Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση και προσομοίωση των συστημάτων απωλειών πολυδιάστατης τηλεπικοινωνιακής κίνησης, σε επίπεδο κλήσεων. Στα πλαίσια της διατριβής έχουν μελετηθεί ασύρματα δίκτυα τεχνολογίας W-CDMA, ενσύρματα συνδεσιμοστρεφή δίκτυα και οπτικά δίκτυα. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στα ασύρματα δίκτυα. Η ανάλυση των συστημάτων απωλειών κίνησης εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τις διαδικασίες άφιξης και εξυπηρέτησης των κλήσεων. Στην διδακτορική αυτή διατριβή προτείνονται οκτώ νέα μοντέλα απωλειών κλήσεων. Τα έξη από αυτά είναι κατάλληλα για την ανάλυση της απόδοσης σε επίπεδο κλήσεων των ασύρματων δικτύων τεχνολογίας W-CDMA. Τα υπόλοιπα δύο είναι γενικά μοντέλα, κατάλληλα για ενσύρματα συνδεσιμοστρεφή τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και οπτικά δίκτυα. Ανάλογα με την διαδικασία άφιξης των κλήσεων στο σύστημα, διακρίνουμε δύο είδη κίνησης: τυχαία και ψευδο-τυχαία. Η τυχαία κίνηση παράγεται όταν η διαδικασία άφιξης των κλήσεων στο σύστημα είναι Poisson. Αυτό αντιστοιχεί στην υπόθεση ότι έχουμε άπειρο πλήθος πηγών που παράγουν κλήσεις. Όταν το πλήθος των πηγών είναι πεπερασμένο, τότε παράγεται ψευδο-τυχαία κίνηση. Ανάλογα με τις απαιτήσεις των κλήσεων σε πόρους και σε χρόνο εξυπηρέτησης κατά την άφιξή τους στο σύστημα, διακρίνουμε τρία είδη κίνησης: σταθερή, ελαστική και προσαρμοζόμενη. Η σταθερή κίνηση παράγεται από κλήσεις που έχουν σταθερές απαιτήσεις σε πόρους και σε χρόνο εξυπηρέτησης. Η ελαστική και η προσαρμοζόμενη κίνηση παράγεται από κλήσεις που μπορούν να έχουν διαφορετικές, εναλλακτικές απαιτήσεις σε πόρους, ανάλογα με την διαθεσιμότητα των πόρων στο σύστημα. Ανάλογα με την συμπεριφορά των κλήσεων μετά την αποδοχή τους στο σύστημα, διακρίνουμε: α) κλήσεις που κατά την διάρκεια της εξυπηρέτησης δεν μπορούν να μεταβάλουν το εύρος ζώνης που τους έχει ανατεθεί (σταθερός ρυθμός μετάδοσης), και β) κλήσεις που κατά την διάρκεια της εξυπηρέτησης μπορούν να μεταβάλουν το εύρος ζώνης (ελαστικός ρυθμός μετάδοσης) προκειμένου το σύστημα να μπορεί να δεχτεί και άλλες κλήσεις. / In this PhD dissertation new multi-rate teletraffic loss models are developed for the call-level analysis of wireless W-CDMA networks, connection-oriented networks and optical networks. The model's accuracy and consistency are verified by simulation and found to be very satisfactory. The analysis of loss systems mainly depends on the call arrival and call service processes. Eight new teletraffic loss models are proposed. Six of them are suitable for the call-level performance analysis of W-CDMA networks, while the other two models are more general and suitable for the analysis of either connection-oriented networks or optical networks. According to the call arrival process, we distinguish two types of traffic: random and quasi-random. Random traffic is generated when the call arrival process is Poisson. This coincides with the assumption that the number of traffic sources is infinite. When the number of traffic sources is finite, we have the so called quasirandom traffic. According to the calls’ resource and service time requirements, we distinguish three types of traffic: stream, elastic and adaptive. Stream traffic is generated by calls that have fixed resource and service time requirements. Elastic and adaptive traffic is generated by calls that may have alternative contingency resource requirements depending on the resource availability or the capacity of the system. According to the calls’ behaviour after their acceptance into the system, we distinguish: a) calls that during their service time are not able to change the number of allocated resources (constant transmission rate) and b) calls that during their service time are able to change the number of allocated resources (elastic transmission rate) in order for the system to be able to accept more calls.

