Η ανάγκη για αποτελεσματικότερη και αποδοτικότερη οικονομικά μετάδοση των RF σημάτων, αυξάνεται με την ταυτόχρονη αύξηση των ασύρματων τηλεπικοινωνιών. Μια από τις τεχνολογίες που μπορεί να προσφέρει αυτά είναι η τεχνολογία Radio Over Fiber (τεχνολογία μετάδοσης ραδιοσημάτων μέσω οπτικής ίνας). Η τεχνολογία αυτή έχει πλεονεκτήματα όπως το μεγάλο εύρος ζώνης, την χαμηλή κατανάλωση ισχύος, την εύκολη εγκατάσταση και τον φθηνό εξοπλισμό των μερών της, κάνοντας την ελκυστική για πολλά τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Μια από τις τεχνικές διαμόρφωσης που ώθησαν την ανάπτυξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών είναι η OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Ορθογωνική Πολυπλεξία με διαίρεση συχνότητας). Η OFDM είναι μια τεχνική διαμόρφωσης ευρείας ζώνης για ασύρματες επικοινωνίες η οποία εξασφαλίζει αυξανόμενη δυναμική κατά της παραμόρφωσης λόγω συχνοτήτων και λόγω παρεμβολής και είναι αποτελεσματική ως προς το πρόβλημα των πολυοδεύσεων. Ακολουθώντας την ανάπτυξη των συστημάτων των οπτικών επικοινωνιών ο σχεδιασμός ημιαγωγικών λέιζερ, πέρασε από αρκετά στάδια, όπως είναι οι κοιλότητες Fabry–Perot που χαρακτηρίζονται από ένα ευρύ φάσμα εξόδου σε ένα νέο λείζερ με επιλεκτικό διάφραγμα για το μήκος κύματος. Αυτό είναι το DFB λέιζερ. Ένα μοντέλου τέτοιου λέιζερ χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία για τις προσομοιώσεις, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στο περιβάλλον MATLAB-SIMULINK. Με βάση τις διαφορικές εξισώσεις του λέιζερ έγιναν μια σειρά αρχικών προσομοιώσεων με απλά σήματα (τριγωνικό σήμα, ημιτονικό σήμα, άθροισμα ημιτονικών σημάτων) που επέτρεψαν την μελέτη των χαρακτηριστικών του λέιζερ, όπως η δυναμική, το φαινόμενο υστέρησης, το ρεύμα διέγερσης, το εύρος λειτουργίας κ.τ.λ. Στην συνέχεια μελετάται η συμπεριφορά του οπτικού συστήματος σε διάφορα σχήματα αναλογικών διαμορφώσεων όπως AM-DSB, AM-DSBSC, FM. Στην συνέχεια προσομοιώνονται, σχολιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα σε ευρυζωνικές διαμορφώσεις (QAM-OFDM). Το λέιζερ διαμορφώνεται με την μέθοδο της άμεσης διαμόρφωσης. Η οπτική ίνα και ο φωρατής για την απευθείας ανίχνευση σήματος του δέκτη, θεωρούνται ιδανικά. / -

Στην συγκεκριμένη εργασία παρουσιάζεται ένα μοντέλο προσομοίωσης των Πολυμερών Οπτικών Ινών και συγκεκριμένα των GI-POF ικανό να υπολογίζει την κρουστική απόκριση και τη διασπορά των συγκεκριμένων ινών. Επίσης ακολουθούν προσομοιώσεις 2 απλών συστημάτων μετάδοσης μέσω POF με λέιζερ και φωτοδιόδους χιονοστοιβάδας και ένα πλήρες προσομοιωμένο σύστημα μετάδοσης 2 καναλιών με πολυπλεξία μήκους κύματος μέσω των POF. Σχολιάζονται τα αποτελέσματα και η δυνατότητα χρήσης των ινών στη δομή του δίκτυου Μετάδοσης Κινητής Τηλεφωνίας. Επίσης αναλύονται όλα τα πιθανά πρωτόκολλα για τοπικά οπτικά δίκτυα και όλες οι πληροφορίες για τις POF, τους κατάλληλους πομπούς και δέκτες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικές εφαρμογές. / In the specific project it is presented a simulation model of Polymer Optical Fibers and especially of GI-POF capable of calculating the impulse response and the dispersion of the specific fibers. Also next, simulations were realised of 2 simple transmission systems via POF with laser and avalange photodiodes, and a complete simulated transmission system with 2 channels with Wavelegth Division Multiplexing via POF. Results are being discussed as also the possibility of POF use in structure of Transmission Network of Cellular Telephony. In addition, all available protocols for local optical networks are described and all necessary information about POF, suitable transmitters and receivers that can be used in future applications.

