Το έγγραφο είναι μια έρευνα του υποσυστήματος πολυμέσων διαδικτυακού πρωτοκόλλου και μια υλοποιήση ενός περιβάλλοντος προσομοίωσης, γνωστό ως testbed, που βασίζεται σε αυτό το πρωτόκολλο. Στην αρχή γίνεται μια εισαγωγή στην έννοια του IMS. Στο δεύτερο κεφάλαιο, περιγράφουμε τη γενική αρχιτεκτονική του IMS. Στο τρίτο κεφάλαιο, υπάρχει αναφορά στο επίπεδο σηματοδοσίας και όλα τα στοιχεία του. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφουμε τις υπηρεσίες που παρέχει το IMS και την αρχιτεκτονική του Open IMS Core που αποτελεί το περιβάλλον προσομοίωσής μας. Τέλος, αναλύουμε τα βήματα με σκοπό να εγκαταστήσουμε τον Open IMS Core ρησιμοποιώντας το λειτουργικό σύστημα Linux. / The script is a research of the Internet Protocol Multimedia Subsystem (IMS) and an implementation of a simulation environment, known as testbed and based on this protocol. In the beginning, there is an introduction to the meaning of IMS.In chapter two, we describe the general architecture of IMS. In chapter three, there is a reference to the signalling level and all of its elements. In chapter four we describe the services that IMS provides and the architecture of the Open IMS Core which is our simulation environment. Finally, we analyse the steps in order to install Open Ims Core using Linux operating system.

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.

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.

Οι εφαρμογές πολυμέσων έχουν αποκτήσει τα τελευταία χρόνια μία αυξανόμενη ζήτηση από τους χρήστες γενικά του Διαδικτύου καθώς προσφέρουν νέες και ποικιλόμορφες δυνατότητες ανταλλαγής πληροφοριών εικόνας και ήχου. Όμως οι εφαρμογές αυτές υπόκεινται σε περιορισμούς που έχουν να κάνουν κυρίως με τη φύση τους και χαρακτηρίζονται από τις υψηλές απαιτήσεις σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων (bandwidth-consuming applications) και την ευαισθησία τους στις καθυστερήσεις που παρουσιάζονται κατά τη μετάδοση των πακέτων από τον αποστολέα στο παραλήπτη (delay-sensitive applications). Από την άλλη μεριά οι εφαρμογές αυτές φέρεται ότι είναι λιγότερο ευαίσθητες στις απώλειες των πακέτων (packet-loss tolerant applications). Το ζητούμενο όμως με τις εφαρμογές πολυμέσων, πέρα από το εύρος των υπηρεσιών τις οποίες προσφέρουν, είναι και η παρεχόμενη ποιότητα των υπηρεσιών (Quality of Service, QOS) στο τελικό χρήστη. Η ποιότητα αυτή των υπηρεσιών συνδέεται άμεσα με τα προαναφερόμενα χαρακτηριστικά των εφαρμογών πολυμέσων. Η μέχρι τώρα προσέγγιση από την ερευνητική κοινότητα αλλά και τις εταιρείες παροχής υπηρεσιών Διαδικτύου (Internet Service Providers), σε ότι αφορά την εξασφάλιση της ποιότητας υπηρεσιών, έχει εστιασθεί είτε στην επιμέρους βελτιστοποίηση της απόδοσης των πρωτοκόλλων μετάδοσης, είτε στην εγκατάσταση επιπλέον εξοπλισμού για τη δημιουργία δικτύων διανομής πολυμέσων (Content Distribution Networks, CDNs) που τοποθετούνται συνήθως κοντά στον τελικό χρήστη. Επιπρόσθετα η αυξανόμενη προσπάθεια της ερευνητικής κοινότητας με σκοπό την αύξηση της ποιότητας υπηρεσιών προσέφερε νέες καινοτόμες λύσεις με την μορφή των υπηρεσιών-αρχιτεκτονικών όπως οι Ολοκληρωμένες Υπηρεσίες (Integrated services, Intserv) και οι Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (Differentiated Services, Diffserv) οι οποίες φιλοδοξούν να προσφέρουν εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσιών σε συγκεκριμένες ομάδες χρηστών. Όμως και οι δύο αυτές αρχιτεκτονικές δεν κατάφεραν μέχρι τώρα να αποτελέσουν μια ολοκληρωμένη λύση για τη παροχή εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσιών στο χρήστη λόγω των μεγάλων δυσκολιών στην εφαρμογή τους που έχουν να κάνουν τόσο με χρηματοοικονομικά κριτήρια όσο και με τη ίδια τη δομή του Διαδικτύου. Έτσι βλέπουμε ότι παρόλη τη πρόοδο που έχει γίνει μέχρι σήμερα στη τεχνολογία των δικτύων η παροχή ποιότητας υπηρεσίας στο Διαδίκτυο από άκρο σε άκρο δεν είναι ακόμη στις μέρες μας εφικτή με αποτέλεσμα οι υπηρεσίες μετάδοσης πολυμέσων στο Διαδίκτυο – π.