Περιγραφή δομής, λειτουργίας, χαρακτηριστικών και υπηρεσιών του Carrier Grade Ethernet και των πρωτοκόλλων που υποστηρίζει. Μελέτη της τεχνολογίας σε πραγματικό δίκτυο, ανάπτυξη προγραμματιστικών εφαρμογών για αυτοματοποιημένη διαχείρηση κυκλωμάτων. / -

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η υλοποιηση ενός ψηφιακού δέκτη τύπου Rake για ασύρματη λήψη UWB. / Subject of this diploma thesis is the design and implementation of a digital Rake receiver for an UWB transmission scheme.

Στην διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια νέα δομή δεδομένων ειδικά σχεδιασμένη για δίκτυα μεταφορών ευρείας κλίμακας τα οποία αλλάζουν δυναμικά. Η νέα δομή δεδομένων γραφημάτων μας παρέχει ταυτόχρονα τρία μοναδικά χαρακτηρισ τικά: 1. Σύμπτυξη(Compactness): ικανότητα να προσπελάσει αποδοτικά διαδοχικές κορυφές και ακμές, μια απαίτηση όλων των αλγορίθμων γραφημάτων). 2. Ευκινησία (Agility): ικανότητα να αλλάξει και να ρυθμίσει εξαρχής την εσωτερική της διάταξη με σκοπό να βελτιώσει την τοπικότητα των αναφορών των στοιχείων, σύμφωνα με έναν δεδομένο αλγόριθμο. 3. Δυναμικότητα (Dynamicity): ικανότητα να ενθέσει ή να διαγράψει αποδοτικά κορυφές και ακμές. Όλες οι προηγούμενες γνωστές δομές γραφημάτων δεν υποστήριζαν τουλάχιστον ένα από τα προηγούμενα χαρακτηριστικά ή/και δεν μπορούσαν να εφαρμοστούν σε δυναμικά δίκτυα μεταφορών ευρείας κλίμακας. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, παρουσιάζεται η πρακτικότητα της νέας δομής γραφημάτων εκτελώντας μια εκτενή πειραματική μελέτη για δρομολόγηση συντομότερων διαδρομών σε Ευρωπαϊκά οδικά δίκτυα ευρείας κλίμακας με μερικές δεκάδες εκατομμύρια κορυφές και ακμές. Χρησιμοποιώντας κλασικούς αλγόριθμους εύρεσης συντομότερων διαδρομών, επιτυγχάνονται εύκολα χρόνοι ερωτημάτων από μια αρχική κορυφή σε μια τελική κορυφή της τάξης των milliseconds, ενώ η νέα δομή γραφημάτων μας μπορεί να ενημερωθεί σε μόλις μερικά microseconds μετά από μια ένθεση ή διαγραφή μιας κορυφής ή ακμής. / We present a new graph data structure specifically suited for large scale transportation networks in dynamic scenario. Our graph data structure provides tree unique characteristics, namely compactness, agility and dynamicity. All previous data structures were lacking support in at least one of the aforementioned characteristics. We demonstrate the practicality of the new graph data structure by conducting experiments on large scale European road networks, achieving query times of classical routing algorithms in the order of milliseconds and update times in the order of a few microseconds.

Ο κύριος στόχος της διατριβής είναι η σχεδίαση των κύριων κυκλωμάτων ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος υπέρ–ευρείας ζώνης (UWB). Συγκεκριμένα, σχεδιάζονται σε τεχνολογία CMOS 90nm και αναπτύσσονται τα πλέον κρίσιμα κυκλώματα του PLL του FM-UWB πομπού με βάση ένα σύστημα FM-UWB, το οποίο στηρίζεται στη διπλή διαμόρφωση FM ευρείας ζώνης (double wideband FM modulation). Αυτά είναι το VCO, η αντλία φορτίου, ο διαιρέτης συχνότητας, και η γεννήτρια τάσης αναφοράς. Επιπλέον σχεδιάζονται ο δέκτης ο οποίος περιλαμβάνει τον προενισχυτή και τον αποδιαμορφωτή FM, δύο αρμονικοί ταλαντωτές ελεγχόμενοι από τάση για το υποσύστημα του πομπού σε τεχνολογία RF CMOS 65nm και ένας ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση τύπου δακτυλίου. Συνεπώς, στα πλαίσια της διατριβής αυτής σχεδιάζεται ολόκληρο το σύστημα πομπού και το σύστημα δέκτη (front-end) ώστε να αναδειχθούν οι δυνατότητες ολοκλήρωσης και τα πλεονεκτήματα της υλοποίησης ενός συστήματος FM-UWB σε πρόσφατες τεχνολογίες όπως η CMOS των 90nm και 65nm σε αντιδιαστολή με διπολικές τεχνολογίες. Με βάση τις λεπτομερείς προδιαγραφές που εξήχθησαν για τα υποσυστήματα και κυκλώματα του πομποδέκτη επιλέχτηκε η αρχιτεκτονική και σχεδιάστηκαν τα επιμέρους κυκλώματα στη ζώνη συχνοτήτων 3.1-5GHz. Για τη σχεδίαση χρησιμοποιήθηκαν το εργαλείο σχεδίασης «Cadence 5.1.41» και ο εξομοιωτής «Spectre». Για τη φυσική σχεδίαση έγινε χρήση του εργαλείων «Virtuoso XL» και «Assura». Ο πομπός αποτελείται από ένα γραμμικό VCO μεγάλου εύρους ζώνης (2.1GHz-5GHz) του οποίου η κεντρική συχνότητα ρυθμίζεται από ένα βρόχο κλειδωμένης φάσης (PLL) όταν δεν γίνεται μετάδοση δεδομένων. Στην ουσία πρόκειται για ένα PLL ο βρόχος του οποίου διακόπτεται όταν πραγματοποιείται εκπομπή πληροφορίας μέσω της διπλής διαμόρφωσης FM ενώ παραμένει κλειστός κατά τη ρύθμιση της κεντρικής συχνότητας του VCO (calibration). Το πιο κρίσιμο κύκλωμα του πομπού είναι το FM-UWB VCO. Για την ολοκλήρωση όμως του πομπού απαιτείται η σχεδίαση των υπόλοιπων κυκλωμάτων του βρόχου όπως είναι η αντλία φορτίου, ο διαιρέτης συχνότητας του βρόχου και ο ανιχνευτής φάσης-συχνότητας. Η τροφοδοσία του πομπού FM-UWB επιλέχτηκε να είναι ίση με 1V προκειμένου να ενισχυθεί