Η Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (OFDM) έχει προταθεί ως τεχνική διαμόρφωσης σε οπτικά δίκτυα, λόγω της καλής φασματικής απόδοσής της, της ευελιξίας και της ανοχής της σε βλάβες. Η διαμόρφωση OFDM επιτρέπει την ελαστική ανάθεση φάσματος, χρησιμοποιώντας μεταβλητό πλήθος υποφερουσών, καθώς και την επιλογή του κατάλληλου επιπέδου διαμόρφωσης με βάση την απόσταση της μετάδοσης. Το «Πρόβλημα Δρομολόγης και Ανάθεσης Φάσματος» (RSA) έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα NP-πλήρες πρόβλημα, γεγονός που υποδηλώνει τη χρήση γραμμικού προγραμματισμού για τη λύση του. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η βελτίωση της απόδοσης του υπάρχοντος αλγορίθμου ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού, με χρήση μεταευριστικών, έτσι ώστε στο ίδιο χρονικό διάστημα να υπολογίζεται αποδοτικότερη χρησιμοποίηση του συνολικού απαιτούμενου φάσματος, για το σύνολο των μεταδόσεων στο δίκτυο. / Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been proposed as a modulation technique for optical networks, because of its good spectral efficiency, flexibility, and tolerance to impairments. OFDM modulation allows elastic spectrum allocation, using a variable number of subcarriers and choosing an appropriate modulation level, taking into account the transmission distance. The “Routing and Spectrum Allocation” (RSA) problem has been proved to be a NP-complete problem, which suggests the usage of linear programming in order to be solved. This diploma thesis aims to improve the efficiency of the existing integer linear programming algorithm, by using metaheuristics, so that at the same time period a more efficient utilization of the required spectrum is computed, for all network transmissions.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η εκμετάλλευση της διαφορετικότητας πολλών χρηστών και της προσαρμοστικής διαμόρφωσης στα OFDMA συστήματα. Οι αλγόριθμοι που εκμεταλλεύονται αυτά τα κέρδη δεν προσδιορίζονται από το πρότυπο WiMAX, και έτσι όλοι οι κατασκευαστές WiMAX να είναι ελεύθεροι να αναπτύξουν τις δικές τους καινοτόμες διαδικασίες. Η ιδέα είναι η ανάπτυξη αλγορίθμων για την κατανομή των υποφορέων στους χρήστες, για τον προσδιορισμό των ποσοτήτων ισχύος σε αυτούς. Η μελέτη εστιάζεται στην κάτω ζεύξη (downlink) του συστήματος OFDMA, δηλαδή στη μετάδοση δεδομένων από το σταθμό βάσης της κυψέλης στους χρήστες – δέκτες. Οι διαθέσιμοι πόροι του συστήματος είναι οι ορθογώνιοι υποφορείς και η συνολική διαθέσιμη ισχύς στο σταθμό βάσης. Οι χρήστες κάνουν εκτίμηση και ανατροφοδότηση της πληροφορίας κατάστασης του καναλιού (CSI-channel state information) σε έναν κεντρικό σταθμό βάσης, όπου υποφορείς και κατανομή ισχύος προσδιορίζονται σύμφωνα με CSI των χρηστών και τη διαδικασία κατανομής των διαθέσιμων πόρων. Μόλις οι υποφορείς για κάθε χρήστη καθοριστούν, ο σταθμός βάσης πρέπει να ενημερώνει τον κάθε χρήστη για το ποιοι υποφορείς έχουν ανατεθεί στον καθένα. Συνήθως, η κατανομή των πόρων πρέπει να γίνεται σε χρονικά διαστήματα της τάξης του χρόνου συνοχής, αν και μπορεί να γίνει πιο συχνά, αν υπάρχουν πολλοί χρήστες που ανταγωνίζονται για τους πόρους που είναι διαθέσιμοι. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται διαφορετικά σενάρια κατανομής των πόρων που περιλαμβάνουν αλγορίθμους για την ανάθεση των υποφορέων και το διαμοιρασμό των κατάλληλων ποσοτήτων ισχύος στους υποφορείς. Ανάλογα με το στόχο και τις ανάγκες των χρηστών του συστήματος, καθώς και με το ποσό της διαθέσιμης πληροφορίας καναλιού στο σταθμό βάσης, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί αλγόριθμοι. Η κατανομή των διαθέσιμων πόρων συνήθως διατυπώνεται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης με περιορισμούς, είτε (1) ελαχιστοποίηση της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς με περιορισμό στο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στο χρήστη είτε (2) μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με περιορισμό στην συνολική εκπεμπόμενη ισχύ. Ο αλγόριθμος με περιορισμό αναλογίας των ρυθμών μετάδοσης (Proportional Rate Constraints algorithm - PRC) έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση της συνολικής διεκπεραίωσης με τον περιορισμό ότι ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων σε κάθε χρήστη είναι ανάλογος με ένα σύνολο από προκαθορισμένες παραμέτρους του συστήματος. Ενώ ο στόχος του αλγόριθμου μέγιστου ολικού ρυθμού μετάδοσης (MSR- maximum sum rate algorithm), είναι η μεγιστοποίηση του συνόλου των ρυθμών μετάδοσης όλων των χρηστών, λαμβάνοντας υπόψη έναν περιορισμό της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς. / In this diploma thesis, multiuser diversity and adaptive modulation in OFDMA systems is considered. Algorithms that take advantage of these gains are not specified by the WiMAX standard, and all WiMAX developer are free to develop their own innovative procedures. The idea is to develop algorithms for determining which users to schedule, how to allocate subcarriers to them, and how to determine the appropriate power levels for each user on each subcarrier. The downlink of a single-cell system is considered in the downlink transmission. The available resources to be distributed among the users of the OFDMA system comprise the subcarriers over which the signals of the users are transmitted and the available power that is allocated among subcarriers. Users estimate and feedback the channel state information (CSI) to a centralized base station, where subcarrier and power allocation are determined according to users’ CSI and the resource-allocation procedure. Once the subcarriers for each user have been determined, the base station must inform each user which subcarriers have been allocated to it. Typically, the resource allocation must be performed on the order of the channel coherence time, although it may be performed more frequently if a lot of users are competing for resources. In this diploma thesis, different resource allocation strategies for the downlink of an OFDMA system are compared. Each algorithm has a different objective. The resource allocation is usually formulated as a constrained optimization problem, to either (1) minimize the total transmit power with a constraint on the user data rate or (2) maximize the total data rate with a constraint on total transmit power. The proportional rate constraints (PRC) algorithm is to maximize the sum throughput, with the additional constraint that each user’s data rate is proportional to a set of predetermined system parameters. While the objective of the maximum sum rate (MSR) algorithm, is to maximize the sum rate of all users, given a total transmit power constraint.

