Ψηφιακές Επικοινωνίες και Δίκτυα
Μαθήματα Προγράμματος Σπουδών

Στόχος

Στόχος του μαθήματος είναι η εμβάθυνση των φοιτητών σε θέματα ασύρματων επικοινωνιών με έμφαση στις τεχνικές ΜΙΜΟ για επίγεια και δορυφορικά συστήματα επικοινωνιών. Το μάθημα περιλαμβάνει δύο ενότητες. Στην πρώτη ενότητα γίνεται ανασκόπηση των βασικών εννοιών της τεχνολογίας των κεραιών πολλαπλών εισόδων-πολλαπλών εξόδων, ενώ στη δεύτερη ενότητα γίνεται ανασκόπηση της τεχνολογίας των Δορυφορικών Δικτύων Επικοινωνιών. Περιγράφεται η υπάρχουσα τεχνολογία των δομικών στοιχείων ενός δορυφορικού δικτύου, οι τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης και τοπολογίες δικτύων. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στα δίκτυα VSATs, με ανάλυση εφαρμογών και σχεδίαση των ζεύξεων.

Περιεχόμενα

• Τεχνικές χωρικού διαφορισμού σε πομπό και δέκτη και τεχνικές διαφορισμού πόλωσης
• Τεχνικές χωροχρονικής κωδικοποίησης
• Τεχνικές χωρικής πολυπλεξίας σε συστήματα ΜΙΜΟ (Single-User MIMO,MU-MIMO, Massive MIMO, CoMP)
• Δέκτες ΜΙΜΟ και σύγκριση της επίδοσης
• Ανάλυση των στοιχειοκεραιών. Είδη, διατάξεις και γεωμετρία των στοιχεοκεραιών. Βασικά μεγέθη περιγραφής του συστήματος της στοιχειοκεραίας. Υπόθεση στενής ζώνης. Στοιχειώδεις διατάξεις διαμόρφωσης διαγραμμάτων ακτινοβολίας
• Επεξεργασία Σημάτων από στοιχειοκεραίες. Γραμμικές και χωρικά ομοιόμορφες στοιχειοκεραίες. Ορατή περιοχή. Τροφοδότηση στοιχειοκεραιών. Παράμετροι διαγράμματος ακτινοβολίας. Στροφή διαγράμματος ακτινοβολίας
• Στατιστική επεξεργασία σημάτων από στοιχειοκεραίες. Επεξεργασία στενής ζώνης. Conventional beamformer, null steering beamformer. Φίλτρα Wiener και τεχνικές ψηφιακού beamforming
• Τεχνικές εκτίμησης της κατεύθυνσης άφιξης (Bartlett, Capon, MUSIC, Root-MUSIC, Minimum-Norm Method, ESPRIT)
• Ανάπτυξη δορυφορικών συστημάτων και εξέλιξη υπηρεσιών. Γεωμετρικές παράμετροι και σημαντικές τροχιές. Διατάξεις και είδη αναμεταδοτών. Στοιχειώδη δομικά χαρακτηριστικά. Κεραίες δορυφορικών συστημάτων. Παγκόσμιοι οργανισμοί δορυφορικών συστημάτων
• Θόρυβος στα δορυφορικά συστήματα επικοινωνιών (δέκτες-κεραίες). Διατάξεις δεκτών. Δορυφορικοί ενισχυτές και ζητήματα μη γραμμικοτήτων. Δείκτες επίδοσης σε συνθήκες καθαρού ουρανού και βροχής
• Τεχνικές μετάδοσης (κυρίως ψηφιακής) και σχεδίαση των ζεύξεων. Παραδείγματα σχεδίασης για σταθερά και κινητά συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών
• Τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης στα δορυφορικά δίκτυα (TDMA, FDMA, CDMA). Δίκτυα VSATs, τοπολογίες και αρχιτεκτονικές συστημάτων