η ανταγωνιστικότητα του με άλλα παρόμοια σύγχρονα συστήματα της βιβλιογραφίας. Με αρχικό στόχο την πόλωση των αναλογικών κυκλωμάτων του πομπού FM-UWB (αντλία φορτίου, διαιρέτης συχνότητας του PLL) αναπτύχθηκε μια γεννήτρια συνεχούς τάσης σε τροφοδοσία κάτω του 1V. Ο δέκτης αποτελείται από ένα συντονιζόμενο προενισχυτή και έναν αποδιαμορφωτή συχνότητας FM που σχεδιάζονται στη κεντρική συχνότητα των 4GHz με εύρος ζώνης μεγαλύτερου από 500MHz. Ο προτεινόμενος ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση (VCO), χαρακτηρίζεται από μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων ταλάντωσης, χαμηλή κατανάλωση και είναι κατάλληλος για iii εφαρμογές FM-UWB. Ο ταλαντωτής αυτός αποτελεί το βασικό δομικό στοιχείο ενός FM-UWB πομπού. Σχεδιάστηκε στην τεχνολογία υλοποίησης TSMC 90-nm digital CMOS, σε τάση τροφοδοσίας 1V και χαρακτηρίζεται από γραμμικό εύρος ζώνης συχνοτήτων ταλάντωσης μεταξύ 2.1GHz και 5GHz, διαφορική ισχύ εξόδου ίση με -7.83dBm  0.78dB και χαμηλή κατανάλωση ισχύος 8.26mW, συμπεριλαμβανομένης και της κατανάλωσης ισχύος των απομονωτών τάσης εξόδου (output buffers), στη μέγιστη συχνότητα ταλάντωσης. Επιπροσθέτως, έχει βελτιστοποιηθεί ως προς το λόγο εύρους ζώνης συχνοτήτων ταλάντωσης προς την κατανάλωση ισχύος TR/PDC. Η πρώτη βελτιστοποίηση έδωσε τιμή 9.95dB και η τελική έδωσε 11.97dB. Η επιθυμητή ζώνη συχνοτήτων ταλάντωσης μεταξύ 3.1GHz και 5GHz για εφαρμογές FM-UWB υπερκαλύπτεται για ολόκληρο το εύρος θερμοκρασιών που συναντάται στη βιομηχανία (από -40 oC έως 125 oC). Το εύρος συχνοτήτων ταλάντωσης βελτιώθηκε στο 130.15% (από 81.69%) και το FOM αυξήθηκε σε 143.08 (από 137.03). Επιπλέον, στη διατριβή αυτή παρουσιάζεται η σχεδίαση προγραμματιζόμενων, αντλιών φορτίου μεγάλης ακριβείας σε τάση τροφοδοσίας 1V. Τρείς συνολικά τοπολογίες μελετώνται με βασικό στόχο το καλύτερο δυνατό ταίριασμα των ρευμάτων εξόδου καθώς και τη μείωση των απότομων παρυφών ρεύματος στην έξοδο για μεγάλο εύρος τάσης εξόδου ώστε να επιτυγχάνεται αποδοτική χρήση της διαθέσιμης τάσης τροφοδοσίας (ΔVout/Vdd). Οι αντλίες φορτίου Ι, ΙΙ και ΙΙΙ χαρακτηρίζονται από μη ταίριασμα DC ρευμάτων εξόδου ίσο με 1%, 1.846% και 8% αντίστοιχα. Επιτυγχάνεται μεγαλύτερη μείωση των απότομων παρυφών ρεύματος στην έξοδο της αντλίας φορτίου ΙΙΙ σε σχέση με τις αντλίες φορτίου Ι και ΙΙ και μεγαλύτερη ταχύτητα λειτουργίας εις βάρος όμως της κατανάλωσης ισχύος. Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα γεννήτριας τάσης αναφοράς (Voltage reference) σχεδιάζεται επίσης, ώστε να χρησιμοποιηθεί ως κύκλωμα πόλωσης χαμηλής τροφοδοσίας κάτω του 1V ολοκληρωμένων κυκλωμάτων γενικού σκοπού. Η συνολική απόλυτη μεταβολή της τάσης αναφοράς εξόδου ως προς την μεταβολή των παραμέτρων της τεχνολογίας υλοποίησης και τις μεταβολές της τάσης τροφοδοσίας σε ευρεία κλίμακα θερμοκρασίας από -360C και 1250C ισούται με +/-3.3%. Η συνολική κατανάλωση ισχύος ισούται με 208uW. Παρουσιάζεται ακόμη η σχεδίαση ενός υποσυστήματος (front-end) δέκτη FM-UWB χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων (LDR, Low Data Rate), 50Kbps και μικρής εμβέλειας (<10m) με εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 500MHz στην κεντρική συχνότητα των 4GHz. Δίνεται αναλυτικά η σχεδίαση της προτεινόμενης τοπολογίας για τον δέκτη FM-UWB στην τεχνολογία RF CMOS 65 nm ώστε να ικανοποιούνται οι προδιαγραφές του συστήματος που εξήχθησαν κατόπιν ανάλυσης. Τα αποτελέσματα του τελικού σχεδιασμού αποδεικνύουν ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία, όταν συνδυάζεται με προσεκτικές επιλογές στη σχεδίαση μπορεί να πετύχει επιδόσεις συγκρίσιμες με τεχνολογίες SiGe BiCMOS που έχουν ενδογενή πλεονεκτήματα λόγω των ειδικών χαρακτηριστικών τους. iv Ο δέκτης FM-UWB αποτελείται από έναν προενισχυτή και ένα αποδιαμορφωτή συχνότητας FM-UWB. Η τεχνολογία υλοποίησης επιλέχτηκε να είναι η CMOS IBM των 65nm. Το συνολικό ρεύμα που απαιτείται για τη λειτουργία του πυρήνα του δέκτη FM-UWB είναι 8.093mA σε τροφοδοσία 1.8V και η ευαισθησία του δέκτη ισούται με -75.78dBm για λόγο σήματος προς θόρυβο SNRsub ίσο με 13.539dB. Συνεπώς, ικανοποιούνται πλήρως οι προδιαγραφές οι οποίες τέθηκαν ύστερα από τη μελέτη του τηλεπικοινωνιακού συστήματος FM-UWB. Η ευαισθησία του δέκτη αποδεικνύεται ότι μπορεί να αυξηθεί σε -82.95dBm για SNRsub ίσο με 13.539dB εάν προστεθεί ένα ακόμα στάδιο ενίσχυσης στο στάδιο καθυστέρησης του αποδιαμορφωτή FM-UWB με επιβάρυνση επιπλέον 8.033mW. Σχεδιάζεται επιπροσθέτως ένας αρμονικός ταλαντωτής για τον πομπό στα 65 nm ώστε να αναδειχθούν τα πιθανά οφέλη που μπορούν να προκύψουν όταν θυσιάζεται εύρος ζώνης και επιφάνεια ολοκλήρωσης εις όφελος της κατανάλωσης και των επιδόσεων του θορύβου φάσης. Για το συντονισμό αυτού του αρμονικού ταλαντωτή γίνεται χρήση μιας «hyperabrupt varactor» ώστε να επιτευχθεί εύρος ζώνης συχνοτήτων