαίτερα πολύπλοκο όταν στην τελική απόφαση θα πρέπει να συμπεριληφθούν και τα χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου του δικτύου, όπως εξασθένιση του σήματος, μη γραμμικά φαινόμενα, διασπορά κ.ά, η συμβολή των οποίων στην τελική δρομολόγηση δεν θεωρείται αμελητέα (Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment, ΙΑ-RWA). Σε αυτή την εργασία μελετάται το RWA πρόβλημα και προτείνεται ένας μονού στόχου γενετικός αλγόριθμος (Single Objective Genetic Algorithm - SOGA), ο οποίος επιλύει ικανοποιητικά το πρόβλημα θεωρώντας στατική κίνηση. Επιπλέον τονίζεται η σημασία των φυσικών παραμέτρων του προβλήματος και πως αυτές επηρεάζουν την απόδοση του πλήρους οπτικού δικτυου. Στη συνέχεια προτείνεται ένας νέος, πολλαπλών στόχων γενετικός αλγόριθμος (multi objective genetic algorithm – MOGA) ο οποίος βελτιστοποιεί τις λύσεις του προβλήματος ικανοποιητικά λαμβάνοντας ταυτόχρονα υπόψη, με έμμεσο τρόπο, και τις φυσικές παραμέτρους. Επίσης προτείνεται και ένας μονού στόχου γενετικός αλγόριθμος οποίος χρησιμοποιεί ένα εργαλείο αποτίμηση της ποιότητας μετάδοσης (Q-TOOL) σαν μέτρο κατά τη διαδικασία εύρεσης ικανοποιητικής λύσης. Το υπόλοιπο της εργασίας οργανώνεται ως ακολούθως: Στην ενότητα 2 παρουσιάζεται μια σύντομη αναφορά στα WDM δίκτυα καθώς και η περιγραφή του RWA και IA-RWA προβλήματος, ενώ στην ενότητα 3 παρουσιάζεται η πρόταση επίλυσης του RWA προβληματος με τη χρήση γενετικών αλγορίθμων. Ακολουθεί στην ενότητα 4 η πρότασή μας για επίλυση του IA-RWA προβλήματος με τη χρήση Multi-objective διαδικασιών βελτιστοποίησης, καθώς και η βελτιστοποίηση του προβλήματος με τη χρήση του Q-TOOL. Τέλος στην ενότητα 5 συνοψίζουμε την εργασία και παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα. / The recent development of optical amplifiers, multiplexers / de-multiplexers, optical switches and other optical devices leads us to hope that soon in future all optical, WDM (wavelength division multiplexing) networks will be implemented which that will satisfy the needs for large capacity. In such networks a viable conversion of the optical -> Electronic and back to optical (OEO) will not be used at intermediate nodes, and this will contribute to efficient and economical implementation. The search for the appropriate paths with the appropriate wavelengths that meet the requirement in all optical networks is called Routing and Wavelength Assignment (RWA) and is one of the most important issues for proper design of such optical networks. The problem becomes particularly complex when the final decision should include the characteristics of the physical layer of the network, such as attenuation of the signal, nonlinear effects, dispersion, etc., whose contribution to the final result is not considered negligible (Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment,IA-RWA). This work studies the RWA problem considering static traffic, and proposes a single-objective genetic algorithm (Single Objective Genetic Algorithm - SOGA), which resolves the problem satisfactorily. Furthermore the work stresses the importance of physical parameters of the problem and how these affect the performance of the all optical networks, and proposes a new, multi-objective genetic algorithm (MOGA) which optimizes the solution of IA-RWA problem adequately taking into account indirectly, and the physical impairments that affect the quality of the signal. In addition, a single objective genetic algorithm is proposed that uses a tool to assess the quality of the transmission signal (Q-TOOL), as a benchmark, in the process of optimization of the solution to the IA-RWA problem.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, ασχολούµαστε µε ζητήµατα που ανακύπτουν σε ασύρµατα δίκτυα επικοινωνίας, δηλ. δίκτυα που βασίζονται σε τηλεπικοινωνιακή υποδοµή όπως τα κυψελικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, δίκτυα αυτόνοµων ασύρµατων εκποµπών όπως τα ασύρµατα δίκτυα τύπου ad hoc, κτλ. Τα ασύρµατα δίκτυα επικοινωνίας διαφόρων τύπων έχουν εξελιχθεί σηµαντικά τα τελευταία χρόνια. Ειδικότερα, τα ασύρµατα αδόµητα δίκτυα (ή αλλιώς ασύρµατα δίκτυα τύπου ad hoc) έχουν προσελκύσει το έντονο εν­διαφέρον της επιστηµονικής κοινότητας λόγω των πολλών εφαρµογών που έχουν κυρίως σε περιπτώσεις όπου δεν είναι δυνατή ή επιθυµητή η ολική ή µερική κάλυψη µέσω υποδοµής µε βάση την ενσύρµατη δικτύωση (π.