Η εργασία αυτή είχε ως σκοπό τη μελέτη της λειτουργίας των κωδικών LDPC, τη χρήση τους σε συστήματα μετάδοσης δεδομένων και την υλοποίησή τους σε κύκλωμα με επεξεργαστές ARM και FPGA. Ο στόχος ήταν να κατασκευαστεί ένα μοντέλο συνεχούς αποστολής και λήψης εικόνων μέσω μη αξιόπιστων μέσων. Αρχικά μελετήσαμε τα θεωρητικά θέματα που αφορούν τους κώδικες LDPC. Μετά ακολούθησε η προσομοίωση των διαδικασιών κωδικοποίησης, αποκωδικοποίησης και η μοντελοποίηση καναλιού. Η εφαρμογή των κωδίκων LDPC βασίστηκε στην προδιαγραφή ETSI EN 302 307. Αυτή η προδιαγραφή αφορά τις δορυφορικές επικοινωνίες και τυποποιεί τις αντίστοιχες εφαρμογές. Το επόμενο βήμα ήταν η υλοποίηση των λειτουργιών του κωδικοποιητή και του αποκωδικοποιητή LDPC. Τέλος, ελέγχθηκε η ορθή λειτουργία των εργασιών κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης και ελήφθησαν οι μετρήσεις σε σχέση με την απόδοση του υλικού. / This thesis was designed to study the function of the LDPC codes, their use in data transmission systems and their implementation in circuit with ARM processors and FPGA. The aim was to construct a model of continuous send and receive pictures via unreliable media (channels introduce errors). Initially we studied the theoretical issues surrounding the LDPC codes. After that we simulated the procedures of coding, decoding and channel modeling. The implementation of LDPC codes was based on the specification ETSI EN 302 307. This specification relates to satellite communications and standardizes the respective applications. The next step was the implementation of the functions of the LDPC encoder and decoder. Finally the proper functioning of coding and decoding operations was checked and measurements relative to the performance of the hardware were taken.

Η δημοφιλής τάση για ασύρματη επικοινωνία συμβολίζει την ανάγκη μας για ανεξαρτησία και ευελιξία. Σε συνδυασμό με την έμφυτη ανάγκη του ανθρώπου για επικοινωνία, ανταλλαγή σκέψεων και εμπειριών, η τάση αυτή περιλαμβάνει τα τελευταία χρόνια την απαίτηση για ασύρματα πολυμέσα. Η ασύρματη επικοινωνία πολυμέσων έχει τη δυνατότητα να αλλάξει πολλές από τις παραμέτρους της καθημερινότητάς μας. Η πληθώρα των εφαρμογών που προσφέρονται περιορίζεται μόνο από τη δυνατότητα του ασύρματου καναλιού να διαθέσει πόρους, ενέργεια και χρόνο. Η χωρητικότητα του ασύρματου διαύλου επικοινωνίας είναι το κλειδί και η έρευνα εστιάζει στη βελτιστοποίηση της μετάδοσης εφαρμογών ροής βίντεο, αξιοποιώντας όσο το δυνατόν καλύτερα το ασύρματο κανάλι. Στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται μια νέα αναλυτική μέθοδος δημιουργίας συνθετικών βίντεο ροών MPEG-4 που μεταδίδονται σε ένα ετερογενές ασύρματο περιβάλλον. Η κίνηση που δημιουργούν πολλαπλές ροές βίντεο μοντελοποιείται από μια αλυσίδα Μαρκόφ δύο διαστάσεων. Προκειμένου να διατηρηθεί η ποιότητα παρεχόμενης υπηρεσίας, προτείνεται ένας μηχανισμός μεταγωγής των ροών βίντεο με βάση τις πιθανότητες μετάβασης καταστάσεων του μοντέλου. Επιπλέον, παρουσιάζεται ένα αναλυτικό μοντέλο εκτίμησης της αλλοίωσης της αντιλαμβανόμενης ποιότητας κωδικοποιημένου βίντεο Η.264/AVC. Το μοντέλο αυτό αξιοποιεί τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κωδικοποίησης Η.264/AVC και ιδιαίτερα τις αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των πλαισίων βίντεο, ώστε να εξασφαλίσει την ακριβή εκτίμηση της συνολικής αλλοίωσης. Η μελέτη περιλαμβάνει συνδυασμούς πιθανών σφαλμάτων στο ασύρματο κανάλι ώστε να αποδειχθεί η δυνατότητα εκτίμησης της αλλοίωσης από το προτεινόμενο μοντέλο σε κάθε συνθήκη του δικτύου. Στη συνέχεια, αναλύονται μηχανισμοί προγραμματισμού της μετάδοσης πακέτων βίντεο και διαφοροποίησης της σημαντικότητας των πακέτων με βάση τον αντίκτυπό τους στη συνολική αλλοίωση του βίντεο. Η σημασία κάθε πακέτου εκτιμάται από το προτεινόμενο μοντέλο εκτίμησης της αλλοίωσης. Εξασφαλίζεται, έτσι, η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης του βίντεο στις διαφορετικές συνθήκες του δικτύου. Η αξιολόγηση του μοντέλου εκτίμησης επεκτείνεται ώστε να συμπεριλάβει το πρωτόκολλο 802.11e το οποίο διαθέτει μηχανισμούς διασφάλισης της ποιότητας υπηρεσίας. Τέλος, παρουσιάζονται αλγόριθμοι επιλογής βέλτιστων διαδρομών μεταξύ πηγής και παραλήπτη σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων πολυμέσων. Προτείνεται μια επέκταση του πρωτοκόλλου LEACH ώστε να είναι δυνατή η δρομολόγηση πακέτων βίντεο από πολλαπλές διαδρομές με στόχο τη μικρότερη δυνατή αλλοίωση της ποιότητας και την εξοικονόμηση ενέργειας στους κόμβους. / The popular trend for wireless communications marks our demand for freedom and flexibility. Recently, the inherent human need for communication and sharing of ideas and experiences has been enriched with the need for wireless multimedia. Wireless multimedia communications have the ability to alter several parameters of our daily life. The great variety of offered services is only limited by the available resources of the wireless medium. The key is the capacity of the wireless medium and this research focuses on optimizing the video traffic while fully utilizing the wireless channel. This thesis introduces a new analytical method of creating synthetic MPEG-4 video streams over heterogeneous wireless networks. The aggregate video traffic generated by multiple wireless video sources is modeled by a two-dimensional Marcov chain. In order to achieve a guaranteed quality of service, a handoff mechanism is proposed based on the state transition probabilities of the statistical model. Moreover, an analytical distortion prediction model for H264/AVC coded video is presented. In order to precisely estimate the received video distortion, the proposed model utilizes the inherent characteristics of H.264/AVC coding and in particular, the correlation among neighboring video frames. The distortion prediction model’s ability to estimate the received video distortion is studied under different channel conditions. Hence, complex combinations of errors due to the wireless channel are considered in this thesis. Moreover, an analysis of video packet scheduling algorithms and traffic differentiation schemes, based on the video packet’s impact to the overall video distortion, is included. The importance of each video packet is estimated by the proposed distortion prediction model. Therefore, the transmission rate of a video source can be adapted to the varying wireless channel conditions. The evaluation of the model has been extended in order to include the study of the 802.11e standard, which incorporates mechanisms for guaranteeing quality of service. Finally, the thesis proposes algorithms for optimised video multipath routing in wireless multimedia sensor networks. A proposed extension of the LEACH protocol is implemented that ensures multipath video packet routing. Thus, significantly improved received video distortion and power consumption in the wireless sensor nodes, is achieved.

