This thesis evaluates the performance of the 802.11 wireless network. The newly defined DCF+ protocol performance is studied and compared with the DCF protocol under different traffic conditions. A service differentiation mechanism is also applied to both protocols for basic access mechanism and the efficiency of the protocols is examined. As an additional work, the same study is performed for RTS/CTS access scheme and efficiency of the protocols is examined As a result of this study, it is shown that the DCF+ protocol provides performance enhancement to the DCF protocol under different traffic conditions but fails to provide service differentiation because of its structure.

Conventional Wi-Fi location estimation techniques using radio fingerprinting typically require a lengthy initial site survey. It is suggested that the lengthy site survey is a barrier to adoption of the radio fingerprinting technique. This research investigated two methods for reducing or eliminating the site survey and instead build the radio map on-the-fly. The first approach utilized a deterministic algorithm to predict the user's location near each access point and subsequently construct a radio map of the entire area. This deterministic algorithm performed only fairly and only under limited conditions, rendering it unsuitable for most typical real-world deployments. Subsequently, a probabilistic algorithm was developed, derived from a robotic mapping technique called simultaneous localization and mapping. The standard robotic algorithm was augmented with a modified particle filter, modified motion and sensor models, and techniques for hardware-agnostic radio measurements (utilizing radio gradients and ranked radio maps). This algorithm performed favorably when compared to a standard implementation of the radio fingerprinting technique, but without needing an initial site survey. The algorithm was also reasonably robust even when the number of available access points were decreased.

The 4th generation wireless communication systems aim to provide users with the convenience of seamless roaming among heterogeneous wireless access networks. To achieve this goal, the support of vertical handoff is important in mobility management. This thesis focuses on the vertical handoff decision algorithm, which determines the criteria under which vertical handoff should be performed. The problem is formulated as a constrained Markov decision process. The objective is to maximize the expected total reward of a connection subject to the expected total access cost constraint. In our model, a benefit function is used to assess the quality of the connection, and a penalty function is used to model the signaling incurred and call dropping. The user's velocity and location information are also considered when making the handoff decisions. The policy iteration and Q-learning algorithms are employed to determine the optimal policy. Structural results on the optimal vertical handoff policy are derived by using the concept of supermodularity. We show that the optimal policy is a threshold policy in bandwidth, delay, and velocity. Numerical results show that our proposed vertical handoff decision algorithm outperforms other decision schemes in a wide range of conditions such as variations on connection duration, user's velocity, user's budget, traffic type, signaling cost, and monetary access cost.

Στις ημέρες μας, εμφανίζεται ολοένα και σε περισσότερα πλαίσια η ανάγκη για την ανάπτυξη αξιόπιστων ασύρματων αυτοοργανούμενων δικτύων (Mobile Ad hoc Networks). Τα δίκτυα αυτά δεν απαιτούν την ύπαρξη μίας σταθερής υποδομής ή διαδικασίας προετοιμασίας και εγκατάστασης, ενώ παράλληλα επιτρέπουν τη δημιουργία δυναμικών και συχνά μεταβαλλόμενων τοπολογιών με υπολογιστικούς κόμβους που κινούνται με τυχαίο τρόπο και συχνά χαρακτηρίζονται από αυστηρούς ενεργειακούς περιορισμούς. Το πρόβλημα της αποτελεσματικής σχεδίασης και ανάπτυξης αυτοοργανούμενων δικτύων αποτελεί μία πρόκληση που έχει προσελκύσει αρκετές ερευνητικές προσπάθειες. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στη μελέτη αλγορίθμων δρομολόγησης δεδομένων μεταξύ των κόμβων ενός αυτοοργανούμενου ασύρματου δικτύου. Αρχικά, παρατίθεται μία κριτική επισκόπηση των αλγορίθμων δρομολόγησης που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, λαμβάνει χώρα η υλοποίηση του πρωτοκόλλου ZRP (Zone Routing Protocol), το οποίο όπως προκύπτει από την προαναφερθείσα κριτική επισκόπηση παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα για αυτήν την κατηγορία δικτύων. Ακολουθεί η παρουσίαση τριών σειρών προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν για την ποσοτική αξιολόγηση του ZRP πρωτοκόλλου σε διάφορα σενάρια φορτίου και κινητικότητας των υπολογιστικών κόμβων. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε και μία εκτεταμένη ποσοτική σύγκριση του DSR πρωτοκόλλου με το ZRP. Τέλος, στο πλαίσιο της εργασίας προτείνεται μία βελτιωμένη παραλλαγή του πρωτοκόλλου ZRP, το επονομαζόμενο AZRP (Adaptive Zone Routing Protocol). Το AZRP πρωτόκολλο προσπαθεί να βελτιώσει και να επεκτείνει τους μηχανισμούς του ZRP εισάγοντας μία τεχνική αυτόματης προσαρμογής του μεγέθους της ζώνης δρομολόγησης κάθε κόμβου. Με αυτόν τον τρόπο το AZRP μπορεί να προσαρμόζεται πιο αποτελεσματικά σε οποιαδήποτε κατάσταση του δικτύου ανά πάσα χρονική στιγμή. Η ιδέα αυτή οδήγησε και σε μία σχετική επιστημονική δημοσίευση στο πλαίσιο της διπλωματικής αυτής. / Nowadays, there is a growing need to deploy reliable mobile ad hoc networks (MANETs). These networks enable the development of dynamic and frequently changing topologies of computational nodes that move randomly, and typically have energy consumption limitations, without relying on a centralized, pre-configured infrastructure. The abundance of challenges in the design and deployment of such networks has attracted the interest of many research efforts. The focus of this thesis is on the study of routing algorithms for MANETs. Initially, the thesis presents a critical survey of such routing algorithms mentioned in the bibliography. Next, an implementation of the ZRP protocol (Zone Routing Algorithm) is presented, which according to the aforementioned survey was found to have significant advantages for MANETs. Subsequently, three sets of simulations that evaluated the performance of the ZRP protocol in different scenarios of node mobility and network traffic are presented. In addition, an extended quantitative comparison of the DSR and ZRP protocol performance is also presented. Finally, in the context of this thesis a new, improved version of the ZRP protocol is proposed, named AZRP (Adaptive Zone Routing Protocol). The AZRP protocol tries to improve the performance of ZRP by introducing a mechanism that automatically adjusts the size of the routing zone of each node based on the overall network traffic and node mobility. The latter idea led to a related publication in the context of this thesis.

