- / -

Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία καταπιάνεται με την περιοχή των Aσύρματων Δικτύων Αισθητήρων και τα προβλήματα που αυτά αντιμετωπίζουν στην αποδοτική δρομολόγηση της πληροφορίας. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι πολύπλοκα συστήματα που αποτελούνται από έναν αριθμό από σχετικά απλές και αυτόνομες συσκευές αίσθησης, οι οποίες αναπτύσσονται σε μια γεωγραφική περιοχή. Η ιδιομορφία των συσκευών αυτών έγκειται στο ότι αντιμετωπίζουν περιορισμούς όσων αφορά τόσο το ενεργειακό τους απόθεμα και συνεπώς την επιχειρησιακή ζωή τους, όσο και στις ικανότητές τους να επεξεργάζονται, αποθηκεύουν και zεκπέμπουν πληροφορία. Η χρησιμότητα των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων (ΑΔΑ) στηρίζεται στην ικανότητά τους να αναπτύσσονται εύκολα και σχετικά φθηνά, σε μια περιοχή ενδιαφέροντος στην οποία και παρακολουθούν κάποιο συγκεκριμένο φαινόμενο. Επιπλέον φροντίζουν να ενημερώνουν τους σταθμούς βάσης για την κατάσταση και την εξέλιξη του φαινομένου. Στο πλαίσιο αυτό έχουν αναπτυχθεί μια σειρά από αρχιτεκτονικές ασύρματων αισθητήριων κόμβων αλλά και ποικίλα πρωτόκολλα επικοινωνίας αυτών, τα οποία τα δομούν σε δίκτυα. Η συνεισφορά μας έγκειται στην πρόταση τριών νέων πρωτοκόλλων επικοινωνίας για τα ΑΔΑ τα οποία προσπαθούν να εφαρμόσουν την ιδέα της Δικαιοσύνης επιδιώκοντας να βελτιώσουν τόσο την απόδοση των ΑΔΑ όσο και να επιμηκύνουν την επιχειρησιακή τους ζωή. Τα πρωτόκολλα που παρουσιάζουμε άντλησαν την έμπνευσή τους από το πρωτόκολλο PFR (Πρωτόκολλο Πιθανοτικής Προώθησης των Χατζηγιαννάκη, Δημητρίου, Νικολετσέα και Σπυράκη). Όλα τα προτεινόμενα πρωτόκολλα κατηγοριοποιούνται στο επίπεδο Δικτύου του μοντέλου OSI. / This MSc thesis is about Wireless Sensor Networks and focuses on the problems these networks face in order to route information efficiently Wireless Sensor Networks (WSNs) are complex systems which consist of a number of relative simple autonomous sensing devices. These devices are deployed on a geographical area. The particularity of them lies on the fact that they face serious limitations concerning their energy reserves and consequently their operational life as well as regarding their computational, storage and communication capabilities. WSN's usefulness is mainly about its ability of easy and cheap deployment on an area of concern, where it monitors a particular phenomenon. Moreover the WSN's nodes take the initiative to inform certain base stations regarding the status and evolution of this phenomenon. In this context there is a great volume of work in relation to sensor node architectures and communication protocols which turn these numbers of devices to working networks. Our contribution sums up to the proposal of three novel communication protocols for WSNs, which attempt to enforce the idea of Fairness in order to better WSN�s performance and elongate their life. These protocols are highly influenced by PFR protocol introduced by Chatzigiannakis, Demetriou, Nikoletseas and Spirakis. All the proposed protocols belong to the network layer of the OSI standard.

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.

H παρούσα πτυχιακή εργασία επικεντρώνεται αρχικά, στη μελέτη των προτύπων της επίγειας και φορητής ψηφιακής τηλεοράσης (DVB-T και DVB-H). Το DVB-T αποτελεί τo πρότυπο της επίγειας µετάδοσης που έχει αναπτυχθεί µε ιδιαίτερα πολύπλοκο τρόπο από ότι τα προηγούµενα πρότυπα για δορυφορική και καλωδιακή µετάδοση. Με το DVB-T επιτυγχάνονται καλύτερες επιδόσεις απ’ ότι µε την αναλογική μετάδοση και προσφέρει πολλά πλεονεκτήµατα στην επίγεια µετάδοση αλλά και λήψη του σήµατος. Επειδή αποδείχθηκε σχετικά νωρίς ότι το DVB-T έχει μειονεκτήματα σε ότι αφορά το broadcasting τηλεοπτικού σήματος σε κινητά τηλέφωνα, γεννήθηκε η ιδέα για ένα σύστημα αποκλειστικά για φορητές συσκευές βασισμένο στο DVB-T. Καλείται DVB-H (DVB-Handheld). Δεδομένου ότι τα συστήματα ψηφιακής μετάδοσης DVB-T και DVB-H χρησιμοποιούν για τη διάδοσή τους το επίγειο και δορυφορικό κανάλι, γίνεται εκτενής ανάλυση των παραμέτρων που επηρεάζουν την επίγεια και δορυφορική μετάδοση, κυρίως από την οπτική των απωλειών. Στη συνέχεια, γίνεται ανάλυση όλων των σταδίων που λαμβάνουν χώρα κατά την εκπομπή και λήψη ενός OFDM σήματος μέσω ενός φυσικού καναλιού, διαμόρφωση η οποία χρησιμοποιείται κατά κόρον στα πρότυπα DVB-T και DVB-H. Έπειτα, προσομοιώνουμε μέσω του MATLAB όλη τη διαδικασία της OFDM μετάδοσης και λήψης, εξάγοντας τις γραφικές παραστάσεις με τη μορφή του OFDM σήματος σε κάθε στάδιο. Τέλος, θα μελετήσουμε την επίδραση του ασύρματου καναλιού (δορυφορικού