Στόχος

Στόχος του μαθήματος είναι ο εμπλουτισμός των γνώσεων και δεξιοτήτων των μεταπτυχιακών φοιτητών στην ανάλυση και σχεδίαση τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας σήματος για συστήματα επικοινωνιών. Το μάθημα περιλαμβάνει θεωρία και εργαστήριο σε περιβάλλον MATLAB. Οι θεματικές περιοχές που καλύπτει περιλαμβάνουν από την κωδικοποίηση πηγής και την αναπαράσταση των ψηφιακών δεδομένων ως την αξιολόγηση της επίδοσης των πλέον γνωστών ψηφιακών τεχνικών σε πραγματικά περιβάλλοντα διάδοσης.
Στο πρώτο μέρος του μαθήματος μελετώνται τεχνικές φυσικού στρώματος με εφαρμογή στο long term evolution (LTE), όπως διαμόρφωση και κωδικοποίηση καναλιού, μετάδοση Ορθογωνικής Πολυπλεξίας Διαίρεσης Συχνότητας (OFDM) και DFT-spread OFDM αλλά και τεχνικές λήψης με πολλαπλές κεραίες εκπομπής ή/και λήψης.
Στο δεύτερο μέρος, του μαθήματος γίνεται ανάπτυξη και πειραματισμός σε συστήματα Software Defined Radio (SDR), όπου οι φοιτητές μέσω προγραμματισμού θα μπορέσουν να δημιουργήσουν και να εκπέμψουν τηλεπικοινωνιακά σήματα που απαντώνται στα σύγχρονα συστήματα ψηφιακών κινητών επικοινωνιών (π.χ. LTE, WiFi) και αντίστοιχα να σχεδιάσουν τις βαθμίδες ανάλυσης και λήψης. Τέλος, μέσω μετρήσεων θα γίνει αξιολόγηση του περιβάλλοντος διάδοσης και των τεχνικών διαμόρφωσης και κωδικοποίησης.

Περιεχόμενα

• Διάλεξη 1: Ψηφιακές Διαμορφώσεις Διέλευσης Ζώνης, Φασματική απόδοση, Error Vector Magnitude (EVM), Ανίχνευση σε κανάλι με διάλειψη, Τεχνικές διαφορικής λήψης: selection, MRC, space-time-block-codes (STBCs).
• Διάλεξη 2: Δίκτυα βασισμένα στο Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM): Θεωρία μετάδοσης πολλαπλών ορθογώνιων φερόντων, κυκλικό πρόθεμα για μηδενική παρεμβολή σε πολυδιαδρομικά κανάλια, Space-frequency-block-codes (SFBCs).
• Διάλεξη 3: OFDMA, Peak-to-average power ratio, Single carrier (SC) with frequency domain equalization (FDE), DFT-Spread OFDM (LTE Uplink), ΟFDMA with channel aware Resource Allocation.
• Διάλεξη 4: Κωδικοποίηση Καναλιού: convolutional codes with Viterbi decoding, Low density parity check (LDPC) codes, Bit flipping decoding και message passing decoding for LDPCs, Coded OFDM, Frequency Diversity.
• Διάλεξη 5: Link budget για υπολογισμό ακτίνας κάλυψης ασύρματου δικτύου, Χωρητικότητα (Capacity) των σταθμών βάσης του LTE, Διαστασιοποίηση δικτύου (network dimensioning).
• Διάλεξη 6: Εισαγωγή στο Software Radio, SDR αρχιτεκτονικές, το Universal Software Radio Peripheral (USRP), τεχνικές και λογική προγραμματισμού, εργαλεία προγραμματισμού, περιορισμοί – ατέλειες – υποβαθμίσεις, δομή προγράμματος εκπομπής και λήψης.
• Διάλεξη 7: Πρώτο πείραμα εκπομπής (ημίτονο), δημιουργία jammer – jamming σε wifi, πρώτο πείραμα λήψης, ενεργειακός ανιχνευτής, αρχιτεκτονική ενός πομποδέκτη υλοποιήσιμου σε λογισμικό και διαστασιοποίηση.
• Διάλεξη 8: Ανάπτυξη πομποδέκτη 1: Bit level processing -> κωδικοποίηση πηγής, Cyclic Redundancy Check, bit scrambling, κωδικοποίηση καναλιού, πλαισιοποίηση πληροφορίας. Symbol-level processing -> ψηφιακή διαμόρφωση, εισαγωγή preamble και pilots. Υλοποίηση σε Matlab.
• Διάλεξη 9: Ανάπτυξη πομποδέκτη 2: OFDM διαμόρφωση, συγχρονισμός σε χρόνο και συχνότητα, εκτίμηση διαύλου, ανάκτηση δεδομένων.
• Διάλεξη 10: Πραγματοποίηση μετρήσεων. Πειραματική προσομοίωση διαλείψεων και παρεμβολών.

