Η φωτοβολταϊκή ενέργεια έχει τεράστια σημασία για το μέλλον της κοινωνίας μας, ιδιαίτερα από περιβαλλοντική και οικονομική άποψη, ενώ αξιοποιείται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές. Στην παρούσα εργασία, θα ασχοληθούμε με μία απ’ αυτές, στην οποία η φ/β ενέργεια χρησιμοποιείται για άντληση νερού. Το σύστημα, που θα μελετήσουμε, αποτελείται από μία φ/β συστοιχία, συνδεδεμένη απ’ ευθείας με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος, ο οποίος συνδέεται μηχανικά με μια αντλία, η οποία λειτουργεί σε πραγματικές συνθήκες. Η συγκεκριμένη τοπολογία σύνδεσης της συστοιχίας με έναν κινητήρα – φορτίο είναι γνωστή ως τοπολογία “direct coupling”. Αφού αναλύσουμε τη λειτουργία κάθε στοιχείου του συστήματος ξεχωριστά, στη συνέχεια διερευνούμε θεωρητικά και πειραματικά τα χαρακτηριστικά του ιδανικού φορτίου για μια φ/β γεννήτρια, καθώς και τους όρους προσαρμογής του σ’ αυτή, και διατυπώνουμε λύσεις για βέλτιστο σχεδιασμό του συστήματος, με στόχο την επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης. / Photovoltaic energy is crucially important for the future of our society, regarding environmental and financial issues, while is being utilized in a growing number of applications. This essay is about one of them, in which PV energy is used for water pumping. We are going to study a system, which consists of a PV solar array, supplying a DC motor, coupled with a water pump, while the pump is operating in real conditions. This specific topology is also known as “direct coupling”. After we analyze the function of each component alone, we focus on the characteristics, an ideal load must have, in order to have an efficient adaptation on the PV generator, through a theoretical and experimental approach on the system. Finally we try to formulate specific engineering rules for an optimal adjustment of the system parameters, aiming for high system efficiency.

Τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια έχει προχωρήσει σημαντικά η ανάπτυξη αυτομάτων συστημάτων βοήθειας του οδηγού που στοχεύουν να προειδοποιήσουν για το περιβάλλον οδήγησης και τις πιθανότητες σύγκρουσης με άλλα οχήματα. Τα Πανεπιστήμια, Κρατικοί φορείς και αυτοκινητοβιομηχανίες ρίχνουν ιδιαίτερο βάρος στο θέμα αυτό που έχει κοινωνικές και εμπορικές διαστάσεις. • Κοινωνικές διαστάσεις γιατί η αξιόπιστη λειτουργία συστημάτων βοήθειας οδηγών μπορεί να συμβάλλει αποφασιστικά στη μείωση των τροχαίων ατυχημάτων. • Εμπορικές διαστάσεις γιατί ο ανταγωνισμός των βιομηχανιών αυτοκινήτων σε συνεργασία με εταιρείες παραγωγής συστημάτων αυτοματισμού, οδηγεί σε ένα κυνήγι παρουσίασης πλέον σύγχρονων και «ελκυστικών» συστημάτων για το καταναλωτικό κοινό. Ειδικά στο θέμα των κοινωνικών διαστάσεων, τα παρακάτω στοιχεία δίνουν με πολύ έμφαση το μέγεθος του προβλήματος. Κατά μέσον όρο, τουλάχιστον ένας άνθρωπος πεθαίνει κάθε λεπτό σε τροχαίο ατύχημα. Τα τροχαία ατυχήματα επίσης τραυματίζουν τουλάχιστο 10 εκατομμύρια ανθρώπους, από τους οποίους 2 ή 3 εκατομμύρια σοβαρά. Προβλέπεται ότι οι νοσοκομειακές δαπάνες, οι κατεστραμμένες περιουσίες και άλλα παρεμφερή κόστη θα ανέλθουν στο 1–3 % του παγκοσμίου ακαθαρίστου εθνικού προϊόντος. Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη 26 ερευνητικών εργασιών που ερευνούν διατάξεις εντοπισμού και ανίχνευσης οχημάτων, πεζών, αντικειμένων και οδικών υποδομών, η σύγκριση της μεθοδολογίας τους, ο σχολιασμός πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων και η αναφορά σε μελλοντικές απαιτήσεις - προκλήσεις. Η δομή της εργασίας είναι η παρακάτω: • Στο κεφάλαιο Ι γίνεται εισαγωγή στο αντικείμενο της εργασίας και παρουσιάζεται σειρά στατιστικών δεδομένων για τα τροχαία ατυχήματα. • Στο κεφάλαιο II γίνεται συνοπτική παρουσίαση των ερευνητικών εργασιών που χρησιμοποιήθηκαν για την παρουσίαση του θέματος. • Στο κεφάλαιο III γίνεται παρουσίαση βασικών στοιχείων