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.

Η συνεχής εξέλιξη των δικτύων που βασίζονται στο ΙΡ πρωτόκολλο και η ευρύτατη διάδοση και χρήση τους τα τελευταία χρόνια σε ολόκληρο τον κόσμο καθοδηγεί την ανάγκη για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και την αναβάθμιση των υπαρχόντων, προκειμένου να καλυφθούν οι συνεχώς μεταβαλλόμενες τάσεις και ανάγκες. Δύο από τις βασικότερες εξελίξεις που σχετίζονται με το επίπεδο του ΙΡ πρωτοκόλλου είναι η δυνατότητα για την παροχή εγγυήσεων ποιότητας (Quality of Service) σε τμήμα της συνολικής κίνησης που διακινείται μέσα από τα ΙΡ δίκτυα, καθώς και η ανάγκη αναβάθμισης του IPv4 πρωτοκόλλου προκειμένου (κυρίως) να εξαλειφθεί το πρόβλημα της φειδωλής διάθεσης μοναδικών και οικουμενικά δρομολογήσιμων διευθύνσεων, καθώς και να βελτιωθούν άλλες δευτερεύουσες ατέλειες του IPv4. Κεντρικό αντικείμενο αυτής της Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η μελέτη των τεχνολογιών για παροχή Quality of Service καθώς και η ανάπτυξη μηχανισμών και αλγορίθμων για την αποδοτική διαχείριση των πόρων, τον όσο το δυνατόν δίκαιο καταμερισμό της ποιότητας υπηρεσίας, καθώς και τη δυνατότητα συνεργασίας και διαλειτουργικότητας μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων δικτυακών τμημάτων με αυτοματοποιημένο τρόπο (χωρίς δηλαδή να χρειάζεται η παρέμβαση ενός ανθρώπου διαχειριστή στις περισσότερες περιπτώσεις). Για το σκοπό αυτό έχουν προταθεί διάφορες προσεγγίσεις, οι οποίες μελετώνται στην εργασία αυτή, ενώ προτείνονται αλγόριθμοι και μηχανισμοί για τη βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσής τους. Επίσης, από το RFC 2638 της IETF έχει οριστεί η μονάδα του Bandwidth Broker που διαχειρίζεται συνολικά υπηρεσίες QoS σε ένα domain. Οι Bandwidth Brokers χρειάζεται να εγκαθιδρύσουν σχέσεις περιορισμένης εμπιστοσύνης με τις αντίστοιχες μονάδες στα γειτονικά domains, αντίθετα με άλλες αρχιτεκτονικές που απαιτούν τον καθορισμό των χαρακτηριστικών μιας ροής στους δρομολογητές κατά μήκος του από άκρο σε άκρο μονοπατιού. Επομένως η αρχιτεκτονική του Bandwidth Broker δίνει τη δυνατότητα να κρατηθεί η πληροφορία στο επίπεδο του διαχειριστικού domain, αντί να πρέπει να κρατηθεί σε κάθε δρομολογητή, και η DiffServ αρχιτεκτονική δίνει τη δυνατότητα να περιοριστεί η πληροφορία αυτή μόνο για τους ακραίους δρομολογητές κάθε domain. Στα πλαίσια της διδακτορικής αυτής διατριβής μελετήθηκε η αρχιτεκτονική DiffServ σε επίπεδο μηχανισμών χρησιμοποιώντας εργαλεία εξομοίωσης (NS-2 simulator) καθώς και πραγματικό δίκτυο ευρείας κλίμακας. Το IPv4 πρωτόκολλο έχει τη δυνατότητα υλοποίησης μηχανισμών QoS στο επίπεδο δικτύου με τη χρήση του πεδίου TOS (Type Of Service). Το IPv6 επεκτείνει και βελτιώνει την ιδέα αυτή, παρέχοντας δύο νέα πεδία στην στάνταρ επικεφαλίδα, τα Traffic Class και Flow Label, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν προς αυτήν την κατεύθυνση. Το αποτέλεσμα ήταν ο σχεδιασμός μιας ομάδας υπηρεσιών QoS (απόλυτης προτεραιότητας σε IP κίνηση, εγγυημένου εύρους ζώνης για L2 συνδέσεις μέσω ιδεατών δικτύων καθώς και κίνησης χαμηλής προτεραιότητας). Ο σχεδιασμός αυτός ολοκληρώθηκε με την υλοποίηση μιας πλήρους εφαρμογής bandwidth broker (κεντρικοποιημένη αρχιτεκτονική) που εκτελεί τις ακόλουθες εργασίες: μοντελοποίηση δικτύου, εφαρμογή του μοντέλου διαστασιολόγησης στην τρέχουσα κατάσταση, αποδοχή κλήσης QoS αιτημάτων, παραγωγή παραμέτρων ρύθμισης για τις δικτυακές συσκευές, παρακολούθηση λειτουργίας QoS στο δίκτυο, επικοινωνία με αντίστοιχους bandwidth brokers σε γειτονικά domains και πλήρη διαχείριση των αιτημάτων QoS. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι ανάγκες των εφαρμογών για QoS αυξάνονται, πρέπει να δίνεται μεγαλύτερη ευελιξία μια QoS σηματοδοσία. Για το λόγο αυτό μελετήθηκε και υλοποιήθηκε μια εφαρμογή αυτόματης σηματοδοσίας χρησιμοποιώντας το ευρέως γνωστό πρωτόκολλο δρομολόγησης BGP. Το αποτέλεσμα είναι να επιτυγχάνεται δυναμική σηματοδοσία για QoS σε ένα δίκτυο μέσω μιας διεπαφής που βασίζεται σε Web service ή σε μια Βάση Δεδομένων. Το σύνολο της εργασίας αυτής δοκιμάστηκε και εφαρμόστηκε στο Εθνικό Δίκτυο Έρευνας & Τεχνολογίας και είναι διαθέσιμο σε αντίστοιχα ερευνητικά εθνικά δίκτυα. Επιπλέον, μια σημαντική παράμετρος της υποστήριξης QoS μηχανισμών από άκρο σε άκρο είναι η συνεργασία μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων τμημάτων (domains) που απαιτείται προκειμένου η κίνηση να υφίσταται προνομιακή μεταχείριση καθ’ όλη τη διαδρομή της και να της παρέχονται οι αναγκαίες εγγυήσεις ποιότητας. Η διαπραγμάτευση της συνεργασίας αυτής είναι σαφές ότι πρέπει να είναι όσο το δυνατόν αυτοματοποιημένη για να μπορούν τέτοιου είδους υπηρεσίες να γνωρίσουν ευρύτερη διάδοση. Ο υλοποιημένος bandwidth broker επεκτάθηκε ώστε μέσω Web service διεπαφών να «συνομιλεί» με αντίστοιχους άλλων domains. Παράλληλα, στα πλαίσια της εργασίας αυτής ασχοληθήκαμε επίσης με κατανεμημένες αρχιτεκτονικές bandwidth broker όπου έγιναν υλοποιήσεις σε επίπεδο εξομοίωσης. Αρχικά υλοποιήθηκαν ή επεκτάθηκαν οι υλοποιήσεις των μηχανισμών QoS στον εξομοιωτή και δημιουργήθηκε και δοκιμάστηκαν QoS σενάρια. Στη συνέχεια υλοποιήθηκαν παραλλαγές bandwidth broker που ακολουθούσαν κεντρικοποιημένες και κατανεμημένες αρχιτεκτονικές. Στόχος της μελέτης ήταν να μελετηθεί το trade-off στη λειτουργία τους και να συσχετιστεί με τις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Στην κατανεμημένη λειτουργία εξαρτάται σημαντικά από την τοπολογία του δικτύου, από την διαμόρφωση του bandwidth broker πάνω στη τοπολογία και από την κατανομή QoS αιτημάτων. Για το τελευταίο μελετήθηκε ένας αλγόριθμος προσαρμογής ενός κατανεμημένου bandwidth broker ώστε να επιλέγεται η βέλτιστη διαμόρφωσή του στο δίκτυο (με βάση τις συνθήκες δικτύου) με στόχο την ταχύτερη απόκριση. Τέλος, στα πλαίσια της εργασίας αυτής διερευνήθηκε το θέμα της «inter domain» δρομολόγησης σε μια πλήρη τοπολογία ανεξάρτητων – αυτόνομων domains για την εξεύρεση του βέλτιστου μονοπατιού που ικανοποιεί τις QoS απαιτήσεις. Ειδικότερα , μελετήθηκαν διάφορα μοντέλα και δοκιμάστηκαν πειραματικά σε επίπεδο εξομοίωσης, δίνοντας έμφαση σε θέματα αυτονομίας διαχείρισης στο εσωτερικό κάθε ανεξάρτητου domain και στην τήρηση των SLAs μεταξύ γειτονικών domains. / The main goal of this dissertation is the study of the provisioning of Quality of Service guarantees to part of the total traffic traversing ΙΡ networks. The study is focused on both IPv4 and IPv6 protocol, as IPv6 overcome the limitation that IPv4 has introduced. Also goal of this