ταλάντωσης με καλή γραμμικότητα σε σύγκριση με αρμονικούς ταλαντωτές με απλή «varactor». Η συνολική κατανάλωση του πομπού FM-UWB ισούται με 5.11mW (συμπεριλαμβανομένης και της κατανάλωσης ισχύος του ενισχυτή εξόδου), ενώ το συνολικό γραμμικό εύρος ζώνης συχνοτήτων και το FOM του προτεινόμενου LC VCO ισούνται με 808ΜΗz και -173.679dB αντίστοιχα. Η ισχύς εξόδου του πομπού είναι μεγαλύτερη από -12dBm στη συχνότητα 4.14GHz και μεταβάλλεται λιγότερο από 0.5dB σε ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων ταλάντωσης. Η καλή λειτουργία του εξασφαλίζεται στο εύρος θερμοκρασίας μεταξύ -40 0C και 1200C με θόρυβο φάσης στα 4.14GHz καλύτερο από -100dBc/Hz σε απόκλιση συχνότητας από τον φορέα 1ΜΗz. Στη συνέχεια, η ιδέα της επαναχρησιμοποίησης ρεύματος εφαρμόζεται στον παραπάνω αρμονικό ταλαντωτή-FM-UWB πομπό στα 65nm ούτως ώστε ο απομονωτής εξόδου να τοποθετείται πάνω από τον πυρήνα του LC VCO. Αυτό οδήγησε στη μείωση της αρχικής κατανάλωσης ισχύος (έως και 73.63%) ενώ διατηρήθηκαν τα παραπάνω χαρακτηριστικά του. Τέλος, σχεδιάστηκε ένα VCO τύπου δακτυλίου σε τροφοδοσία 1.8V, στα 65 nm. Καλύπτει τη ζώνη συχνοτήτων από 3.1GHz έως 5GHz με θόρυβο φάσης καλύτερο από -83dBc/Hz σε απόκλιση συχνότητας από τον φορέα ίση με 1MHz, με εύρος ζώνης διαμόρφωσης ίσο με 1MHz, παρέχοντας στην έξοδο του ισχύ μεγαλύτερη από -12dBm ενώ καταναλώνει 3.63mW. / The main purpose of this thesis is the design of the critical circuits of an Ultra Wideband (UWB) communication system. More specifically, circuits were designed for an FM-UWB system which relies on a double constant envelope FM modulation scheme. The most critical circuits of the transmitter PLL are designed in a 90nm CMOS process. These are the VCO, the loop divider, the charge pump and the voltage reference. In addition, the FM-UWB receiver front-end is designed in a 65nm RF CMOS process which includes an LNA/Preamplifier and a FM-UWB demodulator. Two harmonic LC-VCOs are also designed and one ring current-starved VCO to function as FM-UWB modulators in the transmitter path. Consequently, in this thesis the full transceiver front-end is designed in order to demonstrate the potential of its integration and the advantages of the implementation of an FM-UWB system in recent CMOS technologies such as those of 90nm and 65nm in comparison with bipolar implementations. Based on system study, the front-end circuits’ specifications were derived, the appropriate front-end architecture was selected and the front-end circuits were designed in the band of 3.1-5GHz. For the circuit design the tools of Cadence 5.1.41 and the Spectre RF Simulator were used. For the circuits layout designs the tools of Virtuoso XL and Assura were used. The transmitter consists of a linear VCO with wide tuning range (2.1GHz-5GHz) of which the central frequency is calibrated by a Phase Locked Loop when data transmission is ceased. The loop remains open when data transmission has to take place and stays closed when the VCO central frequency has to be calibrated. The most important block of the transmitter is the FM-UWB VCO. For the completion of the FM-UWB transmitter the design of other blocks such as the charge pump, the loop divider, the phase frequency detector and the voltage reference generator design is important as well. The supply voltage of 1V was selected for the FM-UWB transmitter in order to become competitive against other recent published implementations. Targeting at the biasing of the loop divider and the charge pump at the low supply voltage of 1V, a Sub-1V voltage reference generator was designed. The receiver consists of a wideband LNA/Preamplifier and a wideband FM demodulator with a center frequency at 4GHz and a useful bandwidth higher than 500MHz. Targeting at the implementation of wide frequency range (3.1-5GHz), the main purpose was the design of a linear, inductorless, low power (less than 10mW), low area, low supply voltage controlled oscillator with a phase noise better than -70dBc/Hz at 1MHz offset and small output power variation over the entire tuning range. The proposed FM-UWB VCO was designed in a 90-nm standard digital CMOS process at a supply voltage of 1V and a relatively linear tuning range is achieved between the frequencies of 2.1GHz and 5GHz, a differential vi output power of -7.83dBm 0.78dB and a low power consumption of 8.26mW when the output buffers power consumption is included at the maximum frequency of oscillation. The proposed FM-UWB VCO was optimized for the ratio of tuning range over the power consumption TR/PDC. The first optimization yields TR/PDC equal to 9.95dB and the final optimization yields TR/PDC equal to 11.974dB. The desired oscillation frequency band between 3.1GHz and 5GHz for FM-UWB applications is fully covered for the entire