και επίγειου) στην εξασθένηση του OFDM σήματος, στο σταθμό λήψης και θα εξάγουμε τις γραφικές παραστάσεις, επιβεβαιώνοντας την εξασθένηση αυτή. / This project focuses initially on the study of patterns of terrestrial and mobile digital television (DVB-T and DVB-H). The DVB-T standard is the terrestrial broadcasting standard that has been developed in a very complex way than previous standards for satellite and cable broadcasting. By implementing DVB-T we can achieve much better performance than analog transmission as it offers many advantages for terrestrial transmission and reception. Since it has been proved early on that the DVB-T has disadvantages in terms of the broadcasting of television signals to mobile phones, there has been created an idea for a system that exclusively focuses on mobile devices, based on DVB-T. It is called DVB-H (DVB-Handheld). Since the digital broadcasting systems of DVB-T and DVB-H use the terrestrial and satellite channel to transmit information, an extensive analysis of parameters affecting the terrestrial and satellite transmission takes place, mainly from the perspective of losses. Then, there takes place an analysis of all stages that occur when transmitting and receiving an OFDM signal through a natural channel, modulation which is widely used in DVB-T and DVB-H. Then, we run a MATLAB simulation for the whole process of OFDM transmission and reception, exporting graphs of the form of the OFDM signal at each stage. Finally, we will study the effect of wireless channel (satellite and terrestrial) as far as the weakening of the OFDM signal is concerned at the receiving station and we will export the graphs, confirming the aforementioned attenuation. .

Σήμερα, σε όλα σχεδόν τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα τα οποία προορίζονται για αποστολή δεδομένων σε υψηλούς ρυθμούς, έχουν υιοθετηθεί κώδικες διόρθωσης λαθών για την αύξηση της αξιοπιστίας τους και τη μείωση της απαιτούμενης ισχύος εκπομπής τους. Οι κώδικες αυτοί δίνουν τη δυνατότητα ανίχνευσης και διόρθωσης των λαθών που μπορεί να δημιουργήσει το μέσο μετάδοσης (κανάλι) σε κάποιο τμήμα πληροφορίας που μεταφέρεται μέσω του τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Μία κατηγορία τέτοιων κωδίκων, και μάλιστα με εξαιρετικές επιδόσεις, είναι η οικογένεια των LDPC (Low Density Parity Check) κωδίκων. Πρόκειται για γραμμικούς μπλοκ κώδικες, με απόδοση πολύ κοντά στο όριο Shannon. Στην παρούσα διπλωματική μελετώνται οι κώδικες LDPC και σχετικές αρχιτεκτονικές υλικού. Oι κώδικες LDPC χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε εφαρμογές που απαιτούν αξιόπιστη και υψηλής απόδοσης μετάδοση, υπό την παρουσία ισχυρού θορύβου. Η κατασκευή τους στηρίζεται στη χρήση πινάκων ελέγχου ισοτιμίας χαμηλής πυκνότητας, ενώ η αποκωδικοποίηση εκτελείται με τη χρήση επαναληπτικών αλγορίθμων. Σε υψηλά επίπεδα θορύβου παρουσιάζουν πολύ καλή διορθωτική ικανότητα, αλλά υστερούν σε χαμηλότερα επίπεδα θορύβου, όπου υποφέρουν από το φαινόμενο του error floor. Στη συγκεκριμένη εργασία μελετάται εκτενώς μία αλγεβρική μέθοδος για την κατασκευή regular LDPC κωδίκων που βασίζεται σε κώδικες Reed-Solomon με δύο σύμβολα πληροφορίας. Η μέθοδος αυτή μας επιτρέπει την κατασκευή ενός πίνακα ελέγχου ισοτιμίας Η για τον κώδικα LDPC, όπου το διάγραμμα Tanner που του αντιστοιχεί δεν περιέχει κύκλους μήκους 4 (ελάχιστο μήκος κύκλου 6). Οι κύκλοι μικρού μήκους στο διάγραμμα Tanner «εγκλωβίζουν» τον αποκωδικοποιητή σε καταστάσεις που δεν μπορεί να ανιχνεύσει και να διορθώσει τα λάθη που δημιουργήθηκαν στη μετάδοση. Έτσι χρησιμοποιώντας την παραπάνω μέθοδο μπορούμε να κατασκευάσουμε απλούς σε δομή κώδικες, που σε συνδυασμό με τους επαναληπτικούς αλγορίθμους αποκωδικοποίησης οδηγούν σε αποκωδικοποιητές με εξαιρετικές διορθωτικές ικανότητες και εμφάνιση error floor σε πολύ χαμηλές τιμές του BER. Ακόμα, αυτού του τύπου οι πίνακες ισοτιμίας επιβάλλουν μία συγκεκριμένη δομή για το γεννήτορα πίνακα G που χρησιμοποιείται για την κωδικοποίηση. Για το λόγο αυτό μελετάται επίσης ο τρόπος για να κατασκευάσουμε ένα συστηματικό πίνακα G, ο οποίος απλουστεύει κατά πολύ τη διαδικασία της κωδικοποίησης. Όλες οι παραπάνω διαδικασίες εφαρμόζονται για την κατασκευή του κώδικα (2048,1723) RS-LDPC. Πρόκειται για έναν κώδικα ρυθμού 0,84 που χρησιμοποιείται από το πρότυπο 802.3an της IEEE για το 10GBASE-T Ethernet και παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω των επιδόσεών του. Για τον κώδικα αυτό προτείνεται σχεδίαση για τον κωδικοποιητή και τον αποκωδικοποιητή καθώς και για όλα τα εξωτερικά κυκλώματα που απαιτούνται