Ο σκοπός της μεταπτυχιακής εργασίας, ήταν η ανάλυση, όσον αφορά την πιθανότητα σφάλματος, ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος το οποίο μεταδίδει ιατρική πληροφορία, ασύρματα, μεταξύ δυο κόμβων ενός δικτύου ιατρικών αισθητήρων. Το δίκτυο αυτό περιλαμβάνει έναν επιβλέποντα κόμβο ο οποίος προωθεί, τα δεδομένα που συλλέχθηκαν, σε ένα σταθμό βάσης, ο οποίος βρίσκεται σε ένα νοσοκομείο. Η μετάδοση της ιατρικής πληροφορίας επιτυγχάνεται με ένα πομποδέκτη ο οποίος είναι ενσωματωμένος σε όλους τους κόμβους του ασύρματου δικτύου. Χρησιμοποιείται ο ΧΕ1209 πομποδέκτης της εταιρίας Xemics S.A. ο οποίος χρησιμοποιεί την διαμόρφωση 2-CPFSK ενώ η φέρουσα συχνότητα είναι τα 36,86 kHz. Προτού, μεταδοθεί η ιατρική πληροφορία, γίνεται μια κατάλληλη επεξεργασία ώστε να προστατευθεί από τον πανταχού παρών θόρυβο και να φτάσει αναλλοίωτη στο δέκτη. Η επεξεργασία της ιατρικής πληροφορίας περιλαμβάνει τον κυκλικό έλεγχο πλεονασμού (Cyclic Redundancy Check - CRC) και την εφαρμογή ενός σχήματος διόρθωσης λαθών (Forward Error Correction – FEC). / The purpose of my master thesis was, the analysis, concerning the probability of error, of a telecommunication system, which transmits medical information, wireless, from one node, of a medical sensor network, to another. This network consists of a supervising node, who forwards the collected data, to a base station, which resides in a hospital. The transmission of the medical information is achieved by a transmitter embedded to all the nodes of the wireless network. We have used the ΧΕ1209 transmitter of Xemics S.A., who uses the 2-CPFSK modulation, whilst the carrier frequency is 36.86 kHz. Before the transmission of the medical information takes place, the data undergo a processing phase, in order to be protected from the ubiquitous noise, and reach the receiver intact. The processing of the medical information includes the Cyclic Redundancy Check (CRC) and the application of a form of error correction called Forward Error Correction (FEC).

Η διατριβή αποσκοπεί στην ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας και των αντίστοιχων υπολογιστικών εργαλείων με σκοπό τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας κατασκευών από σύνθετα υλικά, όταν λαμβάνεται υπόψη όχι μόνο η στοχαστικότητα της φόρτισης και των ιδιοτήτων αντοχής του ορθότροπου υλικού, αλλά και η μεταβλητότητα των ελαστικών του ιδιοτήτων και των συντελεστών θερμικής διαστολής. Ταυτόχρονα, στόχος της εργασίας είναι η μέθοδος που θα αναπτυχθεί να είναι ευκολόχρηστη και αρκετά ακριβής, ώστε να καταστεί πρακτική για χρήση σε σχεδιασμό τέτοιων κατασκευών όπου μέχρι το τελικό αποτέλεσμα απαιτούνται πολλές επαναληπτικές δοκιμές. Στην εργασία διερευνάται η μεταβλητότητα των μηχανικών ιδιοτήτων συνθέτων υλικών, κυρίως αυτών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πτερυγίων Ανεμογεννητριών, η στατιστική μοντελοποίηση της, καθώς και μέθοδοι για τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας της κατασκευής. Επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον στον δομικό σχεδιασμό πτερυγίων ανεμογεννητριών αναπτύχθηκε κατάλληλο υπολογιστικό εργαλείο για την εκτίμηση της αξιοπιστίας του πτερυγίου υπό στατική φόρτιση, στο επίπεδο της στρώσης του υλικού λαμβάνοντας υπόψη την στοχαστικότητα των ελαστικών-θερμικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων αντοχής του υλικού, ενώ από την πλευρά της φόρτισης περιλαμβάνεται η μεταβλητότητα τόσο των ορθών τάσεων όσο και των διατμητικών τάσεων που αναπτύσσονται στο επίπεδο της στρώσης, ξεκινώντας από την στοχαστικότητα της εξωτερικής φόρτισης του πτερυγίου. Οι προτεινόμενες μέθοδοι εκτίμησης της πιθανότητας