dissertation is the development of mechanisms and algorithms for the effective administration of resources, the best possible fairness in distributing the quality of service, and the possibility of cooperation and interoperability between different domains in an automated way (without the need for human intervention in most cases). For this reason, a number of approaches have been proposed related to Bandwidth Brokers. These approaches are studied in this dissertation, while new algorithms and mechanisms are proposed for the improvement of their operation and performance. IPv4 was capable of supporting QoS mechanisms at the network layer using the TOS field (Type of Service). IPv6 advances and improves on this idea, by supplying two new fields in the standard header, called Traffic Class and Flow Label, which can be used for this purpose. The usage of these fields, as well as the usage of IPv6 is still at an early stage. However, while IPv6 comes to the foreground and becomes mature enough to replace the dominant IPv4, it is especially interesting to investigate the way that IPv6 QoS capabilities are practically going to be exploited. An important parameter for supporting end-to-end QoS mechanisms is the interaction between multiple domains so that the designated traffic is subjected to preferential treatment along the whole path. The negotiation of this interaction clearly has to be as much automated as possible, if such services are to be widely supported. For this reason, RFC 2638 from IETF has defined the Bandwidth Broker entity. According to the RFC definition, it controls the network load by accepting or rejecting requests for specific bandwidth with QoS guarantees. Bandwidth Brokers only need to establish relationships of limited trust with their peers in adjacent domains, unlike schemes that require the setting of flow specifications in routers throughout an end-to-end path. In practical technical terms, the Bandwidth Broker architecture makes it possible to keep state on an administrative domain basis, rather than at every router and the service definitions of Premium and Assured service make it possible to confine per flow state to just the leaf routers. In the framework of this dissertation we studied a full QoS framework, including priority and assured bandwidth services for Greek Research and Technology Network. In addition, we studied and implemented a bandwidth broker that manages these services in the above network and it also communicate with adjacent domains (like Geant, the Pan-European Academic Network), providing end-to-end provisioning. The implemented bandwidth broker is based on open source tools and belongs to Grnet’s production services portfolio. Finally, it is available for use to other Research networks as well as the experience from the development. Additionally, we studied distributed architectures of bandwidth brokers using simulation tools. We implemented some enhancements on NS-2 simulator in order to have all the necessary tools for QoS tests and measurements. Next, we simulated and compared distributed and centralized models, focusing on the trade-off in their operation related to the network conditions. In distributed architectures, the operation