ώστε να δημιουργηθεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα αποστολής, λήψης και διόρθωσης δεδομένων. Έχοντας όλο το υπόβαθρο για την κατασκευή ενός RS-LDPC συστήματος κωδικοποίησης-αποκωδικοποίησης, υλοποιήσαμε τη σχεδίαση του συστήματος σε κώδικα VHDL ενώ εκτελέστηκαν οι απαραίτητες εξομοιώσεις (Modelsim). Στη συνέχεια εκτελέστηκαν οι διαδικασίες της σύνθεσης (εργαλείο XST του Xilinx ISE) και της πλήρους υλοποίησης σε fpga (Virtex 5 XC5VLX330T-1FF1738), δίνοντας μας έτσι τη δυνατότητα διεξαγωγής ταχύτατων εξομοιώσεων ειδικά σε χαμηλά επίπεδα θορύβου σε σχέση με τις αντίστοιχες υλοποιήσεις σε λογισμικό (MATLAB). Πραγματοποιώντας πειράματα στο υλικό παρατηρούμε τη διορθωτική ικανότητα του αλγορίθμου αποκωδικοποίησης και συγκρίνουμε τα αποτελέσματα με αυτά των υλοποιήσεων σε λογισμικό. Επίσης μελετάται ο τρόπος μεταβολής της διορθωτικής ικανότητας του αλγορίθμου ανάλογα με τον αριθμό των επαναλήψεων που εκτελεί. Τέλος, πήραμε κάποιες μετρήσεις για το throughput του αποκωδικοποιητή, ώστε σε περίπτωση που θέλουμε να πετύχουμε ένα συγκεκριμένο ρυθμό επεξεργασίας δεδομένων να μπορούμε να υπολογίσουμε τον αριθμό των αποκωδικοποιητών που θα χρειαστούμε. / Nowadays, almost every telecommunication system that aims to achieve high transmission rates has adopted error correction codes in order to increase its reliability while decreasing the required power of transmission. The information signal is transmitted over a communication channel with the presence of noise. Error correction codes allow systems to detect and correct errors that occurred to the information signal due to the noise. LDPC (Low Density Parity Check) codes compose a large family of error correcting linear block codes with great performance, close to the Shannon limit. In this thesis we analyze LDPC codes and the corresponding hardware designs. LDPC codes are used in applications that require reliable and highly efficient transmission under high levels of noise. Any LDPC code is fully defined by a sparse parity-check-matrix and all of them use iterative belief propagation techniques for the decoding process. In general, LDPC codes perform very well in high levels of noise, but in very low levels they suffer from “error floor” effect. First we present a thorough analysis of an algebraic method for constructing regular LDPC codes based on Reed-Solomon codes with two information symbols. This construction method results in a class of LDPC codes which are free of cycles of length 4 in their Tanner graphs (so the girth of their Tanner graphs is at least 6). The existence of circles with length 4 in the Tanner graph “traps” the decoder in states that it cannot detect and correct any error occuring in the transmitted codeword. So by using the previous constructing method we can create simply structured codes which, combined with iterative decoding algorithms, may provide decoders with great performance and error floor at very low levels of BER. Furthermore, this type of decoders requires that the generator matrix G used for the encoding process of the system must have specific structural properties. For this reason we are going to study the way of constructing a proper systematic generator matrix which also simplifies the decoding process. All the previous stages are carried out in order to construct the (2048, 1723) RS-LDPC code. This code was adopted in 802.3an IEEE standard for the 10GBASE-T and is of high interest due to its remarkable efficiency. For this code we demonstrate a specific implementation for the encoder, decoder and all the additional components required in order to design a complete transmitter-receiver system, coupled with error correction capabilities. We utilize the above mentioned background so as to implement our design in VHDL code and run the proper simulations (Modelsim tool). Later on we synthesized (XST tool, Xilinx ISE) and implemented our design on an fpga board (Virtex 5 XC5VLX330T-1FF1738). This enabled us to accomplish rapid simulation times, especially under low level of noise in contrast to the corresponding software implementations (MATLAB). We evaluate the error correction capability of the decoding algorithm by running experiments in hardware and we compare these results with software implementations. Moreover we observe how the effectiveness of the decoding algorithm is affected by its number of iterations. Finally, we measure the decoder throughput so that in case we want to achieve a specific decoding rate we are able to estimate the required number of decoders for this rate.