εξοπλισμού για τον εντοπισμό και παρακολούθηση του κυκλοφοριακού τοπίου καθώς επίσης αναφορά σε θεωρητικές υπολογιστικές επεξεργασίες. • Στο κεφάλαιο IV γίνεται μια παρουσίαση βασικών ερευνητικών και πειραματικών διατάξεων που έχουν προταθεί ή εφαρμοσθεί για τον εντοπισμό, την ανίχνευση και παρακολούθηση οχημάτων, πεζών, εμποδίων επί των οδών, και υποδομών παραπλεύρως του οδικού δικτύου, έτσι ώστε να παράγεται πληροφορία στον χρήστη της οδού. Πληροφορία που μπορεί να αποδειχθεί από χρήσιμη μέχρι σωτήρια γιατί μπορεί να λειτουργήσει είτε ως προειδοποίηση στον οδηγό είτε ως ερέθισμα για αυτόματη επενέργεια επί των συστημάτων του αυτοκινήτου (π.χ. αυτόματο φρενάρισμα). • Στο κεφάλαιο V γίνεται σχολιασμός και συγκρίσεις των περιγραφεισών μεθόδων, εξάγονται συμπεράσματα και επισημαίνονται κάποιες μελλοντικές ερευνητικές και κατασκευαστικές προκλήσεις. • Στο κεφάλαιο VI αναφέρεται η χρησιμοποιηθείσα βιβλιογραφία. Όλες οι μέθοδοι προσπαθούν να ανταποκριθούν μερικά ή ολικά στα παρακάτω ζητούμενα: ◊ Εντοπισμός στόχων (κινητών και ακινήτων). ◊ Παρακολούθηση συμπεριφοράς κινουμένων στόχων. ◊ Παραγωγή προειδοποίησης (ακουστικά ή οπτικά σήματα). ◊ Αυτόματη επενέργεια σε συστήματα του οχήματος. • Εργαλεία των συστημάτων που παρουσιάζονται είναι συνήθως ένα σύνολο εξοπλισμού παθητικών και ενεργητικών αισθητήρων, ένας πρωτότυπος αλγόριθμος επεξεργασίας των στοιχείων και ένας υπολογιστής για την επεξεργασία και αξιολόγηση των δεδομένων. • Εμπόδια που πρέπει να υπερπηδηθούν είναι η συνθετότητα του περιβάλλοντος οδήγησης (αυτοκινητόδρομοι, επαρχιακοί οδοί, αστικό οδικό δίκτυο κ.λ.π.) και οι μεταβαλλόμενες καιρικές συνθήκες (καλοκαιρία, βροχή, ομίχλη, χιόνι κ.λ.π.). • Κλειδί στην αποτελεσματικότητα είναι η συλλογή των πλέον επίκαιρων δεδομένων και η δημιουργία γρήγορου και στιβαρού αλγόριθμου. • Μέτρο επιτυχίας είναι η συμπεριφορά σε πραγματικές συνθήκες και η δυνατότητα λειτουργικής και οικονομικής ενσωμάτωσης στο όχημα. Οι μελετηθείσες 26 ερευνητικές εργασίες που εντοπίζουν και ανιχνεύουν κατηγοριοποιούνται: 1. Ανάλογα με τον χρησιμοποιούμενο εξοπλισμό Α. Σε διατάξεις απλών ενεργητικών αισθητήρων Β. Σε διατάξεις παθητικών αισθητήρων (οπτικά συστήματα με διάφορες μορφές καμερών) Γ. Σε διατάξεις δυο ειδών αισθητήρων Δ. Σε πολυαισθητηριακές διατάξεις Σημειώνουμε ότι παρουσιάζονται δυο κατηγορίες αισθητήρων: οι ενεργητικοί και οι παθητικοί. Ενεργητικοί αισθητήρες θεωρούνται οι τύπου ραντάρ (mm κύμα), τύπου laser (lidar και scanners) και οι ακουστικού τύπου. Οπτικοί αισθητήρες, όπως συνήθεις κάμερες, θερμογραφικές κάμερες (FLIR - Forward Looking InfraRed), CCD κάμερες (Charge-coupled device cameras) συχνά αναφέρονται ως παθητικοί αισθητήρες γιατί αποκτούν δεδομένα χωρίς παρέμβαση. Αναλύονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των παραπάνω διατάξεων, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και αναδεικνύεται η επικρατούσα, με την πάροδο του χρόνου, τάση συνδυασμού διαφόρων αισθητήρων. 2. Ανάλογα με τις στοχεύσεις, τους υπολογιστικούς αλγορίθμους και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους. Οι εξετασθείσες μελέτες που εντοπίζουν και παρακολουθούν στόχους του κυκλοφοριακού τοπίου μπορούν να ταξινομηθούν ως προς τους στόχους στις εξής κατηγορίες: 1. Κινούμενα οχήματα – πεζοί (κυρίως αστικό κυκλοφοριακό τοπίο). 2. Κινούμενα οχήματα (αυτοκινητόδρομοι, επαρχιακοί οδοί, αστικές οδοί). 3. Στάσιμα αντικείμενα, οχήματα – πεζοί (αυτοκινητόδρομοι, επαρχιακοί οδοί, αστικές οδοί). 4. Πεζοί (αστικό κυκλοφοριακό τοπίο). 5. Οδικές υποδομές (αυτοκινητόδρομοι) με έμφαση στις κατακόρυφες ταμπέλες και στις ανισόπεδες διαβάσεις. Από την παρουσίαση και τη σύγκριση των εργασιών, προκύπτει ότι το βασικό πρόβλημα που γίνεται προσπάθεια να αντιμετωπιστεί, είναι η εγκατάσταση διατάξεων που θα πρέπει να διακρίνονται, μεταξύ άλλων, από: • Αξιοπιστία όσον αφορά τον εντοπισμό και την παρακολούθηση. • Προσαρμογή σε σύνθετες κυκλοφοριακές συνθήκες όπως είναι μεταβαλλόμενες καιρικές συνθήκες (μειωμένη ορατότητα, χαμηλός φωτισμός, έντονη βροχή, χιόνι κ.