χ “youtube” – να επηρεάζονται σημαντικά από τις όποιες μεταβολές στη κατάσταση του δικτύου. Προς το σκοπό αυτό η ερευνητική κοινότητα έχει στραφεί στη μελέτη μηχανισμών οι οποίοι θα είναι να θέση να προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης της πολυμεσικής πληροφορίας, ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου, έτσι ώστε να προσφέρουν τη μέγιστη δυνατή ποιότητα υπηρεσίας στο τελικό χρήστη. Η προσπάθεια αυτή μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με το τρόπο δρομολόγησης της πολυμεσικής πληροφορίας, όπως παρακάτω: • Μηχανισμοί προσαρμογής για unicast μετάδοση: Σε αυτή τη περίπτωση οι μηχανισμοί προσαρμογής προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης της πληροφορίας από ένα σημείο (αποστολέας) προς ένα σημείο (παραλήπτης). • Μηχανισμοί προσαρμογής εκπομπής πολλαπλής διανομής (multicast): Στη περίπτωση αυτή οι μηχανισμοί προσαρμογής προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης της πληροφορίας που λαμβάνει χώρα από ένα σημείο (αποστολέας) προς πολλά σημεία (παραλήπτες). Σε ότι αφορά τη unicast μετάδοση την επικρατέστερη πρόταση αποτελεί ο μηχανισμός ελέγχου συμφόρησης με την ονομασία TCP Friendly Rate Control (TFRC) που έχει γίνει αποδεκτός ως διεθνές πρότυπο από τη Internet Engineering Task Force (IETF). Στη περιοχή της multicast εκπομπής ο μηχανισμός TCP-friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) έχει γίνει επίσης αποδεκτός ως πειραματικό πρότυπο από την IETF. Παρόλα αυτά όμως εργαστηριακές μελέτες και πειράματα έχουν δείξει ότι τόσο ο μηχανισμός TFRC όσο και ο TFMCC δεν είναι και οι πλέον κατάλληλοι μηχανισμοί προσαρμογής για τη μετάδοση πολυμέσων. Τα κυριότερα προβλήματα αφορούν στη “φιλικότητα” των μηχανισμών αυτών προς το πρωτόκολλο Transmission Control Protocol (TCP) καθώς και στις απότομες διακυμάνσεις του ρυθμού μετάδοσης. Ιδιαίτερα οι απότομες διακυμάνσεις του ρυθμού μετάδοσης είναι ένα στοιχείο μη επιθυμητό από τις εφαρμογές πολυμέσων και ιδιαίτερα από τις εφαρμογές πολυμέσων πραγματικού χρόνου. Στη περιοχή των ασυρμάτων δικτύων τα προβλήματα τα οποία αντιμετωπίζονται κατά τη μετάδοση των πολυμέσων δεν έχουν τόσο άμεση σχέση με τη συμφόρηση του δικτύου (αυτή παρατηρείται κυρίως στα ενσύρματα δίκτυα), όσο με τις απώλειες των πακέτων που είναι ένα άμεσο αποτέλεσμα του μέσου διάδοσης. Η μέχρι τώρα προσέγγιση αφορά στην επιμέρους βελτιστοποίηση των διαφόρων πρωτοκόλλων των στρωμάτων του OSI έτσι ώστε να μειωθούν τα προβλήματα διάδοσης και να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες πακέτων και οι καθυστερήσεις από τον αποστολέα στο παραλήπτη. Κατά τα τελευταία χρόνια όμως κερδίζει όλο και περισσότερο έδαφος μια διαφορετική προσέγγιση η οποία έχει επικρατήσει να ονομάζεται διεθνώς ως “cross-layer optimization-adaptation”. Κατά τη προσέγγιση αυτή διαφαίνεται ότι θα μπορούσαμε να πετύχουμε τη βελτιστοποίηση της παρεχόμενης ποιότητας στις εφαρμογές πολυμέσων μέσω κάποιων μηχανισμών προσαρμογής, που θα εμπλέκουν περισσότερα του ενός εκ των στρωμάτων του OSI στις τρέχουσες συνθήκες του δικτύου. Η μεθοδολογία, οι προκλήσεις, οι περιορισμοί καθώς και οι εφαρμογές της διαστρωματικής (cross layer) προσαρμογής αποτελούν ένα ανοικτό ερευνητικό πεδίο το οποίο βρίσκεται αυτή τη στιγμή σε εξέλιξη. Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι καταρχήν η μελέτη των υπαρχόντων μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης που αφορούν τα ενσύρματα δίκτυα μη εγγυημένης ποιότητας, όπως το Διαδίκτυο. Προς τη κατεύθυνση αυτή αξιολογούνται αρχικά οι υπάρχοντες μηχανισμοί ελέγχου συμφόρησης και διαπιστώνονται τα κυριότερα προβλήματα τα οποία σχετίζονται με τη ποιότητα υπηρεσιών. Η αξιολόγηση γίνεται με βάση τα κριτήρια που αφορούν τόσο στη φιλικότητα των μηχανισμών αυτών προς το TCP όσο και στα κριτήρια που αφορούν τη ποιότητα υπηρεσιών των εφαρμογών πολυμέσων. Η αξιολόγηση αυτή μας οδηγεί στο σχεδιασμό νέων πρωτοκόλλων τα οποία υπόσχονται υψηλότερη φιλικότητα προς το TCP και καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών. Ένα σημαντικό στοιχείο που διαφοροποιεί τα πρωτόκολλα αυτά από τις άλλες προσεγγίσεις είναι η ομαλή (smooth) συμπεριφορά κατά την οποία ελαχιστοποιούνται οι απότομες μεταβολές