<p>Beam-powered aircraft are a promising solution to reducing the air transportation system's operating costs and emissions due to their reliance on typically more efficient ground-based electricity sources.</p> <p>However, modeling these aircraft is a non-trivial task due to their multi-disciplinary nature and the required interconnectedness between the aircraft, air transportation network, and power-beaming models.</p> <p><br></p> <p>This thesis establishes a methodology for holistically modeling beam-powered aircraft as a freight transportation asset in the context of their operating environment.</p> <p>This methodology accounts for elements of aircraft conceptual design, the limits of power-beaming technology, and non-idealities associated with the air transportation network.</p> <p>As a product of this methodology, this thesis also approximates beam-powered aircraft's economic and environmental feasibility based on current and future technological capabilities.</p> <p><br></p> <p>This work concludes that with an optimistic enough "engine absent" mass fraction and with sufficiently advanced technologies -- particularly with higher power density rectennas -- beam-powered aircraft are both economically and environmentally feasible, having a lower operating cost and emitting less carbon dioxide per ton-mile compared to current-day and near-future freight transportation aircraft.</p> <p><br></p> <p>More specifically, this work concludes that when using a simplified and more optimistic engine absent mass fraction model, power train specific power only needs to improve by a factor of 1.2-3.7 and rectenna power density only needs to improve by a factor of 20-30 compared to the baseline technologies considered in this work in order for beam-powered aircraft to be a feasible alternative to jet fuel powered aircraft in a freight transportation role.</p> <p>However, with a more pessimistic albeit more realistic engine absent mass fraction model, this work concludes that beam-powered aircraft are not feasible in a freight transportation role with the technology levels considered in this work.</p>

Τα Ασύρματα Συνδεδεμένα Συστήματα αποτελούν ένα διαρκώς διευρυνόμενο τομέα στη σύγχρονη επιστημονική και τεχνολογική εξέλιξη. Το Κεφάλαιο 1 αρχικά εισάγει τον αναγνώστη σε αυτήν την κατηγορία συστημάτων. Στη συνέχειά του, παρουσιάζονται η δομή, οι εφαρμογές και τα προβλήματα που σχετίζονται με τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, που συγκαταλέγονται στα πλέον χαρακτηριστικά παραδείγματα ασύρματα συνδεδεμένων συστημάτων. Σε αντιστοιχία με τα προαναφερθέντα, αυτή η διδακτορική διατριβή προσεγγίζει κάποια από τα θέματα ερευνητικού ενδιαφέροντος στα Α.Δ.Α. στοχεύοντας στην επίλυση των αντίστοιχων επιστημονικών προβλημάτων. Το ερευνητικό έργο που εκπονήθηκε, αποτυπώνεται στα επόμενα κεφάλαια της διατριβής ως ακολούθως Στο Κεφάλαιο 2 προσεγγίζεται το σημαντικότερο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν τα Α.Δ.Α. κάθε τύπου, δηλαδή αυτό της ενεργειακής ανεπάρκειας. Για το λόγο αυτό επιχειρείται η επίτευξη της εξοικονόμησης ενέργειας σε Α.Δ.Α. μέσω ενός καινοτόμου σχήματος ελέγχου που προτείνεται. Το σχήμα αυτό στοχεύει στην επίτευξη ενεργειακά ευφυούς δρομολόγησης δεδομένων. Η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου σχήματος εξετάζεται μέσω ενός εκτενούς συνόλου προσομοιώσεων που συγκρίνουν την απόδοσή του έναντι αυτής ενός από τα πλέον προηγμένα ιεραρχικά πρωτόκολλα για Α.Δ.Α. Το Κεφάλαιο 3 εστιάζει στη μετάδοση δεδομένων video σε Α.Δ.Α., μελετά τους περιορισμούς στου οποίους υπόκειται αυτή και περιγράφει την ανάπτυξη ενός καινοτόμου σχήματος ελέγχου το οποίο επιδιώκει από κοινού την ενεργειακή εξοικονόμηση και την παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών με ταυτόχρονη ικανοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Η απόδοση του προτεινόμενου σχήματος τόσο ως προς την ενεργειακή ευφυΐα όσο και προς τη διασφάλιση ποιότητας εξετάζεται μέσω εκτενών προσομοιώσεων. Στο Κεφάλαιο 4 της διατριβής αναπτύχθηκε ένα καινοτόμο σχήμα ελέγχου ποιότητας υπηρεσιών που αφορά τη σειριακή μετάδοση σε Α.