Η χρήση πολλαπλών κεραιών παίζει πλέον ένα πολύ σημαντικό ρόλο στη βελτίωση των ραδιοτηλεπικοινωνιών. Για το λόγο αυτό, ο τομέας των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων πολλαπλών κεραιών μετάδοσης – λήψης (συστήματα ΜΙΜΟ) βρίσκεται στο προσκήνιο της ασύρματης έρευνας. Πρόσφατα, αποτελέσματα ερευνών έδειξαν ότι υπάρχει δυνατότητα αύξησης της χωρητικότητας στα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα χρησιμοποιώντας τεχνικές διαφοροποίησης μεταξύ πομπού – δέκτη (antenna diversity), δηλαδή δημιουργίας πολλαπλών ανεξάρτητων καναλιών ανάμεσα τους. Στην παρούσα εργασία μελετούνται τεχνικές κωδικοποίησης που εκμεταλλεύονται τη χωρική διαφοροποίηση κάνοντας χρήση χωροχρονικών κωδικών (space – time coding). Η μελέτη εστιάζεται στη χρήση χωροχρονικών κωδικών ανά μπλοκ από την πλευρά του πομπού, εξαιτίας της απλότητας υλοποίησης τους καθώς και της ικανότητας υποστήριξης πολλαπλών κεραιών από τη πλευρά του σταθμού βάσης. Η ανάλυσή τους γίνεται με βάση την εφαρμογή τους σε συστήματα που χρησιμοποιούν διαμόρφωση με πολυπλεξία ορθογώνιων φερουσών (OFDM). Η διαμόρφωση αυτή επιλέχθηκε γιατί υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς δεδομένων στα ασύρματα συστήματα και δείχνει άριστη συμπεριφορά σε κανάλια με επιλεκτική παραμόρφωση στη συχνότητα. Στη συνέχεια μελετώνται αλγόριθμοι επαναληπτικής αποκωδικοποίησης, δίνοντας έμφαση σε ένα ευρέως διαδεδομένο αλγόριθμο, τον Μέγιστο εκ των Υστέρων (MAP). Αναλύονται διεξοδικά τα βήματα του, καθώς και διάφορες τροποποιήσεις – βελτιστοποιήσεις του. Οι επαναληπτικοί αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης αποτελούν πλέον ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για την αποκωδικοποίηση Forward Error Correction κωδικοποιήσεων με χρήση συνελικτικών κωδικών, προσδίδοντας στα συστήματα αποδόσεις κοντά στο όριο του Shannon. Τέλος, πραγματοποιούνται κατάλληλες υλοποιήσεις που προέκυψαν από το συνδυασμό των εν λόγω αλγορίθμων επαναληπτικής αποκωδικοποίησης με τους χωροχρονικούς κώδικες ανά μπλοκ πάνω σε ένα σύστημα κεραιών με χρήση OFDM. Γίνεται σύγκριση της απόδοσης των συστημάτων αυτών με βάση την αντίστοιχη υλοποίηση του εκάστοτε αλγορίθμου επαναληπτικής αποκωδικοποίησης και μελετούνται σε βάθος διάφορες τροποποιήσεις που μπορούν δεχθούν με κριτήριο τη χαμηλή πολυπλοκότητα υλοποίησης. Για την αξιολόγηση της απόδοσης, γίνεται μία περαιτέρω σύγκριση με χρήση αναπαράστασης σταθερής υποδιαστολής και εξάγονται σειρά συμπερασμάτων από τις πειραματικές μετρήσεις που προέκυψαν. / The use of multiple antennas is an essential issue in telecommunications, nowadays. So, multiple input – multiple output systems (MIMO) has attracted a lot of attention in wireless research. Lately, it has been shown that it can be an improvement in the capacity of wireless communication systems by using antenna diversity, that’s different independent channels between transmitter and receiver. In this thesis, we study coding techniques that exploit space diversity by using space – time codes. Particularly, we focus on space – time block coding (STBC) from the transmitter’s point of view, because of the simplicity of its implementation and the ability to support multiple antennas at the base stations. The analysis is based on the systems that use Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems (OFDM). This technique was chosen because it can support high data rates and it behaves very well in a frequency selective fading channel. Moreover, we study iterative decoding algorithms and we focus on a very well known algorithm, the Maximum A Posteriori (MAP). There, we analyze its steps and its modifications and improvements. The iterative decoding algorithms are a cornerstone on decoding Forward Error Correction codes, such as Convolutional codes, almost reaching the Shannon limit. Finally, there are different kinds of implementations using suitable iterative decoding algorithms in concatenation with space – time block coding with antennas and ODFM. We compare the performance of the corresponding systems and investigate the complexity trying to maintain it in a low level. For a thorough investigation, we also use fixed point arithmetic in these implementations.