του ρυθμού μετάδοσης, που είναι μη επιθυμητές από τις εφαρμογές πολυμέσων, διατηρώντας παράλληλα ένα υψηλό ρυθμό απόκρισης στις απότομες μεταβολές των συνθηκών του δικτύου. Ένα δεύτερο σημαντικό στοιχείο της εργασίας αυτής είναι οι προσθήκες στις βιβλιοθήκες του προσομοιωτή ns-2 οι οποίες είναι ήδη αντικείμενο εκμετάλλευσης από άλλους ερευνητές. Για το σκοπό αυτό τα νέα πρωτόκολλα καθορίζονται πλήρως και ενσωματώνονται στις βιβλιοθήκες του προσομοιωτή ns-2 έτσι ώστε να είναι διαθέσιμα στην ερευνητική κοινότητα ως μέρος του προσομοιωτή, για περαιτέρω μελέτη και αξιολόγηση. Επεκτείνονται παράλληλα υπάρχοντα ερευνητικά εργαλεία προσομοιώσεων τα οποία επιτρέπουν την ανάλυση και την αξιολόγηση υπαρχόντων και μελλοντικών μηχανισμών προσαρμογής με βάση κριτήρια ποιότητας που αφορούν ειδικά τις εφαρμογές πολυμέσων, πλέον των “κλασσικών” κριτηρίων που σχετίζονται με μετρικά δικτύων. Σε ότι αφορά στα ασύρματα δίκτυα μελετάται η διαστρωματική προσαρμογή και εάν και κατά πόσο είναι δυνατό να επιτευχθεί η αύξηση της ποιότητας της παρεχόμενης υπηρεσίας μέσα από την εφαρμογή μια τέτοιας σχεδίασης. Μελετώνται οι διάφοροι τρόποι και μεθοδολογίες σχεδίασης μιας διαστρωματικής προσαρμογής και προτείνεται ένα νέο πλαίσιο με το οποίο είναι δυνατό να αυξήσουμε τη ποιότητα υπηρεσίας σε υβριδικά δίκτυα, που αποτελούνται τόσο από ενσύρματους όσο και από ασύρματους χρήστες. / Multimedia applications have gained in recent years an increasing demand from Internet users as they offer new opportunities and diverse multimedia services. These applications, however, are subject to restrictions which mainly have to do with its nature and are characterized by high requirements of the transmission rates (bandwidth-consuming applications) and their sensitivity to delays in the transmission of packets by the consignor to consignee (delay-sensitive applications). On the other hand, allegedly these applications are less sensitive to packet losses (packet-loss tolerant applications). The issue, however, with multimedia applications, except for the scope of the services which offer, is the Quality of Services (QoS) that is offered to the end user. This quality of services is directly linked to the above characteristics of multimedia applications. The approach so far by the research community and also the Internet Service Providers (ISPs), as regards ensuring the quality of service, has focused either to individually optimizing the efficiency of transmission protocols, or in the installation of additional equipment (servers) for the establishment of distribution networks (Content Distribution Networks, CDNS) which are normally positioned close to the final user. In addition, the growing effort of the research community with a view to increasing the quality of service offered new innovative solutions in the form of services-architectures like the Integrated Services (Intserv) and Differentiated Services (Diffserv ) which aspire to offer guarantees of quality of services in specific user groups. But these two architectures failed until now to become the solution for the provision of guarantees of quality of services to the end user due to difficulties in applying them which have to do with financial criteria and the structure of the Internet itself. Therefore, we can see that despite the progress made so far in networks technology the provision of QoS across the Internet is not still feasible with the result that multimedia services via the Internet (for example “YouTube”) are significantly affected by the changes of the network conditions. To this course, the research community has directed to the study of mechanisms which will be able to adjust the transmission rate of multimedia data, according to the conditions of the network, so as to offer the best possible quality of service to the end user. This effort could be classified into two broad categories, according to the way the multimedia information is routed, as follows: • Adaptation mechanisms for unicast transmission: In this case the adaptation mechanisms regulate the transmission