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.

Στα αυτοοργανούμενα ασύρματα δίκτυα, αυτόνομοι κόμβοι με κάρτες ασύρματης μετάδοσης σχηματίζουν ένα δίκτυο χωρίς προϋπάρχουσα δομή. Η δρομολόγηση σε ένα συμβατικό δίκτυο γίνεται από ειδικούς δρομολογητές, είτε υλοποιημένους σε υλικό ειδικά για αυτό το σκοπό, ή υπολογιστές εξοπλισμένους με πολλαπλές διεπαφές δικτύου και ανάλογο λογισμικό. Αντίθετα, σε ένα ad-hoc δίκτυο, η δρομολόγηση διεκπεραιώνετε από τους ίδιους τους κόμβους. Κάθε κόμβος έχει τη δυνατότητα να προωθεί δικτυακό φορτίου στους υπόλοιπους. Αντίθετα με τους σταθερούς δρομολογητές, ένας κόμβος ασύρματου δικτύου έχει μόνο μια δικτυακή διεπαφή, καθώς όλη η επικοινωνία γίνεται μέσω ενός και μόνο ασύρματου καναλιού. Οι κόμβοι σε ένα ad-hoc δίκτυο προσφέρονται να προωθήσουν την δικτυακή κίνηση εκ μέρους άλλων κόμβων. Αν αρνηθούν να το κάνουν αυτό, η συνδεσιμότητα μεταξύ των κόμβων επηρεάζεται αρνητικά. Η λειτουργικότητα και χρησιμότητα του ad-hoc δικτύου εξαρτάται σημαντικά από την ικανότητα προώθησης πακέτων των κόμβων του. Συνεπώς, καταλαβαίνουμε ότι ο αλγόριθμος δρομολόγησης του ad-hoc δικτύου διαδρατίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοσή του. Βασικός σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι να μελετήσει την απόδοση μερικών βασικών αλγορίθμων δρομολόγησης ως προς κάποιες μετρήσιμες παραμέτρους (throughput, end to end delay, delivery ratio). Έγιναν εξομοιώσεις για δύο διαφορετικά πρωτόκολλα φυσικού επιπέδου (802.11 και 802.15.4). Επίσης, αναλύονται θεωρητικά σε βάθος διάφορα ζητήματα σχετικά με τη διευθυνσιοδότηση, τη δρομολόγηση, τα σχετικά MAC πρωτόκολλα, τη δικτυακή ασφάλεια, τη κατανάλωσης ενέργειας, τις απαιτήσεις στο hardware των διάφορων αλγορίθμων δρομολόγησης που έχουν αναπτυχθεί από την ακαδημαϊκή κοινότητα και τη βιομηχανία. / In ad hoc wireless networks, autonomous nodes with wireless transmission cards form a network without pre-existing structure. The route in a conventional network is carried out by routers made for this reason, whether implemented on hardware specifically for this purpose, or computers equipped with multiple network interfaces and appropriate software. Conversely, in an ad-hoc network, routing is handled the nodes themselves. Each node has the ability to forward network load to others. Unlike fixed routers, a wireless network node has only one network interface and all communication is via a single wireless channel. The nodes in an ad-hoc network offer to promote the network traffic from other nodes. If they refuse to do so, the connectivity between nodes is affected negatively. The functionality and usefulness of ad-hoc network depends heavily on the ability to forward packages of nodes. Therefore, the routing algorithm in ad-hoc network plays an important role in the network's performance. The main purpose of this thesis is to study the performance of certain basic routing algorithms in terms of some measurable parameters (throughput, end to end delay, delivery ratio). We carried out simulations for two different physical layer protocols (802.11 and 802.15.4). Also, we analyzed theoretically various issues related to addressing, routing, related MAC protocols, network security, energy consumption requirements in the hardware of the various routing algorithms developed by academia and industry.

Τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα, διαρκώς εξελισσόμενα, δύναται να παρέχουν πλήθος σύγχρονων υπηρεσιών, ακόμα κι εκείνων που είναι ιδιαίτερα απαιτητικά σε πόρους. Αρχικά, στην εργασία αυτή, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά, η δομή και η λειτουργία δύο ευρέως διαδεδομένων δικτύων:WLAN και UMTS, ενώ μελετάται η απόδοση τους σε διάφορες υπηρεσίες υπό αυξανόμενο αριθμό χρηστών. Κατόπιν, γίνεται μελέτη και προσομοίωση αυτών για διάφορα σενάρια και προκύπτουν αποτελέσματα για τη βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων που παρέχει το κάθε δίκτυο στο χρήστη. Ακολούθως, υλοποιείται η διασύνδεση των δύο δικτύων προς σχηματισμό ενός διασυνεργαζόμενου δικτύου, με σκοπό την εκμετάλλευση των πλεονεκτημάτων που παρέχει κάθε δίκτυο ξεχωριστά. / Modern wireless networks, constantly evolving, can provide a range of modern services, even those that are highly demanding in resources. Initially, in this paper,we present the characteristics, structure and operation of two widespread networks: WLAN and UMTS, and study their performance in various departments under increasing number of users. Then, there is a simulation of these scenarios and resulting effects on the optimal use of resources provided by each network user. Subsequently we implement the interconnection of two networks to form one inter-network, in order to exploit the advantages offered by each network separately.

Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή στην βασική θεωρία ασύρματης τεχνολογίας. Παρουσιάζονται βασικά χαρακτηριστικά όπως το φάσμα, η διάδοση, οι παρεμβολές και η διάθλαση, οι συχνότητες και τα κανάλια. Ακολουθεί η θεωρία κεραιών, η τοπολογία δικτύων και η εφαρμογή όλων των παραπάνω στα ασύρματα μητροπολητικά δίκτυα. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πρωτόκολλα ασύρματων δικτύων και η εφαρμογή τους, στις ζώνες 2,4GHz και 5GHz και η σύγκριση των δύο παραπάνω ζωνών. Ακολουθεί η διευθυνσιοδότηση του δικτύου με το πρωτόκολλο IP και ο διαμοιρασμός του υποδικτύου 10.0.0.0/8 σε Β-class διευθύνσεις για κάθε νομό. Τέλος παρουσιάζονται τα πρωτόκολλα δρομολόγησης δικτύων και τα πλεονεκτήματα της χρήσης στατικής ή δυναμικής δρομολόγησης στα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται διερεύνηση στα μοντέλα ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης ανοικτών χώρων. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τα μοντέλα Free space loss, Hata, Walfisch-Bertoni και Walfisch – Ikegami, και οι παράμετροι και ο τρόπος εφαρμογής τους για τον υπολογισμό των απωλειών στον χώρο διάδοσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο επιδιώκεται η εφαρμογή μοντέλων του κεφαλαίου 3 στα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα με σκοπό την μοντελοποίηση τους. Γίνονται μετρήσεις σε ασύρματους σταθμούς βάσης σε αστική και ημιαστική περιοχή για τις ζώνες 2.4GHz και 5GHz. Ακολουθεί ο υπολογισμός του μέσου σφάλματος των μοντέλων του κεφαλαίου 3 για τα σημεία μετρήσεων και ο έλεγχος της αξιοπιστίας τους ώστε να είναι εφικτή η εφαρμογή των μοντέλων στις ζώνες 2.4GHz και 5GHz οι οποίες δεν ανήκουν στο εύρος συχνοτήτων που υποστηρίζουν τα μοντέλα. Σκοπός της παραπάνω διαδικασίας είναι η δυνατότητα εύρεσης της βέλτιστης θέσης σταθμών βάσης πριν την εγκατάστασή τους και η βελτιστοποίηση της θέσης υπαρχόντων σταθμών βάσης. / The first chapter is an introduction to the basic theory of wireless technology. Presents key characteristics such as range, propagation, interference and diffraction, frequencies and channels. Next, we represent the theory of antennas, network topology and application of the above in wireless metropolitan networks. In the second chapter there are presented the protocols of wireless networks and their application in zones 2,4 GHz and 5GHz and the comparison of these two zones. Below addressing network with the IP protocol and sharing the subnet 10.0.0.0 / 8 to B-class addresses for each county. Finally we represent the routing protocols and the advantages of using static or dynamic routing in wireless metropolitan area networks. The third chapter is exploring electromagnetic models covering open spaces. More specifically, we present the models Free space loss, Hata, Walfisch-Bertoni and Walfisch - Ikegami, and their parameters and how they are applied to calculate the loss in space propagation. In the fourth we try to apply the models of Chapter 3 in wireless metropolitan area networks in order to model them. We Perform measurements in wireless base stations in urban and suburban areas for the bands 2.4GHz and 5GHz. Followed by the calculation of the average error of the models of Chapter 3 points for measurement and control reliability so as to enable the application of models to 2.4GHz and 5GHz bands which do not belong to the range of frequencies that support the models. The purpose of this procedure is the finding of the optimal location of base stations before their installation and optimize the position of existing base stations.