λ.π.) είτε πυκνή οδική κυκλοφορία (π.χ. σε οδούς στο αστικό οδικό δίκτυο). • Γρήγορη επεξεργασία των δεδομένων εισόδου με στιβαρούς αλγόριθμους • Ελαχιστοποίηση λανθασμένων προειδοποιήσεων. • Κατασκευαστικό και λειτουργικό κόστος που θα τις καταστούν υλοποιήσιμες σε πλατιά κλίμακα. Από την ανάλυση των στοιχείων των εργασιών προκύπτει ότι υπάρχουν πολλοί τρόποι να μειωθούν σημαντικά τα σφάλματα, διατηρώντας υψηλή ακρίβεια, όπως βελτιωμένες αλγοριθμικές επιλύσεις (π.χ. με χρήση πολλαπλών εργαλείων, προχωρημένων στατιστικών και γνωστικών μεθόδων), συνδυασμός αισθητήρων (π.χ. ορατοί, IR, ραντάρ) και τηλεματική (π.χ. επικοινωνία οχήματος με όχημα, εντοπισμός με μέθοδο GPS). Σε σχέση με το λογισμικό, ένα απαραίτητο βήμα είναι η δημιουργία σταθερών προϋποθέσεων έτσι ώστε τα οπτικά συστήματα εντοπισμού οχήματος να είναι τυποποιήσιμα, επαναδιαμορφούμενα και επεκτάσιμα έτσι ώστε να μπορούν να συνεργαστούν με τη μεγάλη ποικιλία εφαρμογών επεξεργασίας. Πολύ εύστοχη θα ήταν η δημιουργία και ανάπτυξη λογισμικού που θα μπορεί να σχετίζεται με διάφορα επίπεδα αφαίρεσης συμπεριλαμβάνοντας συνδυασμό αισθητήρων, ενοποίηση ποικίλων αλγορίθμων, οικονομική χρήση πόρων, ταξινόμηση και υπολογισμούς. Επίσης η βελτίωση των ταχυτήτων των PCs έχει οδηγήσει σε αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα όσον αφορά τον χρόνο επεξεργασίας, δεδομένου ότι τα συστήματα εντοπισμού κινουμένου οχήματος έχουν μεγάλες υπολογιστικές απαιτήσεις καθώς χρειάζεται να επεξεργαστούν τις ανακτώμενες εικόνες σε πραγματικό χρόνο ή κοντά σε πραγματικό χρόνο για να εξοικονομήσουν χρόνο στην αντίδραση του οδηγού. Τέλος θα πρέπει να αντικειμενικοποιηθούν οι διαδικασίες αξιολόγησης των παρουσιαζομένων μεθόδων έτσι ώστε να είναι πλέον συγκρίσιμες και ευρύτερα αποδεκτές. / -

Στα πλαίσια αυτής της εργασίας επιχειρήθηκε ο εντοπισμός εκείνων των περιοχών στη νήσο Νίσυρο που εμφανίζουν αυξημένο κίνδυνο εμφάνισης κατολισθήσεων στα φυσικά πρανή εστιάζοντας στα ποιοτικά κριτήρια που τις επηρεάζουν (γεωλογία, κλίση, καμπυλότητα και προσανατολισμός πρανούς, υψόμετρο) και η δημιουργία ζωνών βαθμού κινδύνου εμφάνισης κατολισθήσεων για το σύνολο της περιοχής. Η μελέτη στηρίχτηκε στην υπέρθεση χαρτών που περιγράφουν τους παραπάνω παράγοντες, χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα τα κατάλληλα βάρη ως προς την επιρροή τους στο φαινόμενο των κατολισθήσεων. Η επεξεργασία των δεδομένων και η εφαρμογή της μεθοδολογίας έγινε σε περιβάλλον Arc Map. / -

Η ανάγκη για την έγκαιρη αντιμετώπιση καταστροφών στις μέρες μας αυξάνεται συνεχώς. Ο λόγος είναι ότι η συχνότητα των ηθελημένων καταστροφών (εμπρησμοί, τρομοκρατικές ενέργειες) έχει αυξηθεί. Ο σχεδιασμός και η παραγωγή συστημάτων ασφαλείας που θα εποπτεύουν ένα χώρο χωρίς να παραβιάζουν τα προσωπικά δεδομένα είναι ένα νέο πεδίο έρευνας. Ένα σημαντικό κομμάτι ενός τέτοιου συστήματος είναι η αναγνώριση φωτιάς μόνο με τη χρήση οπτικών αισθητήρων. Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε διάφορες προηγούμενες τεχνικές αναγνώρισης φωτιάς και περιγράφουμε ένα επιθυμητό σύστημα. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε τα κομμάτια του συστήματος που αναπτύξαμε και τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν, όπως το ασύρματο δίκτυο και τη βιβλιοθήκη ανοικτού λογισμικού OpenCv. Το σύστημά μας έχει στόχο να ειδοποιήσει ένα κέντρο ελέγχου για μία πιθανή εκδήλωση φωτιάς. Αυτό το πετυχαίνει επεξεργάζοντας τα δεδομένα που λαμβάνει από μία δικτυακή κάμερα και δημιουργώντας στιγμιότυπα που θα επιτρέψουν στους χειριστές του κέντρου να επαληθεύσουν την ύπαρξη της φωτιάς. Το σύστημα έχει τη δυνατότητα εκτός από την ασύρματη αποστολή των δεδομένων, να τα αποθηκεύσει τοπικά στη περίπτωση που δεν καταστεί