rate between the sender and the receiver in a unicast connection. • Adaptation mechanisms for multicast transmission: In this case the adaptation mechanisms regulate the transmission rate between the sender and a group of receivers. Regarding the unicast transmission the predominant proposal is the congestion control mechanism that is termed as the “TCP-friendly Rate Control (TFRC) and has been accepted as an international standard by the Internet Engineering Task Force (IETF). In the area of multicast transmission the TCP-friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) has also become acceptable as an experimental standard from IETF. Nevertheless, laboratory studies and experiments have shown that both TFRC and TFMCC are not the most suitable adaptation mechanisms for multimedia transmission. The main problems have to do with its friendliness towards the Transmission Connection Protocol (TCP) and the sudden fluctuations in the transmission. rate. These sharp variations of the transmission rates are an attribute non desirable by multimedia applications and particularly by real-time applications. In the area of wireless networks the problems with the transmission of multimedia data are not directly linked to the congestion of the network (this mainly occurs in wired networks) as the packet losses are a direct result of the free space propagation. The approach so far has aimed at the individual optimization of the various protocols of the OSI model so as to reduce the transmission problems and minimize packet losses and the delays from the sender to the end user. In recent years, however, a different approach which has prevailed to be termed internationally as “cross-layer optimization-adaptation” has earned more and more space. Under this approach we could be able to succeed the optimization of the service, regarding the quality of multimedia applications, by means of some adaptation mechanisms which will involve more than one of the OSI layers to current network conditions. The methodology, the challenges, the restrictions and the applications of cross layer adaptation constitute an open research area which is currently in progress. The aim of this dissertation is firs the study of the existing congestion control mechanisms which mainly concern best-effort wired networks, such as the Internet. In this direction we evaluate the existing congestion/flow control mechanisms and record the main problems related to the quality of service. The performance evaluation is based on criteria relating both to TCP-friendliness and the quality of service of multimedia applications. This performance evaluation leads us to the design of new protocols which promise greater TCP-friendliness and better quality of service. An important element that distinguishes these protocols of the other approaches is the “smooth” behavior by which we minimize the high oscillations of the transmission rate, which are not desirable by multimedia applications, while maintaining a high response to sudden changes of network conditions. A second important element of this dissertation is the additions we have made to the libraries of the ns-2 simulator which are already exploited by other researchers. For this purpose the new protocols are fully defined and incorporated into the ns-2 libraries so as to be available to the research community as part of the simulator, for further studies and evaluation. At the same time we expand existing research tools in order to enable the analysis and evaluation of existing and future mechanisms based on quality criteria specific to multimedia applications, along with network-centric criteria. Regarding the wireless networks we study the cross layer adaptation and how it is possible to achieve the increase in the quality of service by implementing such a design. We study the various ways and design methodologies of a cross layer adaptation and propose a new framework with which it is possible to increase the quality of service in hybrid networks consisting of both by wired and wireless users.