αστοχίας του πτερυγίου ανεμογεννήτριας αποδεικνύονται εφαρμόσιμες και σε άλλες κατασκευές από σύνθετα υλικά, με κύριο γνώρισμά τους την παραλαβή της φόρτισης σε μεγάλο βαθμό από το σύνθετο υλικό. / The dissertation aim was to develop a suitable methodology and the relevant numerical tools for the determination of the reliability of composite materials structures, when not only the variability of loading and the orthotropic material strength properties but also the variability of the material's elastic properties and thermal expansion coefficients. In parallel, scope of the work is to develop a method that is easily applicable and relative accurate, so as to be practical for use during the design of such structures, for which a large numbers of iterations is required up to the design final solution. In the current work the variability of the mechanical properties of composite materials, focusing on materials used for manufacturing wind turbine blades, is studied, the statistical modeling of the structure, as well as methods for the estimation of the structural reliability. Concentrating the interest in the structural design of wind turbine blades an adequate numerical tool was developed for the estimation of the wind turbine blade reliability under static loading, at the layer level, taking into account the stochastic material elastic properties, thermal expansion coefficients and strength properties, while on the loading side both the variability of normal and shear stresses which are developed at the layer level is taken into consideration, starting at the variability of the blade's external loading. The proposed methods developed for the failure probability estimation of the wind turbine blade are proved applicable to other composite material structures, as well, for cases where the structural load is undertaken in the largest extend by the composite material.

Είναι γνωστό από τη Θεωρία της Πληροφορίας, πως η δειγματοληψία σημάτων ακολουθεί το Θεώρημα των Shannon-Nyquist. Σύμφωνα με το θεώρημα αυτό, για την εκτέλεση της δειγματοληψίας ενός σήματος χωρίς απώλεια πληροφορίας, ο ρυθμός δειγματοληψίας αυτού θα πρέπει να είναι τουλάχιστον δύο φορές μεγαλύτερος από τη μεγαλύτερη συχνότητα που εμφανίζεται στο φάσμα του σήματος. Αυτή τη θεωρία κατάφερε – κατά κάποιο τρόπο - να ανατρέψει το 2006 μια νέα, αυτή της Συμπιεσμένης Καταγραφής που ξεκίνησε από δύο επιστημονικές εργασίες των Donoho, Candes, Romberg και Tao και η οποία έρχεται να αλλάξει τα έως σήμερα δεδομένα. Σήμερα, λίγα έτη αργότερα, μια αφθονία θεωρητικών πτυχών της συμπιεσμένης καταγραφής εξερευνάται ήδη σε περισσότερες από 1000 δημοσιεύσεις. Οι εφαρμογές αυτής της τεχνικής εκτείνονται και σε άλλα πεδία όπως η επεξεργασία εικόνας, η μαγνητική τομογραφία, η ανάλυση γεωφυσικών δεδομένων, η επεξεργασία εικόνας radar, η αστρονομία κ.α. Η μέθοδος της συμπιεσμένης καταγραφής ή αλλιώς Compressed Sensing ή Compressed Sampling, όπως αυτή είναι γνωστή στη βιβλιογραφία, στηρίζεται στη δυνατότητα ανακατασκευής αραιών σημάτων από πλήθος δειγμάτων αισθητά κατώτερο από αυτό που προβλέπει το θεωρητικό όριο του Nyquist. Έχει αποδειχθεί ότι, η ανακατασκευή αυτή είναι δυνατή όταν το σήμα ή έστω κάποιος μετασχηματισμός του περιέχει λίγα μη μηδενικά στοιχεία σε σχέση με το μήκος του. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας παρουσιάζονται οι βασικές αρχές που διέπουν την ανακατασκευή αραιών σημάτων μέσω της επίλυσης υπο-ορισμένων συστημάτων γραμμικών εξισώσεων. Στη συγκεκριμένη εργασία, γίνεται μία προσπάθεια εφαρμογής της εν λόγω μεθόδου στα ανερχόμενα Cognitive Radio δίκτυα (Cognitive Radio Networks - CRN) τα οποία εμφανίζουν την ιδιότητα Spectrum Sharing. Σύμφωνα με αυτή την ιδιότητα, δηλαδή, το διαμοιρασμό του διαθέσιμου φάσματος, ο πρωταρχικός στόχος, είναι η ανίχνευση και η αναγνώριση των λεγόμενων spectrum holes σε ασύρματο περιβάλλον. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται μια Distributed (κατανεμημένη) προσέγγιση συμπιεσμένης καταγραφής φάσματος για (τα ultra-) Wideband Cognitive Radio δίκτυα. Η τεχνική Compressed Sensing εφαρμόζεται σε τοπικά CRs του δικτύου, προκειμένου να ανιχνεύσει το υπερ-ευρύ φάσμα (ultra-wideband) με ρεαλιστική πολυπλοκότητα ανάκτησης του αρχικού σήματος. Οι φασματικές εκτιμήσεις από πολλαπλούς τοπικούς CRs του δικτύου «συνενώνονται» για να αποκομίσουν το χωρικό κέρδος ποικιλομορφίας (spatial diversity gain), το οποίο όσο αυξάνεται, βελτιώνει την ποιότητα ανίχνευσης, ειδικά στην περίπτωση των υπό εξασθένιση καναλιών (channel fading effect). Αρχικά, μελετάται ένας κατανεμημένος αλγόριθμος πλειοψηφίας (Distributed Consensus Algorithm) για να επιτευχθεί η συνεργασία κατά το στάδιο της ανίχνευσης της πληροφορίας που μεταφέρεται στο δίκτυο και έπειτα η αποστολή αυτής σε ένα fusion center. Αυτού του είδους ο distributed αλγόριθμος που χρησιμοποιεί μόνο one-hop επικοινωνία, συγκλίνει γρήγορα σε συνολικά βέλτιστες λύσεις που λειτουργούν με χαμηλό φόρτο επικοινωνίας και υπολογισμού που είναι ανάλογο του μεγέθους του δικτύου. Ένα σενάριο που εξετάζεται στο πλαίσιο αυτής της εργασίας, είναι η συγκεντρωτική ανίχνευση φάσματος ευρείας ζώνης με επικαλυπτόμενες συχνότητες ή αλλιώς κανάλια που είναι κοινά (frequency overlapping) σε Cognitive Radio δίκτυα και τα οποία, χρησιμοποιούν την τεχνική Compressed Sensing καθώς επίσης και την από κοινού ανακατασκευή (Joint Reconstruction) του αρχικού σήματος. Τέλος, προτείνεται ένα σενάριο, μιας κατανεμημένης αυτή τη φορά, τεχνικής ανίχνευσης φάσματος, που βασίζεται σε κανόνες πλειοψηφίας. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, σε περιβάλλον Matlab, επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα αυτής της προτεινόμενης προσέγγισης, δηλαδή την ανίχνευση φάσματος, από συνδυασμό Cognitive Radio δικτύων με αραιά επικαλυπτόμενες συχνότητες. / It is well known from Information Theory, that the sampling of signals should be performed as dictated by the celebrated Shannon – Nyquist theorem. According to this theorem, in order to fully recover a signal from its samples, it must be sampled at a sampling rate that should be at least twice the bandwidth of the signal. This theory has been significantly extended over the past few years by the advent of the so-called Compressed Sensing theory, which first appeared in seminal scientific articles of Donoho, Candes, Romberg and Tao in 2006. Nowadays, an abundance of theoretical aspects of compressed sensing is already explored in more than 1000 articles. Τhis technique has been applied in various fields such as image processing, magnetic tomography, analysis of geophysical data, radar image processing, astronomy etc. The method of Compressed Sensing, also known as Compressed Sampling, is related to the reconstruction of sparse signals from far fewer samples or measurements than what the theoretical limit of Nyquist suggests. It has been proved that, this reconstruction is possible when the signal or a transformation of it, contains just a few non-zero elements with respect to its length. In this work, we firstly summarize the basic principles that condition the reconstruction of sparse signals via the solution of underdetermined systems of linear equations. Next, in this Master Thesis we aim at implementing Compressed Sensing method in emerging Cognitive Radio (CR) networks with spectrum sharing. The first