Un nœud d'un réseau de capteurs sans fil traite dans ses unités de calcul les signaux issus de plusieurs types de capteurs et effectue différentes tâches liées aux protocoles de communication. Devant exécuter plusieurs types de contrôle, sa flexibilité est un paramètre très important. Les solutions à base de microcontrôleurs ou de FPGA ont été proposées pour aborder le besoin de flexibilité, mais au prix d'une efficacité énergétique réduite. Dans cette thèse, des contrôleurs flexibles à ultra-faible énergie basés sur un contexte de micro-tâches reconfigurables sont explorés comme alternative. Des architectures modulaires pour des machines d'états finis (FSM) et des chemins de données (DP) reconfigurables sont proposées. Les techniques de coupure de l'alimentation (PG pour power gating) sont utilisées pour adapter la consommation aux besoins et réduire la puissance statique. Dans un premier temps, des modèles pour l'estimation des paramètres clés d'un circuit avec PG sont proposés au niveau porte. Ensuite, les opportunités des techniques PG sont déterminées sur les FSM et DP reconfigurables pour en réduire l'énergie. Dans les chemins de données, la reconfiguration fait varier la précision des opérateurs et le PG permet d'éteindre les blocs logiques inutilisés. Une gestion de l'alimentation au niveau lookup table (LUT) est proposée pour réduire les courants de fuite en mode actif et en veille dans les FSM reconfigurables. Des résultats montrent les très bonnes performances des architectures proposées par rapport aux processeurs et FPGA. / A wireless sensor network (WSN) node may need to process signals from various sensors and perform different transceiver tasks apart from being able to change its functions dynamically. A controller in the node is therefore required to execute different control tasks to manage its resources implying that flexibility is a key concern. Microcontrollers and FPGAs have been proposed to address the need for flexibility at the cost of reduced energy efficiency. In this thesis, ultra-low power flexible controllers for WSN nodes based on reconfigurable microtasks are explored. A reconfigurable microtask is a digital control unit with a reconfigurable finite state machine (FSM) and datapath. Scalable architectures for reconfigurable FSMs along with variable precision adders in datapath are proposed for flexible controllers in this work. Power gating is considered for FSMs and adders for low power operation. First, the design issues in power gating are studied extensively. Models for estimation of key design parameters of power-gated circuits are derived at gate level. Next, power gating opportunities are determined in reconfigurable adders and FSMs proposed for microtasks. In adders, reconfigurability is used for varying the precision of operation and saving energy by power-gating unused logic. Power gating at the level of lookup table logic is proposed to achieve active leakage power reduction in reconfigurable FSMs. The proposed models are then applied to analyze energy savings in logic clusters due to power gating. Power estimation results show good performance of proposed architectures with respect to different metrics relative to others in the design space of controllers.

Aujourd'hui, la prolifération de matériel peu coûteux tels que les caméras et les microphones capables de capturer du contenu multimédia de façon ubiquitaire a conduit à l'émergence des réseaux de capteurs sans fil multimédia/vidéo (RCSFM /RCSFV). En conséquence, un grand éventail d'applications peuvent être projetées dans de nombreux domaines de la vie de tous les jours. Par rapport aux réseaux de capteurs traditionnels (RCSF), les RCSFVs présentent des défis uniques principalement en raison de la grande quantité de données à capturer et à transmettre au-dessus d'un réseau contraint en ressources. Dans ce travail, nous avons d'abord proposé un protocole de routage hiérarchique appelé ELPC (Energy Level Passive Clustering) dont l'objectif principal est d'améliorer la durée de vie du réseau en présence de flux vidéo. Ceci est obtenu grâce à l'équilibrage des charges au moment de la construction de la topologie où le rôle de tête de groupe est alterné entre les noeuds candidats en fonction de leur niveau d'énergie. La deuxième contribution consiste en un protocole de routage multichemin qui prend les interférences inter-chemin en considération. Au lieu de supprimer complètement les interférences, notre protocole de routage multichemin tente de les minimiser en se basant sur l'ajout d'informations supplémentaires sur les noeuds voisins dans les messages de construction de la topologie. De plus, nous proposons un schéma de files d'attente à priorités multiples où l'influence des types de données. Les résultats des simulations montrent que l'utilisation de chemins moins interférents combinée à un régime de multipriorité permet une meilleure qualité vidéo / Nowadays, the proliferation of inexpensive hardware such as CMOS cameras and microphones that are able to ubiquitously capture multimedia content has led to the emergence of wireless multimedia/video sensor networks (WMSN/WVSN). As a consequence, a wide spectrum of applications can be projected in many areas and everyday life. Compared to traditional WSNs, WVSNs introduce unique challenges due mainly to the big amount of data to be captured and transmitted over a constrained network. In this work, we first propose a cluster-based (hierarchical) routing protocol called ELPC (Energy Level Passive Clustering) where the main objective is to enhance the network