industrial temperature range of -40 0C to 125 0C. The tuning range of the improved VCO equals 130.15% (from 81.69%) whereas the improved VCO FOM was increased to 143.08 (from 137.03). Afterwards, programmable charge pumps with high accuracy were designed operating at the supply voltage of 1V. These charge pumps can be used in the PLL of the FM-UWB transmitter or in PLLs used for different telecommunication applications. Three in total charge pumps were designed aiming at a very good DC mismatch between the output source and sink currents, the reduction of the output source and sink current glitches for the maximum possible output voltage range. Charge pumps I, II and III achieve DC mismatch of 1%, 1.846% and 8% respectively. Charge pump III achieve lower output current glitches and higher speed of operation when compared to charge pumps I and II at the expense of higher power consumption. Furthermore, an integrated sub-1V voltage reference generator is presented. It is designed in standard 90-nm CMOS technology. The output reference voltage achieves a total absolute variation of ±3.3% over all process and supply voltage variations. The total power consumption equals 208μW. The proposed low data rate (50Kbps), short range (<10m), FM-UWB receiver front-end is designed in 65nm RF CMOS technology at a supply voltage of 1.8V with a useful bandwidth higher than 500MHz at the center frequency of 4GHz and the current reuse technique is applied aiming at the reduction of the overall power consumption around 14mW. It consists of a wideband preamplifier and a wideband FM demodulator. Final results show that CMOS technology at 65nm when it is combined with careful circuit design and specific circuit topologies can achieve comparable performance to SiGe BiCMOS technologies which have inherent advantages due to their special characteristics. The total bias current of the FM-UWB receiver core is only 8.093mA at a supply voltage of 1.8V and the receiver sensitivity equals -75.78dBm at a signal to noise ratio, SNRsub equal to 13.539dB. The receiver sensitivity can be improved to -82.95dBm at a signal to noise ratio, SNRsub equal to 13.539dB when an additional amplification stage is included in the delay element of the FM-UWB demodulator at the price of extra 8.033mW. Moreover, the design of an FM-UWB LC VCO in the 65nm RF CMOS technology is proposed as the main block of an FM-UWB transmitter. A hyperabrupt varactor is used in the vii tank of the proposed LC VCO in order to achieve linear tuning range. The total power consumption of the proposed LC FM-UWB VCO is 5.11mW including the power consumption of the output buffers, the total linear frequency range and the figure of merit, FOM equal 808MHz and -173.679dB respectively. The suggested LC VCO output power level is higher -12dBm at the frequency of 4.14GHz and varies less than 0.5dB in the entire frequency range of operation. The operation of the suggested VCO is ensured for the entire industrial temperature range between -40 0C and 120 0C with a phase noise performance better than -100dBc/Hz at the frequency offset of 1MHz at 4.14GHz. The above described performance of the proposed FM-UWB LC VCO is improved in terms of power consumption by applying the current reuse technique for the LC VCO core and the output buffer. By stacking the LC VCO core with the output buffer the power consumption can be reduced by 73.63% in comparison with the previously described LC VCO whereas the other VCO characteristics remain the same apart from the output power level which is reduced. Furthermore, a linear, inductorless VCO is proposed. This VCO is designed in 65nm RF CMOS technology and is based on the current starved topology. The suggested VCO tuning is achieved by modulating the current of the VCO core linearly by a voltage to current converter. This VCO is suitable for the FM-UWB application since it covers the frequency range between 3.1GHz to 5GHz and it achieves a phase noise performance of better than -83dBc/Hz at 1MHz offset. The VCO buffer delivers to a 50 Ohm load output power of better than -12dBm. The total VCO power consumption equals 3.63mW (including the output buffer) at a supply voltage of 1.8V and the VCO maximum modulation bandwidth equals 1MHz. Finally, it should be noted that the design of LC harmonic VCOs based on the use of hyperabrupt varactor and the linear current starved VCO design which took place in the last period of this thesis shows our effort to improve the performance of our previous work in the area of VCO circuit design by taking into account the latest published achievements of the literature. In conclusion, in this thesis all of the main VCO topologies were studied and designed for the needs of an FM-UWB transmitter front-end.