Στόχος

Με την έλευση του 5G η μορφή των τηλεπικοινωνιακών δικτύων έχει αλλάξει σημαντικά και πρόκειται να αλλάξει ακόμη περισσότερο καθώς οδηγούμαστε προ το 6G. Σε σχέση με τα δίκτυα του παρελθόντος, τα σύγχρονα και μελλοντικά δίκτυα είναι ουσιαστικά πολύ πιο δυναμικές και ευέλικτες δομές, που βασίζονται κυρίως στο λογισμικό και αποτελούνται από ένα συνδυασμό φυσικών και εικονικών κόμβων και συνδέσεων πάνω σε ανοικτές υποδομές και υποδομές σύννεφου. Επιπλέον, τα δίκτυα αυτά καλούνται να εξυπηρετούν έναν ήδη τεράστιο και ολοένα αυξανόμενο αριθμό από νέες και έξυπνες συσκευές, ενώ ταυτόχρονα να είναι προσανατολισμένα περισσότερο στις ανάγκες των πελατών (verticals). Αυτή η δυναμικότητα και πολυπλοκότητα οδηγεί στην ανάγκη για αυτοματοποίηση, έως και μερική/πλήρη αυτονομία ή/και τη γνωσιακή λειτουργία των δικτύων, με την αναλυτική μεγάλων δεδομένων και τις τεχνικές μηχανικής μάθησης και τεχνητής νοημοσύνης να παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο προς αυτή την κατεύθυνση.

Σε αυτό το πλαίσιο, ο σχεδιασμός και η διαχείριση των σύγχρονων αυτών δικτύων και υπηρεσιών πρέπει να έχουν την ευφυία να αντιμετωπίσουν την πολυπλοκότητα που εισάγεται, στοχεύοντας στην βέλτιστη λειτουργία και παροχή υπηρεσιών. Στόχος του εν λόγω μαθήματος είναι να εισάγει τους φοιτητές στις έννοιες του ευφυούς σχεδιασμού και διαχείρισης σύγχρονων δικτύων και υπηρεσιών, μέσα από την παρουσίαση προβλημάτων, τεχνικών, αλγορίθμων, τεχνολογιών και εργαλείων, τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πρακτικό επίπεδο.

Ενότητες μαθήματος (1-2 διαλέξεις)