lifetime while handling video applications. This is achieved thanks to a load balancing feature where the role of clusterheads is alternated among candidate nodes depending on their energy level. The second contribution consists in a multipath routing protocol with interference awareness. Instead of completely suppressing interferences, our multipath routing protocol tries to minimize them through a simple algorithm without extra overhead. Multiple paths are built at once while minimizing their inter-path interferences thanks to some additional information on neighboring nodes piggybacked on the route request messages. In addition to interference awareness, we propose a multiqueue multipriority scheme where the influence of data type in a video is considered. Simulation results show that using less interfering paths combined to a multiqueue multipriority scheme allows for better video quality

Le thème général du sujet tourne autour de l'optimisation inter-couche des réseaux de capteurs basés sur la technologie ultra large bande ULB (UWB, Ultra Wide Band) moyennant des solutions protocolaires permettant d'un côté de répondre au besoin de qualité de service QdS à critères multiples dans les réseaux de capteurs sans fil et d'autre côté d'assurer le partage et l'allocation efficace les ressources disponibles (spectrale et temporelle) ainsi que l'optimisation de la consommation d'énergie dans des tels réseaux. Le domaine d'application cible choisi dans le présent travail est les systèmes de suivi des patients au sein d'un réseau de capteurs déployé en hôpital intelligent (WHSN, Large-scale Wireless Hospital Sensor Network). Dans ce contexte, nous avons proposé le modèle UWBCAS pour assurer le partage des ressources spectrales entre les PANs. Puis, nous avons conçu et implémenté un protocole MAC multi-canal multi-créneau de temps avec support de qualité de service, PMCMTP, pour assurer une allocation conjointe des canaux de fréquence et des créneaux de temps au sein de chaque réseau PAN. Enfin nous avons proposé l'algorithme JSAR qui traite à la fois les problèmes d'ordonnancement des cycles d'activités des membres du réseau dans le but d'optimiser la consommation d'énergie, d'allocation efficace des canaux de fréquence et des créneaux de temps afin d'améliorer le taux d'utilisation des ressources et les performances du réseau et de routage avec support de QdS à critères multiples afin de répondre aux besoins des applications supportées / The general context of the present memory is about the cross-layer optimization of wireless sensors networks based on ultra wide band technology UWB. The proposed solutions ensure the share and the efficient allocation of spectral and temporal resources, the optimization of the energy consumption and the support of multi-constraints quality of services QoS. The most challenging issue is providing a tradeoff between the resource efficiency and the multiconstrained QoS support. For this purpose, we proposed a new Wireless Hospital Sensor Network (WHSN) three-tiered architecture in order to support large-scale deployment and to improve the network performance. Then we designed a channel allocation scheme (UWBCAS,)and a prioritized multi-channel multi-time slot MAC protocol (PMCMTP) to enhance network performance and maximize the resource utilization. Finally, we proposed a joint duty cycle scheduling, resource allocation and multi-constrained QoS routing algorithm (JSAR) which simultaneously combines, a duty cycle scheduling scheme for energy saving, a resource allocation scheme for efficient use of frequency channels and time slots, and an heuristic for multi-constrained routing protocol

During the past years wireless communications have been exhibiting an increased growth rendering them the most common way for communication. The continuously increasing demand for wireless services resulted in limited availability of the wireless spectrum. To this end, Cognitive Radio (CR) techniques have been proposed in literature during the past years. The concept of CR approach is to utilize advanced radio and signal-processing technology along with novel spectrum allocation policies to enable new unlicensed wireless users to operate in the existing occupied spectrum areas without degrading the performance of the existing licensed ones. Moreover, the broadcast and fading nature of the wireless channel results in severe degradation on the performance of wireless transmissions. A solution to the problem is the use of multiple-antenna systems so as to achieve spatial diversity. However, in many cases, the communication devices' nature permit the support of multiple antennas due to size, power consumption, and hardware limitations. To this end, cooperative communications provide an alternative way to achieve spatial diversity via virtual antenna arrays formed by single antenna nodes. It is noteworthy that cooperation has an important role within the CR literature as many techniques developed within its context exploiting the benefits of cooperation in order to achieve improved performance. Therefore, the aim of the present dissertation is to develop efficient and practical cognitive, cooperative and cognitive cooperative schemes. More specifically the contributions are the following ones. The first contribution is a novel CR communication scheme. During the past years numerous CR communication schemes have been presented in literature. To the best of our knowledge, the majority of them were developed assuming perfect Channel State Information (CSI) at the unlicensed user's side. There are