χ., επι­κοινωνία σε δυσπρόσιτες ή αποµακρυσµένες περιοχές, φυσικές καταστροφές, στρατιωτικές εφαρµογές, κλπ.). ΄Οπως και στα παραδοσιακά ενσύρµατα δίκτυα, σηµαντικό πρόβληµα αποτελεί η εγκαθίδρυση σχηµάτων επικοινωνίας όπως διάδοση (broadcasting, multicasting), επικοινωνία όλων µε όλους (gossiping, all-to-all communica­tion), και επικοινωνία σε οµάδες (group communication). Για την επικοινω­νία απαιτείται η κατανάλωση ενέργειας στους κόµβους του δικτύου και, λαµβ.άνοντας υπόψη ότι τα αδόµητα ασύρµατα δίκτυα χρησιµοποιούν κόµβους µε περιορισµένα αποθέµατα ενέργειας, είναι απαραίτητη η ορθολογιστική χρήση αυτής της ενέργειας κατά την επικοινωνία. Αυτό µπορεί να σηµαίνει ότι είναι επιθυµητή είτε η ελαχιστοποίηση της συνολικής ενέργειας που κα­ταναλώνεται στους κόµβους του δικτύου για επικοινωνία ή η ελαχιστοποίηση της µέγιστης ενέργειας ώστε να επιτυγχάνεται όσο το δυνατό µεγαλύτερος χρόνος ζωής όλων των κόµβων του δικτύου. Στη διατριβή εξετάζουµε αλγόριθ­µους για την εγκαθίδρυση διαφορετικών σχηµάτων επικοινωνίας σε αδόµητα ασύρµατα δίκτυα όπου βασικό κριτήριο για την εκτίµηση της απόδοσής τους θα είναι η κατανάλωση ενέργειας που επιφέρουν στο δίκτυο. Μοντελοποιούµε τα δίκτυα µε ειδικά γραφήµατα και τα αντίστοιχα προβλήµατα επικοινωνίας σαν προβλήµατα συνδυαστικής βελτιστοποίησης στα γραφήµατα αυτά. Τα αποτελέσµατά µας περιλαµβάνουν νέους αλγόριθµους που βελτιώνουν προηγούµενα γνωστά σχετικά αποτελέσµατα και νέα κάτω φράγµατα. Με κεντρικό στόχο την αποδοτική κατανοµή ενέργειας σε ασύρµατα δίκτυα, η µελέτη µας έχει διττό χαρακτήρα: από τη µια πλευρά, ασχολούµαστε µε µε­λέτη και ανάλυση θεµελιωδών προβληµάτων της Θεωρητικής Επιστήµης των Υπολογιστών (όπως, π.χ., το πρόβληµα Κάλυψης µε Σύνολα). Τέτοια προβλήµατα, και ειδικές περιπτώσεις τους, παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον αφού χρησιµοποιούνται (µεταξύ άλλων) συχνά για τη µοντελοποίηση προβλη­µάτων ενεργειακά αποδοτικής επικοινωνίας σε ασύρµατα δίκτυα. Επιπλέον, προτείνουµε και αναλύουµε νέους αλγόριθµους για συγκεκριµένα σενάρια επικοινωνίας σε σύγχρονα ασύρµατα δίκτυα. Από την άλλη πλευρά, µελετάµε και εκτιµούµε πειραµατικά την απόδοση αρκετών αλγορίθµων και τεχνικών (από τη βιβλιογραφία αλλά και νέων) για ενεργειακά αποδοτική επικοινωνία σε ασύρµατα δίκτυα. Ειδικότερα: Μελετάµε το πρόβληµα κάλυψης µε σύνολα και ενδιαφέρουσες παραλ­λαγές του. Παρουσιάζουµε νέους συνδυαστικούς προσεγγιστικούς αλγόριθµους για το πρόβληµα k-κάλυψης συνόλων. Προηγούµενες προσεγγίσεις έχουν βασισθεί σε επεκτάσεις του άπληστου αλγόριθµου µέσω αποδοτικού χειρισµού µικρών συνόλων. Οι νέοι αλγόριθµοι επεκτείνουν περαιτέρω τις προηγούµενες προσεγγίσεις χρησιµοποιώντας την ιδέα του υπολογισµού µεγάλων οµάδων στοιχείων και στη συνέχεια της οµαδοποίησής τους σε σύνολα µεγάλου µεγέθους. Τα αποτελέσµατά µας βελτιώνουν τα καλύτερα γνωστά φράγµατα προσέγγισης για το πρόβληµα k-κάλυψης συνόλων για κάθε τιµή του k >= 6. Η τεχνική που χρησιµοποιούµε για την ανάλυση παρουσιάζει επιπλέον ανεξάρτητα ενδιαφέρον: το πάνω φράγµα για τον παράγοντα προ­σέγγισης επιτυγχάνεται φράσσοντας την αντικειµενική τιµή ενός γραµµικού προγράµµατος η οποία ‘αποκαλύπτει’ το λόγο προσέγγισης του υπό εξέταση αλγορίθµου (factor-revealing). Παρουσιάζουµε έναν απλό αλγόριθµο για το πρόβληµα εύρεσης µέγιστου δάσους γεννητικού αστέρα. Λαµβάνουµε υπόψη το γεγονός ότι το πρόβληµα αποτελεί ειδική περίπτωση του συµπληρωµατικού προβλήµατος κάλυψης συ­νόλου και προσαρµόζουµε έναν αλγόριθµο των Duh και Furer για την επίλυ­σή του. Αποδεικνύουµε ότι ο αλγόριθµος αυτός υπολογίζει 193/240 που είναι περίπου ίσο με 0.804 ­προσεγγιστικά δάση γεννητικών αστέρων. Το αποτέλεσµα αυτό βελτιώνει ένα προηγούµενο άνω φράγµα µε τιµή 0.71 των Chen και άλλων. Αν και ο αλ­γόριθµος είναι καθαρά συνδυαστικός, η ανάλυσή µας ορίζει ένα γραµµικό πρόγραµµα που χρησιµοποιεί µια παράµετρο f το οποίο είναι επιλύσιµο για τιµές της παραµέτρου f που δεν είναι µικρότερες από το λόγο προσέγγισης του αλγορίθµου. Η ανάλυση είναι αυστηρή και, το ενδιαφέρον είναι ότι, µπορεί να εφαρµοστεί και σε συµπληρωµατικές εκδοχές του προβλήµατος κάλυψης συνόλου όπως η εξοικονόµηση χρωµάτων. Δίνει την ίδια εγγύηση προσέγγισης µε τιµή 193/240 που οριακά βελτιώνει το προηγούµενο γνω­στό κάτω φράγµα των Duh και Furer. Αποδεικνύουµε επίσης ότι, γενικά, µια φυσική κλάση αλγορίθµων τοπικής αναζήτησης δε δίνουν καλύτερα από 1/2-προσεγγιστικά δάση γεννητικών αστέρων. Μελετάµε προβλήµατα επικοινωνίας σε ασύρµατα δίκτυα που υποστηρί­ζουν πολλαπλά µέσα ασύρµατης διασύνδεσης. Σε τέτοια δίκτυα, δύο κόµβοι µπορούν να επικοινωνήσουν αν είναι αρκετά κοντά και διαθέτουν κάποιο κοινό µέσο ασύρµατης διασύνδεσης. Η ενεργοποίηση ενός µέσου