Η παρούσα διπλωματική εργασία έγινε στα πλαίσια του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών Ηλεκτρονικής και Υπολογιστών, στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενό της αποτελεί η μελέτη του φυσικού επιπέδου συστημάτων κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς και η εξομοίωση χαρακτηριστικού καναλιού του φυσικού επιπέδου σύμφωνα με την παγκόσμια προτυποποίηση 3GPP. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται ιστορική ανασκόπηση των συστημάτων προηγούμενων γενεών. Αναφέρονται βασικά προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπίσει ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα καθώς και η βασική δομή των κυψελοειδών συστημάτων. Γίνεται εισαγωγή στα συστήματα τρίτης γενιάς ως προς τις απαιτήσεις, τις υπηρεσίες που προσφέρουν, την προτυποποίηση και την αρχιτεκτονική τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετώνται οι τρόποι πολλαπλής πρόσβασης με ιδιαίτερη έμφαση στην προσπέλαση με διαίρεση κωδικών. Αναλύονται τα συστήματα διάχυσης φάσματος. Γίνεται εκτενής αναφορά και υλοποίηση προγραμμάτων για τις ψευδοτυχαίες ακολουθίες και τις ακολουθίες Gold. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται η δομή δικτύων επικοινωνίας κατά το μοντέλο OSI. Αναφέρονται τα επίπεδα των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων με διεξοδική μελέτη του φυσικού επιπέδου και στις διεπαφές που χρησιμοποιεί για επικοινωνία καθώς και στις υπηρεσίες που προσφέρει. Αναλύεται η δομή όλων των φυσικών καναλιών και εξομοιώνεται η διαδικασία ενθυλάκωσης του καναλιού PRACH. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται οι κώδικες διάχυσης των φυσικών καναλιών ανερχόμενης ζεύξης καθώς και η διαδικασία διάχυσης τους. Δημιουργούνται προγράμματα που παράγουν αυτούς τους κώδικες και γίνεται εξομοίωση της διάχυσης και της αποδιάχυσης του PRACH καναλιού. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται η διαδικασία κωδικοποίησης πηγής και μελετάται η PSK διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση που χρησιμοποιούν τα συστήματα τρίτης γενιάς. Υλοποιούνται προγράμματα που εξομοιώνουν τη συνολική διαδικασία σε ενθόρυβο κανάλι AWGN μελετώντας την επίδραση του θορύβου σε μεταδιδόμενο σήμα. Όλες οι εξομοιώσεις υλοποιήθηκαν με το πρόγραμμα Matlab 7.1. / This master thesis is a part of the post-graduate course of the Physics department of the University of Patras, on Electronics and Computers. Its main objective is the study of the physical layer of 3rd generation telecommunication systems and the simulation of a particular channel, in accordance to 3GPP specifications. In the first chapter we review telecommunication systems of previous generations. We also refer to major problems that need to be dealt with and also the basic structure of cellular networks. 3rd generation telecommunication systems, their requirements, offered services, standardisation and architecture are all introduced. In the second chapter we study multiple access methods, emphasising CDMA methods. Moreover, spread spectrum systems are analysed. Finally we refer to pseudorandom and Gold sequences. Programs are created which generate these sequences. In the third chapter we look into the structure of communication networks according to the OSI model. The layers of telecommunication systems are mentioned, laying emphasis on the physical layer, the interfaces used for communication as well as the offered services. We report all physical channels and we simulate the encapsulation of the PRACH channel. In the fourth chapter we analyse the spreading and scrambling codes referring to the uplink channels. Next we point out the code allocation process. Programs are created which generate these spreading and scrambling codes and we finally simulate the spreading and de-spreading process of the PRACH channel. In the fifth chapter we outline the source coding process using PCM, and we study PSK modulation and demodulation which are used by 3rd generation telecommunication systems. We create programs that simulate the whole procedure in a noisy channel, and we study the effect of AWGN. The programs were created and the simulations were run using Matlab version 7.1.