Στόχος της εργασίας αυτής είναι η υλοποίηση ενός συστήματος WiMAX στο Matlab Simulink, σύμφωνα με το πρότυπο της IEEE 802.16-2004.Το σύστημα ενσωματώνει όλα τα υποχρεωτικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα του φυσικού στρώματος OFDM 256-σημείων FFT. Η εργασία αυτή οργανώνεται σε πέντε κεφάλαια στα οποία γίνεται μια αναλυτική περιγραφή κάθε στοιχείου του συστήματος λαμβάνοντας κάθε φορά υπόψη τις προδιαγραφές του προτύπου αλλά και τις αντίστοιχες θεωρητικές πτυχές οι οποίες είναι απαραίτητες για να γίνουν αντιληπτές κάθε φορά όλες οι μέθοδοι και οι διαδικασίες που χρησιμοποιήθηκαν. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια αναδρομή στο πώς και για ποιό λόγο ξεκίνησε η ανάπτυξη του προτύπου IEEE 802.16 και περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά του. Ακόμη γίνεται μια σύγκριση μεταξύ του WiMAX και άλλων ασύρματων συστημάτων ευρείας πρόσβασης. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι βασικές παράμετροι που διέπουν την απόδοση του ασύρματου καναλιού ώστε να γίνουν αντιληπτοί οι περιορισμοί που αυτό εισάγει κατά τη διαδικασία της μετάδοσης. Επιπλέον αναλύεται η τεχνική διαμόρφωσης OFDM στην οποία βασίζεται το WiMAX και η οποία είναι κατάλληλη για περιπτώσεις ασύρματης μετάδοσης. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μια εισαγωγή στις τεχνικές πολλαπλών κεραιών και κυρίως στην τεχνολογία ΜΙΜΟ. Η χρήση πολλαπλών κεραιών στον πομπό ή/και στον δέκτη σε μια επικοινωνιακή ζεύξη δημιουργεί μια καινούρια διάσταση στις ασύρματες επικοινωνίες βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση των συστημάτων. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην περιγραφή της τεχνικής Alamouti η ο οποία και εφαρμόστηκε στην υλοποίηση του συστήματος. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι προδιαγραφές και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του φυσικού στρώματος του προτύπου IEEE 802.16. Στο Κεφάλαιο 5 αναλύεται η υλοποίηση του συστήματος WiMAX(πομπός και δέκτης)η οποία πραγματοποιήθηκε στο Matlab Simulink. Παρουσιάζεται λεπτομερώς η σχεδίαση του κάθε μέρους του συστήματος και παρατίθενται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων τα οποία επιβεβαιώνουν την ορθότητα λειτουργίας του συστήματος που υλοποιήθηκε. / The purpose of this thesis is the implementation of a WiMAX system in Matlab Simulink, in compliance with the IEEE 802.16 standard. The system incorporates all the necessary features of the physical OFDM 256-FFT layer. The present topic is organized in five chapters, in which a detailed overview of every element of the system is given taking into account both the standard specifications and the corresponding theoretical aspects, which are necessary to understand all the different methods and processes that have been used. In Chapter 1 an overview is given explaining how and why IEEE 802.16 standard emerged and its main features are outlined. Moreover, a comparison is being made between WiMAX and other wireless broadband systems. Chapter 2 presents the main parameters that affect the performance of a wireless channel, so as to become clear the limitations that the channel itself inserts during the transmission process. Also, the OFDM modulation technique, in which WiMAX is based and it is appropriate for wireless transmission, is being analyzed. Chapter 3 introduces MIMO systems. The use of multiple antennas at the transmitter and/or at the receiver in a communication link opens a new dimension in reliable wireless communications, improving the performance of the system substantially. We are focusing on the Alamouti technique which was implemented in the system. Chapter 4 presents the specifications and the technical features of the IEEE 802.16 physical layer. Chapter 5 explores the implementation of the system (transmitter and receiver) that was made in Matlab Simulink. The design of each part of the system is being discussed in detail and the simulations results are given in order to provide proof for the right function of the implemented system.