is highly affected by topology and the distribution of service’s requests. Therefore, we studied an algorithm that adapts the distributed bandwidth broker according to several conditions, by changing the location of the main base station and the overall configuration. Finally, we studied several models for the inter-domain routing in a topology with many independent autonomous systems, aiming at investigate the best routing path that provides the QoS guarantees while the autonomous systems keeps the privacy and the SLAs in their domains.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Ο στόχος της εργασίας αυτής ήταν η μελέτη της προκαλούμενης βελτίωσης στην απόδοση εύρους ζώνης με χρήση πολλαπλών συστημάτων HAPS σε κοινή περιοχή κάλυψης. Με γνώμονα τη συνεχώς αυξανόμενη ανάγκη του σύγχρονου ανθρώπου για ευρυζωνικές υπηρεσίες υψηλών ταχυτήτων σε περιοχές οι οποίες είναι φτωχές σε τηλεπικοινωνιακή κάλυψη καθώς και σε περιοχές με αυξημένη τηλεπικοινωνιακή κίνηση καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι οι τηλεπικοινωνίες με τη χρήση εναέριων πλατφορμών (HAPS) οι οποίες δρουν σε πολύ χαμηλότερο ύψος από τους δορυφόρους και με σημαντικά μικρότερες ισχείς , αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για τα επόμενα χρόνια. Σημαντικός παράγων στον οποίο βασίζεται οι τεχνολογία των HAPS είναι η εξοικονόμηση του φάσματος συχνοτήτων με τη χρήση κοινής συχνότητας εκπομπής από όλες τις πλατφόρμες , γεγονός που οδηγεί βαθμιαία σε αύξηση των παρεμβολών που λαμβάνουν οι χρήστες. Στόχος μας ήταν να προσδιορίσουμε τις κατάλληλες συνθήκες και παραμέτρους ώστε ο χρήστης στο έδαφος να λαμβάνει έναν ικανοποιητικό λόγο σήματος προς θόρυβο συν παρεμβολές (CINR) ώστε να υπάρχει επαρκές εύρος ζώνης για τις τηλεπικοινωνιακές του ανάγκες. Για την εξαγωγή των γραφικών παραστάσεων χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Matlab R2010b. / This diploma thesis was developed at the Laboratory of Wireless Communications, at the Department of Electrical an Computer Engineering. The objective of this work was to study the improvement in the bandwidth efficiency that occurs by using multiple high-altitude-platformsystems (HAPS) serving a common coverage area. Considering the even increasing need of the modern people for high speed broadband applications in areas that have poor telecommunication coverage and also in areas that have an increased telecommunication traffic we came to the conclusion that the use of the HAPS operating in lower altitude comparing to the satellites and using even lower power levels, is a very promising technology for the years to come. A very important factor on which the HAPS technology is based on is the saving of the frequency spectrum by using the same transmission frequency from all the platforms, a fact that leads to an increasing interference level that the users receive. Our goal was to determine the proper conditions and parameters so as to the users on the ground receive a satisfying level of CINR in order to have enough bandwidth efficiency for his telecommunication needs. In order to export the graphics, we used Matlab R2010b.

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.

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.