Η οπτική μεταγωγή ριπών (Optical Burst Switching-OBS) στοχεύει στον συνδυασμό των πλεονεκτημάτων της οπτικής μεταγωγής πακέτων και μεταγωγής κυκλώματος. Θεωρείται ως μια αρκετά υποσχόμενη τεχνολογία για την υλοποίηση του οπτικού Διαδικτύου της επόμενης γενιάς, με σκοπό να αντεπεξέλθει στην ταχεία ανάπτυξη της κίνησης του Διαδικτύου και στην αυξανόμενη υιοθέτηση νέων υπηρεσιών (π.χ VoIP τηλεφωνία, βίντεο κατά απαίτηση, υπολογισμός πλέγματος, ψηφιακά αποθηκευτικά μέσα). Στα OBS δίκτυα, τα πακέτα συναρμολογούνται σε ριπές και στέλνονται έτσι διαμέσου του δικτύου. Επομένως, ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται η συναρμολόγηση των πακέτων σε ριπές, καθορίζει και τα χαρακτηριστικά του συνολικού δικτύου και επηρεάζει κυρίως την συνολική καθυστέρηση του κάθε πακέτου που στέλνεται διαμέσου αυτού. Στην παρούσα εργασία (μέρος της διπλωματικής εργασίας δημοσιεύτηκε στο [21]), θα προτείνουμε τέσσερις νέες τεχνικές συναρμολόγησης ριπών που στοχεύουν στην μείωση της μέσης καθυστέρησης που επιβαρύνονται τα πακέτα κατά τη διαδικασία της συναρμολόγηση τους σε ριπές (burstification), με βάση ενός δεδομένου μέσου μήκους των ριπών που παράγονται. Αυτές οι τεχνικές χρησιμοποιούν ένα γραμμικό φίλτρο πρόβλεψης για την παραγωγή μιας εκτίμησης του πλήθους των πακέτων που πρόκειται να εισέλθουν στο κόμβο του δικτύου, που λαμβάνει χώρα το burstification, κατά τη διάρκεια της επόμενης χρονικής περιόδου. Με βάση την εκτίμηση αυτή, αποφασίζουν αν ικανοποιείται ένα συγκεκριμένο κριτήριο, το οποίο είναι διαφορετικό για κάθε προτεινόμενη μέθοδο, και στέλνουν, αναλόγως, μία νέα ριπή στο δίκτυο. Η μείωση της καθυστέρησης της συναρμολόγησης των πακέτων, για ένα δεδομένο μέσο μήκος ριπής, είναι σημαντική για τις εφαρμογές πραγματικού χρόνου, οι οποίες έχουν αυστηρούς περιορισμούς στην συνολική καθυστέρηση των πακέτων. Αντίστοιχα, η αύξηση του μέσου μήκους των ριπών που δημιουργούνται σε ένα OBS δίκτυο, για μια δεδομένη μέση καθυστέρηση πακέτων, είναι σημαντική για την μείωση του αριθμού των ριπών που εισέρχονται σε αυτό. Μεγάλου μήκους ριπές συνεπάγονται μικρότερη επιβάρυνση σε επεξεργασία που διενεργείται από τους ενδιάμεσους κόμβους του δικτύου. Επίσης, στο παρόν κείμενο, θα αξιολογήσουμε την συμπεριφορά των προτεινόμενων τεχνικών συναρμολόγησης και θα αποδείξουμε ότι δύο από αυτές έχουν καλύτερη απόδοση (έως και 33% βελτίωση), σε σύγκριση με τους προηγουμένως προτεινόμενους από την βιβλιογραφία αλγόριθμους, ως προς την μέση καθυστέρηση πακέτων, για δεδομένο μήκος ριπής. Τέλος, θα συζητηθεί η δυνατότητα παροχής ποιότητας υπηρεσιών (Quality of Service- QoS) με την βοήθεια των προτεινόμενων αλγορίθμων συναρμολόγησης. Το υπόλοιπο του παρόντος κειμένου είναι οργανωμένο με βάση τα παρακάτω: • Το δεύτερο κεφάλαιο σχολιάζει βασικές έννοιες των οπτικών δικτύων και περιγράφει την αρχιτεκτονική των οπτικών δικτύων μεταγωγής ριπών. • Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στις ήδη προτεινόμενες τεχνικές συναρμολόγησης ριπών, από την υπάρχουσα βιβλιογραφία. • Στο τέταρτο κεφάλαιο, σχολιάζονται σημαντικές έννοιες των γραμμικών προβλεπτών, καθώς κι η δυνατότητα τους να εφαρμοστούν στην πρόβλεψη της κίνησης του δικτύου και υπό ποιες συνθήκες η χρήση τους είναι αποδοτική. • Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι περιγράφονται στο πέμπτο κεφάλαιο. • Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζεται η απόδοση τους σε σχέση με τους υπάρχοντες αλγορίθμους και μελετάται η συμπεριφορά του επιλεγμένου γραμμικού προβλεπτή σε σχέση με τις παραμέτρους εισόδου που τον χαρακτηρίζουν. • Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο, περιγράφεται η παροχή του QoS στο δίκτυο και ερευνάται η δυνατότητα υποστήριξης της, με τη βοήθεια των προτεινόμενων τεχνικών συναρμολόγησης. / -