Με την εργασία αυτή γίνεται μια οικονομική αξιολόγηση ενός ευρυζωνικού δικτύου πρόσβασης μέσα από την ανάπτυξη ενός προγράμματος (σε κώδικα C) που σαν εισόδους έχει την διείσδυση της κάθε υπηρεσίας στην αγορά, δηλαδή τον αριθμό των πιθανών συνδρομητών, τα στοιχεία της περιοχής, τον εξοπλισμό του δικτύου που πρόκειται να εγκατασταθεί, καθώς και οικονομικά στοιχεία όπως η χρέωση για την υπηρεσία από τον πάροχο. Χρησιμοποιώντας τα στοιχεία αυτά η εφαρμογή υπολογίζει την Καθαρή Παρούσα Αξία (NPV) τον Εσωτερικό Ρυθμό Επιστροφής (IRR) καθώς και την Παρούσα Αξία Ετήσιων Δαπανών (PVAC) για ένα χρονικό ορίζοντα δέκα ετών. Επίσης για την κοστολόγηση του δικτύου υπολογίζει τον συνολικό εξοπλισμό που χρειάζεται να εγκατασταθεί, κάνοντας μια εκτίμηση, προς την χειρότερη πλευρά, για τα μέτρα της οπτικής ίνας που χρειάζεται να τοποθετηθεί. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των NPV για έτος εκκίνησης διαφορετικό κάθε φορά παρουσιάζει το έτος που ένας πάροχος θα πρέπει να εγκαταστήσει το δίκτυο του έτσι ώστε στο τέλος του χρονικού ορίζοντα να έχει το μέγιστο δυνατό κέρδος. Στα πρώτα κεφάλαια γίνεται μια θεωρητική παρουσίαση των διαθέσιμων τεχνολογιών πρόσβασης και του εξοπλισμού, ενώ στα δύο τελευταία κεφάλαια παρουσιάζεται το πρόγραμμα και τα αποτελέσματα για τέσσερα υποθετικά σενάρια. / -

Αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η αξιοποίηση των γραµµών χαµηλής τάσης εντός κτιρίων για τη δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου επικοινωνιών για µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες µε σκοπό την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης στον τελικό χρήστη. Η χρήση του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας ως επικοινωνιακό µέσο σε υψηλές συχνότητες εξαρτάται από την αντιµετώπιση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της συµπεριφοράς του, που περιλαµβάνουν επιλεκτική εξασθένηση πλάτους συναρτήσει της συχνότητας, παραµόρφωση φάσης που εξαρτάται από τα µήκη των γραµµών, ισχυρό κρουστικό θόρυβο και παρεµβολές στενής ζώνης. Οι συνθήκες µετάδοσης επηρεάζονται επίσης δυσµενώς από την εξάρτηση των παραπάνω χαρακτηριστικών από το χρόνο, η οποία οφείλεται στη µεταβολή της φόρτισης του δικτύου. Η σύγχρονη αντιµετώπιση του επικοινωνιακού µέσου στηρίζεται σε εµπειρικά µοντέλα συµπεριφοράς, που πηγάζουν από µετρητικά δεδοµένα σε πειραµατικά δίκτυα και επιχειρεί να καλύψει αξιόπιστα µε κατάλληλες τεχνικές µετάδοσης τη ‘χειρότερη’ περίπτωση σε ότι αφορά τις συνθήκες του καναλιού, χωρίς να βοηθά στην κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη συµπεριφορά του µέσου, ώστε να είναι εφικτή και η ουσιαστική αντιµετώπισή τους. Η παρούσα εργασία ακολουθεί µια διαφορετική προσέγγιση για την αξιοποίηση του µέσου, που στοχεύει στην ουσιαστική αντιµετώπιση της χρονικά µεταβαλλόµενης συµπεριφοράς του µέσου, προτείνοντας διαδικασίες και τεχνικές που προσαρµόζουν τη µετάδοση στο υφιστάµενο επικοινωνιακό περιβάλλον. Η ανάπτυξη των διαδικασιών αυτών στηρίχθηκε σε ένα πρότυπο περιβάλλον επικοινωνιών που καλείται pDSL (powerline Digital Subscriber Lines) και προτάθηκε για να αποτελέσει το πλαίσιο, σύµφωνα µε το οποίο αναπτύχθηκαν διαδικασίες ανίχνευσης και προσαρµογής της µετάδοσης στις συνθήκες του καναλιού. Στο pDSL περιβάλλον ορίζονται επικοινωνιακά κανάλια που ισοδυναµούν µε ‘σηµείο-προς-σηµείο’ ζεύξεις µεταξύ της pDSL πύλης (κεντρική µονάδα του δικτύου και µονάδα διασύνδεσης του τοπικού δικτύου µε άλλα δίκτυα) και των pDSL επικοινωνιακών συσκευών, όπως ονοµάζονται οι ηλεκτρονικές συσκευές που απαιτούν υπηρεσίες µετάδοσης δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων. Η ανάπτυξη των τεχνικών µετάδοσης που αντιµετωπίζουν τις συνθήκες που επικρατούν στο επικοινωνιακό µέσο στηρίζεται στο χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του. Πρώτο βήµα της διαδικασίας αυτής αποτελεί η σύνδεση της απόκρισης του καναλιού µετάδοσης µε τα χαρακτηριστικά του δικτύου γραµµών. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται ένας αλγόριθµος ανάλυσης της πολυοδικής µετάδοσης του σήµατος στο δίκτυο των γραµµών χαµηλής τάσης, ο οποίος προσδιορίζει µε αναλυτικό τρόπο τα προϊόντα της µετάδοσης που πραγµατοποιείται µέσω πολλαπλών διαδροµών στο δίκτυοκαι συνθέτει την κρουστική και φασµατική απόκρισή του. Ο αλγόριθµος βασίζεται στην περιγραφή της τοπολογίας, των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων και των εµπεδήσεων των φορτίων τερµατισµού της. Η εργασία περιλαµβάνει επίσης την ανάπτυξη δύο πειραµατικών µεθοδολογιών µε τις οποίες πραγµατοποιείται η εκτίµηση των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων χαµηλής τάσης στις υψηλές συχνότητες και της εµπέδησης των ηλεκτρικών φορτίων που συνδέονται στα