The objective of this thesis was to create a network emulator, suitable for evaluatingsolutions in a small-cell wireless mesh SDN backhaul network environment, by integratingexisting software. The most important efforts in this process have been a transparentintegration of Mininet and ns-3 at both the data and the control plane, with ns-3 servingas the front-end. The goal has been to design the system such that solutions revolvingaround fast failover, resilient routing, and energy efficient small cell management may beevaluated. The constituent components include an augmented ns-3 WiFi module withmillimeter wave communication capabilities; a socket API suitable for remote-controllermanagement, as well as the network emulator Mininet. Mininet in turn integrates OpenvSwitch, virtual hosts in the form of Linux network namespaces, and OpenFlow controllers.The work has also included a brief evaluation of the system, which revealed that the designhas a fundamental flaw. / SOCRA

Nos últimos anos tem sido observado um aumento na utilização de redes sem fio em ambientes industriais, em função de diversas vantagens relacionadas à redução de custos de cabeamento, mobilidade e facilidade de inserção, instalação e configuração de novos dispositivos. Entretanto, a aplicação de redes sem fio em sistemas de automação apresenta requisitos mais rígidos no que diz respeito à confiabilidade, segurança e garantias de entrega de mensagens. O protocolo WirelessHART é um padrão aberto de comunicação sem fio que busca atender a estes requisitos. Neste protocolo, um dispositivo conhecido como gerenciador de rede é responsável pela configuração, definição das rotas e alocação de recursos para a comunicação entre os dispositivos da rede. A definição de rotas consiste em um processo complexo, em função das características das redes sem fio, dos recursos restritos dos dispositivos e dos requisitos da aplicação. O ambiente desenvolvido nesta dissertação tem como objetivo permitir a avaliação das rotas determinadas por diferentes algoritmos de roteamento, auxiliando no desenvolvimento, comparação, ajuste de parâmetros e na identificação de problemas. O ambiente também tem como objetivo permitir a monitoração de redes WirelessHART operacionais, através da captura do tráfego na camada física, obtendo informações sobre as condições reais de operação, onde anomalias e problemas na topologia e nas rotas utilizadas na rede podem ser identificados. A ferramenta proposta foi validada com alguns estudos de estudos de caso, que também são apresentados neste trabalho. Os estudos envolveram a análise e ajuste de parâmetros de um algoritmo de definição de rotas estado da arte modificado, e a obtenção de topologias e rotas utilizadas em uma rede WirelessHART operacional. / In the last years the use of wireless networks in industrial environments has been observed, due to several advantages related to the reduction of cabling costs, mobility and ease of integration, installation and configuration of new devices. However, the implementation of wireless networks in automation systems introduces stringent requirements regarding reliability, security and message delivery guarantees. The WirelessHART protocol is an open standard for wireless communication that aims to meet these requirements. In this protocol, a device known as network manager is responsible for the configuration, routes definition, and resource allocation for communication between network devices. The route definition consists of a complex process, due to the wireless networks characteristics, limited resources of devices and application requirements. The environment developed in this work has as objective to enable the evaluation of the routes determined by different routing algorithms, helping in the development, comparison, tuning of parameters and in the identification of possible design problems. The environment also has as objective to allow the monitoring of operational WirelessHART networks, by capturing packets at the physical layer, obtaining information of operating conditions, where anomalies and problems in network topology and routes can be identified. The developed tool has been experimentally validated via some case studies, which are also described in this work. The study cases involved the analysis and tuning of parameters of a state-of-art modified route definition algorithm, and the capture of the current topology and routes of an operational WirelessHART network.