Η συγκεκριμένη εργασία έχει ως αντικείμενο τη σύγκριση των ρυθμών μετάδοσης γραμμής VDSL που επιτυγχάνονται με δύο διαφορετικούς τρόπους κατανομής ισχύος: τις μάσκες ισχύος και τον αλγόριθμο iterative waterfilling. Οι μάσκες ισχύος είναι η μέθοδος που χρησιμοποείται σήμερα στις γραμμές DSL, ενώ ο αλγόριθμος iterative waterfilling έχει προταθεί ως εναλλακτική λύση που επιτυγχάνει καλύτερους ρυθμούς μετάδοσης. Για την πραγματοποίηση της σύγκρισης υλοποιήθηκαν προσομοιώσεις της κάθε μεθόδου σε περιβάλλον Matlab και έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων για διάφορες τιμές μήκους γραμμών VDSL και σε διαφορετικές συνθήκες θορύβου. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως η μέθοδος iterative waterfilling αυξάνει το ρυθμό μετάδοσης των γραμμών VDSL και είναι πιο αποτελεσματική από τις μάσκες ισχύος σε περιβάλλον αυξημένου θορύβου. / The particular work has as object the comparison of the bit rates for a VDSL line that is achieved with two different ways of power distribution: the power masks and the algorithm iterative waterfilling.The power masks are the method that is used today in DSL lines, while the algorithm iterative waterfilling has been proposed as alternative solution that achieves better bit rates. For the purpose of this comparison were materialised simulations of each method in environment Matlab and it became comparison of results for different lengths of lines VDSL and in different conditions of noise. The results show that the method iterative waterfilling increases the bit rate of lines VDSL and is more effective than the power masks when the noise is big.

- / -

Η ασύρματη επικοινωνία, στις μέρες μας, αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, όπου η μορφολογία του εδάφους, δεν επιτρέπει σε αρκετά γεωγραφικά διαμερίσματα την εγκατάσταση και χρήση ευρυζωνικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας καθώς στις μέρες μας βιώνουμε το πέρασμα από τη δεύτερη γενιά συστημάτων κινητών τηλεπικοινωνιών προς την τρίτη. Στην εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας με σκοπό την παροχή μιας πληθώρας υπηρεσιών στους συνδρομητές. Η διπλωματική αυτή έχει σαν σκοπό να μελετήσει την μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων όπως εικόνα και ήχος μέσα από την έννοια του streaming, πάνω από ασύρματα δίκτυα 3ης γενιάς (UMTS). Λαμβάνοντας υπό όψη τις δυσκολίες που συνεπάγεται η ασύρματη μετάδοση δεδομένων, όπως απώλεια πακέτων εξαιτίας λαθών ή συμφόρησης στο δίκτυο, αλλά και την καθυστέρηση που πολλές φορές παρατηρείται, προτείνεται ένας μηχανισμός για τη δυνατότητα προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των πολυμεσικών δεδομένων. Στόχος είναι η αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων, αλλά και η προσπάθεια για την όσο το δυνατόν ανεμπόδιστη λειτουργία της streaming υπηρεσίας ακόμα και σε μη ευνοϊκές δικτυακές συνθήκες. Ο έλεγχος του ρυθμού μετάδοσης αποτελεί ένα σημαντικό θέμα τόσο στα ενσύρματα όσο και στα ασύρματα δίκτυα μιας και σχετίζεται με τη σταθερότητα του δικτύου, συμβάλλει στη δίκαιη κατανομή του bandwidth μεταξύ των ροών δεδομένων και στην ομαλή μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Μία μέθοδος ελέγχου και προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων πάνω από δίκτυα είναι γνωστή σαν TCP Friendly Rate Control (TFRC). Χρησιμοποιείται κυρίως στα ενσύρματα δίκτυα και σύμφωνα με αυτή, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι συνάρτηση κάποιων παραμέτρων οι οποίες αντιπροσωπεύουν την κατάσταση που επικρατεί στο δίκτυο. Οι παράμετροι αυτοί είναι το μέγεθος των πακέτων, ο ρυθμός απώλειας των πακέτων και το Round Trip Time (RTT). Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στα ασύρματα δίκτυα με τη βοήθεια απαραίτητων τροποποιήσεων/παραλλαγών αλλά και υπό την προϋπόθεση ότι λαμβάνονται υπόψη οι ιδιαιτερότητες της ασύρματης μετάδοσης. Στα πλαίσια της έρευνας που έγινε στην εργασία αυτή, θα δείξουμε την ικανότητα που μπορεί να έχει ένας streaming server για έλεγχο και προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων σύμφωνα με τα προβλήματα που προαναφέρθηκαν και τις τρέχουσες συνθήκες του δικτύου. Βασικό στοιχείο στην προσπάθεια αυτή αποτέλεσε η λειτουργία του TFRC μηχανισμού σε συνδυασμό με τη χρήση του RTP πρωτοκόλλου. Το Real-Time Transport Protocol (RTP) παρέχει μια από άκρο σε άκρο υπηρεσία για αποστολή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Εφαρμογές που χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο αυτό είναι κυρίως υπηρεσίες για μετάδοση (streaming) ήχου (φωνή) και βίντεο. Παρόλο που το RTP πρωτόκολλο δεν παρέχει κάποια εγγύηση για την έγκαιρη παράδοση των πακέτων, εντούτοις περιέχει ένα μηχανισμό για την απεικόνιση της κατάστασης του δικτύου και των χαρακτηριστικών της σύνδεσης μεταξύ των δύο άκρων. Πρόκειται για το RTP Control Protocol (RTCP) το οποίο αποστέλλει πακέτα (αναφορές) μεταξύ του streaming server και ενός χρήστη, με πληροφορία όπως ο ρυθμός απώλειας πακέτων, η καθυστέρηση μετάδοσης και ο RTT χρόνος. Με τον τρόπο αυτό, και για τις ανάγκες της ασύρματης μετάδοσης βίντεο σε πραγματικό χρόνο από έναν server προς έναν κινητό χρήστη μπορεί να γίνει μια συνεργασία του TFRC μηχανισμού και των RTP και RTCP πρωτοκόλλων. Ο server, κατά τη διάρκεια αποστολής (streaming) πολυμεσικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο προς ένα κινητό χρήστη, θα μπορεί να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή τα χαρακτηριστικά της ασύρματης σύνδεσης, βασιζόμενος στα RTCP πακέτα που θα του στέλνει ο χρήστης και στη συνέχεια με τη βοήθεια του TFRC να κάνει υπολογισμό ενός άνω φράγματος για τον επιτρεπτό ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Η δυνατότητα για αλλαγή του ρυθμού μετάδοσης από τον server ανάλογα με τις δικτυακές συνθήκες, βασίζεται στο γεγονός της ικανότητας να επιλέγει το προς μετάδοση βίντεο μέσα από ένα σύνολο διαφορετικών κωδικοποιήσεων του βίντεο αυτού. Με άλλα λόγια, ο streaming server διατηρεί διάφορες εκδόσεις (αρχεία) του ίδιου βίντεο, με τη μόνη διαφορά ότι είναι κωδικοποιημένα σε διαφορετικούς ρυθμούς (Kbps) με βάση κάποιο πρότυπο (π.χ MPEG-2). Βέβαια είναι γεγονός, ότι ένας χαμηλός ρυθμός κωδικοποίησης της πολυμεσικής πληροφορίας, σε σχέση με ένα υψηλό ρυθμό, συνεπάγεται μια μέτρια ποιότητα στην εικόνα του βίντεο. Από την άλλη όμως πλευρά, η μετάδοση μέτριας ποιότητας (χαμηλού ρυθμού) βίντεο, συνδέεται με το χαμηλό ρυθμό στην μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων, γεγονός που είναι επιθυμητό σε περιπτώσεις όπου στο δίκτυο παρατηρείται συμφόρηση, μεγάλες καθυστερήσεις και απώλειες πακέτων. Κατά ανάλογο τρόπο, όταν στο δίκτυο δεν παρατηρούνται ιδιαίτερα προβλήματα, είναι επιθυμητή η μετάδοση από τον streaming server βίντεο υψηλού ρυθμού (καλής ποιότητας), καθώς το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι σε θέση να εξυπηρετήσει τις απαιτήσεις για μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων με υψηλό ρυθμό. Για την επιβεβαίωση των όσων αναφέρθηκαν παραπάνω, έγιναν μια σειρά από πειράματα κάνοντας χρήση ενός εμπορικού δικτύου κινητής τηλεφωνίας βασισμένο στην τεχνολογία 3ης γενιάς. Κάποιες υποθέσεις που έγιναν σχετικά με το σενάριο αυτό, αφορούν το διαθέσιμο bandwidth του ασύρματου καναλιού, το ρυθμό απώλειας πακέτων, το μέγεθος των πακέτων και την κίνηση στο δίκτυο. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η απώλεια των πακέτων μπορεί να οφείλεται τόσο στο ενδεχόμενο να παρατηρείται μεγάλη κίνηση στους κόμβους του δικτύου αλλά και σε αυτό της μη σωστής λήψης, εξαιτίας των παραγόντων εκείνων που επηρεάζουν την ασύρματη μετάδοση. Για την υλοποίηση του παραπάνω σεναρίου και των πειραμάτων έγινε χρήση ενός φορητού υπολογιστή (laptop) ο οποίος είχε τον ρόλο του κινητού χρήστη εξοπλισμένος με μια κάρτα για την ασύρματη πρόσβαση σε 3G δίκτυο παρόχου κινητής τηλεφωνίας. Η αποστολή των δεδομένων και ο έλεγχος του ρυθμού μετάδοσης έγινε με την βοήθεια ενός RTSP Server, που υλοποιήθηκε, βασισμένος στις βιβλιοθήκες του open source project LIVE555 (www.live555.com), στο εργαστήριο Κατανεμημένων Συστημάτων και Τηλεματικής του τμήματος. Τέλος θα πρέπει να σημειωθεί ότι η ερευνητική διατριβή που έγινε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας οδήγησε στην παρακάτω δημοσίευση σε διεθνές συνέδριο. An efficient mechanism for adaptive multimedia transmission in 3G networks. IADIS International Conference Wireless Applications and Computing 2007 (WAC 2007), Lisbon, Portugal, A. Alexiou, K. Barounis, C. Bouras, 6-8 July 2007. Αbstract: Η εργασία αυτή προτείνει ένα μηχανισμό για τον έλεγχο της συμφόρησης (congestion control) και την μετάδοση πολυμεσικής πληροφορίας (video) πάνω από το UMTS. Ο μηχανισμός αυτός εφαρμόζεται όταν ο κινητός χρήστης διαχειρίζεται πληροφορία πραγματικού χρόνου (real time), και παράλληλα υιοθετεί την θεωρία μίας ευρέως αποδεκτής μεθόδου για έλεγχο ου ρυθμού (rate control) στα ενσύρματα δίκτυα, γνωστή και ως equation based rate control. Σε αυτή την προσέγγιση, ο server προσαρμόζει τον ρυθμό μετάδοσης πολυμεσικής πληροφορίας λαμβάνοντας υπόψη τις εξής δικτυακές παραμέτρους: α) ρυθμός απώλειας πακέτων, β) round-trip χρόνος και γ) μέγεθος του πακέτου. Μέσα από μια σειρά εξομοιώσεων και πειραμάτων έγινε αξιολόγηση της ορθότητας και της επίδοσης του μηχανισμού. Αρχικά ο μηχανισμός αξιολογείται χρησιμοποιώντας το περιβάλλον του ns-2 εξομοιωτή, και στη συνέχεια γίνονται κάποια πειράματα σε δίκτυο UMTS εμπορικής χρήσης γνωστής τηλεπικοινωνιακής εταιρείας. / Wireless communication has become valuable, in a country like Greece, where the morphology of the ground does not allow the massive use of alternative means of communication like fiber optics. Especially, the field of mobile telecommunications has shown a remarkable growth over the past years, as we are now witnessing the pass from the second generation (2G) networks to the third generation (3G). However, this evolution can be regarded as the result of the demands for an integrated and functional mobile telecommunication system, with a plethora of new services offered to its users. The aim of this master thesis is to make a research in the transmission of multimedia content over a UMTS network, with the capability of adapting the transmission rate, depending on the network conditions. The control of the transmission rate is a very important aspect, not only in the wired networks, but also in the wireless networks, as it is responsible for the stability of the network, the fair sharing of the bandwidth between the traffic flows and the unaffected transmission of multimedia, like video and voice. One method for the control and the adaptation of the transmission rate over networks is known as TCP Friendly Rate Control (TFRC). This method is mainly used in wired networks and according to its function, the transmission rate is the outcome of various parameters across the network. These parameters are the size of the packets, the packet loss rate, and the Round Trip Time (RTT). This method can also be used in wireless networks as long as some modifications take place and that special needs of the wireless transmission have been taken into consideration. During this research, we can show how the TFRC mechanism and the Real-Time Transport Protocol (RTP) can be combined together for the needs of multimedia streaming over a wireless network. The RTP protocol provides end-toend delivery services for data with real-time characteristics such as interactive audio and video, while applications typically run RTP on top of UDP. RTP itself does not provide any mechanism to ensure timely delivery or other quality-ofservice guarantees. However, RTP consists of the RTP Control Protocol (RTCP), which monitors the quality of service like packet loss, delay, round trip time and conveys information about the participants in an on-going session. By this way, during a streaming session, the server would be able to have an image of the network conditions thanks to the RTCP information sent by the mobile client. Then, using the TFRC mechanism an upper bound for the transmission rate can be calculated in order to take advantage of the available bandwidth and to avoid causing network instability or abuse. The server would have the same video in different versions, depending on the coding in Kbits per second (Kbps) and then would have the capability of increasing or decreasing the transmission rate by switching the video files during the streaming session. In order to examine this scenario in real network conditions, some parameters will be taken into consideration, like the available bandwidth of the wireless network, the packet loss rate, the packet size and the network traffic. It must be noticed, that the packet loss could be caused by overloading the network or by those factors which can cause problems in the wireless transmission. For testing all the above, we perform some experiments using a laptop with a network card for having access in a 3G network as a mobile user, and a RTSP server for streaming the multimedia data to the client. The server is implemented, based on the Live555 (www.live555.com) libraries, where some extra functions are added in order to work according to the streaming scenario. Finally it should be mentioned that this thesis has been published on the IADIS International Conference, Wireless Applications and Computing 2007 with the title “An Efficient Mechanism for Adaptive Multimedia Transmission in 3G Networks” held in Lisbon, Portugal, July 6-8, 2007.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη της τεχνικής μετάδοσης OFDM. Η τεχνική OFDM είναι πια μια ώριμη τεχνολογία με αποδεδειγμένη ικανότητα να προσφέρει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων με ιδιαίτερα μεγάλη αποτελεσματικότητα ακόμα και σε δύσκολα περιβάλλοντα μετάδοσης. Αυτό αντικατοπτρίζεται και από την πολύ μεγάλη διείσδυσή της στην αγορά με ενσωμάτωσή της σε πολλά εμπορικά προϊόντα. Όμως οι σύγχρονες ανάγκες επικοινωνιών επιτάσσουν ακόμα πιο μεγάλη αποτελεσματικότητα στην μετάδοση δεδομένων και πλέον συστήματα και λύσεις που προτάθηκαν πριν 2 με 3 χρόνια θεωρούνται αναποτελεσματικά. Κύριο σημείο για την αύξηση της αποτελεσματικότητας αποτελεί η δυνατότητα προσαρμογής του συστήματος στις συνθήκες μετάδοσης. Οι συνθήκες μετάδοσης χαρακτηρίζονται κυρίως από το ασύρματο κανάλι. Για να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή αποτελεσματικότητα το σύστημα θα πρέπει να είναι ικανό να εκτιμά τα κύρια χαρακτηριστικά του ασύρματου καναλιού και στην συνέχεια να προσαρμόζει ανάλογα τα χαρακτηριστικά μετάδοσης. Ένα τέτοιο προσαρμοστικό σύστημα έχει σημαντικό πλεονέκτημα απέναντι σε ένα μη προσαρμοστικό σύστημα το οποίο αντιμετωπίζει την κάθε περίπτωση με έναν ενιαίο μη βέλτιστο τρόπο. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο συναντάται σε όλα τα συστήματα και στο OFDM, είναι η διαφορά της απόδοσης των αλγορίθμων ανάμεσα στην εξομοίωση τους σε λογισμικό και στην υλοποίηση τους σε υλικό. Η παρούσα διατριβή έχει τρεις στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι να μελετηθεί το κανάλι μετάδοσης και να διερευνηθούν τα κύρια χαρακτηριστικά του. Η εκτίμηση των χαρακτηριστικών αυτών θα αποτελέσει την προσεγγιστική εκτίμηση καναλιού. Στην συνέχεια το σύστημα βασιζόμενο σε αυτά τα χαρακτηριστικά θα μπορεί να προσαρμοστεί κάθε φορά με τον βέλτιστο τρόπο. Αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι να αποφασιστεί ότι οι συντελεστές που περιγράφουν προσεγγιστικά το κανάλι είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο, η συχνότητα Doppler, η εξάπλωση καθυστέρησης και ο συντελεστής Κ του καναλιού Ricean και να αναπτυχθούν αλγόριθμοι εκτίμησης για κάθε έναν. Μέσω των προτεινόμενων αλγορίθμων το σύστημα θα μπορεί να εκτιμήσει τις συνθήκες μετάδοσης και να προσαρμοστεί κατάλληλα. Ο δεύτερος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της ακριβούς εκτίμησης καναλιού και η ενίσχυση της απόδοσης του συστήματος μέσω αυτής. Για την μελέτη αυτή επιλέχθηκαν δύο διαφορετικοί τρόποι προσέγγισής της. Η πρώτη προσέγγιση ασχολείται με την λεπτομερή εκτίμηση χαρακτηριστικών του καναλιού όπως ο αριθμός των διαδρομών του και η χρονική τοποθέτησή τους. Στην συνέχεια αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των συντελεστών του καναλιού. Η δεύτερη προσέγγιση ασχολείται με την εκτίμηση καναλιού με την χρήση τεχνικών παρεμβολής. Η μελέτη των τεχνικών παρεμβολής οδήγησε στον προσδιορισμό των βασικών προβλημάτων τους και στην πρόταση νέων τεχνικών εκτίμησης καναλιού. Αρχικά προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης μέσω αντικατάστασης των εικονικών υποφορέων του συστήματος με πιλότους. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μια νέα μαθηματική ανάλυση η οποία προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά της απόδοσής του. Τέλος η απόδοση της εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες. Στην συνέχεια προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης καναλιού μέσω παρεμβολής η οποία χρησιμοποιεί παραπάνω από ένα σύμβολα OFDM για την εκτίμηση του καναλιού. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μία νέα μαθηματική ανάλυση η οποία εμπεριέχει την επίδραση της χρονικής μεταβολής του καναλιού στην απόδοση του συστήματος. Η απόδοση και αυτής της μεθόδου εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε δύσκολες συνθήκες. Τέλος ο τρίτος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της διαδικασίας υλοποίησης και βελτιστοποίησης των προτεινόμενων αλγορίθμων εκτίμησης ρεαλιστικά συστήματα υλικού. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε η υλοποίηση μέρους των προηγούμενων προτεινόμενων αλγορίθμων σε ένα σύστημα ψηφιακής επεξεργασίας, το οποίο είναι πολύ κοντά στο να θεωρείται μια ρεαλιστική υλοποίηση. Έτσι είναι εφικτή η μελέτη των επιλογών της υλοποίησης και των συμβιβασμών της για την βέλτιστη απόδοση του συστήματος. / This dissertation deals with the study of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmission. OFDM is a mature technology with a proven ability to offer high data transmission rates with particularly big effectiveness even in difficult transmission environments. This is also reflected by its very big infiltration in the market with its incorporation in a lot of commercial products. However the modern needs of communications ordain even bigger effectiveness in data transmission and henceforth systems and solutions that have been proposed 2 or 3 years before are considered ineffective. Main point for the achievement of increase in the effectiveness of the system constitutes the ability of adaptation of the system in the transmission conditions. The transmission conditions are mainly characterized by the wireless channel. In order to achieve the highest effectiveness the system must be able to estimate the channel characteristics and to adjust its transmission characteristics accordingly. Such an adaptive system has a significant advantage compared to a non adaptive system which faces each case with a uniform and not optimal way. Another important problem that all communication systems face, including OFDM, is the difference in the performance of an algorithm between its software simulation and it hardware implementation. The present dissertation has three objectives. The first objective is to study the transmission channel and investigate its main characteristics. The estimation of these characteristics will constitute the coarse channel estimation. Then the system will be able to adapt itself optimally. The result of this study is to decide that the factors that coarsely describe the channel are the signal to noise ratio, the Doppler frequency, delay spread and the Ricean channel K factor. Then new algorithms were developed to estimate each one of these factors. Through the proposed algorithms the system will be able to estimate the transmission conditions and be adapted suitably. The second objective of this dissertation is to study the exact channel estimation and the way that the system performance can be enhanced through it. For this study two different approaches were selected. The first approach deals with the detailed estimation of the channel characteristics such as the number of the paths and their placement in time. Then these elements are used to get the channel estimation coefficients. The second approach deals with the channel estimation through interpolation. The study of interpolation methods led to the determination of their basic problems and the proposal of new channel estimation techniques. Firstly a novel channel estimation is proposed through the replacement of virtual subcarriers with pilots. For this method a novel mathematic analysis is given that determines its performance characteristics. Finally its performance is examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Then another novel channel estimation method through interpolation is proposed that uses more than one OFDM symbol to estimate the channel. For this novel method a novel mathematic analysis is given which includes the effect of the time variant channel. The performance of this method is also examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Finally the third objective is to study the implementation and optimization process of the proposed estimation algorithms in realistic hardware systems. For this it was selected to implement a part of the previously proposed algorithms in a digital signal processing system that is very close to be considered a realistic implementation. This way it is feasible to study the implementation choices that have to be made and the trade offs for the optimum performance of the system.