• Εισαγωγή:Σύνοψη σύγχρονων δικτύων και υπηρεσιών. Βασικές έννοιες. Φάσεις σχεδιασμού και διαχείρισης, εμπλεκόμενοι φορείς (operators, network/equipment vendors, software vendors), νέες τάσεις και προκλήσεις στο 5G/Beyond 5G/6G, τόσο από ερευνητική όσο και από εμπορική σκοπιά.
• Προβλήματα σχεδιασμού δικτύων και υπηρεσιών:Σύνοψη σύγχρονων δικτύων και υπηρεσιών. Βασικές έννοιες. Φάσεις σχεδιασμού και διαχείρισης, εμπλεκόμενοι φορείς (operators, network/equipment vendors, software vendors), νέες τάσεις και προκλήσεις στο 5G/Beyond 5G/6G, τόσο από ερευνητική όσο και από εμπορική σκοπιά.
• Ευφυείς Τεχνικές και Αλγόριθμοι σχεδιασμού δικτύων και υπηρεσιών:Ευφυείς Τεχνικές και Αλγόριθμοι επίλυσης προβλημάτων σχεδίασης δικτύων και υπηρεσιών. Greedy, heuristics & meta-heuristics (bio-innspired, simulated annealing, genetic based, ant-colony, fire-fly κτλ.), data driven, machine-, deep- learning techniques. Eφαρμογή σε προβλήματα σχεδιασμού Cloud, SDN, NFV Networks & Services, VM deployment, Service chains deployment, Wireless/Cloud-RAN/Fiber-wireless Networks, IoT/Sensor Networks. Μοντελοποίηση και αποτίμηση απόδοσης και πολυπλοκότητας.
• Εισαγωγή στην ευφυή διαχείριση δικτύων και υπηρεσιών:Εισαγωγή στη διαχείριση σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών δικτύων και υπηρεσιών Επίπεδα διαχείρισης, πρωτόκολλα και οργανισμοί προτυποποίησης. Μοντέλο λειτουργιών CFAPS (Configuration, Fault, Accounting, Performance, Security). Επίπεδα διαχείρισης (Element, Network, Service και Business Management Layer) και συστήματα Element Management, Network management, Business Support Systems (BSS) και Operations Support Systems (OSS) καθώς και Fulfillment/Assurance/Billing. Νέες μεθοδολογίες και τεχνολογίες: Αυτόνομη διαχείριση δικτύων (Μηχανισμοί αυτοδιαχείρισης (self-management)). Διαχείριση μέσω πολιτικών/κανόνων (policy-based management). Διακυβέρνηση δικτύων (Νetwork governance και Ident Based Networking). Διαχείριση δικτύων καθοριζόμενων από λογισμικό (Software Defined Networks (SDN), NFV Management and Orchestration (MANO).
• Αρχιτεκτονικές, Μοντέλα Δεδομένων και Πρωτόκολλα διαχείρισης:Κεντρικοποιημένες, Κατανεμημένες και Υβριδικές αρχιτεκτονικές συστημάτων διαχείρισης. Δομή πληροφορίας και παραμέτρων, μοντέλα δεδομένων/πληροφορίας, γλώσσες περιγραφής, σημασιολογία,. Πρωτόκολλα εφαρμογής και πρωτόκολλα μεταφοράς πληροφορίας διαχείρισης (παρακολούθηση και έλεγχος), θέματα διαλειτουργικότητας. Αλλαγές και προκλήσεις για την υποστήριξη αυτοματοποίησης και αυτονομίας και γνωσιακής διαχείρισης.
• Ευφυείς τεχνικές παρακολούθησης και ανάλυσης:Πηγές και συστήματα δεδομένων δικτύων και υπηρεσιών, δείκτες παρακολούθησης (KPIs). Απλές αναλυτικές, στατιστική ανάλυση, τάσεις, μέσοι όροι, κινούμενοι μέσοι, advanced network/service analytics, Machine Learning, forecasting, ανίχνευση patterns, Network/Service/Application profiling, ανίχνευση και διάγνωση προβλημάτων, Root Cause Analysis.
• Ευφυείς εφαρμογές/συστήματα διαχείρισης:Πώς χρησιμοποιείται η πληροφορία και η ανάλυση στις λειτουργικές περιοχές διαχείρισης CFAPS. Decision support logic, Threshold Management, Threshold violation & Alerting, Recommendation systems, Rule-based, AI-based approaches, Closed control loops, User/Operator interfaces. Ανάλυση περιπτώσεων χρήσης.
• Πλατφόρμες και εργαλεία σχεδιασμού και διαχείρισης:Ολοκληρωμένες εφαρμογές παρακολούθησης και ελέγχου. Επίδειξη και χρήση πλατφορμών και εργαλείων που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παρακολούθηση, διαχείριση και έλεγχο δικτύων και υπηρεσιών. Εργαστηριακές ασκήσεις.