Η διατριβή εισάγει μια νέα ανοιχτή αρχιτεκτονική για επικοινωνία ιατρικών απεικονιστικών εξετάσεων, η οποία παρουσιάζεται μέσω ενός νέου PACS-ιστού που εστιάζει στην τηλεακτινολογία. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική είναι βασισμένη στις αρχές της επέκτασης ιστού του DICOM που είναι η υπηρεσία/πρωτόκολλο WADO (Πρόσβαση μέσω Ιστού σε Επίμονα Στοιχεία Εξέτασης DICOM). Η αρχιτεκτονική ενσωματώνει υπηρεσίες DICOM και κοινές υπηρεσίες Διαδικτύου (βασισμένες στον ιστό, στο FTP, και στο ηλεκτρονικό ταχυδρομείο). Η διατριβή επίσης επεκτείνει την δυνατότητα πρόσβασης της WADO σε ολόκληρη την ιεραρχία DICOM (Ασθενής, Διαγνωστική Εξέταση, Σειρά Εξέτασης και Στοιχείο Εξέτασης). Η επέκταση της WADO καλείται WADA (Πρόσβαση μέσω Ιστού σε Συστήματα Αρχειοθέτησης DICOM). Σε αντιδιαστολή με τη WADO, η WADA περιλαμβάνει ένα πρόσθετο εσωτερικό μηχανισμό αναζήτησης και υποστηρίζει την υποβολή ιατρικής διάγνωσης. Το σύνολο των προτεινόμενων υπηρεσιών υποστηρίζει την εκτεταμένη πρόσβαση και είναι ενσωματωμένο σε μια δομή τριών επιπέδων (πελάτη, εξυπηρετητή και δεδομένων) που εξασφαλίζει ευελιξία πρόσβασης, κινητικότητα χρηστών και ενισχυμένη ασφάλεια δεδομένων. Η πλευρά των εξυπηρετητών της αρχιτεκτονικής παρέχει διεπαφές των υπηρεσιών μέσω ιστού και διασφαλισμένο χώρο προσωρινής αποθήκευσης που καλείται Περιοχές Χρηστών. Η παρούσα διατριβή μελετά επίσης υποδομή υπολογιστικού πλέγματος για την αρχιτεκτονική του PACS-ιστού και ένα συνεργατικό σχήμα μεταξύ PACS και RIS για ολοκληρωμένη διαχείριση απεικονιστικών εξετάσεων μέσω ιστού. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε πιλοτικά κυρίως με τεχνολογίες βασισμένες σε Java και προϊόντα συμβατά με πρότυπα. Η υλοποιημένη αρχιτεκτονική αξιολογήθηκε από μηχανικούς σε συνεργασία με ιατρούς. / The dissertation introduces a new open architecture for medical imaging communication illustrating a novel web Picture Archiving and Communication System (PACS), which focuses on teleradiology. The proposed architecture is based on the concept of the web extension of Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) that is the Web Access to DICOM Persistent Objects (WADO) protocol/service. The architecture integrates DICOM services and common Internet services (based on web, FTP, and e-mail). The dissertation also extends WADO access capability to the whole DICOM hierarchy (Patient, Study, Series and Object). The extended WADO is called Web Access to DICOM Archives (WADA). WADA, as opposed to WADO, includes an extra internal query mechanism and support of medical reports submission. The whole of the proposed services support the extended access and are integrated into a three-tier structure (client, server and data tiers) which ensures flexibility in access, user mobility and enhanced data security. The server site of the architecture provides service interfaces through web and invulnerable space for temporary storage, called as User Domains. This dissertation also studies a computing grid infrastructure for the web PACS architecture and a cooperative scheme between PACS and Radiology Information System (RIS) for integrated administration of imaging examinations through web. The proposed architecture is pilot implemented using mainly Java-based technologies and standard-compliant products. Τhe implemented architecture is evaluated by engineers in collaboration with doctors.

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.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται τεχνικές για την βελτιστοποίηση της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών στους χρήστες σύγχρονων ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που ως τεχνολογίες πρόσβασης έχουν την πολλαπλή πρόσβαση ορθογωνικής διαίρεσης συχνότητας και την πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης κώδικα. Οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν αφορούν επαναληπτικούς αλγόριθμους κατανομής των διαθέσιμων ραδιοπόρων και εφαρμόζοναι κυρίως στην κατερχόμενη των ασύρματων συστημάτων. Ως παράμετροι της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών θεωρούνται: το ελάχιστο απαιτούμενο επίπεδο ρυθμού μετάδοσης των δεδομέων, ο ρυθμός των λανθασμέων bit, και η ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα ραδιοπόρων σε κάθε χρήστη. Η αξιολόγηση των τεχνικών που προτείνονται γίνεται μέσω δεικτών της απόδοσής τους, οι οποίοι είναι: η πιθανότητα παραβίασης της ποιότητας της υπηρεσίας, ο δείκτης δικαιοσύνης του συστήματος, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων στα άκρα της κυψέλης και η χωρητικότητα της κυψέλης. Για την εξαγωγή των δεικτών αυτών είναι απαραίτητα στατιστικά δεδομένα, τα οποία συλλέγονται μέσα από μεγάλο αριθμό προσομοιώσεων. / This doctoral thesis proposes QoS optimization techniques in modern wireless telecommunication systems, whereby orthogonal frequency division multiple access and code division are used. The proposed techniques are iterative resource allocation algorithms which are mainly suitable for the downlink of wireless networks. The minimum required level of data rate, the bit error rate and the minimum number of resources per user are considered as quality of service parameters. The validation of the proposed techniques is done through the performance of performance metrics like the : the quality of service violation probability, the system fairness index, the cell-edge data rate and the cell capacity. Statistical data are required which are collected through extensive simulation