Δ.Α. εικόνων οι οποίες χαρακτηρίζονται από χαμηλή ταχύτητα μεταβολής. Το προτεινόμενο σχήμα προσαρμόζει τη συμπίεση των ασύρματα μεταδιδόμενων εικόνων προκειμένου να ικανοποιούνται προκαθορισμένα όρια που αφορούν τον ανώτατο επιτρεπόμενο χρόνο μετάδοσης. Η απόδοση του προτεινόμενου σχήματος εξετάζεται μέσω εκτενών πειραμάτων. Το Κεφάλαιο 5 της διατριβής αυτής ασχολείται με την αντιμετώπιση της συμφόρησης δικτύου σε Α.Δ.Α.. Πιο συγκεκριμένα, ένα καινοτόμο σχήμα ελέγχου, προτείνεται με στόχο την ανίχνευση της επερχόμενης της συμφόρησης και την αποτροπή της περαιτέρω διάδοσής της. Η αποτελεσματικότητα του σχήματος ελέγχεται μέσω εκτεταμένων προσομοιώσεων. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 σκιαγραφείται το ερευνητικό έργο που επιτελέστηκε κατά την εκπόνηση αυτής της διδακτορικής διατριβής. Επιπρόσθετα, συνοψίζεται η επιστημονική συμβολή της διατριβής και παρουσιάζονται τα ερευνητικά συμπεράσματα που προήλθαν μέσω αυτής. Τέλος, προτείνονται κατευθύνσεις μελλοντικής έρευνας σχετικής με τα επιστημονικά θέματα που πραγματεύεται η διατριβή. / Wirelessly connected systems play a rapidly growing role in modern scientific and technological evolution. Chapter 1, at first introduces the reader into this type of systems. Next, the structure, applications and problems associated with the wireless sensor networks, which are among the most typical and widely used examples of wirelessly connected systems are described. In accordance to the aforementioned challenges that the utilization of WSNs faces, a research work has been performed in the context of this doctoral thesis which is organized as follows: In Chapter 2, the issue of energy conservation is approached in WSNs through the energy efficient control of routing. For this reason a novel reactive hierarchical protocol, named SHPER, for energy efficient data routing in WSNs, is proposed. The efficacy of the proposed scheme is examined through extensive simulation tests. Chapter 3 focuses at video communication over WSNs and examines the combined fulfillment of contradictory requirements such as the severe limitations concerning both the available energy resources and bandwidth and the call for high QoS. For this reason, PEMuR, a novel dual control scheme for efficient video communication, which aims at the attainment of both considerable energy saving and high QoS was introduced. Both the energy efficiency and the Qos efficiency of this dual scheme is evaluated through thorough simulations. Chapter 4 examines the transmission of image data over WSNs and introduces a novel QoS control scheme for the sequential transmission over Wireless Sensor Networks of slowly varying images. This scheme aims to adaptively adjust the compression of wirelessly transmitted images in order to conform to predefined upper bounds of the end-to-end image transmission time, while achieving the highest QoS. The effectiveness of the proposed QoS control algorithm is investigated through extended experiments with and without the occurrence of network congestion. Chapter 5 tries to correlate the occurrence of congestion in WSNs with the existence of specific variable and invariant factors and proposes a novel control scheme named PACA, which aims to both predict forthcoming congestion and prevent its further diffusion. The effectiveness of the proposed scheme is examined through extensive simulation tests. Finally, in Chapter 6, the research work performed within the context of this doctoral thesis is summarized. Additionally, the scientific contribution achieved is outlined. Moreover, the conclusions drawn from the research results are presented along with some relevant topics of future research.