δυνατή ή αποστολή, ώστε να ανακτηθούν αργότερα από το συνεργείο διάσωσης. / The need of prompt disaster relief actions is increasing rapidly today. The main reason is that the frequency of the intentional disasters (fires, terror acts) has increased. The design and production of unattended surveillance/alarm systems that respect the privacy and civil liberties of people is a new field of research. Fire detection using only video sensors is an integral component of such a system. In the present diploma thesis we study the various different approaches of video fire detection and we describe our systems' goals. Then we describe the main components of our system and the various tools that were used, such as the wireless network architecture and the open-source library OpenCv. The system suggested triggers an alarm and notifies a central station in the event of a fire break-out. This is carried through by processing data from an ip-camera and by creating a video with the frames that will allow the personnel at the station to verify the fire. The system also has the use of a "black box". If for any reason the communication is not possible, data is preserved until it is physically recuperated by the rescue team.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της επίδρασης ενός αιολικού συστήματος στην ευστάθεια ενός κοινού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία της μόνιμης κατάστασης. Πιό συγκεκριμένα: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή σχετικά με την χρήση της αιολικής ενέργειας από τα παλαιά χρόνια έως και σήμερα, αλλά και στοιχείων που αφορούν τόσο την Ελλάδα αλλά και άλλες χώρες. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα αιολικά συστήματα ως προς τη δομή τους, τη λειτουργία τους, τα προβλήματα που προκαλούν αλλά και τα οφέλη που αποφέρουν. Στο τρίτο κεφάλαιο ακολουθεί μία κατηγοριοποίηση των συστημάτων ανεμογεννητριών ως προς τον τύπο γεννήτριας που περιέχουν αλλά και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της διείσδυσης της αιολικής ενέργειας ως προς την κλίμακα διείσδυσης (μικρή – μεγάλη), τις προϋποθέσεις σωστής χρησιμοποίησής τους καθώς και των προβλημάτων που προκύπτουν σχετικά με την ευστάθεια τάσης αλλά και τη συχνότητα. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η ανάλυση ροής φορτίου και πίο συγκεκριμένα η μέθοδος Newton-Raphson που χρησιμοποιήσαμε για την πραγματοποίηση του πειραματικού κομματιού αυτής της εργασίας. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε μαζί με τα αποτελέσματα που προέκυψαν. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο ακολουθεί σχολιασμός των παραπάνω αποτελεσμάτων. / This diploma thesis examines the influence of a wind energy system on the stability of a common electric power system during the steady state operation. More specifically: In the first chapter, there is an introduction related to the usage of wind energy from the past years up to nowadays, and also facts related not only to Greece but also other countries. In the second chapter, the wind energy systems are analyzed for their structure, the way they operate, the problems they cause and the benefits they yield. In the third chapter, there is a categorization of the wind energy systems in terms of the generator type the use and the state they operate. In the fourth chapter, there is an analysis of the wind power integration depending on the integration scale (small-scale – large-scale), the conditions of correct usage, as well as the problems that appear and are related to the voltage stability and the frequency. In the fifth chapter, the load flow procedure is described and more particularly the Newton-Raphson procedure that was used in this case. Ιn the sixth chapter, the simulation is presented along with the results. Finally, in the seventh chapter there are comments related to the results above.