Κεντρικό αντικείμενο αυτής της Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η μελέτη του συνδυασμού δύο εκ των βασικότερων εξελίξεων που σχετίζονται με το επίπεδο του IP πρωτοκόλλου στο Internet: της δυνατότητας για την παροχή εγγυήσεων ποιότητας (Quality of Service) σε τμήμα της συνολικής κίνησης που διακινείται μέσα από τα IP δίκτυα, καθώς και της ανάγκης αναβάθμισης του IPv4 πρωτοκόλλου στο IPv6. Επίσης αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μηχανισμών και αλγορίθμων για την αποδοτική διαχείριση των πόρων, τον όσο το δυνατόν δίκαιο καταμερισμό της ποιότητας υπηρεσίας, καθώς και τη δυνατότητα συνεργασίας και διαλειτουργικότητας μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων δικτυακών τμημάτων με αυτοματοποιημένο τρόπο (χωρίς δηλαδή να χρειάζεται η παρέμβαση ενός ανθρώπου διαχειριστή στις περισσότερες περιπτώσεις). Για το σκοπό αυτό έχουν προταθεί διάφορες προσεγγίσεις όσον αφορά μεσίτες εύρους ζώνης, οι οποίες μελετώνται στην εργασία αυτή, ενώ προτείνονται αλγόριθμοι και μηχανισμοί για τη βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσής τους. Το IPv4 είχε τη δυνατότητα υλοποίησης μηχανισμών QoS στο επίπεδο δικτύου με τη χρήση του πεδίου TOS (Type Of Service). Στην πράξη όμως το πεδίο αυτό έμεινε σε μεγάλο βαθμό ανεκμετάλλευτο. Το IPv6 επεκτείνει και βελτιώνει την ιδέα αυτή, παρέχοντας δύο νέα πεδία στην στάνταρ επικεφαλίδα, τα Traffic Class και Flow Label, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν προς αυτήν την κατεύθυνση. Η χρήση των πεδίων αυτών, όπως και γενικότερα η χρήση του IPv6 βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό επίπεδο. Καθώς όμως το IPv6 περνάει σιγά-σιγά στο προσκήνιο και ετοιμάζεται να υποκαταστήσει το κυρίαρχο έως τώρα IPv4, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο θα αξιοποιηθούν πρακτικά οι QoS δυνατότητες που προσφέρει το IPv6. Μία σημαντική παράμετρος της υποστήριξης QoS Μηχανισμών από άκρο σε άκρο είναι η συνεργασία μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων τμημάτων (domains) που απαιτείται προκειμένου η κίνηση να υφίσταται προνομιακή μεταχείριση καθ’ όλη τη διαδρομή της και να της παρέχονται οι αναγκαίες εγγυήσεις ποιότητας. Η διαπραγμάτευση της συνεργασίας αυτής είναι σαφές ότι πρέπει να είναι όσο το δυνατόν αυτοματοποιημένη για να μπορούν τέτοιου είδους υπηρεσίες να γνωρίσουν ευρύτερη διάδοση. Για το σκοπό αυτό έχει από το RFC 2638 της IETF οριστεί η μονάδα του Bandwidth Broker (μεσίτης εύρους ζώνης). Ελέγχει το δικτυακό φόρτο αποδεχόμενη ή απορρίπτοντας αιτήματα για συγκεκριμένο bandwidth με εγγυήσεις QoS. Οι Bandwidth Brokers χρειάζεται να εγκαθιδρύσουν σχέσεις περιορισμένης εμπιστοσύνης με τις αντίστοιχες μονάδες στα γειτονικά domains, αντίθετα με άλλες αρχιτεκτονικές που απαιτούν τον καθορισμό των χαρακτηριστικών μιας ροής στους δρομολογητές κατά μήκος του από άκρο σε άκρο μονοπατιού. Επομένως η αρχιτεκτονική του Bandwidth Broker δίνει τη δυνατότητα να κρατηθεί η πληροφορία στο επίπεδο του διαχειριστικού domain, αντί να πρέπει να κρατηθεί σε κάθε δρομολογητή, και η DiffServ αρχιτεκτονική δίνει τη δυνατότητα να περιοριστεί η πληροφορία αυτή μόνο για τους ακραίους δρομολογητές κάθε domain. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής ασχοληθήκαμε επίσης με τη μονάδα ελέγχου αποδοχής ενός Bandwidth Broker. Προτείνεται και αξιολογείται ένας προσαρμοστικός αλγόριθμος για αιτήματα κράτησης πόρων που καταφτάνουν νωρίτερα από τον καθορισμένο χρόνο έναρξης της κράτησης. Το γεγονός αυτό επιτρέπει στον αλγόριθμο να συγκεντρώνει ένα σύνολο από πολλαπλά αιτήματα και να κάνει καλύτερη αξιοποίηση του δικτύου, χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα βιβλιογραφία για προβλήματα χρονοδρομολόγησης. Η σημασία της παρακολούθησης και της προσαρμογής της υπολογιστικής επιβάρυνσης για τον Bandwidth Broker φαίνεται σαφέστερα όταν υπάρχει μεγάλος ρυθμός άφιξης αιτημάτων, ενώ το ζητούμενο bandwidth για κάθε