The scope of this dissertation is to investigate the merits and implications of using multilevel modulation formats in optical communications systems. Following the trend in academia and industry, special focus is placed on quadrature phase-shift keying (QPSK), and specifically on polarization division multiplexed (PDM) QPSK. A special kind of receiver is investigated thoroughly, the digital coherent receiver, the equivalent of the coherent quadrature demodulator in classical communications nomenclature. A large number of digital signal processing (DSP) algorithms are implemented, some of them novel, and their performance is examined, analyzed, and compared in a number of practical system scenarios. The impact of transmitter / receiver imperfections and a number of optical fiber impairments on system performance is studied. Experimental results taken from proof-of-concept experiments are also analyzed. / Η διατριβή αυτή έχει ως σκοπό τη μελέτη οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που χρησιμοποιούν τετραδικές διαμορφώσεις φάσης, πολυπλεξία κατά πόλωση και σύμφωνους ψηφιακούς δέκτες διαφοροποίησης φάσης και πόλωσης. Μελετήθηκαν αλγόριθμοι επεξεργασίας σήματος κατάλληλοι για εξάλειψη της επίδρασης των φαινομένων διάδοσης και των μη ιδανικοτήτων οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Η μελέτη έγινε με προσομοίωση Monte-Carlo, με χρήση ημιαναλυτικής μεθόδου προσδιορισμού της πιθανότητας σφάλματος τηλεπικοινωνιακού συστήματος και με ανάλυση πειραματικών δεδομένων. Τα πειραματικά δεδομένα ελήφθησαν από οπτικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα με τετραδική διαμόρφωση φάσης και πολυπλεξία κατά πόλωση με ρυθμούς συμβόλων 0.1-10 GBd (0.4-40 Gb/s). Μελετήθηκαν αλγόριθμοι επανένωσης των πολώσεων, αλγόριθμοι αποπολύπλεξης των πολώσεων, αλγόριθμοι διόρθωσης της ανισοσταθμίας ορθογωνιότητας, αλγόριθμοι εκτίμησης και αφαίρεσης της ενδιάμεσης συχνότητας και αλγόριθμοι εκτίμησης και αφαίρεσης του θορύβου φάσης των laser.

Τα μελλοντικά ασύρματα δίκτυα και συστήματα επικοινωνιών αναμένεται να παρέχουν αξιόπιστα υπηρεσίες δεδομένων με απαιτήσεις ρυθμού μετάδοσης δεδομένων οι οποίες κυμαίνονται από λίγα kbps μέχρι μερικά Mbps και εξαιτίας του υψηλού κόστους του φάσματος συχνοτήτων, αυτά τα συστήματα χρειάζεται να είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά όσον αφορά στη χρησιμοποίηση του φάσματος. Συγκεκριμένα, η εφαρμογή τεχνικών μετάδοσης δεδομένων οι οποίες βασίζονται σε MIMO και OFDMA θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη λύση για να ικανοποιήσει αυτές τις απαιτήσεις. Από την άλλη μεριά, τα συστήματα MIMO-OFDMA είναι εύκαμπτα και φασματικά αποτελεσματικά αλλά ο αξιοσημείωτα μεγάλος αριθμός υποφορέων και ο συνυπολογισμός της διάστασης χώρου καθιστούν την κατανομή ραδιοπόρων πολύ πολύπλοκη. Στην πραγματικότητα, η βέλτιστη κατανομή ραδιοπόρων η οποία μεγιστοποιεί το συνολικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων των χρηστών είναι συχνά πάρα πολύ πολύπλοκη για πρακτικές εφαρμογές. Συνεπώς, απαιτούνται υποβέλτιστες σχετικά αποτελεσματικές και χαμηλής πολυπλοκότητας στρατηγικές κατανομής ραδιοπόρων ώστε να κατανείμουν τους ραδιοπόρους συχνότητας, ισχύος και χώρου του συστήματος στους χρήστες του συστήματος. Η παρούσα ΔΔ διαπραγματεύεται στρατηγικές κατανομής ραδιοπόρων στην κατερχόμενη και στην ανερχόμενη ζεύξη συστημάτων OFDMA, στην κατερχόμενη ζεύξη συστημάτων MISO-OFDMA και στην κατερχόμενη ζεύξη συστημάτων MIMO-OFDMA στοχεύοντας στη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών εγγυώντας οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων των χρηστών να τηρούν μια προκαθορισμένη αναλογία μεταξύ τους ή να ξεπερνούν προκαθορισμένους ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Στο πλαίσιο της επίλυσης του προβλήματος της μεγιστοποίησης του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με ανεκτή πολυπλοκότητα για κάθε μία από τις προαναφερθείσες περιπτώσεις, προτείνονται νέοι υποβέλτιστοι αλγόριθμοι. Στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων SISO, στόχος είναι η μεγιστοποίση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στη συνολική διαθέσιμη ισχύ και με αναλογικούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μεταξύ των χρηστών. Η προτεινόμενη μέθοδος, η οποία είναι αποτελεσματική όσον αφορά στην πολυπλοκότητα, αποτελείται από τρεις αλγόριθμους: έναν αλγόριθμο ο οποίος προσδιορίζει τον αριθμό των υποφορέων για κάθε χρήστη, έναν αλγόριθμο κατανομής υποφορέων διαιρώντας τους χρήστες σε δύο ομάδες και τον αλγόριθμο water-filling. Οι πρώτοι δύο αλγόριθμοι αναθέτουν τους διαθέσιμους υποφορείς στους χρήστες του συστήματος και ο τρίτος αλγόριθμος κατανέμει τη διαθέσιμη ισχύ με βέλτιστο τρόπο για μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Στην ανερχόμενη ζεύξη των συστημάτων SISO, στόχος είναι η μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στην ισχύ κάθε χρήστη και σε ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μεταξύ των χρηστών. Η προτεινόμενη τεχνική, η οποία είναι αποτελεσματική όσον αφορά στην πολυπλοκότητα, αποτελείται από τρεις αλγόριθμους: έναν αλγόριθμο ο οποίος προσδιορίζει τον αριθμό των υποφορέων για κάθε χρήστη, έναν αλγόριθμο