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 κατανεμημένοι αλγόριθμοι δρομολόγησης για switches βασισμένα σε κελιά (=πακέτα σταθερού μεγέθους - π.χ. ΑΤΜ) που χρησιμοποιούν την αρχιτεκτονική Virtual Output Queueing έχουν οδηγήσει στη κατασκευή δρομολογητών υψηλών επιδόσεων. Στην παρούσα διπλωματική παρουσιάζουμε μια νέα ιδέα για την κατασκευή τέτοιων αλγορίθμων που λέγεται "αμοιβαία προτεραιότητα". Οι αλγόριθμοι της οικογένειας αυτής, που λέγεται οικογένεια "MPE", πετυχαίνουν βέλτιστη εγγύηση εξυπηρέτησης για κάθε ουρά εισόδου (καθυστέρηση το πολύ N κύκλων για switch ΝχΝ). Επίσης όσον αφορά τη μέση καθυστέρηση των πακέτων , ξεπερνούν σε απόδοση όλους τους γνωστούς αλγορίθμους. Οι βελτιώσεις που επιτυγχάνονται είναι αρκετά σημαντικές (π.χ. μέχρι και 78% μικρότερη καθυστέρηση πακέτων σε σύγκριση με τον καλύτερο υπάρχοντα αλγόριθμο, για μια επανάληψη). / Distributed scheduling algorithms for cell-based (e.g. ATM) Virtual Output Queuing (VOQ) switches have led to high performance schedulers. In this thesis we introduce a new concept in making such algorithms called "mutual priority" . Algorithms of this family , called "MPE" , achieve optimal service guarantee (N in a NxN switch) and lead to packet delays that outperform all existing algorithms. The improvements achieved are quite significant (i.e. up to 78% less packet delay compared to the best existing algorithm for a single iteration).

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.

Dans les réseaux de télécommunications, la demande croissante pour de nouveaux services, comme la diffusion de vidéos en continu ou les conférences en ligne, engendre un besoin pour des dispositifs de télécommunication où le même contenu est acheminé depuis un émetteur unique vers un groupe de récepteurs. Cette évolution ouvre la voie au développement de nouvelles techniques d'acheminement des données, comme le multicast qui laisse un nœud du réseau copier ses données d'entrée puis retransmettre ces copies, ou le codage réseau, qui est une technique permettant à un nœud d'effectuer des opérations de codage à partir de ses données d'entrée. Cette thèse traite de la mise en place de techniques de codage au sein d'un réseau multicast filaire. Nous formalisons certains problèmes qui apparaissent naturellement dans ce contexte grâce à la recherche opérationnelle et à des outils d'optimisation mathématique. Notre objectif est de développer des modèles et des algorithmes afin de calculer, au moins de manière approchée, certaines grandeurs qui ont vocation à être pertinentes dans le cadre de la comparaison de techniques d'acheminement de données dans un réseau de télécommunications. Nous évaluons ainsi, d'un point de vue à la fois théorique et expérimental, l'impact induit par l'introduction de techniques de codage au sein d'un réseau multicast. Nous nous concentrons en particulier sur des critères importants pour un opérateur de télécommunication, comme la maximisation du débit d'information entre une source et un ensemble de destinataires dans le réseau, la minimisation de la congestion sous contrainte de demande, ou la minimisation de la perte de débit ou du coût induit par l'acheminement des données dans un réseau soumis à des pannes. / In telecommunication networks, the increasing demand for new services, like video-streaming or teleconferencing, along with the now common situation where the same content is simultaneously requested by a huge number of users, stress the need for point to many data transmission protocols where one sender wishes to transmit the same data to a set of receivers. This evolution leads to the development of new routing techniques like multicast, where any node of the network can copy its received data and then send these copies, or network coding, which is a technique allowing any node to perform coding operations on its data. This thesis deals with the implementation of coding techniques in a wired multicast network. We formalize some problems naturally arising in this setting by using operations research and mathematical optimization tools. Our objective is to develop models and algorithms which could compute, at least approximately, some quantities whose purpose is to be relevant as far as forwarding data using either multicast and network coding in telecommunications networks is concerned. We hence evaluate, both in theory and numerically, the impact of introducing coding techniques in a multicast network. We specifically investigate relevant criteria, with respect to the field of telecommunications, like the maximum amount of information one can expect to convey from a source to a set of receivers through the network, the minimum congestion one can guarantee while satisfying a given demand, or the minimum loss in throughput or cost induced by a survivable routing in a network prone to failures.