Μέχρι σήμερα στη δρομολόγηση στα ασύρματα αδόμητα δίκτυα λαμβάνεται ως κριτήριο ένα μοναδιαίο μέγεθος για κάθε σύνδεσμο του δικτύου, το οποίο αναπαριστά το κόστος της μετάδοσης πάνω στον συγκεκριμένο σύνδεσμο. Στη δρομολόγηση με βάση πολλαπλά κριτήρια η βασική ιδέα είναι ότι σε κάθε σύνδεσμο ανατίθεται ένα διάνυσμα από παραμέτρους-κόστη με βάση το οποίο προκύπτει και ένα αντίστοιχο διάνυσμα για κάθε μονοπάτι. Για κάθε ζευγάρι κόμβων αποστολέα-παραλήπτη γίνεται καταρχήν η εύρεση όλων των υποψήφιων για χρήση μονοπατιών. Τα υποψήφια μονοπάτια, που λαμβάνονται υπόψη κατά τη διαδικασία επιλογής, έχουν την ιδιότητα να είναι μη-κυριαρχημένα μεταξύ τους. Στη συνέχεια εφαρμόζεται στο σύνολο των μη-κυριαρχημένων μονοπατιών μια συνάρτηση που συνδυάζοντας τις συνιστώσες του κάθε διανύσματος παράγει το κόστος χρήσης κάθε μονοπατιού και έτσι το μονοπάτι με το ελάχιστο κόστος επιλέγεται για χρήση. Στα πλαίσια της εργασίας, καταρχήν μελετήθηκε ο αλγόριθμος δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη χρησιμοποιώντας παραμέτρους-κόστη σχετικές με την ενέργεια, όπως η τρέχουσα διαθέσιμη ενέργεια στους κόμβους και η ισχύς μετάδοσής τους. Στη συνέχεια στις παραμέτρους προστέθηκε και η παρεμβολή που δημιουργείται από τη μετάδοση πάνω σε ένα σύνδεσμο. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι ο αλγόριθμος δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη, σε σχέση με τον ελάχιστου μήκους διαδρομής, κατανέμει πιο ομοιόμορφα την κίνηση στο δίκτυο, επιμηκύνει τον χρόνο ζωής του δικτύου και αυξάνει το ποσοστό των παραδιδόμενων πακέτων. Στο επόμενο στάδιο της εργασίας έγινε μια κατανεμημένη υλοποίηση του αλγορίθμου δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη, που επιπλέον λαμβάνει υπόψη την κινητικότητα των κόμβων του δικτύου, η οποία και πάλι φάνηκε να υπερέχει έναντι πιο παραδοσιακών πρακτικών. Τέλος η ιδέα της δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη εφαρμόστηκε για τη λύση του προβλήματος ενεργο-αποδοτικής πολλαπλής ή ολικής εκπομπής (multicasting ή broadcasting, αντίστοιχα). Στόχος ήταν να βρεθεί η βέλτιστη ενεργο-αποδοτικά ακολουθία συνδέσμων πάνω στους οποίους πρέπει να γίνει μετάδοση ενός πακέτου προκειμένου να υλοποιηθεί η επιθυμητή εκπομπή. Σαν παράμετροι-κόστη χρησιμοποιήθηκαν η τρέχουσα διαθέσιμη ενέργεια και η ισχύς μετάδοσης των κόμβων. Τα αποτελέσματα δείχνουν σαφή υπεροχή του αλγορίθμου με πολλαπλά κόστη έναντι παραδοσιακών λύσεων τόσο για πολλαπλή εκπομπή όσο και για ολική εκπομπή. / Until now, routing in wireless ad hoc networks has been studied by taking into account a single scalar metric for every network link, representing the cost of transmitting through this link. In multicost routing a vector of cost parameters is assigned to each link, based on which a respective cost vector is produced for every path in the network. For every source-destination pair all the candidate paths are initially calculated that are non-dominated to each other. At the cost vectors of the candidate paths, an optimization function is applied in order to produce a cost for each path based on which the selection of the optimal one is made. In the present thesis multicost routing in wireless ad hoc networks was studied initially using as cost parameters the node residual energy and transmission power. As a next step the interference cause by the transmission of each link was added to the cost vectors assigned to each network link. The simulation results showed that multicost routing in comparison to traditional routing practices achieves more uniform traffic distribution and energy consumption in the network, prolongs the network lifetime and increases the percentage of the packets that are successfully delivered to their destinations. Expanding these ideas, the multicost routing algorithm was next implemented in a fully distributed fashion in which additionally the node mobility was taken into account. The results again proved that a significant improvement was accomplished compared to minimum-hop routing. Finally, multicost routing was applied in the field of multicasting and broadcasting in wireless ad hoc networks. The emphasis was again on energy-efficiency by incorporating energy-related cost parameters like node residual energy and transmission power. The multicost algorithm calculates the optimal energy-efficient sequence of nodes that by transmitting implement the desired communication task (multicasting or broadcasting). Simulation results illustrate a clear advantage of our algorithm over established solutions for energy-efficient multicasting and broadcasting.