κατανομής υποφορέων διαιρώντας τους χρήστες σε δύο ομάδες και τον αλγόριθμο water-filling. Οι πρώτοι δύο αλγόριθμοι αναθέτουν τους διαθέσιμους υποφορείς στους χρήστες του συστήματος και ο τρίτος αλγόριθμος κατανέμει τη διαθέσιμη ισχύ. Στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων MISO αναπτύσσονται τρεις αλγόριθμοι επιλογής χρηστών και κατανομής πόρων για πολυχρηστικά συστήματα κατερχόμενης ζεύξης οι οποίοι είναι λιγότερο πολύπλοκοι από άλλες προσεγγίσεις και ενσωματώνουν τη δικαιοσύνη. Στους πρώτους δύο αλγόριθμους επιβάλλονται αναλογικοί περιορισμοί μεταξύ των ρυθμών μετάδοσης δεδομένων των χρηστών και στον τρίτο αλγόριθμο περιορισμοί στους ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων λαμβάνονται υπόψη. Επίσης, πραγματοποιείται επέκταση του αλγόριθμου μεγιστοποίησης του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με αναλογικούς περιορισμούς δικαιοσύνης σε ΣΚΚ και για μείωση της πολυπλοκότητας οι υποφορείς ομαδοποιούνται σε τεμάχια. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα τους στη διανομή του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων δίκαια μεταξύ των χρηστών αλλά και ότι σε ΣΚΚ επιτυγχάνονται μεγαλύτεροι συνολικοί ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων. Τέλος, στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων MIMO, το πρόβλημα διατυπώνεται με στόχο τη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στη συνολική διαθέσιμη ισχύ και ελέγξιμο εύρος ζώνης στο σύστημα εισάγοντας την παράμετρο α. Αφού αυτό το πρόβλημα βελτιστοποίησης πρέπει να εκτελεστεί σε πραγματικό χρόνο, προτείνεται ένας αλγόριθμος αποδοτικός, υποβέλτιστος και αποτελεματικός όσον αφορά στην πολυπλοκότητα ο οποίος παρουσιάζει λογική απώλεια όσον αφορά στην περίπτωση χωρίς περιορισμούς όπου ο μόνος στόχος είναι η μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων και εντυπωσιακό όφελος συγκρινόμενος με τη στατική τεχνική TDMA. Πέραν της θεωρητικής ανάλυσης των παραπάνω αλγόριθμων, ο προσομοιωτικός κώδικας που δημιουργήθηκε βασισμένος σε ρεαλιστικές υποθέσεις και απλουστεύσεις, μάς έδωσε τα αποτελέσματα εκείνα τα οποία μετρούν το συνολικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων των χρηστών ο οποίος παρέχεται από κάθε έναν από τους προαναφερθέντες αλγόριθμους και εξετάζουν την πιθανή καταλληλότητα για χρήση τους σε συγκεκριμένα περιβάλλοντα. Τα τελικά συμπεράσματα είναι ότι τα συστήματα MIMO-OFDMA είναι ικανά να προσφέρουν πραγματικές ευρυζωνικές υπηρεσίες πάνω από το ασύρματο κανάλι επικοινωνίας. / Future wireless communication networks and systems are expected to reliably provide data services with data rate requirements ranging from a few kbps up to some Mbps and, due to the high costs of frequency spectrum, these systems also need to be extremely efficient in terms of the spectrum usage. In particular, the application of transmission schemes based on OFDMA and on MIMO is considered as a promising solution to meet these requirements. On the one hand, MIMO-OFDMA systems are flexible and spectrally efficient but the considerably large number of subcarriers and the inclusion of the space dimension make the RRA in such systems very complex. In fact, the optimum RRA that maximizes the sum of the users' data rates is often too complex for practical application. Consequently, suboptimal rather efficient and low-complexity RRA strategies are required in order to allocate the frequency, power, and space radio resources of the system to the users of the system. This doctoral thesis deals with RRA strategies in the downlink and uplink of OFDMA systems, the downlink of MISO-OFDMA systems, and the downlink of MIMO-OFDMA systems aiming at the maximization of the sum of the users' data rates guaranteeing proportional data rates or minimum data rates among users. In order to solve the problem of maximizing the sum of the users' data rates with affordable complexity in each one of the aforementioned cases, new suboptimal algorithms are proposed. In the SISO downlink the objective is to maximize the sum of the users' data rates subject to constraints on the total available power and proportional data rates among users. The proposed method, which is also complexity effective, consists of three algorithms; an algorithm that determines the number of subcarriers for each user, a subcarrier allocation algorithm by dividing the users in two groups and the water-filling algorithm. The first two algorithms assign the available subcarriers to the users of the system and the third one allocates the available power optimally in order to maximize the sum of the users' data rates. In the SISO uplink the objective is to maximize the sum of the users' data rates subject to constraints on per user power and minimum data rates among users. The proposed scheme, which is also complexity effective, consists of three algorithms; an algorithm that determines the number of subcarriers for each user, a subcarrier allocation algorithm by dividing the users in two groups and the water-filling algorithm. The first two algorithms assign the available subcarriers to the users of the system and the third one allocates the available power. In the MISO downlink three user