La capacité à prévoir les activités humaines a des implications essentielles dans de nombreux aspects des réseaux cellulaires. En particulier, la haute disponibilité de la prédiction de la mobilité peut permettre différents scénarios d'application; une meilleure compréhension de la demande de trafic de données mobiles peut aider à améliorer la conception de solutions pour l'équilibrage de la charge du réseau. Bien que de nombreux chercheurs aient étudié le sujet de la prédiction de la mobilité humaine, il y a eu peu de discussions sur l'anticipation du trafic de données mobiles dans les réseaux cellulaires.Pour comprendre la mobilité humaine, les ensembles de données de téléphones mobiles, consistant en des enregistrements de données de taxation (CDR), constituent un choix pratique d'empreintes humaines. Comme le déploiement du réseau cellulaire est très irrégulier et que les fréquences d'interaction sont généralement faibles, les données CDR sont souvent caractérisées par une parcimonie spatio-temporelle qui, à son tour, peut biaiser les analyses de mobilité basées sur de telles données et provoquer la perte de trajectoires individuelles.Dans cette thèse, nous présentons de nouvelles solutions de reconstruction de trajectoires individuelles et de prédiction de trafic de données mobiles individuelles. Nos contributions abordent les problèmes de (1) surmonter l'incomplétude des informations de mobilité pour l'utilisation des ensembles de données de téléphonie mobile et (2) prédire la future demande de trafic de données mobiles pour le support des applications de gestion de réseau.Premièrement, nous nous concentrons sur la faille de l'information sur la mobilité dans les ensembles de données de téléphones mobiles. Nous rapportons une analyse en profondeur de son effet sur la mesure des caractéristiques de mobilité individuelles et l'exhaustivité des trajectoires individuelles. En particulier, (1) nous fournissons une confirmation des résultats antérieurs concernant les biais dans les mesures de mobilité causées par la rareté temporelle de la CDR; (2) nous évaluons le décalage géographique provoqué par la cartographie des emplacements des utilisateurs vers les tours cellulaires et révélons le biais causé par la rareté spatiale de la CDR; (3) nous fournissons une estimation empirique de l'exhaustivité des données des trajectoires CDR individuelles. (4) nous proposons de nouvelles solutions de complétion CDR pour reconstruire incomplète. Nos solutions tirent parti de la nature des modèles de mouvements humains répétitifs et des techniques d'inférence de données de pointe et surpassent les approches précédentes illustrées par des simulations axées sur les données.Deuxièmement, nous abordons la prédiction des demandes de trafic de données mobiles générées par les abonnés individuels du réseau mobile. Sur la base de trajectoires complétées par nos solutions développées et nos historiques de consommation de données extraites d'un ensemble de données de téléphonie mobile à grande échelle, (1) nous étudions les limites de prévisibilité en mesurant la prévisibilité maximale que tout algorithme peut atteindre. les approches de prédiction du trafic de données mobiles qui utilisent les résultats de l'analyse théorique de la prévisibilité. Notre analyse théorique montre qu'il est théoriquement possible d'anticiper la demande individuelle avec une précision typique de 75% malgré l'hétérogénéité des utilisateurs et avec une précision améliorée de 80% en utilisant la prédiction conjointe avec des informations de mobilité. Notre pratique basée sur des techniques d'apprentissage automatique peut atteindre une précision typique de 65% et avoir un degré d'amélioration de 1% à 5% en considérant les déplacements individuels.En résumé, les contributions mentionnées ci-dessus vont dans le sens de l'utilisation des ensembles de données de téléphonie mobile et de la gestion des opérateurs de réseau et de leurs abonnés. / The understanding of human behaviors is a central question in multi-disciplinary research and has contributed to a wide range of applications. The ability to foresee human activities has essential implications in many aspects of cellular networks. In particular, the high availability of mobility prediction can enable various application scenarios such as location-based recommendation, home automation, and location-related data dissemination; the better understanding of mobile data traffic demand can help to improve the design of solutions for network load balancing, aiming at improving the quality of Internet-based mobile services. Although a large and growing body of literature has investigated the topic of predicting human mobility, there has been little discussion in anticipating mobile data traffic in cellular networks, especially in spatiotemporal view of individuals.For understanding human mobility, mobile phone datasets, consisting of Charging Data Records (CDRs), are a practical choice of human footprints because of the large-scale user populations and