Θα περιγράψουμε τις βασικές λειτουργίες ενός VoIP δικτύου, τα συστατικά του μέρη, καθώς και τα πρωτόκολλα που είναι υπεύθυνα για την εγκατάσταση, τον έλεγχο και τον τερματισμό μιας VoIP υπηρεσίας-συνομιλίας. Τα πρωτόκολλα αυτά ονομάζονται πρωτόκολλα σηματοδοσίας. Τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας για VoIP εφαρμογές και ιδιαίτερα το πρωτόκολλο SIP (Session Initiation Protocol) είναι το βασικό θέμα της παρούσας εργασίας. Συγκεκριμένα, έγινε ανάπτυξη ενός SIP User Agent, το λογισμικό του οποίου θα εκτελείται στο δικτυακό επεξεργαστή IXP425 της Intel, μαζί με τα απαραίτητα πρωτόκολλα για την κωδικοποίηση-αποκωδικοποίηση και μετάδοση δειγμάτων φωνής σε μορφή πακέτων δεδομένων. Το αποτέλεσμα αναμένεται να είναι ένα ολοκληρωμένο προϊόν (VoIP phone) για την πραγματοποίηση VoIP κλήσεων. / -

Οι τεχνικές ασύρματης μετάδοσης Ultra Wide Band (UWB) είναι γνωστές εδώ και αρκετές δεκαετίες. Το ϐασικό χαρακτηριστικό των συγκεκριμένων συστη- μάτων είναι η εκπομπή και λήψη σήματος που εκτείνεται σε πολύ μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται διαρκώς αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον γύρω από την περιοχή των τηλεπικοινωνιακών συ- στημάτων που χρησιμοποιούν UWB τεχνικές μετάδοσης, κυρίως λόγω της μεγάλης εφαρμοσιμότητάς της. Στις τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, η χρήση της τεχνικής UWB μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση των ταχυτήτων ασύρματης μετάδοσης, λόγω της δυνατότητας εκπομπής μεγάλου αριθμού παλμών σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Σε εφαρμογές εντοπισμού, το UWB μπορεί να ωθήσει προς την αύξηση της διακριτικής τους ικανότητας. Επίσης, κατάλ- ληλα UWB σήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου υπάρχει ανάγκη για υψηλή διεισδυτικότητα μέσα από εμπόδια. Ο πιο απλός τρόπος μετάδοσης σήματος τέτοιου είδους είναι η εκπομ- πή εξαιρετικά σύντομων παλμών. Ο τρόπος με τον οποίο τα μεταδιδόμενα σύμβολα διαμορφώνουν αυτούς τους παλμούς ποικίλλει. Οι πρώτες UWB εφαρμογές χρησιμοποιούσαν σχεδόν αποκλειστικά την τεχνική Dιαμόρφωσης Θέσης Παλμού (Pulse Position Modulation PPM) γιατί η αντιστροφή πολύ σύντομων παλμών ήταν δύσκολο να υλοποιηθεί. Με αυτή την τεχνική, το κάθε μεταδιδόμενο σύμβολο καθορίζει τη ϑέση του παλμού στο πεδίο του χρόνου. Αργότερα, άρχισαν να χρησιμοποιούνται και τεχνικές Dιαμόρφωσης Πλάτους Παλμού (Pulse Amplitude Modulation PAM). Wστόσο, ένα μεγάλο πλεονέκτημα της μεθόδου PPM είναι οι μειωμένες απαιτήσεις της σε ισχύ, γιατί μεταδίδονται πολύ σύντομοι παλμοί ακολουθούμενοι από σχετικά με- γάλες περιόδους «σιωπής». Η ιδιότητα αυτή, καθιστά τη μέθοδο διαμόρφωσης PPM ιδιαίτερα ελκυστική σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Σε αυτή την εργασία μελετούμε τη δομή ενός συστήματος μετάδοσης δε- δομένων Ultra Wide Band το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο διαμόρφωσης PPM. Η συμπεριφορά ενός τέτοιου συστήματος κατά τη μετάδοση μέσα από διάφορα κανάλια παρουσία ϑορύβου εξετάζεται μέσω εξομοίωσης. Είναι γνω- στό ότι τα συστήματα αυτά πλήττονται τόσο από το ϑόρυβο που εισάγεται λό- γω της μετάδοσης, διασυμβολική παρεμβολή, αλλά και παρεμβολή ανάμεσα στους πολλαπλούς χρήστες. Επίσης, οι περιορισμοί που ορίστηκαν στις ΗΠΑ για την μεταδιδόμενη ισχύ ανά συχνότητα των εμπορικών UWB εφαρμογών, οι οποίοι αναμένεται να υιοθετηθούν και στον υπόλοιπο κόσμο, αποτελούν ένα επιπλέον ϑέμα που επηρεάζει την επίτευξη υψηλών ϱυθμών μετάδοσης δεδομένων. Μια λύση είναι η χρήση τεχνικών ισοστάθμισης ή, ισοδύναμα, μεθόδων εκτίμησης του καναλιού που λειτουργούν στο δέκτη. Αν και οι κλασικές τεχνικές ισοστάθμισης ή εκτίμησης καναλιού μπορούν να εφαρμο- στούν με μικρές τροποποιήσεις και σε UWB σήματα διαμορφωμένα με PPM, ένα ϐασικό εμπόδιο είναι τόσο το μεγάλο πλήθος παραμέτρων που πρέπει να εκτιμηθούν (ένα τυπικό κανάλι σε εσωτερικό χώρο μπορεί να έχει ακόμη και πάνω από 150 συντελεστές), όσο και ο πολύ μεγάλος ϱυθμός δειγματοληψίας που απαιτείται. Επίσης, ϕαίνεται ότι μπορούν να αξιοποιηθούν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που εμφανίζει η εφαρμογή της διαμόρφωσης PPM σε UWB συστήματα, όπως είναι το ϕαινόμενο πολλαπλών μονοπατιών (multipath) σε συνδυασμό με την υψηλή διακριτικότητα (resolution) του σήματος UWB, ή ακόμη και η δυνατότητα μετάδοσης του ίδιου συμβόλου περισσότερες από μί- α ϕορές. Στα πλαίσια της εργασίας ϑα μελετηθούν και ϑα ενσωματωθούν στο σύστημα υπάρχουσες μέθοδοι εκτίμησης ή ισοστάθμισης καναλιού, οι οποί- ες αποτελούν προϊόν πρόσφατων προσπαθειών προς αυτή την κατεύθυνση. Θα μελετηθεί ο τρόπος με τον οποίο επιδρούν στην απόδοση του συστήμα- τος. Τέλος, ϑα εξεταστεί η δυνατότητα επέκτασης των μεθόδων εκτίμησης καναλιού με σκοπό τη ϐελτίωση της υπολογιστικής τους πολυπλοκότητας, μετατρέποντάς τους σε επαναληπτικούς/προσαρμοστικούς αλγορίθμους. / -

Σε ένα δίκτυο πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM), κάθε οπτική ίνα μεταφέρει κίνηση υψηλού ρυθμού σε διαφορετικά μήκη κύματος δημιουργώντας έναν αριθμό από µη επικαλυπτόμενα κανάλια μέσα σε μία μόνο ίνα. Η πιο κοινή αρχιτεκτονική που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία σε WDM οπτικά δίκτυα είναι η δρομολόγηση μηκών κύματος, όπου οπτικοί παλμοί μεταδίδονται μέσω οπτικών μονοπατιών, δηλαδή αμιγώς WDM κανάλια που μπορεί να διατρέχουν έναν αριθμό από συνεχόμενες ίνες. Τα σημερινά οπτικά δίκτυα κορμού είναι κυρίως δίκτυα από σημείο σε σημείο (αδιαφανή), όπου το σήμα αναγεννάται σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο μέσω οπτο-ηλεκτρο-οπτικής (ΟΕΟ) μετατροπής. Η τάση που επικράτησε τα προηγούμενα χρόνια δείχνει μία εξέλιξη σε δίκτυα χαμηλού κόστους και υψηλής χωρητικότητας που δεν χρησιμοποιούν OEO μετατροπή. Αρχικά, το κόστος ενός αδιαφανούς δικτύου μπορεί να μειωθεί με την μετακίνηση σε ένα δίκτυο όπου η OEO μετατροπή γίνεται μόνο σε ορισμένους κόμβους, το οποίο συνήθως αναφέρεται ως ημιδιαφανές δίκτυο. Ο στόχος είναι η ανάπτυξη ενός αμιγώς διάφανου οπτικού δικτύου όπου το σήμα θα παραμένει σε οπτική μορφή κατά μήκος ολόκληρου του οπτικού μονοπατιού. Δεδομένου ότι τα οπτικά μονοπάτια είναι οι βασικές οντότητες μεταγωγής ενός WDM δικτύου δρομολόγησης μήκους