ασύρµατης διασύνδεσης επιφέρει ένα κόστος που αντανακλά την ενέργεια που καταναλώ­νεται όταν κάποιος κόµβος χρησιµοποιεί το µέσο αυτό. Διακρίνουµε µεταξύ της συµµετρικής και της µη συµµετρικής περίπτωσης, µε βάση το κόστος ενεργοποίησης για κάθε ασύρµατο µέσο διασύνδεσης είναι το ίδιο για όλους τους κόµβους ή όχι. Για τη συµµετρική περίπτωση, παρουσιάζουµε έναν (3/2+ε)–προσεγγιστικό αλγόριθµο για το πρόβληµα πλήρους διασύνδεσης µε ελάχιστο κόστος ενεργοποίησης, βελτιώνοντας ένα προηγούµενο φράγµα µε τιµή 2. Για τη µη συµµετρική περίπτωση, αποδεικνύουµε ότι το πρόβληµα διασύνδεσης δεν είναι προσεγγίσιµο στα πλαίσια ενός παράγοντα υπολογα­ριθµικού ως προς το πλήθος των κόµβων και παρουσιάζουµε ένα λογαριθµι­κό προσεγγιστικό αλγόριθµο για µια γενικότερη περίπτωση που µοντελοποιεί την οµαδική επικοινωνία. Επίσης, µελετάµε αλγόριθµους για τον υπολογισµό αποδοτικών ως προς την ενέργεια δένδρων µετάδοσης (multicasting) σε ασύρµατα αδόµητα δί­κτυα. Τέτοιοι αλγόριθµοι είτε ξεκινούν από µια κενή λύση η οποία σταδιακά επαυξάνεται για να δώσει ένα δένδρο µετάδοσης (επαυξητικοί αλγόριθµοι ­augmentation algorithms) είτε λαµβάνουν σαν είσοδο ένα αρχικό δένδρο µε­τάδοσης και εκτελούν ‘περιπάτους ’ σε διαφορετικά δένδρα µετάδοσης για πεπερασµένο αριθµό βηµάτων µέχρι να επιτευχθεί κάποια αποδεκτή µείωση στην κατανάλωση της ενέργειας (αλγόριθµοι τοπικής αναζήτησης -local search algorithms). Εστιάζουµε τόσο σε επαυξητικούς αλγόριθµους όσο και σε αλγό­ριθµους τοπικής αναζήτησης και συγκεκριµένα έχουµε υλοποιήσει αρκετούς υπάρχοντες αλγόριθµους από τη βιβλιογραφία αλλά και νέους. Συγκρίνου­µε πειραµατικά τους αλγόριθµους αυτούς σε τυχαία γεωµετρικά στιγµιότυπα του προβλήµατος και επιτυγχάνουµε αποτελέσµατα όσον αφορά στην αποδο­τικότητα ως προς την ενέργεια των λύσεων που λαµβάνουµε. Παρουσιάζουµε επίσης αποτελέσµατα σχετικά µε το χρόνο εκτέλεσης των υλοποιήσεών µας. Επίσης διερευνούµε το κατά πόσον οι λύσεις που λαµβάνουµε από επαυ­ξητικούς αλγόριθµους µπορούν να βελτιωθούν µέσω αλγορίθµων τοπικής αναζήτησης. Τα αποτελέσµατά µας αποδεικνύουν ότι ένας από τους νέους αλγόριθµους που προτείνουµε και οι εκδοχές του επιτυγχάνουν τις πιο απο­δοτικές ενεργειακά λύσεις και µάλιστα πολύ γρήγορα και, επιπλέον, υποδεικ­νύουν ιδιότητες γεωµετρικών στιγµιοτύπων του προβλήµατος που συντελούν στη βελτιωµένη απόδοση των επαυξητικών αλγορίθµων. / In this dissertation, we study issues arising in wireless communication networks, i.e., networks based on telecommunication infrastructure like cellular wireless networks, networks of autonomous wireless transmitters like ad hoc wireless networks, and so on. Wireless networks have received significant attention during the recent years. Especially, ad hoc wireless networks for which unlike traditional wired networks or cellular wireless networks, no wired backbone infrastructure is installed emerged due to their potential applications in emergency disaster relief, battlefield, etc. Like in traditional wired networks, an important problem concerns the establishment of communication patterns like broadcasting, multicasting, gossiping, all-to-all communication, and group communication. Communication then requires energy consumption at network nodes, and given that in ad hoc wireless networks energy is a scarce resource, it is of paramount importance to use it efficiently when establishing communication patterns. In such a setting, it is usually pursued that either the total energy consumed at networks nodes or the maximum energy consumed at any network node is minimized so that the network lifetime is prolonged as long as possible. Herein, we present and analyze theoretically and experimentally algorithms for guaranteeing the establishment of various communication patterns in ad hoc wireless networks and evaluate their performance in terms of their energy-efficiency. We represent these networks using graphs and model the corresponding communication problems as combinatorial optimization problems in such graphs. Our results include new algorithms which improve previously known relevant results as well as new lower bounds. Our main objective being the efficient energy allocation in wireless networks, our study is of dual character: on the one hand, we study and analyze fundamental problems of Theoretical Computer Science (like, e.g., Set Cover); such problems, as well as special cases of them, are highly interesting since they usually model energy-efficient communication problems in wireless networks. Furthermore, we propose and analyse new algorithms for particular communication scenaria in modern wireless networks. On the other hand, we experimentally study and evaluate several algorithms and techniques (both from the literature and new ones) for energy-efficient communication in wireless networks.

Αντικείµενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων µεθοδολογιών εκµάθησης και σύγκλισης των Ασαφών Γνωστικών ∆ικτύων που προτείνονται για τη βελτίωση και προσαρµογή της συµπεριφοράς τους, καθώς και για την αύξηση της απόδοσής τους, αναδεικνύοντάς τα σε αποτελεσµατικά δυναµικά συστήµατα µοντελοποίησης. Τα νέα βελτιωµένα Ασαφή Γνωστικά ∆ίκτυα, µέσω της εκµάθησης και προσαρµογής των βαρών τους, έχουν χρησιµοποιηθεί στην ιατρική σε θέµατα διάγνωσης και υποστήριξης στη λήψη απόφασης, καθώς και σε µοντέλα βιοµηχανικών συστηµάτων που αφορούν τον έλεγχο διαδικασιών, µε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Στη διατριβή αυτή παρουσιάζονται, αξιολογούνται και εφαρµόζονται δύο νέοι αλγόριθµοι εκµάθησης χωρίς επίβλεψη των Ασαφών Γνωστικών ∆ικτύων, οι αλγόριθµοι Active Hebbian Learning (AHL) και Nonlinear Hebbian Learning (NHL), βασισµένοι στον κλασσικό αλγόριθµό εκµάθησης χωρίς επίβλεψη τύπου Hebb των νευρωνικών δικτύων, καθώς και µια νέα προσέγγιση εκµάθησης των Ασαφών Γνωστικών ∆ικτύων βασισµένη στους εξελικτικούς αλγορίθµους και πιο συγκεκριµένα στον αλγόριθµο Βελτιστοποίησης µε Σµήνος Σωµατιδίων και στον ∆ιαφοροεξελικτικό αλγόριθµο. Οι προτεινόµενοι αλγόριθµοι AHL και NHL στηρίζουν νέες µεθοδολογίες εκµάθησης για τα ΑΓ∆ που βελτιώνουν τη λειτουργία, και την αξιοπιστία τους, και που παρέχουν στους εµπειρογνώµονες του εκάστοτε προβλήµατος που αναπτύσσουν το ΑΓ∆, την εκµάθηση των παραµέτρων για τη ρύθµιση των αιτιατών διασυνδέσεων µεταξύ των κόµβων. Αυτοί οι τύποι εκµάθησης που συνοδεύονται από την σωστή γνώση του εκάστοτε προβλήµατος-συστήµατος, συµβάλλουν στην αύξηση της απόδοσης των ΑΓ∆ και διευρύνουν τη χρήση τους. Επιπρόσθετα µε τους αλγορίθµους εκµάθησης χωρίς επίβλεψη τύπου Hebb για τα ΑΓ∆, αναπτύσσονται και προτείνονται νέες τεχνικές εκµάθησης των ΑΓ∆ βασισµένες στους εξελικτικούς αλγορίθµους. Πιο συγκεκριµένα, προτείνεται µια νέα µεθοδολογία για την εφαρµογή του εξελικτικού αλγορίθµου Βελτιστοποίησης µε Σµήνος Σωµατιδίων στην εκµάθηση των Ασαφών Γνωστικών ∆ικτύων και πιο συγκεκριµένα στον καθορισµό των βέλτιστων περιοχών τιµών των βαρών των Ασαφών Γνωστικών ∆ικτύων. Με τη µεθοδο αυτή λαµβάνεται υπόψη η γνώση των εµπειρογνωµόνων για τον σχεδιασµό του µοντέλου µε τη µορφή περιορισµών στους κόµβους που µας ενδιαφέρουν οι τιµές των καταστάσεών τους, που έχουν οριστοί ως κόµβοι έξοδοι του συστήµατος, και για τα βάρη λαµβάνονται υπόψη οι περιοχές των ασαφών συνόλων που έχουν συµφωνήσει όλοι οι εµπειρογνώµονες. Έτσι θέτoντας περιορισµούς σε όλα τα βάρη και στους κόµβους εξόδου και καθορίζοντας µια κατάλληλη αντικειµενική συνάρτηση για το εκάστοτε πρόβληµα, προκύπτουν κατάλληλοι πίνακες βαρών (appropriate weight matrices) που µπορούν να οδηγήσουν το σύστηµα σε επιθυµητές περιοχές λειτουργίας και ταυτόχρονα να ικανοποιούν τις ειδικές συνθήκες- περιορισµούς του προβλήµατος. Οι δύο νέες µέθοδοι εκµάθησης χωρίς επίβλεψη που έχουν προταθεί για τα ΑΓ∆ χρησιµοποιούνται και εφαρµόζονται µε επιτυχία σε δυο πολύπλοκα προβλήµατα από το χώρο της ιατρικής, στο πρόβληµα λήψης απόφασης στην ακτινοθεραπεία και στο πρόβληµα κατηγοριοποίησης των καρκινικών όγκων της ουροδόχου κύστης σε πραγµατικές κλινικές περιπτώσεις. Επίσης όλοι οι προτεινόµενοι αλγόριθµοι εφαρµόζονται σε µοντέλα βιοµηχανικών συστηµάτων που αφορούν τον έλεγχο διαδικασιών µε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Οι αλγόριθµοι αυτοί, όπως προκύπτει από την εφαρµογή τους σε συγκεκριµένα προβλήµατα, βελτιώνουν το µοντέλο του ΑΓ∆, συµβάλλουν σε ευφυέστερα συστήµατα και διευρύνουν τη δυνατότητα εφαρµογής τους σε πραγµατικά και πολύπλοκα προβλήµατα. Η κύρια συνεισφορά αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων µεθοδολογιών εκµάθησης και σύγκλισης των Ασαφών Γνωστικών ∆ικτύων προτείνοντας δυο νέους αλγορίθµους µη επιβλεπόµενης µάθησης τύπου Hebb, τον αλγόριθµο Active Hebbian Learning και τον αλγόριθµο Nonlinear Hebbian Learning για την προσαρµογή των βαρών των διασυνδέσεων µεταξύ των κόµβων των Ασαφών Γνωστικών ∆ικτύων, καθώς και εξελικτικούς αλγορίθµους βελτιστοποιώντας συγκεκριµένες αντικειµενικές συναρτήσεις για κάθε εξεταζόµενο πρόβληµα. Τα νέα βελτιωµένα Ασαφή Γνωστικά ∆ίκτυα µέσω των αλγορίθµων προσαρµογής των βαρών τους έχουν χρησιµοποιηθεί για την ανάπτυξη