several cases where the licensed users do not desire any interaction with the unlicensed ones. In such cases, the assumption that the unlicensed user can obtain CSI that concerns the licensed user channels is not valid and as a result the corresponding communication technique cannot be applied. Therefore, at first we propose an novel CR communication scheme that requires CSI that can be estimated in a completely blind manner. Then, the corresponding blind estimation scheme is developed. Another significant contribution is the theoretical results that have been derived for both the perfect CSI case and the imperfect CSI case (when the blind estimation scheme is employed for obtaining the corresponding CSI). Especially, the theoretical results that concern the imperfect CSI case are some of the first ones that appear in the relevant literature, to the best of our knowledge. The second contribution is a decentralized adaptive Eigenvalue-Based spectrum Sensing (EBSS) technique for multi-antenna CR Systems. Spectrum Sensing is a fundamental functionality in CR systems. In general, the unlicensed user employs a spectrum sensing technique in order to detect licensed user(s) activity in scenarios where the former user is permitted to establish a communication link only via spectrum areas that are temporarily free of the latter one's transmissions. EBSS techniques are known to achieve good performance and also to be applicable in a completely blind manner. In the literature so far, only batch and centralized cooperative EBSS techniques have been considered which, however, suffer from limitations that render them impractical in several cases such as, when time-varying channels are involved or continuous spectrum monitoring is required. Thus, the aim here is to develop practical cooperative adaptive versions of typical Eigenvalue-Based Spectrum Sensing (EBSS) techniques which could be applied in a completely decentralized manner and cope well in time-varying scenarios. To this end, at first, novel adaptive EBSS techniques are developed for the Maximum Eigenvalue Detector (MED), the Maximum-Minimum Eigenvalue Detector (MMED), and the Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) schemes, respectively, for a single-user (no cooperation) case. Then, a novel distributed subspace tracking method is proposed which enables the cooperating nodes to track the joint subspace of their received signals. Based on this method, cooperative decentralized versions of the adaptive EBSS techniques are subsequently developed that overcome the limitations of the existing batch centralized approaches. The third contribution is a new cooperative scheme for half-duplex uplink transmission. The technique is based on a virtual MIMO structure formed by the single antenna source and relays nodes along with the multi-antenna base station which is the destination node. The new technique aims at providing increased diversity and multiplexing gains, contrariwise to existing approaches where the proposed techniques achieve increased diversity gain at the cost of severe multiplexing gain loss. The theoretical outage probability and the corresponding Diversity Multiplexing Trade-off (DMT) curve of the proposed technique are also derived. The final contribution is two novel algorithms which enable the relay cooperation for the distributed computation of the beamforming weights in a blind and adaptive manner, without the need to forward the data to a fusion center. The proposed algorithms are constituent parts of two corresponding distributed beamforming schemes for relay networks that distribute the computational overhead equally among the relay nodes. In the first scheme, the beamforming vector is computed through minimization of the total transmit power subject to a receiver quality-of-service constraint (QoS). In the second scheme, the beamforming weights are obtained through maximization of the receiver signal-to-noise-ration (SNR) subject to a total transmit power constraint. The proposed approaches achieve close performance to the one of the optimal beamforming solutions derived assuming perfect channel state information at the relays' side. / Τα τελευταία χρόνια, οι ασύρματες επικοινωνίες γνωρίζουν ραγδαία ανάπτυξη και ουσιαστικά αποτελούν τον πιο κοινό τρόπο επικοινωνίας. Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για υπηρεσίες ασύρματων επικοινωνιών έχει ως αποτέλεσμα την περιορισμένη διαθεσιμότητα του ασύρματου φάσματος συχνοτήτων. Για να αντιμετωπισθεί το προηγούμενο πρόβλημα, προτάθηκαν στο πρόσφατο παρελθόν τεχνικές στα πλαίσια των συστημάτων γνωσιακών κόμβων (Cognitive Radio- CR). Η βασική ιδέα ενός συστήματος CR είναι να χρησιμοποιήσει προηγμένες τεχνικές επικοινωνιών και επεξεργασίας σήματος μαζί με νέες τεχνικές ανάθεσης συχνοτήτων φάσματος για να επιτρέψει σε νέους μη αδειοδοτημένους ασύρματους χρήστες να λειτουργήσουν σε συχνότητες φάσματος που έχουν ανατεθεί σε αδειοδοτημένους χρήστες χωρίς να επηρεάζουν την επίδοση των τελευταίων. Επιπλέον, η ισχυρή παρεμβολή στις ασύρματες μεταδόσεις και η επίσης ισχυρή εξασθένιση του σήματος ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνιών έχουν ως αποτέλεσμα τη σημαντική υποβάθμιση της επίδοσης των ασυρμάτων επικοινωνιών. Μια λύση στο προηγούμενο πρόβλημα μπορεί να δοθεί με την χρήση πολλαπλών κεραιών για την επίτευξη χωρικής ποικιλομορφίας. Σε πολλές περιπτώσεις όμως, η φύση των τηλεπικοινωνιακών συσκευών δεν επιτρέπει την υποστήριξη των πολλαπλών κεραιών λόγω περιορισμών στο μέγεθος της συσκευής, στην κατανάλωση ισχύος και στο υλικό. Ένας εναλλακτικός τρόπος για την