Τα Ασύρματα Συνδεδεμένα Συστήματα αποτελούν ένα διαρκώς διευρυνόμενο τομέα στη σύγχρονη επιστημονική και τεχνολογική εξέλιξη. Το Κεφάλαιο 1 αρχικά εισάγει τον αναγνώστη σε αυτήν την κατηγορία συστημάτων. Στη συνέχειά του, παρουσιάζονται η δομή, οι εφαρμογές και τα προβλήματα που σχετίζονται με τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, που συγκαταλέγονται στα πλέον χαρακτηριστικά παραδείγματα ασύρματα συνδεδεμένων συστημάτων. Σε αντιστοιχία με τα προαναφερθέντα, αυτή η διδακτορική διατριβή προσεγγίζει κάποια από τα θέματα ερευνητικού ενδιαφέροντος στα Α.Δ.Α. στοχεύοντας στην επίλυση των αντίστοιχων επιστημονικών προβλημάτων. Το ερευνητικό έργο που εκπονήθηκε, αποτυπώνεται στα επόμενα κεφάλαια της διατριβής ως ακολούθως Στο Κεφάλαιο 2 προσεγγίζεται το σημαντικότερο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν τα Α.Δ.Α. κάθε τύπου, δηλαδή αυτό της ενεργειακής ανεπάρκειας. Για το λόγο αυτό επιχειρείται η επίτευξη της εξοικονόμησης ενέργειας σε Α.Δ.Α. μέσω ενός καινοτόμου σχήματος ελέγχου που προτείνεται. Το σχήμα αυτό στοχεύει στην επίτευξη ενεργειακά ευφυούς δρομολόγησης δεδομένων. Η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου σχήματος εξετάζεται μέσω ενός εκτενούς συνόλου προσομοιώσεων που συγκρίνουν την απόδοσή του έναντι αυτής ενός από τα πλέον προηγμένα ιεραρχικά πρωτόκολλα για Α.Δ.Α. Το Κεφάλαιο 3 εστιάζει στη μετάδοση δεδομένων video σε Α.Δ.Α., μελετά τους περιορισμούς στου οποίους υπόκειται αυτή και περιγράφει την ανάπτυξη ενός καινοτόμου σχήματος ελέγχου το οποίο επιδιώκει από κοινού την ενεργειακή εξοικονόμηση και την παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών με ταυτόχρονη ικανοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Η απόδοση του προτεινόμενου σχήματος τόσο ως προς την ενεργειακή ευφυΐα όσο και προς τη διασφάλιση ποιότητας εξετάζεται μέσω εκτενών προσομοιώσεων. Στο Κεφάλαιο 4 της διατριβής αναπτύχθηκε ένα καινοτόμο σχήμα ελέγχου ποιότητας υπηρεσιών που αφορά τη σειριακή μετάδοση σε Α.Δ.Α. εικόνων οι οποίες χαρακτηρίζονται από χαμηλή ταχύτητα μεταβολής. Το προτεινόμενο σχήμα προσαρμόζει τη συμπίεση των ασύρματα μεταδιδόμενων εικόνων προκειμένου να ικανοποιούνται προκαθορισμένα όρια που αφορούν τον ανώτατο επιτρεπόμενο χρόνο μετάδοσης. Η απόδοση του προτεινόμενου σχήματος εξετάζεται μέσω εκτενών πειραμάτων. Το Κεφάλαιο 5 της διατριβής αυτής ασχολείται με την αντιμετώπιση της συμφόρησης δικτύου σε Α.Δ.Α.. Πιο συγκεκριμένα, ένα καινοτόμο σχήμα ελέγχου, προτείνεται με στόχο την ανίχνευση της επερχόμενης της συμφόρησης και την αποτροπή της περαιτέρω διάδοσής της. Η αποτελεσματικότητα του σχήματος ελέγχεται μέσω εκτεταμένων προσομοιώσεων. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 σκιαγραφείται το ερευνητικό έργο που επιτελέστηκε κατά την εκπόνηση αυτής της διδακτορικής διατριβής. Επιπρόσθετα, συνοψίζεται η επιστημονική συμβολή της διατριβής και παρουσιάζονται τα ερευνητικά συμπεράσματα που προήλθαν μέσω αυτής. Τέλος, προτείνονται κατευθύνσεις μελλοντικής έρευνας σχετικής με τα επιστημονικά θέματα που πραγματεύεται η διατριβή. / Wirelessly connected systems play a rapidly growing role in modern scientific and technological evolution. Chapter 1, at first introduces the reader into this type of systems. Next, the structure, applications and problems associated with the wireless sensor networks, which are among the most typical and widely used examples of wirelessly connected systems are described. In accordance to the aforementioned challenges that the utilization of WSNs faces, a research work has been performed in the context of this doctoral thesis which is organized as follows: In Chapter 2, the issue of energy conservation is approached in WSNs through the energy efficient control of routing. For this reason a novel reactive hierarchical protocol, named SHPER, for energy efficient data routing in WSNs, is proposed. The efficacy of the proposed scheme is examined through extensive simulation tests. Chapter 3 focuses at video communication over WSNs and examines the combined fulfillment of contradictory requirements such as the severe limitations concerning both the available energy resources and bandwidth and the call for high QoS. For this reason, PEMuR, a novel dual control scheme for efficient video communication, which aims at the attainment of both considerable energy saving and high QoS was introduced. Both the energy efficiency and the Qos efficiency of this dual scheme is evaluated through thorough simulations. Chapter 4 examines the transmission of image data over WSNs and introduces a novel QoS control scheme for the sequential transmission over Wireless Sensor Networks of slowly varying images. This scheme aims to adaptively adjust the compression of wirelessly transmitted images in order to conform to predefined upper bounds of the end-to-end image transmission time, while achieving the highest QoS. The effectiveness of the proposed QoS control algorithm is investigated through extended experiments with and without the occurrence of network congestion. Chapter 5 tries to correlate the occurrence of congestion in WSNs with the existence of specific variable and invariant factors and proposes a novel control scheme named PACA, which aims to both predict forthcoming congestion and prevent its further diffusion. The effectiveness of the proposed scheme is examined through extensive simulation tests. Finally, in Chapter 6, the research work performed within the context of this doctoral thesis is summarized. Additionally, the scientific contribution achieved is outlined. Moreover, the conclusions drawn from the research results are presented along with some relevant topics of future research.