κύματος, η αποτελεσματική εγκατάσταση τους είναι υψηλής σημασίας. Επομένως, είναι σημαντικό να προτείνουμε αποδοτικούς αλγορίθμους για την επιλογή των μονοπατιών των αιτήσεων σύνδεσης και να αναθέσουμε μήκη κύματος σε κάθε ένα σύνδεσμο κατά μήκος αυτών των μονοπατιών. Αυτό το πρόβλημα είναι γνωστό ως πρόβλημα δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment - RWA). Στα διαφανή και ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα, η ποιότητα της μετάδοσης του σήματος (QoT) επηρεάζεται σημαντικά από τις φυσικές εξασθενήσεις. Το RWA πρόβλημα με την παρουσία φυσικών εξασθενήσεων αναφέρεται ως Impairment aware (ΙΑ-) RWA πρόβλημα. Στην παρούσα διδακτορική έρευνα αρχικά ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και την αξιολόγηση αλγορίθμων δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος σε διαφανή και ημιδιαφανή οπτικά WDM δίκτυα θεωρώντας ότι οι αιτήσεις σύνδεσης είναι γνωστές εκ των προτέρων (φάση σχεδιασμού δικτύων θεωρώντας στατική κίνηση). Εξαιτίας των φυσικών φαινομένων, η επιλογή του κάθε οπτικού μονοπατιού επηρεάζει και επηρεάζεται από τις επιλογές των άλλων οπτικών μονοπατιών. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των οπτικών μονοπατιών στο στατικό πρόβλημα είναι δύσκολο να μοντελοποιηθεί καθώς η χρησιμοποίηση των οπτικών μονοπατιών αποτελούν μεταβλητές του προβλήματος. Αρχικά προτείνουμε RWA αλγορίθμους, χωρίς να λαμβάνουμε υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις, οι οποίοι βασίζονται σε μοντελοποιήσεις γραμμικού προγραμματισμού (Linear Programming - LP) και τείνουν να δίνουν ακέραιες λύσεις. Στην συνέχεια επεκτείνουμε τις μοντελοποιήσεις αυτές και παρουσιάζουμε δύο αλγορίθμους οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις (IA-RWA). Στην πρώτη μοντελοποίηση οι φυσικές εξασθενήσεις λαμβάνονται υπόψη έμμεσα με βάση τις πηγές που προκαλούν τις εξασθενήσεις, ενώ στην δεύτερη μοντελοποίηση οι φυσικές εξασθενήσεις λαμβάνονται υπόψη άμεσα συνδυάζοντας τις παραμέτρους οι οποίες σχετίζονται με την διασπορά του θορύβου. Ο στόχος των IA-RWA αλγορίθμων είναι η ελαχιστοποίηση του αριθμού των μηκών κύματος που χρειάζονται για να εγκατασταθούν όλα τα οπτικά μονοπάτια και ταυτόχρονα η ελαχιστοποίηση της εξασθένησης του σήματος του κάθε οπτικού μονοπατιού. Αναπτύχθηκαν επίσης δύο IA-RWA αλγόριθμοι πολλαπλών κριτηρίων για δυναμική κίνηση (online αλγόριθμοι, που χρησιμοποιούνται κυρίως στην φάση λειτουργίας του δικτύου) για διαφανή δίκτυα. Οι αλγόριθμοι αυτοί λαμβάνουν υπόψη τους συνδυαστικά τις παραμέτρους του φυσικού επιπέδου και του επιπέδου δικτύου, ορίζοντας διανύσματα κόστους για κάθε συνδέσμου και για κάθε μονοπάτι. Ο ένας αλγόριθμος λαμβάνει τις φυσικές εξασθενήσεις έμμεσα, ενώ ο άλλος έμμεσα. Με βάση τους αλγορίθμους πολλαπλών κριτηρίων, προτείναμε διάφορες τεχνικές προστασίας των μονοπατιών για την αντιμετώπιση βλαβών στο δίκτυο λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς εξασθένησης του φυσικού επιπέδου. Ο αλγόριθμος που λαμβάνει άμεσα υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις, επεκτάθηκε ώστε να λαμβάνει υπόψη την ύπαρξη αναγεννητών σε συγκεκριμένους κόμβους του δικτύου καθιστώντας τον ικανό κατ’ αυτόν τον τρόπο να λειτουργεί σε ημιδιαφανή δίκτυα. Μελετήσαμε επιπλέον RWA αλγορίθμους σε WDM δίκτυα τα οποία περιλαμβάνουν κόμβους με περιορισμούς χρώματος (colored) και κατεύθυνσης (direction). Ειδικότερα, επικεντρωθήκαμε σε τέσσερις αρχιτεκτονικές κόμβων που χρησιμοποιούν add/drop ports με τις ακόλουθες ρυθμίσεις i) colored/directed, ii) colored/directionless, iii) colorless/ directed, και iv) colorless/directionless. Αυτές οι αρχιτεκτονικές έχουν διαφορετικό κόστος υλοποίησης, δηλαδή η πιο ευέλικτη αρχιτεκτονική είναι και η πιο ακριβή. Παράλληλα ασχοληθήκαμε με την μελέτη RWA αλγορίθμων σε ευέλικτα οπτικά δίκτυα όπου υπάρχει η επιπλέον δυνατότητα επιλογής του ρυθμού μετάδοσης (και του είδους διαμόρφωσης) που θα χρησιμοποιηθεί στο οπτικό μονοπάτι. Η δυνατότητα αυτή επιτρέπει στα κυκλώματα συνδέσεων, σε μελλοντικά οπτικά δίκτυα κορμού, να μην είναι πλέον στατικά και μονολιθικά, αλλά να μπορούν να αναπροσαρμόζονται δυναμικά στην ζήτηση, τόσο ως προς τον ρυθμό τους όσο και ως προς τον τρόπο διαμόρφωσης. Στα δίκτυα πολλαπλών ρυθμών δεν αρκεί να θεωρήσουμε μία συγκεκριμένη μέγιστη απόσταση μετάδοσης για κάθε τεχνική διαμόρφωσης/ρυθμό μετάδοσης, αλλά θα πρέπει να λάβουμε υπόψη τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συνδέσεων που μεταδίδονται με διαφορετικό ρυθμό μετάδοσης. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι προσαρμόζουν την απόσταση μετάδοσης των συνδέσεων ανάλογα με την κατάσταση χρησιμοποίησης του δικτύου, έτσι ώστε να αποφευχθούν τα φαινόμενα παρεμβολών πολλαπλών ρυθμών, παρέχοντας τη δυνατότητα να εγκατασταθούν συνδέσεις με αποδεκτή ποιότητα μετάδοσης. Τέλος, μελετήσαμε RWA αλγορίθμους που έχουν ως στόχο την μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας σε WDM οπτικά δίκτυα, για την περίπτωση της στατικής κίνησης. Η μείωση της ενέργειας επιτυγχάνεται μέσω της μείωσης του αριθμού των συσκευών του δικτύου που είναι ιδιαίτερα δαπανηρές σε ενέργεια. Αναπτύξαμε ενεργοαποδοτικούς αλγορίθμους για διαφανή και ημιδιαφανή δίκτυα με την χρήση ILP μοντελοποιήσεων. / Ιn a wavelength division multiplexing (WDM) network, each fiber link carries high-rate traffic at several different wavelengths, thus creating multiple channels within a single fiber. The most common architecture utilized for establishing communication in WDM optical networks is wavelength routing, where optical pulse-trains are transmitted through lightpaths, that is, all-optical WDM channels that may span multiple consecutive fibers. Current optical core networks are mainly point-to-point (opaque) networks, where the signal is regenerated at every intermediate node via optical-electronic-optical (OEO) conversion. The trend in recent years shows an evolution toward low-cost and high-capacity all-optical networks that do not utilize OEO. Initially, the cost of an opaque network can be reduced by moving toward a network where OEO conversion is employed only at some nodes, which is usually referred to as a translucent network. The ultimate