selection and resource allocation algorithms for multiuser downlink systems are developed that are less complex than other approaches and incorporate fairness. In the first two algorithms proportional constraints among the users' data rates are imposed and in the third algorithm minimum data rate constraints are taken into account. The proposed algorithm that maximizes the sum of the users' data rates with proportional data rate constraints is also applied to DAS and subcarriers are grouped to chunks. Simulation results sustain their effectiveness in distributing the sum data rate fairly and flexibly among users and that in DAS higher sum of the users' data rates are obtained. Finally, in the MIMO downlink the problem is formulated in order to maximize the sum of the users' data rates subject to total available power constraint with controllable bandwidth introducing system parameter α. Since this optimization should be performed in real time, an efficient, suboptimal and complexity effective algorithm is proposed which shows reasonable loss with respect to the unconstrained case where the only target is the maximization of the sum data rate and impressive profit compared to static TDMA scheme. Apart from the theoretical analysis of the above algorithms, simulation code, which was created based on realistic assumptions and simplifications, gave us results which measure the sum of the users' data rates that provide each one of the aforementioned algorithms and examine the possible appropriateness for use in specific environments. The final concluding results are that MIMO-OFDMA systems are able to offer real broadband services over the wireless communication channel.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση και προσομοίωση τηλεπικοινωνιακών δικτύων πολυδιάστατης κίνησης, ενώ δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στα οπτικά δίκτυα. Βασικός σκοπός της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη αναλυτικών μοντέλων για τον υπολογισμό παραμέτρων απόδοσης του δικτύου, όπως η πιθανότητα απώλειας σύνδεσης, πιθανότητα απώλειας κλήσης, η καθυστέρηση μετάδοσης και το ποσοστό χρησιμοποίησης του καναλιού μετάδοσης. Τα προτεινόμενα αναλυτικά μοντέλα διαφοροποιούνται ανάλογα με την τεχνολογία δικτύου. Οι τεχνολογίες αυτές είναι: Α) Οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος. Β) Οπτικά δίκτυα πρόσβασης. Γ) Ασύρματα δίκτυα πρόσβασης στο Διαδίκτυο. Για οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος αρχικά μελετάται η περίπτωση απλής οπτικής ζεύξης, ενώ στη συνέχεια εξετάζεται δίκτυο πολλαπλών κόμβων τυχαίας τοπολογίας. Επίσης, προτείνονται αναλυτικά μοντέλα για την περίπτωση της μεταγωγής οπτικών πακέτων με την αποτίμηση της απόδοσης ενός οπτικού διακόπτη, αλλά και δικτύου μεταγωγής οπτικών πακέτων τυχαίας τοπολογίας. Ακολούθως, προτείνονται αναλυτικά μοντέλα για την αποτίμηση της απόδοσης παθητικών οπτικών δικτύων, τα οποία υλοποιούν διαφορετικές μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης. Για την περίπτωση της πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση χρόνου μελετάται το παθητικό οπτικό δίκτυο Ethernet, το οποίο υποστηρίζει πολυδιάστατη κίνηση. Αναφορικά με την πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος μελετάται ένα υβριδικό παθητικό οπτικό δίκτυο σε επίπεδο κλήσεων. Οι κλήσεις διακρίνονται ανάλογα με τη διαδικασία άφιξης σε τυχαίες και ψευδοτυχαίες κλήσεις, ανάλογα με τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης σε κλήσεις με σταθερές και ελαστικές απαιτήσεις και ανάλογα με τη συμπεριφορά τους κατά την παραμονή τους στο δίκτυο σε κλήσεις σταθερού ρυθμού μετάδοσης και σε κλήσεις οι οποίες εναλλάσσονται μεταξύ ενεργών περιόδων μετάδοσης και περιόδων σιγής. Τέλος, προτείνονται αναλυτικά μοντέλα υπολογισμού απωλειών για την περίπτωση της πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση οπτικού κώδικα, τα οποία λαμβάνουν υπ’όψιν πολλαπλές υπηρεσίες, την παρουσία προσθετικού θορύβου, αλλά και τη δραστηριότητα του χρήστη. Για την αποτίμηση της απόδοσης ασύρματων δικτύων πρόσβασης στο Διαδίκτυο προτείνονται αναλυτικά μοντέλα, τα οποία υλοποιούν το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ 802.11 ή το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ 802.11e. Η προτεινόμενη ανάλυση υπολογίζει τόσο τη διεκπεραιωτική ικανότητα του δικτύου, όσο και τη συνολική καθυστέρηση μετάδοσης πακέτου ως συνάρτηση της καθυστέρησης στο ασύρματο μέσο και της καθυστέρησης στην ουρά αναμονής. Σε όλες τις περιπτώσεις η ακρίβεια των προτεινόμενων μοντέλων πιστοποιείται/ελέγχεται με την προσομοίωση του δικτύου στον υπολογιστή. / In this PhD dissertation multi-rate models are examined for the performance analysis of telecommunication networks through mathematical analysis and simulation. Particular emphasis is given to optical networks. The main goal is the development of analytical models for the calculation of network performance metrics, such as blocking probabilities, transmission delay and utilization of the common channel. The proposed analytical models are distinguished according to the network technologies. Three different technologies are considered: A) Wavelength routed optical networks. B) Optical