κράτηση είναι μικρό, όπως στην περίπτωση πολλαπλών VoIP αιτημάτων σε μία σύνδεση υψηλού bandwidth. / The main goal of this dissertation is the study of two of the main developments related to the Internet network layer: the provisioning of Quality of Service guarantees to part of the total traffic traversing ΙΡ networks, as well as the need for upgrading the IPv4 protocol to IPv6. Also goal of this dissertation is the development of mechanisms and algorithms for the effective administration of resources, the best possible fairness in distributing the quality of service, and the possibility of cooperation and interoperability between different domains in an automated way (without the need for human intervention in most cases). For this reason, a number of approaches have been proposed related to Bandwidth Brokers. These approaches are studied in this dissertation, while new algorithms and mechanisms are proposed for the improvement of their operation and performance. IPv4 was capable of supporting QoS mechanisms at the network layer using the TOS field (Type Of Service). IPv6 advances and improves on this idea, by supplying two new fields in the standard header, called Traffic Class and Flow Label, which can be used for this purpose. The usage of these fields, as well as the usage of IPv6 is still at an early stage. However, while IPv6 comes to the foreground and becomes mature enough to replace the dominant IPv4, it is especially interesting to investigate the way that IPv6 QoS capabilities are practically going to be exploited. An important parameter for supporting end-to-end QoS mechanisms is the interaction between multiple domains so that the designated traffic is subjected to preferential treatment along the whole path. The negotiation of this interaction clearly has to be as much automated as possible, if such services are to be widely supported. For this reason, RFC 2638 from IETF has defined the Bandwidth Broker entity. According to the RFC definition, it controls the network load by accepting or rejecting requests for specific bandwidth with QoS guarantees. Bandwidth Brokers only need to establish relationships of limited trust with their peers in adjacent domains, unlike schemes that require the setting of flow specifications in routers throughout an end-to-end path. In practical technical terms, the Bandwidth Broker architecture makes it possible to keep state on an administrative domain basis, rather than at every router and the service definitions of Premium and Assured service make it possible to confine per flow state to just the leaf routers. In the framework of this dissertation we have also studied the admission control module of a Bandwidth Broker. An adaptive algorithm for advance resource reservation requests is proposed and evaluated. The algorithm gathers and evaluates multiple requests in order to better utilize the network, using previous work on timescheduling problems. The importance of monitoring and adapting the computational overhead for the Bandwidth Broker is clearly demonstrated for high request arrival rates and small bandwidth requests, such as the case for multiple VoIP requests that use a high bandwidth link.

Η διπλωματική έχει σαν στόχο να μελετήσει και να αξιολογήσει τεχνικές συμπίεσης που εφαρμόζονται στην περίπτωση ατόμων με πρόβλημα βαρηκοΐας. Η διαδικασία της συμπίεσης αποσκοπεί στο να αλλάξει τα επίπεδα ισχύος των ακουστικών σημάτων έτσι, ώστε να ανταποκρίνονται καλύτερα στις ακουστικές δυνατότητες του ασθενούς. Οι συμπιεστές υλοποιούνται με δυναμικές διαδικασίες επεξεργασίας σήματος ώστε να αντιδρούν άμεσα στις αλλαγές των χαρακτηριστικών του προς επεξεργασία ήχου. Οι επικρατέστερες τεχνικές θα υλοποιηθούν σε ειδική πλατφόρμα επεξεργασίας και θα αξιολογηθούν ως προς την απόδοσή τους. Θα γίνει επίσης σύγκριση με νέες τεχνικές οι οποίες θα προταθούν για πρώτη φορά στην παρούσα διπλωματική. / .