Σκοπός της μελέτης ήταν η ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός προγράμματος πολυμέσων για την εκμάθηση των φυσικών αρχών της μαγνητικής τομογραφίας από μεταπτυχιακούς φοιτητές της Ιατρικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Πάτρας. Η ανάπτυξη του εκπαιδευτικού προγράμματος έγινε με την χρήση κατάλληλου προγράμματος συγγραφής πολυμέσων. Δεκαοχτώ μεταπτυχιακοί φοιτητές της Ιατρικής Φυσικής κατατάχτηκαν τυχαία σε δύο ομάδες, την ομάδα των υπολογιστών και την ομάδα του βιβλίου. Όλοι οι συμμετέχοντες αξιολογήθηκαν με ένα τεστ με ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 2 εβδομάδες πριν την αρχή των παραδόσεων, στο τέλος των παραδόσεων και ένα μήνα μετά το τέλος των παραδόσεων. Επιπλέον συμπλήρωσαν ερωτηματολόγια για την αξιολόγηση των στάσεων και πεποιθήσεων τους σχετικά με την χρήση υπολογιστών στην εκπαίδευση. Οι βαθμολογίες των δύο ομάδων συγκρίθηκαν με την βοήθεια της στατιστικής δοκιμασίας ANOVA. Το εκπαιδευτικό πρόγραμμα που αναπτύχτηκε αποτελείται από 6 ενότητες για την διδασκαλία πολύπλοκων φυσικών αρχών MRI με την βοήθεια animation. Κάθε ενότητα περιλαμβάνει ένα τεστ και οι επιδόσεις των χρηστών μπορούν να καταγραφούν και να αναλυθούν με ένα ξεχωριστό πρόγραμμα. Στην ενότητα που χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση οι φοιτητές της ομάδας με τους υπολογιστές πέτυχαν στατιστικά υψηλότερους βαθμούς (Μ=80.5, SD=9.4) από τους σπουδαστές με το βιβλίο (M=61.3, SD=12.5, p=.003). Επιπλέον οι φοιτητές των υπολογιστών φαίνεται να εκτιμούν περισσότερο την εκμάθηση μέσω της χρήσης υπολογιστών συγκριτικά με τους σπουδαστές της ομάδας του βιβλίου (p=.230). Οι απόψεις των φοιτητών για την επέκταση της χρήσης των πολυμέσων στην ιατρική φυσική εστιάζονται σε θέματα σχετικά με τα κίνητρα, τις εκπαιδευτικές δυνατότητες και την αξία του περιεχομένου. Τα αναφερθέντα μειονεκτήματα ήταν ελάχιστα, και ήταν επικεντρωμένα κυρίως σε τεχνικά θέματα και σε μαθησιακές δυσκολίες. Η εκπαίδευση με χρήση πολυμέσων είναι χρήσιμη και επικουρική μέθοδος για την εκμάθηση των φυσικών αρχών MRI από μεταπτυχιακούς φοιτητές. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι η χρήση κατάλληλων προγραμμάτων πολυμέσων βελτιώνει την κατανόηση πολύ περισσότερο συγκριτικά με παραδοσιακές μεθόδους μάθησης. / The objectives of this study were to develop and evaluate an interactive multimedia computer based instructional package in MRI physics and to provide first year medical physics postgraduate students of University of Patras with an interactive means of self-study and self-evaluation. An authoring system was used to develop the courseware package. Eighteen postgraduate medical physics students were prospectively, randomly assigned to receive instruction on the same topic from a textbook and an interactive computer module. Participants were evaluated by a multiple choice test 2 weeks before the lectures, at the end of the lectures and by a retention test 1 month after the end. They also completed questionnaires to elicit their attitudes toward the two instructional methods. Mean test scores of the textbook and computer groups were compared by means of analysis of variance. The developed MRI program is a suite of 6 interactive modules designed to dynamically teach complex MRI concepts using media-rich animations. All modules include a quiz and since patterns of use by student can be recorded a Log Decryption utility and a Log Reader utility was also developed. The tested module demonstrated that students in the computer group (M=80.5, SD=9.4) scored significantly higher on their post-test when compared with the textbook group (M=61.3, SD=12.5, p=.003). Furthermore students in the computer group seem to appreciate multimedia modules more compared to textbook students (p=.003). There were no differences noted between method of instruction and learner satisfaction (p=.230). Students’ rationale for expanding the use of multimedia in physics education seemed to focus on issues concerning motivation, instructional capabilities and content value. The disadvantages reported were few, their prevalence considerably small, especially after the intervention and were mostly focused on technical issues and some difficulties in learning. Computer aided instruction is a useful and effective aid for teaching MRI principles to postgraduate students. The study demonstrated that the inclusion of properly designed multimedia modules enhance conceptual understanding far more than do traditional methods.