access networks. C) Wireless Internet access networks. Multi-rate loss models are proposed for the performance evaluation of wavelength routed optical networks. Firstly, the case of a single link is considered and then a mesh all-optical network is examined. In addition, analytical models are proposed for Optical Packet Switching (OPS) networks, for the case of an all-optical OPS switch and of an OPS mesh network. Multi-rate analytical models are proposed for the evaluation of the performance of Passive Optical Networks (PONs) implementing different multiple access methods. For the case of Time Division Multiple Access (TDMA) the Ethernet PON is studied, which supports multiple service-classes. Regarding the Wavelength Division Multiplexing (WDM) PONs a hybrid WDM-TDMA PON is considered and the call-level performance is evaluated. Calls are distinguished by their arrival process, which can be random or quasi random, by their bandwidth requirements, which can be fixed of elastic and by their behavior during their service, which can be calls of fixed transmission rate or calls that alternate between ON and OFF periods. Finally multi-rate loss models are proposed for the case of Optical Code Division Multiple Access (OCDMA) PONs that take into account the user activity and the presence of additive noise in the transmission channel. For the performance analysis of wireless Internet access networks analytical models are proposed, which implement the IEEE 802.11 protocol or the IEEE 802.11e protocol. The proposed analysis calculated the saturation throughput and the end-to-end packet delay as a function of the Medium Access Control (MAC) delay and the queueing delay. In all cases the accuracy of the proposed models is validated through simulation.

Τα οπτικά δίκτυα αποτελούν την αποδοτικότερη επιλογή όσον αφορά την εγκατάσταση ευρυζωνικών δικτύων κορμού, καθώς παρουσιάζουν μοναδικά χαρακτηριστικά μετάδοσης. Διαθέτουν τεράστιο εύρος ζώνης, υψηλή αξιοπιστία, ενώ επίσης έχουν μειωμένο κόστος μετάδοσης ανά bit πληροφορίας σε σχέση με τα υπόλοιπα ενσύρματα δίκτυα. Τις τελευταίες δεκαετίες διατυπώθηκαν οι αρχές μίας τεχνολογίας μετάδοσης πολλαπλών φερουσών, γνωστής ως Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM), η οποία στηρίζεται στην πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας, αλλά πετυχαίνει πολύ καλύτερη χρησιμοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Πρόσφατα και στις οπτικές επικοινωνίες άρχισε να μετατοπίζεται το ενδιαφέρον στην Οπτική Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (O-OFDM), λόγω της προόδου στην κωδικοποίηση και στην ηλεκτρονική ψηφιακή επεξεργασία σήματος (DSP). Οι εξελίξεις αυτές μπορούν να αλλάξουν ριζικά τα οπτικά δίκτυα. Μέσω της πολυπλεξίας υποφερουσών και της δέσμευση μεταβλητού φάσματος, που είναι χαρακτηριστικά της O-OFDM τεχνολογίας, ένα οπτικό μονοπάτι μπορεί να χρησιμοποιεί το απολύτως απαραίτητο φάσμα (αριθμό υποφερουσών) ανάλογα με το μεταδιδόμενο ρυθμό δεδομένων. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται καλύτερη χρησιμοποίηση φάσματος αναιρόντας τον περιορισμό σταθερού πλέγματος των δικτύων πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM). Παράλληλα η αρχιτεκτονική αυτή υποστηρίζει τη δέσμευση χωρητικότητας μικρότερης ή μεγαλύτερης από αυτή ενός μήκους κύματος μέσω της δέσμευσης κατάλληλου αριθμού υποφερουσών από κατάλληλους transponders και μεταγωγείς WXCs. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της σχεδίασης ευέλικτων OFDM οπτικών δικτύων, όπου οι αιτήσεις εξυπηρετούνται από κατάλληλους transponders όσον αφορά την επιλογή του χρησιμοποιούμενου φάσματος και του επίπεδου διαμόρφωσης. Με δεδομένη την τοπολογίας του δικτύου, τον πίνακα αιτήσεων και των χαρακτηριστικών των transponders, παρουσιάζονται οι μοντελοποιήσεις γραμμικού ακέραιου προγραμματισμού (Integer Linear Programming) για την επίλυση του προβλήματος σχεδίασης διαφανών (transparent) και ημι-διαφανών (translucent) οπτικών OFDM δικτύων λαμβάμνοντας υπόψη τους υπαρκτούς περιορισμούς φυσικού επιπέδου. Σχεδιάζεται λοιπόν, ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης που λαμβάνει υπόψη του τόσο το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται όσο και τον αριθμό των transponders. Από τη στιγμή που το πρόβλημα της δρομολόγησης και δέσμευσης φάσματος (Routing and Spectrum Allocation RSA) είναι ΝP πλήρες (NP-complete), η λύση του προβλήματος γραμμικού ακέραιου προγραμματισμού (ILP) δεν είναι αποδοτική για μεγάλα στιγμιότυπα του προβλήματος. Για το λόγο αυτό, παρουσιάζονται ευριστικοί αλγόριθμοι (heuristic algorithms) για την επίλυση του προβλήματος σχεδίασης διαφανών και ημι-διαφανών οπτικών δικτύων. / We consider the planning problem of a spectrum flexible optical network where traffic is served by flexible transponders that can be tuned in both the spectrum and the modulation format that they utilize. We assume that physical layer impairments are incorporated in the definition of the feasible transmission configurations for the transponders, described by capacity-reach-spectrum-guardband tuples. Given the feasible configurations (tuples) of the transponders and the traffic matrix, we formulate the planning problem