the vast diversity of individual movement patterns. The accuracy of mobility information granted by CDR depends on the network infrastructure and the frequency of user communication events. As cellular network deployment is highly irregular and interaction frequencies are typically low, CDR data is often characterized by spatial and temporal sparsity, which, in turn, can bias mobility analyses based on such data and cause the loss of whereabouts in individual trajectories.In this thesis, we present novel solutions of the reconstruction of individual trajectories and the prediction of individual mobile data traffic. Our contributions address the problems of (1) overcoming the incompleteness of mobility information for the use of mobile phone datasets and (2) predicting future mobile data traffic demand for the support of network management applications.First, we focus on the flaw of mobility information in mobile phone datasets. We report on an in-depth analysis of its effect on the measurement of individual mobility features and the completeness of individual trajectories. In particular, (1) we provide a confirmation of previous findings regarding the biases in mobility measurements caused by the temporal sparsity of CDR; (2) we evaluate the geographical shift caused by the mapping of user locations to cell towers and reveal the bias caused by the spatial sparsity of CDR; (3) we provide an empirical estimation of the data completeness of individual CDR-based trajectories. (4) we propose novel solutions of CDR completion to reconstruct incomplete. Our solutions leverage the nature of repetitive human movement patterns and the state-of-the-art data inference techniques and outperform previous approaches shown by data-driven simulations.Second, we address the prediction of mobile data traffic demands generated by individual mobile network subscribers. Building on trajectories completed by our developed solutions and data consumption histories extracted from a large-scale mobile phone dataset, (1) we investigate the limits of predictability by measuring the maximum predictability that any algorithm has potential to achieve and (2) we propose practical mobile data traffic prediction approaches that utilize the findings of the theoretical predictability analysis. Our theoretical analysis shows that it is theoretically possible to anticipate the individual demand with a typical accuracy of 75% despite the heterogeneity of users and with an improved accuracy of 80% using joint prediction with mobility information. Our practical based on machine learning techniques can achieve a typical accuracy of 65% and have a 1%~5% degree of improvement by considering individual whereabouts.In summary, the contributions mentioned above provide a step further towards supporting the use of mobile phone datasets and the management of network operators and their subscribers.

Low-power wireless networks consist of spatially distributed, resource-constrained devices – also referred to as nodes – that are typically equipped with integrated or external sensors and actuators. Nodes communicate with each other using wireless transceivers, and thus, relay data – e. g., collected sensor values or commands for actuators – cooperatively through the network. This way, low-power wireless networks can support a plethora of different applications, including, e. g., monitoring the air quality in urban areas or controlling the heating, ventilation and cooling of large buildings. The use of wireless communication in such monitoring and actuating applications allows for a higher flexibility and ease of deployment – and thus, overall lower costs – compared to wired solutions. However, wireless communication is notoriously error-prone. Message losses happen often and unpredictably, making it challenging to support applications requiring both high reliability and low latency. Highly reliable, low-latency communication – along with high energy-efficiency – are, however, key requirements to support several important application scenarios and most notably the open-/closed-loop control functions found in e. g., industry and factory automation applications. Communication protocols that rely on synchronous transmissions have been shown to be able to overcome this limitation. These protocols depart from traditional single-link transmissions and do not attempt to avoid concurrent transmissions from different nodes to prevent collisions. On the contrary, they make nodes send the same message at the same time over several paths. Phenomena like constructive interference and capture then ensure that messages are received correctly with high probability. While many approaches relying on synchronous transmissions have been presented in the literature, two important aspects received only little consideration: (i) reliable operation in harsh environments and (ii) support for event-based data traffic. This thesis addresses these two open challenges and proposes novel communication protocols to overcome them.