επίτευξη χωρικής ποικιλομορφίας είναι μέσω των συνεργατικών επικοινωνιών (Cooperative Communications) οι οποίες σχηματίζουν γενικευμένα συστήματα πολλαπλών κεραιών από συστήματα μιας κεραίας. Είναι αξιοσημείωτο ότι η συνεργασία παίζει σημαντικό ρόλο στη βιβλιογραφία των συστημάτων CR, βάσει της οποίας αναπτύσσονται τεχνικές μετάδοσης με βελτιωμένη επίδοση. Επομένως, ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη αποδοτικών και πρακτικών τεχνικών γνωσιακών, συνεργατικών και γνωσιακών-συνεργατικών τεχνικών επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα, η συνεισφορά της διατριβής μπορεί να χωριστεί στα ακόλουθα σκέλη. Στο πρώτο σκέλος παρουσιάζουμε μια νέα τεχνική μετάδοσης για CR συστήματα. Στο πρόσφατο παρελθόν, μια πληθώρα τεχνικών μετάδοσης για CR συστήματα έχει παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία. Η πληθώρα των τεχνικών αυτών έχει αναπτυχθεί υποθέτοντας τέλεια γνώση της κατάστασης των εμπλεκόμενων ασύρματων τεχνικών (Channel State Information – CSI) στην πλευρά των μη αδειοδοτημένων χρηστών. Υπάρχουν, όμως, αρκετές περιπτώσεις στις οποίες οι αδειοδοτημένοι χρήστες δεν επιθυμούν καμία αλληλεπίδραση με τους αντίστοιχους μη αδειοδοτημένους. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η υπόθεση ότι ο μη αδειοδοτημένος χρήστης έχει πρόσβαση σε CSI που σχετίζεται με τα κανάλια του αντίστοιχου αδειοδοτημένου δεν είναι έγκυρη με αποτέλεσμα η σχετική τεχνική μετάδοσης να μην μπορεί να εφαρμοστεί. Συνεπώς, αρχικά προτείνουμε ένα καινοτόμο CR επικοινωνιακό σχήμα που απαιτεί CSI το οποίο μπορεί να υπολογισθεί με έναν εντελώς τυφλό τρόπο. Έπειτα η αντίστοιχη τυφλή τεχνική εκτίμησης αναπτύσσεται. Μια άλλη σημαντική συνεισφορά είναι τα θεωρητικά αποτελέσματα τα οποία έχουν εξαχθεί τόσο για την τέλεια CSI περίπτωση, όσο και για τη μη τέλεια CSI περίπτωση (όταν το τυφλό σχήμα εκτίμησης χρησιμοποιείται για την απόκτηση της αντίστοιχης CSI). Ειδικότερα, τα θεωρητικά αποτελέσματα τα οποία αφορούν τη μη τέλεια CSI περίπτωση είναι μερικά από τα πρώτα τα οποία εμφανίζονται στη σχετική βιβλιογραφία, από όσο γνωρίζουμε. Το δεύτερο σκέλος αφορά μια απόκεντρικοποιημένη προσαρμοστική τεχνική επισκόπησης φάσματος ιδιοτιμών (Eigenvalue-Based Spectrum Sensing – EBSS) για συστήματα CR πολλαπλών κεραιών. Γενικά, ο μη αδειοδοτημένος χρήστης χρησιμοποιεί μία τεχνική επισκόπησης φάσματος προκειμένου να ανιχνεύσει την δραστηριότητα των αδειοδοτημένων χρηστών σε σενάρια όπου ο πρώτος επιτρέπεται να μεταδώσει μόνο διαμέσου περιοχών φάσματος οι οποίες είναι προσωρινά ελέυθερες από μεταδόσεις του δεύτερου. Είναι γνωστό ότι οι τεχνικές EBSS επιτυγχάνουν καλή επίδοση και είναι εφαρμόσιμες με ένα εντελώς τυφλό τρόπο. Στην βιβλιογραφία μέχρι στιγμής, έχουν μελετηθεί μόνο κεντρικοποιημένες συνεργατικές τεχνικές και τεχνικές τύπου batch οι οποίες υποφέρουν από περιορισμούς που τις καθιστούν μη πρακτικές σε αρκετές περιπτώσεις όπως όταν εμπλέκονται χρονικά μεταβαλλόμενα κανάλια ή όταν απαιτείται συνεχής παρακολούθηση του φάσματος. Συνεπώς, ο σκοπός εδώ είναι η ανάπτυξη πρακτικών συνεργατικών και προσαρμοστικών εκδοχών τυπικών EBSS οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν με ένα εντελώς αποκεντρικοποιημένο τρόπο και αποδίδουν καλά σε σενάρια που εμπλέκουν χρονικά μεταβαλλόμενα κανάλια. Προς αυτή την κατεύθυνση αναπτύσσονται αρχικά, νέες προσαρμοστικές εκδοχές για τις τεχνικές Maximum Eigenvalue Detector (MED), Maximum-Minimum Eigenvalue Detector (MMED) και την Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) αντίστοιχα για την περίπτωση του ενός χρήστη. Έπειτα μια νέα μέθοδος κατανεμημένης παρακολούθησης υποχώρου προτείνεται, η οποία επιτρέπει στους συνεργαζόμενους κόμβους να παρακολουθούν τον κοινό υποχώρο των ληφθέντων σημάτων τους. Με βάση αυτή την μέθοδο, συνεργατικές και αποκεντρικοποιημένες εκδοχές των προσαρμοστικών EBSS τεχνικών αναπτύσσονται οι οποίες ξεπερνούν τους περιορισμούς των υπαρχόντων κεντρικοποιημένων τεχνικών τύπου batch. Το τρίτο σκέλος είναι μια νέα συνεργατική τεχνική για half-duplex uplink μετάδοση. Αυτή η τεχνική βασίζεται σε ένα γενικευμένο σύστημα πολλαπλών κεραιών σχηματιζόμενο από την μιας κεραίας πηγή και κόμβους συνεργατών μαζί με το σταθμό βάσης πολλαπλών κεραιών ο οποίος είναι και ο κόμβος προορισμός. Η νέα τεχνική στοχεύει στο να παρέχει αυξημένα κέρδη ποικιλομορφίας και πολυπλεξίας, σε αντίθεση με υπάρχουσες τεχνικές οι οποίες επιτυγχάνουν αυξημένα κέρδη ποικιλομορφίας σε βάρος του κέρδους ποικιλομορφίας. Η θεωρητική πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας και η αντίστοιχη καμπύλη Diversity Multiplexing Tradeoff (DMT) της προτεινόμενης τεχνικής υπολογίζονται. Το τελευταίο σκέλος είναι δύο νέοι αλγόριθμοι, οι οποίοι επιτρέπουν την ενδο-συνεργασία των συνεργατικών κόμβων για τον κατανεμημένο υπολογισμό των βαρών της τεχνικής προσανατολισμένης επικοινωνίας με τυφλό και προσαρμοστικό τρόπο χωρίς την ανάγκη προώθησης των δεδομένων σε έναν κόμβο σταθμό. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι είναι συστατικά στοιχεία δύο αντίστοιχων τεχνικών προσανατολισμένης επικοινωνίας για δίκτυα συνεργατών τα οποία κατανέμουν τον υπολογιστικό φόρτο ισότιμα στους συνεργαζόμενους κόμβους. Στο πρώτο σχήμα το διάνυσμα βαρών υπολογίζεται ώστε να ελαχιστοποιείται η συνολική ισχύς μετάδοσης υπό έναν περιορισμό στην ποιότητα μετάδοσης. Το δεύτερο σχήμα, το διάνυσμα βαρών υπολογίζεται ώστε να μεγιστοποιείται το SNR του υπό έναν περιορισμό στην επιτρεπόμενη συνολική ισχύς μετάδοσης. Οι προτεινόμενες τεχνικές επιτυγχάνουν επίδοση κοντινή σε εκείνη των βέλτιστων λύσεων, οι οποίες έχουν υπολογισθεί υποθέτοντας τέλειο CSI στους κόμβους συνεργάτες.