Στη διατριβή εξετάζουμε προβλήματα που σχετίζονται με τη μετάδοση δεδομένων με υψηλές απαιτήσεις σε εύρος ζώνης και προτείνουμε λύσεις, αλγόριθμους, τεχνικές βελτίωσης της απόδοσης, και εφαρμογές που τις υλοποιούν. Για την περίπτωση του προβλήματος της μετάδοσης βίντεο κατ' απαίτηση (Video on Demand - VoD), εξετάζουμε το πρόβλημα της αποδοχής ή της απόρριψης αιτήσεων για μετάδοση ταινιών χωρίς να υπάρχει γνώση των μελλοντικών αιτήσεων. Παρουσιάζουμε έναν, άμεσης απόκρισης (online), πιθανοτικό αλγόριθμο χρονοπρογραμματισμού ταινιών που εκμεταλλεύεται την γνώση για την κατανομή των προτιμήσεων των αιτήσεων για ταινίες, και αποδεικνύουμε πως έχει ανταγωνιστικό λόγο (competitive ratio) που φράσσεται άνω από σταθερά. Επίσης, δείχνουμε πως η μέθοδος μας μπορεί να επεκταθεί σε ένα προσαρμοζόμενο αλγόριθμο που δεν γνωρίζει την κατανομή των προτιμήσεων. Επίσης, προτείνουμε έναν τρόπο να εφαρμόσουμε μια υπηρεσία βίντεο κατ' απαίτηση για ένα, βασισμένο στο πρωτόκολλο IP, δίκτυο, με περιορισμένο εύρος ζώνης. Στη συνέχεια, εξετάζουμε ένα σχήμα ελέγχου και διαχείρισης του εύρους ζώνης και παρουσιάζουμε ορισμένες μεθόδους προκειμένου να αυξήσουμε την αποδοτικότητα του συστήματος και την εκμετάλλευση του διαθέσιμου εύρους ζώνης (bandwidth). Εξετάζουμε διάφορες τεχνικές και παρουσιάζουμε πειραματικά αποτελέσματα για την βελτίωση της απόδοσης. Επίσης, σχεδιάζουμε και υλοποιούμε μια υπηρεσία διαχείρισης εύρους ζώνης (Managed Bandwidth Service -- MBS). Τέλος παρουσιάζουμε μια ενοποιημένη προσέγγιση για την μετάδοση υπερμεσικών/πολυμεσικών αντικειμένων, τα οποία παρουσιάζονται με βάση προκαθορισμένα σενάρια παρουσίασης (με χωροχρονικές αλληλοεξαρτήσεις μεταξύ των διάφορων μέσων). Τα υπερμεσικά αντικείμενα δομούνται σύμφωνα με μία γλώσσα σηματοδότησης, μέσω της οποίας διατηρούνται πληροφορίες για τις χωρικές και χρονικές συσχετίσεις. Επίσης, υλοποιούμε ένα τέτοιο σύστημα μετάδοσης, που εφαρμόζουμε για εκπαίδευση από απόσταση. / In this thesis we investigate problems related to the transmission of data with high demands in terms of bandwidth, and we propose solutions, algorithms, techniques to increase performance, and applications that use them. For the case of the online video on demand problem, we investigate the problem of having to accept or reject a request for a movie without knowing the future requests. We present an online movie-scheduling scheme that exploits the knowledge of the distribution of the preference of requests for movies, and is shown to have a competitive ratio bounded above by a constant. We extend our approach by presenting an adaptive randomized scheduler which is not aware of the movie popularities. In the sequel we propose a way to implement a video on demand service over a limited bandwidth/best effort Internet based network. Ιn the sequel, we consider a bandwidth control scheme, and we present some methods to increase the efficiency of the system and the utilisation of the available bandwidth. We consider different techniques and we present experimental results for the increased performance. We, also, design and implement a Managed Bandwidth Service (MBS) . Finally, we present a unified approach for delivering hypermedia/multimedia objects, that are to be presented according to predefined scenarios (with spatial and temporal relationships between the various media). The hypermedia documents are structured using a hypermedia markup language that keeps information of the spatiotemporal relationships among document's media components. We, also, implement such a multimedia transmission system, and apply it to distance learning.

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. / -