cognitive task preceding any dynamic spectrum access is the sensing and identification of spectral holes in wireless environments. In more detail, this work is mainly concerned with a distributed compressed spectrum sensing approach for (ultra-)wideband CR networks. Compressed sensing is performed at local CRs to scan the very wide spectrum at practical signal-acquisition complexity. Meanwhile, spectral estimates from multiple local CR detectors are fused to collect spatial diversity gain, which improves the sensing quality especially under fading channels. Initially, a distributed consensus algorithm is analyzed for collaborative sensing and fusion in a scenario where all nodes are estimating the same spectral bands. Using only one-hop local communications, this distributed algorithm converges fast to the globally optimal solutions, at low communication and computation load scalable to the network size. Another scenario that has been investigated in this thesis is the joint wideband spectrum sensing in frequency overlapping cognitive radio networks, using centralized compressive sensing techniques. Finally, for the latter scenario, a distributed compressive sensing technique, based on consensus, has been proposed. Simulation results in Matlab environment verify the effectiveness of proposed joint spectrum sensing approach in jointly sparse frequency overlapping cognitive radio networks.

Polarization mode dispersion (PMD) arises as a result of the birefringence in optical fibers, due to inherent asymmetries and deformities from external stresses. The spectral components of the input optical pulse propagate with different group velocities. Consequently, pulse duration increases leading to intersymbol interference between consequent symbols, leading to performance reduction of the coherent systems. In order to compensate for the PMD, we use adaptive linear PMD equalizers. Due to the dynamic and random nature of PMD, it is crucial for a system designer to efficiently simulate the PMD-induced outage probabilities of 10-5. Because of this stringent requirement, it is computationally costly to use the conventional Monte Carlo methods. To overcome this hurdle, Importance Sampling methods, such as the multicanonical Monte Carlo method have been applied in the past in order to efficiently reduce the simulation time required to estimate the statistics of these rare events. The multicanonical Monte Carlo method does not require any prior knowledge of which rare events contribute significantly to the PMD-induced outages. In essence, multicanonical Monte Carlo simulations adaptively bias the input random variables with a priori unknown weights. The PMD emulation model consists of a concatenation of birefringent sections, simulated based on MMC. The objective of this dissertation is to apply, for the first time, the multicanonical Monte Carlo method to accurately and efficiently evaluate the performance of adaptive, blind, feed-forward PMD equalizers employed in coherent polarization division multiplexed (PDM) quadrature phase-shift keying (QPSK) systems in all order PMD emulation model. In the exclusive presence of PMD, we demonstrated that the half-symbol-period-spaced adaptive electronic equalizers, based on the constant modulus algorithm (CMA) equalizers perform slightly better than the decision directed least mean square (DD-LMS) counterparts at links with larger PMD values, whereas the opposite holds true for the low PMD regime. Due to their distinguishable performance in different regimes of the PMD, they provided an even better performance when running DD-LMS after a first round of CMA-based