ενός ∆ιεπίπεδου Ιεραρχικού Συστήµατος για την υποστήριξη λήψης απόφασης στην ακτινοθεραπεία, για την ανάπτυξη ενός διαγνωστικού εργαλείου για την κατηγοριοποίηση του βαθµού κακοήθειας των καρκινικών όγκων της ουροδόχου κύστης, καθώς και για την επίλυση βιοµηχανικών προβληµάτων για τον έλεγχο διαδικασιών. / The main contribution of this Dissertation is the development of new learning and convergence methodologies for Fuzzy Cognitive Maps that are proposed for the improvement and adaptation of their behaviour, as well as for the increase of their performance, electing them in effective dynamic systems of modelling. The new improved Fuzzy Cognitive Maps, via the learning and adaptation of their weights, have been used in medicine for diagnosis and decision-making, as well as to alleviate the problem of the potential uncontrollable convergence to undesired states in models of industrial process control systems, with very satisfactory results. In this Dissertation are presented, validated and implemented two new learning algorithms without supervision for Fuzzy Cognitive Maps, the algorithms Active Hebbian Learning (AHL) and Nonlinear Hebbian Learning (NHL), based on the classic unsupervised Hebb-type learning algorithm of neural networks, as well as a new approach of learning for Fuzzy Cognitive Maps based on the evolutionary algorithms and more specifically on the algorithm of Particles Swarm Optimization and on the Differential Evolution algorithm. The proposed algorithms AHL and NHL support new learning methodologies for FCMs that improve their operation, efficiency and reliability, and that provide in the experts of each problem that develop the FCM, the learning of parameters for the regulation (fine-tuning) of cause-effect relationships (weights) between the concepts. These types of learning that are accompanied with the right knowledge of each problem-system, contribute in the increase of performance of FCMs and extend their use. Additionally to the unsupervised learning algorithms of Hebb-type for the FCMs, are developed and proposed new learning techniques of FCMs based on the evolutionary algorithms. More specifically, it is proposed a new learning methodology for the application of evolutionary algorithm of Particle Swarm Optimisation in the adaptation of FCMs and more concretely in the determination of the optimal regions of weight values of FCMs. With this method it is taken into consideration the experts’ knowledge for the modelling with the form of restrictions in the concepts that interest us their values, and are defined as output concepts, and for weights are received the arithmetic values of the fuzzy regions that have agreed all the experts. Thus considering restrictions in all weights and in the output concepts and determining a suitable objective function for each problem, result appropriate weight matrices that can lead the system to desirable regions of operation and simultaneously satisfy specific conditions of problem. The first two proposed methods of unsupervised learning that have been suggested for the FCMs are used and applied with success in two complicated problems in medicine, in the problem of decision-making in the radiotherapy process and in the problem of tumor characterization for urinary bladder in real clinical cases. Also all the proposed algorithms are applied in models of industrial systems that concern the control of processes with very satisfactory results. These algorithms, as it results from their application in concrete problems, improve the model of FCMs, they contribute in more intelligent systems and they extend their possibility of application in real and complex problems. The main contribution of the present Dissertation is to develop new learning and convergence methodologies for Fuzzy Cognitive Maps proposing two new unsupervised learning algorithms, the algorithm Active Hebbian Learning and the algorithm Nonlinear Hebbian Learning for the adaptation of weights of the interconnections between the concepts of Fuzzy Cognitive Maps, as well as Evolutionary Algorithms optimizing concrete objective functions for each examined problem. New improved Fuzzy Cognitive Maps via the algorithms of weight adaptation have been used for the development of an Integrated Two-level hierarchical System for the support of decision-making in the radiotherapy, for the development of a new diagnostic tool for tumour characterization of urinary bladder, as well as for the solution of industrial process control problems.