Η τριφασική σύγχρονη γεννήτρια αποτελεί βασική συνιστώσα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Τα μεταβατικά φαινόμενα στις γεννήτριες συνήθως προκαλούνται από εξωτερικές αιτίες, κεραυνούς, βροχές και δυνατό αέρα. Σύμφωνα με τις στατιστικές το 70% των διαταραχών στις σύγχρονες γεννήτριες είναι βραχυκυκλώματα μιας φάσης με το έδαφος και μόνο 5% των βραχυκυκλωμάτων είναι τριφασικά. Η μελέτη των βραχυκυκλωμάτων σύγχρονης γεννήτριας είναι βασικό εργαλείο για το σχεδιασμό των συστημάτων ενέργειας, καθώς βοηθάει να σχεδιαστεί ο κατάλληλος εξοπλισμός προστασίας, ώστε να απομονωθεί από το υπόλοιπο σύστημα η βραχυκυκλωμένη γεννήτρια, την κατάλληλη στιγμή. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι αφ’ενός η μελέτη της συμπεριφοράς της σύγχρονης γεννήτριας κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων, αναλύοντας τα είδη των σύγχρονων παραμέτρων και των σταθερών χρόνου και αφετέρου η κατανόηση της χρήσεως του πλήρους και των απλοποιημένων μοντέλων που να μπορούν να περιγράψουν με ακρίβεια τη δυναμική κατάσταση της γεννήτριας, κατά περίπτωση. Συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργία της σύγχρονης γεννήτριας στη μόνιμη κατάσταση, ώστε να δημιουργηθεί το απαραίτητο γνωστικό υπόβαθρο για την κατανόηση των μετέπειτα εννοιών ,ενώ στο δεύτερο κεφάλαιο κάνουμε μια συνοπτική περιγραφή των διάφορων ειδών βραχυκυκλωμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται το πλήρες μοντέλο της γεννήτριας για την περιγραφή της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια τριφασικών, διφασικών και μονοφασικών με το έδαφος βραχυκυκλωμάτων.Αυτό το μοντέλο προκύπτει αντικαθιστώντας τις συνθήκες των βραχυκυκλωμάτων στις εξισώσεις του γενικευμένου d-q-o μαθηματικού μοντέλου της σύγχρονης γεννήτριας. Τέλος μελετάμε τις κυματοσυναρτήσεις του ρεύματος διέγερσης και των ρευμάτων του στάτη που προκύπτουν για εφαρμογή του βραχυκυκλώματος τρεις διαφορετικές χρονικές στιγμές. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλα τα είδη βραχυκυκλωμάτων και καταλήγουμε σε κάποια συμπεράσματα. Για να χρησιμοποιηθούν στη μελέτη των συστημάτων ενέργειας, οι εξισώσεις της γεννήτριας πρέπει να ενσωματωθούν στις εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημα μεταφοράς ενέργειας έτσι σε πολλές μελέτες συστημάτων ενέργειας είναι δυνατό και επιθυμητό να απλοποιήσουμε τις εξισώσεις της γεννήτριας ώστε να ενσωματωθούν πιο εύκολα στο δίκτυο. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσουμε 5 απλοποιημένα μοντέλα της σύγχρονης γεννήτριας, για τριφασικό συμμετρικό βραχυκύκλωμα, για αρχικά αφόρτιστη μηχανή .Πρωτού μελετήσουμε πως μπορούν να γίνουν αυτές οι απλοποιήσεις, αναπτύσουμε τα ισοδύναμα κυκλώματα για τη μόνιμη, μεταβατική και υπομεταβατική κατάσταση, καθορίζουμε τις επαγωγικές αντιδράσεις και τις σταθερές χρόνου και τέλος καταλήγουμε στα απλοποιημένα μοντέλα. Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετάμε το ποιοτικό μοντέλο της γεννήτριας κατά το οποίο γίνεται αναπαράσταση της γεννήτριας για καθε μια από τις 3 καταστάσεις με ένα ισοδύναμο κύκλωμα μετασχηματιστή. / --

Στη διπλωματική εργασία αυτή ασχοληθήκαμε με την πρόβλεψη της εξόδου μη-γραμμικών συστημάτων με τη χρήση αναδρομικών αλγορίθμων που χρησιμοποιούν συναρτήσεις πυρήνα. Παρουσιάζεται ο δικός μας αναδρομικός αλγόριθμος πρόβλεψης και βλέπουμε πως αποδίδει σε σχέση με έναν άλλο ήδη υπάρχων και ιδιαίτερα δημοφιλή αλγόριθμο. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνουμε μια σύντομη περιγραφή του προβλήματος που καλούμαστε να λύσουμε. Στη συνέχεια δείχνουμε πως οι συναρτήσεις πυρήνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μας βοηθήσουν να λύσουμε το πρόβλημα αυτό. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύουμε περισσότερο τις συναρτήσεις πυρήνα και τις ιδιότητες που τις χαρακτηρίζουν. Παρουσιάζουμε τα βασικά θεωρήματα και βλέπουμε πώς διαμορφώνεται το πρόβλημα της πρόβλεψης με την εφαρμογή αυτών. Επιπλέον παρουσιάζουμε πως το πρόβλημα μας μετατρέπεται στο γνωστό πρόβλημα γραμμικών ελαχίστων τετραγώνων στην περίπτωση που χρησιμοποιήσουμε γραμμικό πυρήνα. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τον αλγόριθμο μας, αναλύοντας το συλλογισμό που μας οδήγησε σε αυτόν. Δίνουμε επίσης μια περιγραφή ενός άλλου αλγορίθμου που χρησιμοποιείται ήδη για την επίλυση τέτοιων προβλημάτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνονται μια σειρά από προσομοιώσεις σε MATLAB οπού βλέπουμε πόσο καλά μπορεί να κάνει την πρόβλεψη των εξόδων μη-γραμικών συστημάτων ο αλγόριθμός μας. Επίσης αντιπαραθέτουμε και την απόδοση του ανταγωνιστικού αλγορίθμου. Στα πειράματα μας εξετάζουμε το σφάλμα πρόβλεψης των προαναφερθέντων αλγορίθμων, την ταχύτητα σύγκλισης τους καθώς και την σθεναρότητα τους. Τέλος παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα μας εξηγώντας γιατί πιστεύουμε ότι η δικία μας προσέγγιση υπερτερεί της άλλης. / This dissertation deals with the problem of predicting the output of non-linear systems using recursive kernel methods. We will present our own prediction algorithm and see how it performs in relation to a widely used alternative algorithm. In the first chapter we provide a short description of the problem of non-linear prediction. We then describe how kernel methods could help us solve this problem. In the second chapter we further analyze kernel functions and their properties. We present the basic theorems and see how these affect and transform the problem at hand. Furthermore, we explain how this problem results in the linear least squares problem in case we use the linear kernel. In the third chapter we present our algorithm and reasoning that led to it. We also describe a different algorithm that is already used to predict such signals. In the fourth chapter we perform a series of simulations in the Matlab environment were we evaluate how well the two approaches predict the output. In this evaluation we consider the complexity, the error and robustness of the algorithms. Finally we present our conclusion and explain why our algorithm is superior to the alternative.

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας έγινε μια εκτενής μελέτη των τρόπων μετάδοσης και των μηχανισμών που συντελούν στην ασύρματη διάδοση. Επίσης παρουσιάστηκαν συνοπτικά ιστορικά στοιχεία σε σχέση με την εξέλιξη των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας, καθώς και στοιχεία που αφορούν τις μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης που έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα. Επιπροσθέτως, ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στη μελέτη και περιγραφή της δομής του υπάρχοντος δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Ορίστηκαν τα βασικά μέρη στα οποία χωρίζεται και παρουσιάστηκαν εκτενώς οι βασικές λειτουργικές μονάδες που τα αποτελούν, καθώς και οι διεπαφές μέσω των οποίων αυτές επικοινωνούν. Στη συνέχεια, δόθηκε έμφαση στην προτεινόμενη μέθοδο κατανομής των πόρων του συστήματος με χρήση της OFDMA μεθόδου πολλαπλής πρόσβασης, η οποία έχει ως στόχο την ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής. Τέλος, μετά την ολοκλήρωση των προσομοιώσεων που είχαν ως στόχο τη διερεύνηση της συμπεριφοράς του συστήματος ως προς το ρυθμό εξυπηρέτησης και τη δικαιοσύνη, εξάχθηκαν συμπεράσματα σχετικά με την επιρροή που έχουν στο δίκτυο η μεταβολή του αριθμού των χρηστών κάθε κελιού, η μεταβολή του μεγέθους του κελιού, η κατανομή της ισχύος μεταξύ των χρηστών και ο ρυθμός μετάδοσης λαθών. / Thw sybject of this essay is power allocation in 4G mobile networks. It consists of a thorought description of the basic mechanisms in a mobile network and a throughput and fairness analysis on the recommended power allocation algorithms.

Τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας απαιτούν οι κινητές συσκευές να βρίσκονται στην περιοχή κάλυψης ενός σταθμού βάσης για να μπορεί να διεξαχθεί επικοινωνία. Τι συμβαίνει όμως όταν ένα κινητό τερματικό βρεθεί σε περιοχή που δεν καλύπτεται από σταθμό βάσης; Αυτό μπορεί να συμβεί είτε σε περίπτωση που η περιοχή είναι απομονωμένη ώστε να μη έχει καταστεί συμφέρον να αναπτυχθεί υποδομή κινητής επικοινωνίας, είτε αν βρίσκεται στην επικράτεια υποανάπτυκτης χώρας όπου οι υποδομές είναι απαρχαιωμένες ή ανύπαρκτες, είτε οι υποδομές της περιοχής έχουν καταστραφεί ή καταστεί πρακτικά μη λειτουργικές λόγω απρόσμενων συμβάντων (πόλεμοι, σεισμοί, παλίρροιες, κλπ). Τα κινητά συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών αναπτύχθηκαν ακριβώς για να παρέχουν αξιόπιστες υπηρεσίες επικοινωνιών «παντού και πάντοτε». Ειδικά, την δεκαετία 1990 που άρχισε η ευρεία χρήση κινητών επικοινωνιών, αντιμετωπίστηκε το αρχικά το πρόβλημα περιορισμένης κάλυψης λόγω μη επαρκούς επίγειας υποδομής. Η ιδέα ήταν να εξυπηρετούνται οι συνδρομητές από δορυφόρους αντί σταθμών βάσης, οι οποίοι θα παρείχαν παγκόσμια κάλυψη και θα παρέμειναν ανεπηρέαστοι από τις εξελίξεις στην Γη. Συνεπώς, δεν θα απαιτούνταν πρόσθετες υποδομές για κάλυψη περιοχών αλλά οι αρχικοί αστερισμοί δορυφόρων να παρείχαν αδιάκοπη κάλυψη. Ωστόσο λόγω της υψηλής χρέωσης δορυφορικής επικοινωνίας, της αδυναμίας παροχής εξαρχής των διαφημιζόμενων υπηρεσιών και του ανταγωνισμού από τα επίγεια συστήματα κινητής τηλεφωνίας, κάποια από τα δορυφορικά κινητά συστήματα (Iridium, Globalstar) οδηγήθηκαν σε χρεωκοπία στις αρχές της δεκαετίας 2000. Τα συστήματα αυτά εξαγοράστηκαν και ανασυστάθηκαν, και εξυπηρετούν εκατοντάδες χιλιάδων συνδρομητών, ενώ ετοιμάζονται για την εκτόξευση νέας γενεάς δορυφόρων. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τις τεχνικές διαφορικής λήψης στα συστήματα κινητών δορυφορικών επικοινωνιών και γίνεται προσομοίωση της διαφορικής λήψης σήματος δορυφόρου από πλευράς χρήστη. Για να καταστούν όμως σαφέστερες στον χρήστη οι τεχνικές αυτές, προηγείται επισκόπηση των αρχών επικοινωνίας και της αρχιτεκτονικής των συστημάτων αυτών, ενώ μελετώνται και τεχνικές επεξεργασίας που εφαρμόζονται στο κινητό δορυφορικό σήμα. Συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 1, αναφέρονται οι αρχές κινητών δορυφορικών επικοινωνιών, δηλαδή η συχνότητες επικοινωνίας, οι τροχιές των δορυφόρων, τα φαινόμενα διάδοσης στο ασύρματο δορυφορικό μονοπάτι, η κάλυψη των δορυφόρων κινητών επικοινωνιών, οι δορυφορικές ζεύξεις και οι τεχνικές μεταπομπής του κινητού σήματος. Στο Κεφάλαιο 2, αναλύεται η αρχιτεκτονική των δορυφορικών συστημάτων κινητών επικοινωνιών, δηλαδή όλες οι συνιστώσες διαστήματος και εδάφους από τις οποίες απαρτίζεται ένα δορυφορικό σύστημα που επιτελεί υπηρεσίες κινητών επικοινωνιών. Έμφαση δίνεται στα υποσυστήματα του τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου που αποτελεί την κεντρική συνιστώσα κάθε δορυφορικού συστήματος. Γίνεται αναφορά και στην επίγεια υποδομή που παρέχει υποστήριξη στους δορυφόρους και διασύνδεση με τα άλλα δίκτυα επικοινωνιών. Ακολουθεί περιγραφή της αρχιτεκτονικής των δύο πιο δημοφιλών δορυφορικών συστημάτων υπηρεσιών κινητών επικοινωνιών, Iridium και Globalstar. Πλέον όλα τα σήματα κινητών επικοινωνιών είναι ψηφιακά, καθότι η ψηφιακή τεχνολογία προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα έναντι της αναλογικής. Στο Κεφάλαιο 3, αναλύονται οι ψηφιακές τεχνικές που εφαρμόζονται στο δορυφορικό σήμα κινητών επικοινωνιών ακολουθώντας όλα τα στάδια από την ψηφιοποίηση του αναλογικού σήματος που παράγεται από τον ομιλητή, τις διάφορες μορφές κωδικοποίησης, πολυπλεξίας, διαμόρφωσης και τέλος, πολλαπλής πρόσβασης στον δορυφορικό αναμεταδότη. Το Κεφάλαιο 4 μπαίνει στην καρδιά της διπλωματικής εργασίας, δηλαδή τις τεχνικές διαφορισμού. Αναφέρονται γενικά οι τεχνικές διαφορισμού πομπού και δέκτη, και ο δέκτης RAKE για διαφορική λήψη κινητού τηλεφώνου. Επιπλέον αναλύονται οι διαδικασίες διαφορισμού που λαμβάνουν χώρα σε όλο το εύρος ενός δορυφορικού συστήματος κατά την διεξαγωγή κλήσης, που εμπλέκουν δύο ή περισσότερες πύλες και δύο ή περισσότερους δορυφόρους. Τέλος, στο Κεφάλαιο 5, γίνεται προσομοίωση της διαφορικής λήψης τηλεφωνικού σήματος CDMA που εκπέμπεται από πολλαπλούς δορυφόρους που βρίσκονται εντός του οπτικού πεδίου ενός δορυφορικού τηλεφώνου. Τα σήματα των δορυφόρων λαμβάνονται από τον δέκτη RAKE του τηλεφώνου και συνδυάζονται σε ένα συνεκτικό σήμα με κάποια τεχνική συνδυασμού. Βάσει των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων θα αξιολογηθεί η ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος για κάθε πρόσθετο δορυφόρο και για κάθε τεχνική συνδυασμού διαφορισμού. / The mobile satellite systems were developed with the ambitious goal to provide reliable service “anywhere, anytime”. Whereas the cellular mobile systems depend on ground infrastructure in order to be operational, the mobile satellite systems indeed can still work even where ground infrastructure is inadequate or destroyed by unexpected events such as earthquakes, tides or wars. The concept of mobile satellite systems is that mobile satellite phones communicate directly with a fleet of dozens of satellites just like cell phones communicate with base stations. In such a way, communication can be delivered uninterrupted by events on Earth, as well as the need for additional ground infrastructure can be bypassed. However, due to high satellite service charges, inability to provide the advertised services and high competition from terrestrial cellular systems some of mobile satellite systems (Iridium, Globalstar) fell into bankruptcy in early 2000s. These systems were taken over and reestablished and are currently serving hundreds of thousands customers, while been prepared to launch a new generation of satellites. The purpose of the present diploma thesis is to study the reception techniques in the mobile satellite systems. Eventually, the diversity reception is simulated for the case of a satellite phone receiving signal from four LEO satellites, inspired by the Globalstar system. In order that the function of a MSS can be understood, before the presentation of the simulation, the principles of mobile satellite communications are presented, following the architecture of an MSS and the digital signal