equalization than using either one of the equalization algorithms stand alone. Finally, the joint presence of PMD and intermediate frequency offset or PMD and random differential phase carrier shifts slightly worsened the performance of the coherent PDM QPSK systems, independently of the equalizer. Although these random differential carrier phase shifts are typically omitted in similar PMD studies in intensity modulated/direct detection (IM/DD) systems, they should be taken into account in due to the phase sensitivity of the PDM QPSK coherent systems. / Οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν διπλοθλαστικότητα, η οποία οφείλεται σε κατασκευαστικές ατέλειες των οπτικών ινών και σε εξωτερικούς παράγοντες. Η διπλοθλαστικότητα προκαλεί διασπορά μεταξύ των φασματικών συνιστωσών ενός διαμορφωμένου οπτικού σήματος. Κάθε φασματική συνιστώσα, ανάλογα με την πόλωσή της στην είσοδο της οπτικής ίνας, υφίσταται διαφορετική αλλαγή φάσης κατά τη διέλευσή της μέσα από την οπτική ίνα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται διασπορά τρόπων πόλωσης. Η διασπορά τρόπων πόλωσης στην οπτική ίνα προκαλεί παραμόρφωση του οπτικού σήματος κι αλληλοπαρεμβολή συμβόλων στον οπτικό δέκτη, με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης ενός σύμφωνου οπτικού τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου, χρησιμοποιούνται οι προσαρμοστικοί γραμμικοί εξισωτές διασποράς τρόπων πόλωσης. Εξαιτίας της στατιστικής φύσης του φαινομένου, πιθανότητες διακοπής της λειτουργίας της τάξεως του 10-5 ενός σύμφωνου συστήματος, τετραδικής διαμόρφωσης φάσης με πολυπλεξία πόλωσης της τάξεως με εξισωτές διασποράς τρόπων πόλωσης, υπολογίστηκαν βάσει της πολυκανονικής Monte Carlo μεθόδου (MMC). Στην MMC μέθοδο. οι παράμετροι στην είσοδο του συστήματος κατευθύνονται, έτσι ώστε στην έξοδο, η (άγνωστη) συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της παραμέτρου ελέγχου να υπολογίζεται με ακρίβεια ακόμα και στις ουρές της. Το πλεονέκτημα της ΜΜC, σε σχέση με τις μεθόδους δειγματοληψίας σημαντικότητας, είναι ότι δεν απαιτείται καμία γνώση για το ποιες περιοχές στην είσοδο πρέπει να δειγματοληφθούν, ώστε στην έξοδο να προκύψουν τα σπάνια εκείνα γεγονότα που μας ενδιαφέρουν. Με βάση την ΜΜC μέθοδο υλοποιήθηκε και το μοντέλο της ίνας, ως μια αλληλουχία διπλοθλαστικών πλακιδίων. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής, είναι η αξιολόγηση της απόδοσης του ενός σύμφωνου συστήματος με χρήση των εξισωτών, συναρτήσει της πιθανότητας διακοπής της λειτουργίας του συστήματος. Για την περίπτωση της αποκλειστικής παρουσίας της διασποράς τρόπων πόλωσης, ο εξισωτής ελαχίστου μέσου τετραγώνου (DD-LMS) έχει αποδοτικότερη λειτουργία, σε σχέση με τον εξισωτή σταθερής περιβάλλουσας (CMA), για χαμηλές τιμές της διασποράς τρόπων πόλωσης, ενώ ο εξισωτής CMA κυριαρχεί στις περιοχές με μεγαλύτερες τιμές της διασποράς τρόπων πόλωσης. Η βέλτιστη λειτουργία του σύμφωνου συστήματος σε μια ευρύτερη περιοχή τιμών της διασποράς τρόπων πόλωσης, επιτυγχάνεται με την χρήση ενός συνδυασμού των δύο εξισωτών CMA και LMS. Η αλληλεπίδραση της διασποράς τρόπων πόλωσης και της ενδιάμεσης συχνότητας επηρεάζει την απόδοση του σύμφωνου συστήματος, όπου ο εξισωτής CMA λειτουργεί αποδοτικότερα σε σχέση με τον εξισωτή DD-LMS, τόσο στις περιοχές χαμηλής όσο και υψηλής τιμής της διασποράς τρόπων πόλωσης. Επίσης, αν στο μοντέλο της ίνας, προσομοιώσουμε και τις τυχαίες διαφορικές ολισθήσεις της φέρουσας συχνότητας μεταξύ των πλακιδίων, λόγω της διπλοθλαστικότητας, τότε η επίδοση των εξισωτών ελαττώνεται. Επομένως, θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν για την ορθότερη αξιολόγηση της απόδοσης του σύμφωνου συστήματος.