goal is the development of an all-optical transparent network, where the data signal remains in the optical domain for the entire lightpath. Since the lightpaths are the basic switched entities of a wavelength routed WDM network, their effective establishment and usage are crucial. Thus, it is important to propose efficient algorithms to select the routes for the requested connections and to assign wavelengths on each of the links along these routes. This is known as the routing and wavelength assignment (abbreviated RWA) problem. In a transparent or translucent network, where the signal on a lightpath remains in the optical domain, the quality of transmission (QoT) is significantly affected by physical limitations of fibers and optical components. The RWA problem in the presence of physical layer impairments is referred as Impairment aware (IA-) RWA. We first consider the offline version (network planning phase assuming static traffic) of the RWA problem in transparent and translucent optical networks. In such networks, the signal quality of transmission degrades due to physical layer impairments. Because of certain physical effects, routing choices made for one lightpath affect and are affected by the choices made for the other lightpaths. This interference among the lightpaths is particularly difficult to formulate in an offline algorithm since, in this version of the problem, we start without any established connections and the utilization of lightpaths are the variables of the problem. We initially present algorithms for solving the pure (without impairments) RWA problem based on a Linear Programming (LP)-relaxation formulation that tends to yield integer solutions. Then, we extend these algorithms and present two IA-RWA algorithms for transparent networks that account for the interference among lightpaths in their formulation. The first algorithm takes the physical layer indirectly into account by limiting the impairment-generating sources. The second algorithm uses noise variance-related parameters to directly account for the most important physical impairments. The objective of the resulting cross-layer optimization problem is not only to serve the connections using a small number of wavelengths (network layer objective), but also to select lightpaths that have acceptable quality of transmission (physical layer objective). We propose an algorithm for translucent networks that decomposes the problem into two sub-problems. Initially, we formulate the problem of choosing the sequence of regenerators to be used by the so called “non-transparent connections” as a virtual topology problem and propose various offline IA-RWA algorithms, ranging from integer linear programs (ILP) to simple heuristic algorithms, to solve it. We then transform the initial traffic matrix so as to obtain a traffic matrix that consists only of connections that can be served transparently and apply an IA-RWA algorithm developed for transparent networks. Next, we present two algorithms, for the online version (network operation phase assuming dynamic traffic) of the RWA problem, which are based on the multicost concept and use multiple cost parameters (that is, a cost vector, as opposed to a single scalar cost) for characterizing a link and handle the impairments directly and indirectly, respectively. We show that the use of the multicost approach to solve the online IA-RWA problem can be quite beneficial, both in terms of performance (blocking probability, execution time) and it terms of functionality. Multiple candidate lightpaths are calculated that have, by construction, good QoT performance, making also fault tolerance provisioning easy. We also present an IA-RWA algorithm for translucent WDM networks. We extend an algorithm developed for transparent networks, to obtain a number of IA-RWA algorithms that work in translucent networks and make use of the regenerators that are present at certain network locations when necessary. We also consider RWA in a WDM network consisting of optical cross-connect (OXC) nodes that have color and direction constraints. These restricted node architectures have a smaller cost than the more flexible (and best performing) ones usually assumed in the RWA problem. In particular, we concentrate on four node architectures that use add/drop ports with the following configurations: i) colored/directed, ii) colored/directionless, iii) colorless/ directed, and iv) colorless/directionless. We consider the problem of planning a mixed line rates (MLR) WDM transport optical network. In such networks, different modulation formats are usually employed to support the transmission at different line rates. Previously proposed planning algorithms have used a transmission reach bound for each modulation format/line rate, mainly driven by single line rate systems. However, transmission experiments in MLR networks have shown that physical layer interference phenomena are more severe between among transmissions that utilize different modulation formats. Thus, the transmission reach of a connection with a specific modulation format/line rate depends also on the other connections that co-propagate with it in the network. To plan a MLR WDM network, we present RWA algorithms that adapt the transmission reach of each connection according to the use of the modulation formats/line rates in the network. The proposed algorithms are able to plan the network so as to alleviate cross-rate interference effects, enabling the establishment of connections of acceptable quality over paths that would otherwise be prohibited. Finally, we consider the energy minimization problem in optical networks from an algorithmic perspective. The objective of our proposed algorithms is to plan optical WDM networks so as to minimize the energy consumed, by minimizing the number of the most energy-consuming components. Such components can be amplifiers, regenerators, add/drop terminals, optical fibers, etc. We present algorithms for solving the Energy-Aware Routing and Wavelength Assignment (EA-RWA) problem based on ILP formulations that incorporates energy consuming modules.