techniques that are utilized in mobile satellite communications. Specifically, in Chapter 1 the principles of mobile satellite communications are reviewed. We start with the types of mobile satellite services and frequency allocation. Then the communications satellites orbits are mentioned with emphasis to the advantages and disadvantages of each orbit that determines its utilization in satellite communications. We proceed with the mobile satellite links, the coverage of a LEO satellite and the handover techniques that are necessary in order to guarantee uninterrupted connection and seamless switching during a call. In Chapter 2, the architecture of a mobile satellite system is analyzed, i.e. the components of which a mobile satellite system is comprised. At first, we will take an insight in the structure and the various systems of a communications satellite. In addition, we will see the structure of the ground segment that supports the satellites and the user segment. Additionally the Iridium and Globalstar are presented that follow totally opposite philosophies in all implementation and function aspects. Digital technology has managed to prevail over its analog counterpart in most satellite communications thanks to its inherent advantages. The most common digital signal techniques will be reviewed in Chapter 3 concerning the MSS. Specifically, source coding, channel coding, line coding, modulation, multiplexing, multiple access, pulse shaping, and equalization techniques are taken into account since all these techniques are implemented in almost every wireless digital communication, rendering the digital signal resistant to wireless channel impairments as well as bandwidth effective. In Chapter 4, diversity analysis takes place. Diversity is a technique whereby multiple replicas of a signal are sent over a wireless channel so as to mitigate fading. We will see the various diversity techniques along with the diversity combining techniques which are used to finally combine the received signals into a single coherent signal. Furthermore, a reader will learn about some diversity techniques used in mobile satellite systems involving multiple satellites and gateways during call establishment and routing. Finally, the knowledge acquired from the previous chapters will help understand the process of diversity reception in the case of a satellite phone. In Chapter 5, the signal reception by a satellite phone from four LEO satellites is simulated by use of the Matlab programming tool. Every satellite is presumed to transmit a replica of the same signal based on the CDMA spread spectrum technique whereas the signals arrive at the phone following different paths (path diversity). Hence the received signal is comprised of four multipath components arriving at the receiver at different times. The satellite phone includes a RAKE receiver which is composed of four fingers or braches each synchronized to a multipath component. The RAKE receiver combines the multipath components using each of the SC, EGC and MRC techniques. Conclusively, the signal-to-noise ratio (SNR) and energy per bit to noise power spectral density ratio (Eb/N0) are measured as a function of the number of RAKE receiver fingers and the combining technique. The simulation results will denote the importance of diversity in the quality of the received signal in a multipath environment as well as the efficiency of each of the combining techniques.

Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να συζητηθούν και να παρουσιαστούν οι υπάρχουσες τεχνικές που εφαρμόζουν την στρατηγική δειγματοληψίας βασισμένη σε γεγονότα για την εκτίμηση της κατάστασης των γραμμικών συστημάτων και να αξιολογηθεί πώς αυτές οι μέθοδοι επηρεάζουν τη συνολική απόδοση του συστήματος. Όπως ήδη αναφέρθηκε, περιορισμοί στον ρυθμό δειγματοληψίας ανακύπτουν στα NCS λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου εύρους ζώνης. Αυτός ο περιορισμός στον αριθμό δειγμάτων επηρεάζει σαφώς το μέσο τετραγωνικό σφάλμα εκτίμησης, και η ερώτηση είναι πώς πρέπει να επιλέξουμε τις χρονικές στιγμές δειγματοληψίας προκειμένου να το ελαχιστοποιήσουμε. / The aim of this diploma thesis is to discuss and present existing techniques that apply event-triggered sampling to linear system state estimation, and to evaluate how these methods affect the overall performance of the system. As already mentioned, sampling rate constraints arise in NCS due to the limited bandwidth available. This restriction on the number of samples clearly affects the mean square estimation distortion error, and the question is how we should choose the sampling instants in order to minimize it.