Η εκπόνηση της συγκεκριμένης Μεταπτυχιακής Εργασίας, εξετάζει, καταρχήν, την έννοια της πιθανότητας και τις βασικές ιδιότητές της, όπως την τυχαία μεταβλητή και τη συνάρτηση κατανομής. Παράλληλα όμως, παρουσιάζει στοιχεία βασικών διακριτών και συνεχών κατανομών, όπως της κανονικής, της ομοιόμορφης, της Poisson, και άλλων κατανομών της γραμμικής στατιστικής. Στη συνέχεια, αναφέρεται στις βασικές έννοιες της περιγραφικής στατιστικής, όπως οργάνωση και γραφική αναπαράσταση στατιστικών δεδομένων, ομαδοποίηση παρατηρήσεων, ιστόγραμμα συχνοτήτων, καθώς και περιγραφικά μέτρα γραμμικών δεδομένων. Κυρίως, όμως, η παρούσα μελέτη αποτελεί μία γενική επισκόπηση των στατιστικών μεθόδων παρουσίασης και ανάλυσης των περιοδικών δεδομένων. Με τον όρο "περιοδικά δεδομένα", εννοούμε τυχαίες διευθύνσεις και κατευθύνσεις προσανατολισμού. Η παρουσίασης των τυχαίων γωνιών, των γραφικών αναπαραστάσεων των περιοδικών δεδομένων καθώς και των περιγραφικών μέτρων - μέτρα θέσεως, διασποράς, λοξότητας, κυρτώσεως - θα μας οδηγήσουν σε μία καλύτερη προσέγγιση, κατανόηση των περιοδικών κατανομών. Επιπλέον, θα παρουσιαστούν αναλυτικά οι βασικές περιοδικές κατανομές, ομοιόμορφη και Von Mises κατανομή. Όμως, θα εξεταστούν και άλλες κατανομές μονοκόρυφες ή πολυκόρυφες, όπως οι περιελιγμένες κατανομές , η συνημίτονο και η καρδιοειδής κατανομή, οι λοξές κατανομές κ.ά. Τέλος, η εργασία θα αναφερθεί σε μία οικογένεια συμμετρικών περιοδικών κατανομών που προτάθηκε από τον κύριο Παπακωνσταντίνου και αποτελεί επέκταση της καρδιοειδούς κατανομής,σύμφωνα με εργασία των επιστημόνων Toshihiro Abe,Arthur Pewsey,Kunio Shimizu, παρέχοντας σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες οικογένειες κατανομών. / The preparation of this thesis examines, in principle,the concept of probability and its basic properties, such as the random variable and distribution function and presents data of basic discrete and continuous distributions, including normal, uniform, the Poisson, and other distributions of linear statistics. Then it refers to the basic concepts of descriptive statistics, such as the organization and the graphic representation of statistical data, grouping observations Frequency histogram as well as descriptive measures of linear data. Mostly, though, this study represents an overview of statistic methods of presentation and analysis of periodic data. By the term "periodic data" we mean random addresses and directions orientation. The presentation of random angles, graphic representations of periodic data and descriptive measures - measures of location, dispersion, skewness and kurtosis - will lead us to a better approach and understanding of periodic distributions. Furthermore, we present in detail the basic periodic distributions, the uniform and the Von Mises distribution. But other unimodal and multimodal distributions will be examined such as wrapped distributions, the cosine and cardioid distribution, skewed distributions, etc. Finally, this thesis will mention a family of symmetric periodic distributions proposed by Mr. Papakonstantinou and an extension of the cardioid distribution, according to the paper published by the scientists Toshihiro Abe,Arthur Pewsey and Kunio Shimizu, where significant advantages are provided over other families of distributions.