Το ερευνητικό αντικείμενο και ο στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η πρόταση μιας ολοκληρωμένης λύσης για την υποστήριξη τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών σε ασύρματα δίκτυα τα οποία δεν στηρίζονται σε σταθερές δικτυακές υποδομές. Ένα τέτοιο δίκτυο, το οποίο αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία ως Mobile Ad-hoc Network (MANET), είναι ένα αυτο-οργανώσιμο αυτο-σχηματιζόμενο ασύρματο δίκτυο με διαδρομές πολλαπλών τμημάτων (multi-hop), όπου η δομή του δικτύου αλλάζει δυναμικά λόγω της κινητικότητας των κόμβων ή αλλαγές στην τοπολογία. Η αρχιτεκτονική που προτείνεται για την ικανοποίηση των τιθέμενων απαιτήσεων στηρίζεται στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου επικοινωνιακού αρχιτεκτονικού πλαισίου για MANET δίκτυα το οποίο περιλαμβάνει μηχανισμούς μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας που οφείλεται σε επικοινωνιακές λειτουργίες, την ανάπτυξη ενός εξειδικευμένου πρωτοκόλλου δρομολόγησης, τροποποιήσεις του πρωτοκόλλου TCP στο επίπεδο μεταφοράς και την υλοποίηση ενός νέου πρωτόκολλου διαχείρισης δικτύου. Η απόδοση της προτεινόμενης επικοινωνιακής διαστρωμάτωσης είναι υψηλή σε περιβάλλον με μεγάλη κινητικότητα των κόμβων και δυναμική αλλαγή της τοπολογίας ενώ παράλληλα η κατανάλωση ενέργειας των κόμβων παραμένει σχετικά χαμηλή. Οι αλγόριθμοι και τα πρωτοκόλλα που παρουσιάζονται σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς και τις απαιτήσεις ενός ενσωματωμένου συστήματος, ενώ η απόδοση και αξιοπιστία τους τεκμηριώνονται θεωρητικά και με εξομοιώσεις. / The research objective of this thesis is a complete solution so as to support the implementation of telecommunication applications in wireless networks that operate without the presence of fixed infrastructure. Such a network, cited as Mobile Ad-hoc Network (MANET) in international literature, is a self-organized, auto-configured wireless network with multi-hop routing paths where its structure is modified dynamically due to node mobility and topological changes. In order to meet the above requirements a new communication framework for MANET networks is presented, which consists of the adaptation of communication-related energy reduction techniques, development of a specialized routing protocol at the network layer, modifications of the TCP protocol at the transport layer and the implementation of a novel network management protocol. The performance of the proposed protocol stack is satisfactory in dynamic network topologies with increased node mobility, whereas the node energy consumption remains in low levels. The presented algorithms and protocols are designed and implemented considering the constraints and requirements of an embedded system, while their performance and reliability is proved theoretically and by simulation results.

Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη της διαστρωματικής (cross-layer) προσέγγισης ανάπτυξης ασύρματων δικτύων κατανεμημένης λειτουργίας με απαιτήσεις επικοινωνίας πραγματικού χρόνου και περιορισμένους διαθέσιμους πόρους. Επιπλέον βασικό στόχο αποτελεί και η σχεδίαση, πρόταση αντίστοιχης αρχιτεκτονικής η οποία στοχεύει στη βέλτιστη διαχείριση διαθεσίμων δικτυακών πόρων σε καταστάσεις συμφόρησης του δικτύου και κατά συνέπεια στην βελτίωση της απόδοσης αυτού. Μέσα από μελέτες στα πλαίσια της διατριβής αναδεικνύεται η σημασία του φαινομένου συμφόρησης ως κύριου παράγοντα σπατάλης δικτυακών πόρων καθώς και οδήγησης του δικτύου σε κατάσταση κορεσμού με αρνητική επίπτωση σε όλες τις παραμέτρους απόδοσης του δικτύου. Στόχος, λοιπόν, της προτεινόμενης επικοινωνιακής αρχιτεκτονικής είναι η αποφυγή του φαινομένου συμφόρησης έτσι ώστε το δίκτυο να οδηγείται δυναμικά σε ένα σταθερό σημείο απόδοσης (όσο αυτό είναι δυνατό) το οποίο θα επιτρέπει στο δίκτυο να αποδίδει όσο το δυνατόν καλύτερα αποφεύγοντας τη ίδια στιγμή άσκοπη σπατάλη πόρων. Βασική παράμετρος στη σχεδίαση αποτελεί η συμβατότητα τόσο ως προς σημαντικό εύρος διαθέσιμων πρωτοκόλλων σε διάφορα επίπεδα, όσο και ως προς τη δυνατότητα συνύπαρξης κόμβων που ενσωματώνουν την προτεινόμενη αρχιτεκτονική με κόμβους χωρίς αυτήν. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε στα πλαίσια γνωστού και αξιόπιστου δικτυακού εξομοίωση. Αξιολόγηση της υλοποίησης αυτής μέσα από μεγάλο αριθμό πειραμάτων έδειξε επίτευξη του στόχου καθώς το φαινόμενο της συμφόρησης αντιμετωπίστηκε σε όλες τις περιπτώσεις με σημαντικά οφέλη στην απόδοση του δικτύου και διαχείριση των πόρων. Επιπλέον, λόγω του μεγάλου βαθμού παραμετροποίησης αποτελεί ιδανική βάση για μελλοντικές προεκτάσεις. / This objective of this dissertation is the study of cross-layer approach applied on the development of distributed wireless networks with real-time response demands and scarce available resources. Furthermore, another main goal is the design and proposal of a respective network architecture aiming at optimum resource management under congestion scenarios and therefore maximization of network performance. Through various studies undertaken in the context of this dissertation the importance of the congestion problem is presented as a main factor leading the network to resource waste and saturation conditions negatively affecting all network performance metrics. Consequently, this dissertation aims in proposing a cross-layer architecture able to detect and tackle congestion phenomenon by dynamically retaining network performance at a steady state (as than is possible) where network performs optimally and resource waste in minimized. Among others, a main parameter is retaining compatibility with a wide range of widely used protocols of various layers as well compatibility concerning the coexistence in the same network of stations supporting with stations not supporting the proposed architecture. The proposed architecture is implemented in the context of widely known and used network simulator. Evaluation of this implementation through numerous simulations showed that the objectives are met since congestion phenomenon is tackled in most cases with significant benefits concerning network performance and resource management. Furthermore, due to the high parametrization degree it constitutes a very good base for future expansions.