δίκτυα αυτά. Τα µεγέθη αυτά προκαλούν την εξάρτηση της συµπεριφοράς του µέσου µετάδοσης από τη συχνότητα και το χρόνο και ο προσδιορισµός τους είναι αναγκαίος για την εφαρµογή της ανάλυσης και της πρόβλεψης της συµπεριφοράς του καναλιού µε τη βοήθεια του αλγορίθµου ανάλυσης. Η αξιοπιστία των µεθόδων πιστοποιήθηκε µε τη σύγκριση της πειραµατικής και της θεωρητικής συνάρτησης µεταφοράς των καναλιών που σχηµατίζονται σε πειραµατικές τοπολογίες γραµµών χαµηλής τάσης, οι οποίες κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό. Στην παρούσα εργασία, η ανάλυση της συµπεριφοράς του µέσου πλαισιώνεται µε τη σχεδίαση και την υλοποίηση ενός εξοµοιωτή πραγµατικού χρόνου του επικοινωνιακού καναλιού, ο οποίος εξοµοιώνει τη χρονικά µεταβαλλόµενη συµπεριφορά του µέσου µε βάση την τοπολογία και τη φόρτιση του. Ο εξοµοιωτής αυτός µπορεί να αποτελέσει πολύτιµο εργαλείο ελέγχου νέων τεχνικών µετάδοσης, κάτω από διαφορετικές συνθήκες επικοινωνίες. Τέλος, µε βάση το χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του επικοινωνιακού µέσου που προηγήθηκε επιχειρείται η ανάπτυξη διαδικασιών που αποσκοπούν στην ανίχνευση των συνθηκών που επικρατούν στο επικοινωνιακό κανάλι και στην προσαρµογή της τεχνικής µετάδοσης σε αυτές, στα πλαίσια της pDSL αρχιτεκτονικής επικοινωνιών. Για την ανίχνευση των συνθηκών µετάδοσης στις επικοινωνιακές ζεύξεις αναπτύχθηκαν δύο επιµέρους διαδικασίες: η ‘αρχική συνθηκοθέτηση’ του καναλιού, που πραγµατοποιείται κατά την αρχικοποίηση των επικοινωνιακών ζεύξεων και η ‘ενδιάµεση συνθηκοθέτηση’ που εκτελείται περιοδικά και επανεκτιµά τις συνθήκες του καναλιού κατά τη διάρκεια της µετάδοσης. Η δεύτερη διαδικασία, η οποία υπόκειται σε εξαιρετικά αυστηρούς χρονικούς περιορισµούς, πλαισιώθηκε από µια µέθοδο πρόβλεψης της συµπεριφοράς του µέσου που επιταχύνει και συµπληρώνει τη διαδικασία ‘ενδιάµεσης συνθηκοθέτησης’ και βασίζεται στη διαθέσιµη πληροφορία εκτίµησης του καναλιού και στον αλγόριθµο ανάλυσης της µετάδοσης στο κανάλι. Η προτεινόµενη διαδικασία προσαρµογής της µετάδοσης στις τρέχουσες συνθήκες που επικρατούν στο κανάλι στοχεύει στην κατάλληλη ανακατανοµή του διαθέσιµου εύρους ζώνης στις επικοινωνιακές ζεύξεις, Η διαδικασία αξιοποιεί την πληροφορία της εκτίµησης των συνθηκών στο µέσο και επιχειρεί να χαρακτηρίσει τα διαθέσιµα υπο-κανάλια ως προς την καταλληλότητα τους για µετάδοση δεδοµένων, ώστε να τα κατανείµει µε βέλτιστο τρόπο στις ζεύξεις, ανάλογα µε τις απαιτήσεις τους σε ρυθµό µετάδοσης.

Με τα δίκτυα αισθητήρων μπορούμε να παρακολουθούμε το περιβάλλον και να εξάγουμε χρήσιμη πληροφορία με αυτόματο τρόπο. Τα τελευταία χρόνια, λόγω και της ανάπτυξης κατάλληλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, έχουν εμφανιστεί κόμβοι αισθητήρων σε πολύ μικρό μέγεθος. Αυτοί οι κόμβοι έχουν την δυνατότητα να επεξεργάζονται δεδομένα, να επικοινωνούν μεταξύ τους και να περιέχουν περισσότερα από ένα είδη αισθητήρων. Η συγκεκριμένη εργασία ασχολείται με δίκτυα τυχαία διασκορπισμένων αισθητήρων. Το πρόβλημα που μελετήθηκε είναι ο εντοπισμός της θέσης πολλαπλών πηγών από το δίκτυο. Οι πηγές εκπέμπουν ευρείας ζώνης σήματα που μοντελοποιούνται ως διαδικασίες AR. Η τεχνική λειτουργεί με έναν σειριακό τρόπο. Επιλέγει μια πηγή, εκτιμά τις διαφορές χρόνων άφιξης του σήματός της και υπολογίζει την θέση της πηγής χρησιμοποιώντας το κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων. Στην συνέχεια, ακυρώνει το σήμα της πηγής από τα σήματα που έχουν λάβει οι κόμβοι του δικτύου και η όλη διαδικασία ξεκινάει από την αρχή. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν την επιτυχή λειτουργία της στην περίπτωση που υπάρχει στην περιοχή του δικτύου μια, δυο ή τρεις πηγές. / Sensor networks are used for monitoring an environment and extracting useful information in an automated way. In recent years, mostly because of the development of suitable integrated circuits, sensor nodes, in small sizes, have emerged. These nodes are capable of processing data, communicating with each other and multi-modal sensing. The thesis is concerned with ad-hoc sensor networks. The problem, that is tackled, is the estimation of position of sources in a multi-source environment. The signals, that are emitted, are modelled as AR processes. The proposed method works in a serial manner. Firstly, one of the sources is selected and the time differences of arrival among the sensor nodes are computed. Then, the position of the source is estimated using the least squares criterion. Finally, the signal of the source is cancelled from the sensor nodes’ received signals and the whole procedure starts over. Experimental results show the functionality of the method when one, two or three sources are present in the environment.