of a spectrum flexible optical network considering both the use or not of regenerators in the network. Demands are served for their requested rates by choosing the route, breaking the transmission in more than one connection if needed, placing regenerators if needed, and allocating spectrum to the connections. The connections are separated by appropriate spectrum guardbands so that physical layer interference is kept at acceptable levels. The objective is to serve the traffic and find a solution that is Pareto optimal with respect to the total amount of spectrum utilized and the number of transponders used. We start by presenting algorithms that are based on integer linear programming (ILP) formulations for planning both transparent (without regenerators) and translucent (with regenerators) networks and then we continue by presenting heuristic algorithms. Our heuristic algorithms utilize simulated annealing to tradeoff performance with running time. We use transmission tuples based on studies on OFDM-based networks in our simulation experiments. We initially examine the optimality performance of the heuristic algorithms in small scale experiments. Then we use the heuristic algorithms to study realistic network planning problems and evaluate the spectrum and transponder cost savings that can be obtained by an OFDM-based network as compared to a mixed line rate (MLR) fixed-grid WDM optical network.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε τα πλεονεκτήματα που επιφέρει η χρήση πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στον δέκτη, κατά την μετάδοση, με στόχο την βελτίωση των παρεχομένων υπηρεσιών στο χρήστη. Στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μια ιστορική αναδρομή των ασύρματων επικοινωνιών καθώς των σύγχρονων ασύρματων τεχνολογιών και κεραιών που χρησιμοποιούνται. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά στις έννοιες του διαφορισμού, του κέρδους διάταξης και της χωρικής πολυπλεξίας οι οποίες συνδέονται άρρηκτα με τα συστήματα MIMO. Στο Κεφάλαιο 2, αναφερόμαστε σε όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά που περιγράφουν το ασύρματο κανάλι και εξάγουμε την γραμμική σχέση εισόδου-εξόδου του ασύρματου καναλιού. Στην συνέχεια γίνεται μια ανάλυση των στοχαστικών μοντέλων περιγραφής του ασύρματου διαύλου διαλείψεων και πιο συγκεκριμένα των μοντέλων Rayleigh και Rice. Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζουμε την αξιοπιστία διαφόρων τύπων κεραιοσυστημάτων, ως προς τον ρυθμό των ρυθμό των λανθασμένων συμβόλων στον δέκτη. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται η τεχνική Maximal Ratio Combining για τα συστήματα SIMO καθώς και του σχήματος Alamouti για τα συστήματα ΜISO. Συνεχίζοντας στα MIMO συστήματα αναλύουμε τις μεθόδους ισοστάθμισης για την ανάκτηση των δεδομένων, και πιο συγκεκριμένα τις τεχνικές Zero Forcing, Minimum Mean Square Error,V-Blast και καθώς και την βέλτιστη τεχνική Maximum Likelihood. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας αναλύουμε τα πλεονεκτήματα των MIMO συστημάτων, ως προς την χωρητικότητα που προσφέρουν, σε στοχαστικά κανάλια διαλείψεων.Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στην μέθοδο SVD και στην αναπαράσταση του MIMO καναλιού από έναν αριθμό ανεξάρτητων SISO διαύλων. Κλείνοντας αναφέρουμε την μέθοδο βέλτιστης κατανομής ισχύος στις κεραίες του πομπού Water-filling, και στην περαιτέρω αύξηση της χωρητικότητας του διαύλου που προσφέρει. / In this diploma thesis we are investigating the benefits of using Multiple Input and Multiple Output antennas in information transmission, with final goal to improve Quality of Service. The first Chapter, includes a historical background of the wireless communications but also is a reference to the modern wireless and antenna technologies. Moreover, we introduce the definition of new concepts, such as diversity and array gain and also spatial multiplexing, which are closely connected with MIMO technology. In the second chapter, we introduce the characteristics which they are describe the wireless channel, while simultaneously we mention the linear input-output relationship of the wireless channel. Additionally, we analyze the stochastic wireless channel models, namely the Rayleigh and the Rician fading models. In the third chapter, we investigate the reliability of different types of antenna topologies, regarding the pace of the invalid symbols in the transmitter. More specifically, we examine the Maximal Ratio Combining and Alamouti technique, for SIMO and MISO systems respectively. The next step is to analyze the equalization methods, which are used in MIMO antennas, and more specifically are, Zero Forcing, Minimum Mean Square Error and V-Blast receivers, but also the optimal Maximum Likelihood equalizer. In the last part of this Thesis, we investigate the benefits of MIMO systems regarding the Capacity, in random channels. Also, a reference to the SVD method has been made,which we use to analyze the MIMO channel, in a number of parallel SISO channels. Lastly, we use the water-filling method to allocate, with the optimal way, the given power in the transmit antennas, a fact that leads to even greater Capacity gain.