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) sont des réseaux ad hoc généralement constitués d’entités autonomes miniaturisées appelés noeuds capteurs pouvant communiquer entre eux par liaison radio. Les RCSF ont suscité beaucoup d’engouement dans la recherche scientifique en raison notamment des nouveaux problèmes de routage sous forte contrainte de durée de vie du réseau et de faibles capacités des noeuds.Ce type de réseau diffère des réseaux filaires par ses caractéristiques et limitations qui ont motivé le développement d’une nouvelle approche de conception cross-layer ignorant certains paradigmes de l’approche classique permettant l’échange mutuel d’informations même entre couches non adjacentes. Cette approche qui n’est pas encore standardisée, a démontré son intérêt à travers plusieurs travaux visant un meilleur compromis entre consommation d’énergie et une certaine qualité de service.Nos contributions peuvent être classées en deux catégories suivant la stratégie de routage à savoir le routage ad-hoc et le routage suivant la technique de clustering.Dans la première partie, nous proposons une architecture cross-layer, modulaire, adaptable et extensible nommée XL-AODV (cross layer AODV) basée sur l'échange du SNR (Signal-to-Noise-Ratio) entre la couche réseau et la couche physique qui a été modélisée par la distribution K. Nous évaluons sous le simulateur NS2 les performances de notre approche XL-AODV. Une analyse comparative avec AODV, a montré pour différentes configurations de réseaux, l’efficacité de notre proposition en termes de gains énergétiques et de latence de bout en bout.Pour la deuxième partie, nous proposons une première approche XL-LEACH qui constitue une amélioration de la version originale de LEACH, en l'adaptant aux réseaux de capteurs denses et à grande échelle tout en tenant compte des caractéristiques de la couche physique modélisée par la distribution K. Dans une troisième partie, nous introduisons une amélioration de XL-LEACH par l'approche dite, XL-CLEACH (XL Cooperative LEACH) en intégrant la communication coopérative au niveau MAC. Nous avons prouvé par une étude analytique qui a été validée par les simulations, le gain apporté en termes de consommation d’énergie, de la durée de vie du réseau et du TES (Taux d'Erreur Symbol). Les architectures XL-LEACH et XL-CLEACH ont été implémentées sous MATLAB. / Wireless sensor networks (WSN) can be defined as an ad hoc network consisting of miniaturized autonomous entities, called sensor nodes which communicate with each other over a radio link. WSNs is a research topic which has gained a lot of interest due, in particular, to new routing problems under low node capacity and high network lifetime constraints.WSNs differ from wired networks in their characteristics and limitations which have motivated the development of a new cross-layer design that ignores certain paradigms of the classical approach allowing the mutual exchange of information even between non-adjacent layers. This approach, which is not yet standardized, has gained a lot of attention through several works aiming to energy consumption minimization under a required QoS (Quality of Service).In this thesis, our contributions can be classified are twofold according to the considered routing strategy namely the ad-hoc routing and clustering based routing.In the first part, we propose a new adaptable and extensible cross-layer design called XL-AODV (Cross Layer AODV) based on the exchange of the SNR (Signal-to-Noise-Ratio) between the network and the physical layer which has been modelled by the K distribution.We evaluate under the NS2 simulator, the performance of XL-AODV. A comparative analysis with AODV, showed for different network configurations, the efficiency of our proposition in terms of energy saving and end-to-end latency.In the second part, we propose an XL-LEACH approach which is an improvement of the original version of LEACH by its adapting to dense and large scale sensor networks. We have also taken into account the characteristics of the physical layer modelled by the K distribution.In a third part, XL-CLEACH (XL Cooperative LEACH) approach is introduced to improve XL-LEACH by integrating the cooperative communication at the MAC layer.We have proved through an analytical study and validated by simulations, the gain in terms of energy consumption, network lifetime and SER (Symbol Error Rate). The XL-LEACH and XL-CLEACH architecture were implemented under MATLAB.