Η υλοποίηση πρακτικών ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας δεδομένων στην τεχνολογία UWB παρουσιάζει ιδιαίτερες προκλήσεις, κυρίως λόγω της χαμηλής ισχύος εκπομπής και της πολύ σύντομης διάρκειας των παλμών που χρησιμοποιούνται, οι οποίοι θα πρέπει να στέλνονται με πολύ μεγάλες ταχύτητες για την επίτευξη των επιθυμητών ρυθμών μετάδοσης. Το κανάλι μετάδοσης είναι ιδιαίτερα επιλεκτικό ως προς την συχνότητα και εξαιρετικά πυκνό και πλούσιο σε πολυοδικές συνιστώσες με αρκετά μεγάλες καθυστερήσεις. Αυτές οι συνιστώσες μπορούν να ανιχνευθούν και να συλλεχθούν χρησιμοποιώντας κατάλληλες δομές δεκτών RAKE, οι οποίοι τις συνθέτουν ώστε να μεγιστοποιηθεί η ενέργεια του ωφέλιμου σήματος, αυξάνοντας την απόδοση του συστήματος. Οι δομές αυτές παρουσιάζουν την καλύτερη απόδοση σε τέτοια συστήματα, αλλά έχουν μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα, καθώς για την ικανοποιητική απόδοση του συστήματος πρέπει να συνδυάσουν πολλές συνιστώσες, δεδομένης και της χαμηλής ισχύος εκπομπής της τεχνολογίας. Συνεπώς, για την υλοποίηση ενός πρακτικού και αποδοτικού συστήματος, σημαντικό ζήτημα αποτελεί ο τρόπος επιλογής και συνδυασμού των συνιστωσών μέσω ενός αλγορίθμου που θα χρησιμοποιεί τον μικρότερο δυνατό αριθμό δακτύλων. Στόχοι της διατριβής ήταν η μελέτη της τεχνολογίας UWB, η διερεύνηση των παραμέτρων των παλμικών UWB συστημάτων, η μελέτη και εξομοίωση μοντέλων του καναλιού, η κατανόηση των οποίων είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική ανίχνευση του σήματος και τον σχεδιασμό των αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος, η διερεύνηση δεκτών RAKE καθώς και εναλλακτικών δομών, οι εξομοιώσεις πομποδέκτη παλμικού UWB σε επίπεδο συστήματος με έμφαση στον RAKE και τον εκτιμητή καναλιού, η διερεύνηση παραμέτρων και τεχνικών για την υλοποίηση σε υλικό και τέλος η ανάπτυξη, ο σχεδιασμός και υλοποίηση μιας πρακτικής δομής δέκτη με RAKE αποδιαμορφωτή και εκτιμητή καναλιού που συνδυάζει χαμηλή πολυπλοκότητα και ικανοποιητική απόδοση. Παρουσιάζονται και συγκρίνονται τρεις νέες διαφορετικές προσεγγίσεις σχεδίασης, οι οποίες βασίζονται σε προτεινόμενο υβριδικό αλγόριθμο (HPS) για την μείωση της πολυπλοκότητας του RAKE και δίνονται αποτελέσματα που αφορούν στην αξιοποίηση του υλικού και στις επιδόσεις του συστήματος. Tα αποτελέσματα παρουσιάζουν το trade-off ανάμεσα στην συλλογή ενέργειας, την απόδοση του δέκτη και την πολυπλοκότητά του. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών επαληθεύεται μέσω ειδικής πλατφόρμας αναδιατασσόμενου υλικού στην οποία υλοποιήθηκε η σχεδίαση. / Τhe implementation of practical wireless data communications systems for the UWB technology is very challenging due to the use of low-power ns-duration pulses which have to be sent in a high-frequency in order to achieve the desirable data rates. The UWB channel is highly frequency selective and it is characterized by dense and rich multipath propagation and large multipath delay spreads in some cases. A RAKE receiver can be employed in order to exploit multipath diversity and effectively capture the desired signal energy which is dispersed over the various multipath components, helping to mitigate fading. However, the particular nature of UWB results in very low-energy paths which, in conjunction with high multipath diversity, leads to a RAKE receiver that must exploit a large number of MPCs in order to optimize the received SNR. Thus, for the implementation of a low-complexity system it is important to define a novel method for the selection and combining of MPCs and develop an algorithm that is able to utilize a minimum number of fingers in the RAKE structure. Our work was focused in the study of UWB technology, the investigation of the parameters of IR-UWB systems, the study and understanding of the channel models which is necessary for the design of practical and efficient DSP algorithms, the investigation of RAKE type receivers as well as other alternative structures, the system-level simulations of the IR-UWB transceiver with emphasis given to the algorithms for the RAKE demodulator and channel estimator, the investigation of the parameters and techniques for the implementation of the system in hardware and finally, the development, design, and implementation of a practical receiver structure that includes a RAKE demodulator and a channel estimator and combines low complexity and satisfactory performance. The ultimate goal of this work is the presentation and investigation of the proposed channel estimator and (MRC)-RAKE receiver architecture which is based on a proposed novel hybrid algorithm called HPS. Three different design approaches aiming to a practical system implementation in an FPGA are proposed and compared and system/algorithm performance, hardware utilization results are provided. The obtained results demonstrate the trade-off between energy capture, performance and receiver complexity. The effectiveness of the proposed architectures is verified on a special FPGA platform which was used for the implementation of the receiver structure.