Η ασύρματη επικοινωνία αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, που η μορφολογία του εδάφους της δεν επιτρέπει πολλές φορές τη χρήση εναλλακτικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξής του καθώς το πέρασμα από τη δεύτερη στην τρίτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας πληθώρα υπηρεσιών στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Στην πραγματικότητα είμαστε περισσότερο κοντά παρά ποτέ στο όραμα της ενοποίησης των δικτύων παγκοσμίως καθώς επίσης και στο όραμα του “Mobile Broadband”. Είναι εύλογο λοιπόν, οι χρήστες των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς να έχουν πλέον την απαίτηση να εκτελούν εφαρμογές και να προσπελαύνουν υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας ακούμε για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις παραπάνω εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Πρόκειται για μια προσπάθεια να αναλυθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών αλλά επίσης και να προταθούν νέοι μηχανισμοί για την όσο το δυνατόν βέλτιστη (από άποψη απόδοσης και ικανοποίησης του τελικού χρήστη) μετάδοση των δεδομένων. Γενικότερα οι μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο (point-to-point data transmission - Unicast). • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά σημεία (point-to-multipoint data transmission). Όσον αφορά την πρώτη κατηγορία μηχανισμών στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και προτείνονται μηχανισμοί οι οποίοι προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες φόρτου που επικρατούν στο δίκτυο. Οι μηχανισμοί αυτοί που ονομάζονται μηχανισμοί προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων είναι κυρίως μηχανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για μετάδοση εφαρμογών πραγματικού χρόνου όπως είναι για παράδειγμα η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο ή μια βιντεοκλήση μεταξύ δύο συνδρομητών ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Οι μηχανισμοί προσαρμογής της μετάδοσης πολυμέσων είναι μηχανισμοί μετάδοσης πολυμεσικών (adaptive streaming multimedia) δεδομένων πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν τη μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση μηχανισμών προσαρμογής της μετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη μηχανισμών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρμογή των πολυμεσικών δεδομένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των μηχανισμών είναι η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες μεταβάλλονται. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). To MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Έτσι λοιπόν, όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία μηχανισμών, η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting λόγω του γεγονότος ότι εκμεταλλεύεται την κατανομή των χρηστών μέσα στο δίκτυο προς όφελος της οικονομίας στην αποστολή πακέτων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται ένας multicast μηχανισμός ο οποίος προσφέρει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων από έναν κεντρικό εξυπηρετητή προς μια ομάδα κινητών χρηστών ενός δικτύου UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκτός από τη λειτουργικότητα της multicast δρομολόγησης των πακέτων στους κόμβους του δικτύου, υποστηρίζεται επίσης από ένα σχήμα διαχείρισης της ομάδας των multicast χρηστών. Επιπλέον, στο μηχανισμό έχει ενσωματωθεί επιπλέον λειτουργικότητα η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη μετάδοση των δεδομένων στην ομάδα των multicast χρηστών ακόμα και όταν αυτοί βρίσκονται σε διαρκή κίνηση (Handover functionality). Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται μια προσπάθεια να αξιολογηθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο UMTS για μετάδοση δεδομένων από έναν αποστολέα προς μια ομάδα παραληπτών. Συγκεκριμένα, οι τρεις μηχανισμοί που αναλύονται είναι ο Broadcast μηχανισμός, o Multiple Unicast μηχανισμός και ο Multicast μηχανισμός. Η αξιολόγηση των μηχανισμών γίνεται με χρήση ενός αναλυτικού μοντέλου το οποίο μετρά το τηλεπικοινωνιακό κόστος μετάδοσης των δεδομένων από τον έναν κόμβο του δικτύου στον άλλον. Το συγκεκριμένο μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι μηχανισμοί αξιολογούνται για διάφορες τοπολογίες του δικτύου και διαφορετικές κατανομές των χρηστών στο δίκτυο. Τέλος, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η αξιολόγηση των καναλιών μεταφοράς του UMTS και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση των δεδομένων. Ειδικότερα, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Τα κανάλια τα οποία αξιολογούνται είναι τα: Forward Access Channel, High Speed – Downlink Shared Channel και Dedicated Channel. Τα παραπάνω κανάλια μεταφοράς αξιολογούνται με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν και τέλος την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη. / As communications technology is being developed, users’ demand for multimedia services raises. Meanwhile, the Internet has enjoyed tremendous growth in recent years. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide high-speed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. The recent years, the usage of third generation cellular networks has begun to rise all over the world. These new infrastructures substitute the existed second generation cellular networks and offer broadband services to mobile users. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. The main target of this dissertation is the study and the analysis of the mechanisms that are operated behind the above mentioned services and applications. More specifically, we analyze already existed mechanisms used for the transmission of real time services over 3G networks and furthermore we propose new mechanisms for the effective data transmission in 3G networks in terms of network performance and satisfaction of the mobile user. Generally, we consider two categories of mechanisms for the data transmission: • Mechanisms for point to point data transmission. • Mechanisms for point to multipoint data transmission. Regarding the first category of the mechanisms, in this dissertation, we analyze and propose mechanisms for real time data transmission in 3G networks. We focus firstly on schemes that reliable transmit the real time data to mobile users and secondly on mechanisms for adaptive multimedia transmission in UMTS. Bandwidth is a valuable and limited resource for UMTS and every wireless network, in general. Therefore, it is of extreme importance to exploit this resource in the most efficient way. It is essential for a wireless network to have an efficient bandwidth allocation scheme in order the mobile user to experience both real time applications and Internet applications such as HTTP or SMTP. Consequently, when a user experiences a real time application, there should be enough bandwidth available at any time for any other application that the mobile user might realize. In addition, when two different applications run together, the network should guarantee that there is no possibility for any of the above-mentioned applications to prevail against the other by taking all the available channel bandwidth. Taking into consideration the fact that Internet applications adopt mainly TCP as the transport protocol, while real time applications mainly use RTP, the network should guarantee that RTP does not prevail against the TCP traffic. Consequently, this means that there should be enough bandwidth available in the wireless channel for the Internet applications to run properly. To this direction, rate control of real time applications is an important issue in mobile networks. With the aid of rate control schemes the network could adapt the packet transmission rate of real time applications according to the current network conditions giving the opportunity to the mobile users to experience both real time and non real time applications at the same time in their mobile devices. Regarding the second category of the mechanisms, although UMTS networks offer high capacity, the expected demand will certainly overcome the available resources. Thus, the multicast transmission over the UMTS networks constitutes a challenge and an area of research. To this direction the third Generation Partnership Project (3GPP) is currently standardizing the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) framework of UMTS. In this dissertation, we present a new mechanism for the efficient multicast data routing in UMTS. The proposed mechanism is enhanced with multicast group management functionality as well as with functionality related to the user mobility (handover and relocation). Furthermore, it is known that multicasting is more efficient method of supporting group communication than unicasting or broadcasting, as it allows transmission and routing of packets to multiple destinations using fewer network resources. In this dissertation, the three above mentioned methods of supporting group communication in UMTS are analyzed in terms of their performance. The critical parameters of primary interest for the evaluation of any method are the packet delivery cost and the scalability of the method. Finally, this dissertation analyses the role of power control in the multicast transmission in UMTS. It is proposed a power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station.

There is a growing demand for climate reporting of digital solutions and Internet services. However, the impacts of data transmission have historically been the least studied part of the ICT sector and in the few studies that exist, the magnitude of Internet energy intensity varies by a scale as large as 20,000. This indicates that the assessment of network traffic is a complex task, and there is currently no consensus of how to correctly assess it.  In an attempt to guide process development within the area, this report sought to identify and address potential challenges with assessing the environmental impact of network traffic during its life cycle. This was completed through a combination of a literature review and semi-structured interviews with experts in the field. Several areas in the form of knowledge gaps, unsolved methodological issues, and areas in need of further development were identified and addressed.  Eight key challenges were identified and relate to the areas of system boundaries, data collection methods, energy intensity metrics, transparency and data availability, age of data, allocation procedures, assumptions on inventory level, and impact categories. In an attempt to address said challenges, several suggestions on how to proceed were presented, as well as areas in need of further investigation. It was furthermore found that the sector should strive to agree upon a number of parameters of significance to enable future harmonized studies of the environmental impact of network traffic during its life cycle. / Efterfrågan på klimatrapportering av digitala lösningar och Internettjänster ökar allt mer. Samtidigt är effekterna av datatrafik historiskt sett den minst studerade delen av IKT-sektorn, och i de få studier som finns varierar storleken på Internets energiintensitet med en skala på 20 000. Detta indikerar att bedömningen av nätverkstrafik är en komplex uppgift, och i nuläget saknas en konsensus kring hur det bäst kan mätas.  I ett försök att vägleda processutveckling inom området försökte rapporten identifiera och analysera potentiella utmaningar som kan uppstå när man bedömer miljöpåverkan av nätverkstrafik under dess livscykel. Med en kombination av en litteraturstudie och halvstrukturerade kvalitativa forskningsintervjuer med experter inom forskningsområdet identifierades och behandlades ett flertal områden i form av kunskapsluckor, olösta metodologiska frågor och områden i behov av vidareutveckling.  Resultatet visade att åtta utmaningar av hög relevans existerar inom områdena systemgränser, datainsamlingsmetoder, energiintensitetsmätvärden, transparens och datatillgänglighet, snabb teknikutveckling, allokering, antaganden och miljöpåverkningskategorier. I ett försök att ta itu med de nämnda utmaningarna presenterades ett flertal förslag till lösningar samt områden som behöver undersökas ytterligare i framtiden. Det konstaterades dessutom att sektorn behöver sträva efter att enas om ett antal parametrar av betydelse för att möjliggöra framtida harmoniserade studier av nätverkstrafikens miljöpåverkan under dess livscykel.