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούν μία πρωτοποριακή τεχνολογία που ήρθε στο προσκήνιο πριν από μία περίπου δεκαετία. Η καινοτομία της τεχνολογίας αυτής έγκειται στη συνεργασία μεγάλου αριθμού κόμβων περιορισμένων πόρων χαμηλής κατανάλωσης ισχύος σε μία μόνο εφαρμογή. Η εργασία αυτή ασχολείται με θέματα ενδιάμεσου λογισμικού σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Συγκεκριμένα, μελετάται το πρωτόκολλο Deluge που αποτελεί τη βασική επιλογή για ασύρματο προγραμματισμό δικτύων αισθητήρων που «τρέχουν» το λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου TinyOS. Παρέχοντας έναν αξιόπιστο και αποδοτικό μηχανισμό διάδοσης δεδομένων μέσω της δυαδικής εικόνας του κώδικα, το Deluge κατέχει ρόλο-κλειδί στη βαθμίδα ενδιάμεσου λογισμικού των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Η μελέτη και κατανόηση του πρωτοκόλλου αυτού επέτρεψε την υλοποίηση σε nesC ενός απλούστερου πρωτοκόλλου που αξιοποιεί τα βασικά χαρακτηριστικά του μηχανισμού μετάδοσης δεδομένων του Deluge. Σε συνέχεια αυτής της υλοποίησης, αξιολογήθηκε εκ νέου η διαδικασία μετάδοσης πραγματοποιώντας δοκιμές τόσο σε πραγματικές τοπολογίες κόμβων αισθητήρων (motes) που υποστηρίζουν το πρότυπο ασύρματης επικοινωνίας IEEE 802.15.4 όσο και σε περιβάλλον προσομοίωσης (TOSSIM). Τα προκύπτοντα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποδοτική μετάδοση δεδομένων σε δίκτυα αισθητήρων αξιοποιώντας το πρωτόκολλο Deluge. Η παρούσα εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει πληροφορίες για το γνωστικό αντικείμενο της εργασίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία μελέτη στην ερευνητική περιοχή των ασύρματων δικτύων αισθητήρων και στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά ενός κόμβου αισθητήρων που υποστηρίζει το πρότυπο IEEE 802.15.4. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η έννοια του ασύρματου προγραμματισμού στα δίκτυα αισθητήρων και μελετάται εκτενώς το πρωτόκολλο Deluge. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η υλοποίηση που έλαβε χώρα και η αξιολόγηση αυτής με τους μηχανισμούς που αναφέρθηκαν παραπάνω. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την εκπόνηση της εν λόγω εργασίας και δίνονται ορισμένες κατευθύνσεις για μελλοντική ενασχόληση με το Deluge και με το ενδιάμεσο λογισμικό στα δίκτυα αισθητήρων γενικότερα. / Wireless sensor networks (WSNs) emerged about a decade ago, representing a new class of computing with large numbers of resource-constrained computing nodes cooperating on a single application. This thesis deals with middleware issues in wireless sensor networks. Specifically, we study Deluge that suggests the de facto over-the-air programming protocol for WSNs working under TinyOS. Providing a reliable and efficient data dissemination mechanism via the binary image of the program code, Deluge plays a key role in the middleware layer of WSNs. Gaining insight into Deluge, we implemented in the nesC programming language a simplified protocol that incorporates the main features of Deluge data dissemination mechanism. This implementation allowed us to evaluate further the propagation procedure of Deluge using a two-mechanism evaluation framework. Carrying out experiments both in real-world deployments being compatible with IEEE 802.15.4 radio and in a simulation environment (TOSSIM), we verified the efficient data propagation in WSNs, using Deluge. This dissertation follows a structure of six chapters. In the first chapter, we give a piece of information about the subject field of this thesis. In the second chapter, we present an overall survey of the research area of WSNs and in the third chapter we examine the basic features of a sensor node (mote) whose wireless communication is based on an IEEE 802.15.4 compliant radio. In the fourth chapter, we discuss network programming in WSNs and we analyze the data dissemination mechanism of Deluge. In the fifth chapter, we discuss our implementation and its evaluation. Finally, in the sixth chapter, we conclude the thesis emphasizing the experience derived from that and we give some directions for future work with Deluge and middleware in WSNs generally.