Οι τεχνικές ασύρματης μετάδοσης Ultra Wide Band (UWB) είναι γνωστές εδώ και αρκετές δεκαετίες. Το ϐασικό χαρακτηριστικό των συγκεκριμένων συστη- μάτων είναι η εκπομπή και λήψη σήματος που εκτείνεται σε πολύ μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται διαρκώς αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον γύρω από την περιοχή των τηλεπικοινωνιακών συ- στημάτων που χρησιμοποιούν UWB τεχνικές μετάδοσης, κυρίως λόγω της μεγάλης εφαρμοσιμότητάς της. Στις τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, η χρήση της τεχνικής UWB μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση των ταχυτήτων ασύρματης μετάδοσης, λόγω της δυνατότητας εκπομπής μεγάλου αριθμού παλμών σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Σε εφαρμογές εντοπισμού, το UWB μπορεί να ωθήσει προς την αύξηση της διακριτικής τους ικανότητας. Επίσης, κατάλ- ληλα UWB σήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου υπάρχει ανάγκη για υψηλή διεισδυτικότητα μέσα από εμπόδια. Ο πιο απλός τρόπος μετάδοσης σήματος τέτοιου είδους είναι η εκπομ- πή εξαιρετικά σύντομων παλμών. Ο τρόπος με τον οποίο τα μεταδιδόμενα σύμβολα διαμορφώνουν αυτούς τους παλμούς ποικίλλει. Οι πρώτες UWB εφαρμογές χρησιμοποιούσαν σχεδόν αποκλειστικά την τεχνική Dιαμόρφωσης Θέσης Παλμού (Pulse Position Modulation PPM) γιατί η αντιστροφή πολύ σύντομων παλμών ήταν δύσκολο να υλοποιηθεί. Με αυτή την τεχνική, το κάθε μεταδιδόμενο σύμβολο καθορίζει τη ϑέση του παλμού στο πεδίο του χρόνου. Αργότερα, άρχισαν να χρησιμοποιούνται και τεχνικές Dιαμόρφωσης Πλάτους Παλμού (Pulse Amplitude Modulation PAM). Wστόσο, ένα μεγάλο πλεονέκτημα της μεθόδου PPM είναι οι μειωμένες απαιτήσεις της σε ισχύ, γιατί μεταδίδονται πολύ σύντομοι παλμοί ακολουθούμενοι από σχετικά με- γάλες περιόδους «σιωπής». Η ιδιότητα αυτή, καθιστά τη μέθοδο διαμόρφωσης PPM ιδιαίτερα ελκυστική σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Σε αυτή την εργασία μελετούμε τη δομή ενός συστήματος μετάδοσης δε- δομένων Ultra Wide Band το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο διαμόρφωσης PPM. Η συμπεριφορά ενός τέτοιου συστήματος κατά τη μετάδοση μέσα από διάφορα κανάλια παρουσία ϑορύβου εξετάζεται μέσω εξομοίωσης. Είναι γνω- στό ότι τα συστήματα αυτά πλήττονται τόσο από το ϑόρυβο που εισάγεται λό- γω της μετάδοσης, διασυμβολική παρεμβολή, αλλά και παρεμβολή ανάμεσα στους πολλαπλούς χρήστες. Επίσης, οι περιορισμοί που ορίστηκαν στις ΗΠΑ για την μεταδιδόμενη ισχύ ανά συχνότητα των εμπορικών UWB εφαρμογών, οι οποίοι αναμένεται να υιοθετηθούν και στον υπόλοιπο κόσμο, αποτελούν ένα επιπλέον ϑέμα που επηρεάζει την επίτευξη υψηλών ϱυθμών μετάδοσης δεδομένων. Μια λύση είναι η χρήση τεχνικών ισοστάθμισης ή, ισοδύναμα, μεθόδων εκτίμησης του καναλιού που λειτουργούν στο δέκτη. Αν και οι κλασικές τεχνικές ισοστάθμισης ή εκτίμησης καναλιού μπορούν να εφαρμο- στούν με μικρές τροποποιήσεις και σε UWB σήματα διαμορφωμένα με PPM, ένα ϐασικό εμπόδιο είναι τόσο το μεγάλο πλήθος παραμέτρων που πρέπει να εκτιμηθούν (ένα τυπικό κανάλι σε εσωτερικό χώρο μπορεί να έχει ακόμη και πάνω από 150 συντελεστές), όσο και ο πολύ μεγάλος ϱυθμός δειγματοληψίας που απαιτείται. Επίσης, ϕαίνεται ότι μπορούν να αξιοποιηθούν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που εμφανίζει η εφαρμογή της διαμόρφωσης PPM σε UWB συστήματα, όπως είναι το ϕαινόμενο πολλαπλών μονοπατιών (multipath) σε συνδυασμό με την υψηλή διακριτικότητα (resolution) του σήματος UWB, ή ακόμη και η δυνατότητα μετάδοσης του ίδιου συμβόλου περισσότερες από μί- α ϕορές. Στα πλαίσια της εργασίας ϑα μελετηθούν και ϑα ενσωματωθούν στο σύστημα υπάρχουσες μέθοδοι εκτίμησης ή ισοστάθμισης καναλιού, οι οποί- ες αποτελούν προϊόν πρόσφατων προσπαθειών προς αυτή την κατεύθυνση. Θα μελετηθεί ο τρόπος με τον οποίο επιδρούν στην απόδοση του συστήμα- τος. Τέλος, ϑα εξεταστεί η δυνατότητα επέκτασης των μεθόδων εκτίμησης καναλιού με σκοπό τη ϐελτίωση της υπολογιστικής τους πολυπλοκότητας, μετατρέποντάς τους σε επαναληπτικούς/προσαρμοστικούς αλγορίθμους. / -