Τα τελευταία χρόνια όλο και πιο επιτακτική είναι η ανάγκη αξιοποίησης των ψηφιακών δεδομένων τα οποία συλλέγονται και αποθηκεύονται σε διάφορες βάσεις δεδομένων. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με τη ραγδαία αύξηση του όγκου των δεδομένων αυτών επιβάλλει τη δημιουργία υπολογιστικών μεθόδων με απώτερο σκοπό τη βοήθεια του ανθρώπου στην εξόρυξη της χρήσιμης πληροφορίας και γνώσης από αυτά. Οι τεχνικές εξόρυξης δεδομένων παρουσιάζουν τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερο ενδιαφέρον στις περιπτώσεις όπου η πηγή των δεδομένων είναι οι ροές δεδομένων ή άλλες μορφές όπως τα XML έγγραφα. Σύγχρονα συστήματα και εφαρμογές όπως είναι αυτά των κοινοτήτων πρακτικής έχουν ανάγκη χρήσης τέτοιων τεχνικών εξόρυξης για να βοηθήσουν τα μέλη τους. Τέλος ενδιαφέρον υπάρχει και κατά την αξιολόγηση λογισμικού όπου η πηγή δεδομένων είναι τα αρχεία πηγαίου κώδικα για σκοπούς καλύτερης συντηρησιμότητας τους. Από τη μια μεριά οι ροές δεδομένων είναι προσωρινά δεδομένα τα οποία περνούν από ένα σύστημα «παρατηρητή» συνεχώς και σε μεγάλο όγκο. Υπάρχουν πολλές εφαρμογές που χειρίζονται δεδομένα σε μορφή ροών, όπως δεδομένα αισθητήρων, ροές κίνησης δικτύων, χρηματιστηριακά δεδομένα και τηλεπικοινωνίες. Αντίθετα με τα στατικά δεδομένα σε βάσεις δεδομένων, οι ροές δεδομένων παρουσιάζουν μεγάλο όγκο και χαρακτηρίζονται από μια συνεχή ροή πληροφορίας που δεν έχει αρχή και τέλος. Αλλάζουν δυναμικά, και απαιτούν γρήγορες αντιδράσεις. Ίσως είναι η μοναδική πηγή γνώσης για εξόρυξη δεδομένων και ανάλυση στην περίπτωση όπου οι ανάγκες μιας εφαρμογής περιορίζονται από τον χρόνο απόκρισης και το χώρο αποθήκευσης. Αυτά τα μοναδικά χαρακτηριστικά κάνουν την ανάλυση των ροών δεδομένων πολύ ενδιαφέρουσα ιδιαίτερα στον Παγκόσμιο Ιστό. Ένας άλλος τομέας ενδιαφέροντος για τη χρήση νέων τεχνικών εξόρυξης δεδομένων είναι οι κοινότητες πρακτικής. Οι κοινότητες πρακτικής (Communities of Practice) είναι ομάδες ανθρώπων που συμμετέχουν σε μια διαδικασία συλλογικής εκμάθησης. Μοιράζονται ένα ενδιαφέρον ή μια ιδέα που έχουν και αλληλεπιδρούν για να μάθουν καλύτερα για αυτό. Οι κοινότητες αυτές είναι μικρές ή μεγάλες, τοπικές ή παγκόσμιες, face to face ή on line, επίσημα αναγνωρίσιμες, ανεπίσημες ή και αόρατες. Υπάρχουν δηλαδή παντού και σχεδόν όλοι συμμετέχουμε σε δεκάδες από αυτές. Ένα παράδειγμα αυτών είναι τα γνωστά forum συζητήσεων. Σκοπός μας ήταν ο σχεδιασμός νέων αλγορίθμων εξόρυξης δεδομένων από τις κοινότητες πρακτικής με τελικό σκοπό να βρεθούν οι σχέσεις των μελών τους και να γίνει ανάλυση των εξαγόμενων δεδομένων με μετρικές κοινωνικών δικτύων ώστε συνολικά να αποτελέσει μια μεθοδολογία ανάλυσης τέτοιων κοινοτήτων. Επίσης η eXtensible Markup Language (XML) είναι το πρότυπο για αναπαράσταση δεδομένων στον Παγκόσμιο Ιστό. Η ραγδαία αύξηση του όγκου των δεδομένων που αναπαρίστανται σε XML μορφή δημιούργησε την ανάγκη αναζήτησης μέσα στην δενδρική δομή ενός ΧΜL εγγράφου για κάποια συγκεκριμένη πληροφορία. Η ανάγκη αυτή ταυτόχρονα με την ανάγκη για γρήγορη πρόσβαση στους κόμβους του ΧΜL δέντρου, οδήγησε σε διάφορα εξειδικευμένα ευρετήρια. Για να μπορέσουν να ανταποκριθούν στη δυναμική αυτή των δεδομένων, τα ευρετήρια πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να μεταβάλλονται δυναμικά. Ταυτόχρονα λόγο της απαίτησης για αναζήτηση συγκεκριμένης πληροφορίας πρέπει να γίνεται το φιλτράρισμα ενός συνόλου XML δεδομένων διαμέσου κάποιων προτύπων και κανόνων ώστε να βρεθούν εκείνα τα δεδομένα που ταιριάζουν με τα αποθηκευμένα πρότυπα και κανόνες. Από την άλλη μεριά οι διαστάσεις της εσωτερικής και εξωτερικής ποιότητας στη χρήση ενός προϊόντος λογισμικού αλλάζουν κατά τη διάρκεια ζωής του. Για παράδειγμα η ποιότητα όπως ορίζεται στην αρχή του κύκλου ζωής του λογισμικού δίνει πιο πολύ έμφαση στην εξωτερική ποιότητα και διαφέρει από την εσωτερική, όπως για παράδειγμα στη σχεδίαση η οποία αναφέρεται στην εσωτερική ποιότητα και αφορά τους μηχανικούς λογισμικού. Οι τεχνικές εξόρυξης δεδομένων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη του απαραίτητου επιπέδου ποιότητας, όπως είναι ο καθορισμός και η αξιολόγηση της ποιότητας πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τους τις διαφορετικές αυτές διαστάσεις σε κάθε στάδιο του κύκλου ζωής του προϊόντος. Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής έγινε σε βάθος έρευνα σχετικά με τεχνικές εξόρυξης δεδομένων και εφαρμογές τόσο στο πρόβλημα διαχείρισης πληροφορίας όσο και στο πρόβλημα της αξιολόγησης λογισμικού. / The World Wide Web has gradually transformed into a large data repository consisting of vast amount of data in many different types. These data doubles about every year, but useful information seems to be decreasing. The area of data mining has arisen over the last decade to address this problem. It has become not only an important research area, but also one with large potential in the real world. Data mining has many directives and handles various types of data. When the related data are for example data streams or XML data then the problems seem to be very crucial and interesting. Also contemporary systems and applications related to communities of practice seek appropriate data mining techniques and algorithms in order to help their members. Finally, great interest has the field of software evaluation when by using data mining in order to facilitate the comprehension and maintainability evaluation of a software system’s source code. Source code artifacts and measurement values can be used as input to data mining algorithms in order to provide insights into a system’s structure or to create groups of artifacts with similar software measurements. First, data streams are large volumes of data arriving continuously. Data mining techniques have been proposed and studied to help users better understand and analyze the information. Clustering is a useful and ubiquitous tool in data analysis. With the rapid increase in web-traffic and e-commerce, understanding user behavior based on their interaction with a website is becoming more and more important for website owners and clustering in correlation with personalization techniques of this information space has become a necessity. The knowledge obtained by learning the users preferences can help improve web content, find usability issues related to this content and its structure, ensure the security of provided data, analyze the different groups of users that can be derived from the web access logs and extract patterns, profiles and trends. This thesis investigates the application of a new model for clustering and analyzing click-stream data in the World Wide Web with two different approaches. The next part of the thesis deals with data mining techniques regarding communities of practice. These are groups of people taking part in a collaborative way of learning and exchanging ideas. Systems for supporting argumentative collaboration have become more and more popular in digital world. There are many research attempts regarding collaboration filtering and recommendation systems. Sometimes depending on the system and its needs there are different problems and developers have to deal with special cases in order to provide useful service to users. Data mining can play an important role in the area of collaboration systems that want to provide decision support functionality. Data mining in these systems can be defined as the effort to generate actionable models through automated analysis of their databases. Data mining can only be deployed successfully when it generates insights that are substantially deeper than what a simple view of data can give. This thesis introduces a framework that can be applied to a wide range of software platforms aiming at facilitating collaboration and learning among users. More precisely, an approach that integrates techniques from the Data Mining and Social Network Analysis disciplines is being presented. The next part of the thesis deals with XML data and ways to handle huge volumes of data that they may hold. Lately data written in a more sophisticated markup language such as XML have made great strides in many domains. Processing and management of XML documents have already become popular research issues with the main problem in this area being the need to optimally index them for storage and retrieval purposes. This thesis first presents a unified clustering algorithm for both homogeneous and heterogeneous XML documents. Then using this algorithm presents an XML P2P system that efficiently distributes a set of clustered XML documents in a P2P network in order to speed-up user queries. Ultimately, data mining and its ability to handle large amounts of data and uncover hidden patterns has the potential to facilitate the comprehension and maintainability evaluation of a software system. This thesis investigates the applicability and suitability of data mining techniques to facilitate the comprehension and maintainability evaluation of a software system’s source code. What is more, this thesis focuses on the ability of data mining to produce either overviews of a software system (thus supporting a top down approach) or to point out specific parts of this system that require further attention (thus supporting a bottom up approach) potential to facilitate the comprehension and maintainability evaluation of a software system.