Στόχος

Τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών έχουν εξελιχθεί και θα συνεχίσουν να εξελίσσονται διαρκώς από μονολιθικές αρχιτεκτονικές σε δυναμικές, ευέλικτες αρχιτεκτονικές που προσαρμόζονται στις απαιτήσεις των υπηρεσιών που απευθύνονται στους πελάτες των παρόχων μέσω της ολοένα αυξανόμενης υιοθέτησης τεχνολογιών προγραμματιζόμενων δικτύων, εικονικοποίησης δικτύων και υποδομών νεφοϋπολογιστικής. Στόχος του μαθήματος είναι η παρουσίαση του μετασχηματισμού των δικτύων κινητών επικοινωνιών δίνοντας έμφαση στις αρχιτεκτονικές δικτύωσης και στην υποστήριξη υπηρεσιών δεδομένων στα δίκτυα 4^ης και 5^ης γενιάς. Με το πέρας του μαθήματος οι φοιτητές θα μπορούν να εκτιμήσουν και αξιολογήσουν διαφορετικές σχεδιαστικές επιλογές και υλοποιήσεις.

Περιεχόμενα

• Διαλέξεις 1-2: Εξέλιξη δικτύων κινητών επικοινωνιών. Αρχιτεκτονική, φυσικές και λειτουργικές οντότητες δικτύων διαφορετικών γενεών 2G/3G/4G/5G. Αρχιτεκτονική και υπηρεσίες.
• Διάλεξη 3: Διαχείριση ασύρματων πόρων, ενδοσυστημικές και διασυστημικές διαπομπές, διαχείριση επικοινωνίας και κινητικότητας.
• Διάλεξη 4: Tεχνικές χρονοδρομολόγησης σε περιβάλλον ασύρματων ζεύξεων. Χρονοδρομολόγηση σε κατερχόμενη και ανερχόμενη ζεύξη. Παραδείγματα και ασκήσεις.
• Διάλεξη 5: Διαχείριση και πρωτόκολλα κινητικότητας σε ασύρματα δίκτυα. Πρωτόκολλα κινητικότητας, αρχιτεκτονικές και διαχείριση κινητικότητας 4G και 5G.
• Διάλεξη 6: Το πρωτόκολλο TCP,  προβλήματα και τεχνικές προσαρμογής σε περιβάλλον ασύρματων ζεύξεων. TCP πολλαπλών δικτυακών interfaces. Πολυμεσικές επικοινωνίες σε δίκτυα 4G. VoLTE, VoWifi και Mission Critical Communications.
• Διάλεξη 7: Εισαγωγή τεχνολογιών νεφοϋπολογιστικής, Software Defined Networking (SDN), CloudRAN, Network Function Virtualization (NFV) και Multi-access Edge Computing στα δίκτυα 5G.
• Διαλέξεις 8-9: Πρωτόκολλα τμημάτων ελέγχου και διαχείρισης συσκευών. Πρωτόκολλα και μοντέλα ForCES, OpenFlow, NETCONF, PCEP και μοντέλου YANG. Ανοιχτά λογισμικά (OpenDaylight, Floodlight, NOX).
• Διάλεξη 10: Εμβάθυνση στις τεχνολογίες SDN & NFV. Αρχιτεκτονική, διεπαφές. Εμβάθυνση στις τεχνολογίες virtualization – Virtual Machines, Containers, καθώς και παραδείγματα τεχνολογιών.

Προτεινόμενα συγγράμματα

• Martin Sauter, From GSM to LTE-Advanced Pro and 5G: An introduction to Mobile Networks and Mobile Broadband. 4^th Edition, Wiley 2021.

Στόχος

Στόχος του μαθήματος είναι η μελέτη ευρυζωνικών τεχνολογιών και δικτύων με έμφαση στις πιο πρόσφατες εξελίξεις και σε προηγμένες τεχνολογίες που θα εξοπλίσουν τα ευρυζωνικά δίκτυα της επόμενης γενιάς (2030+). Στo πρώτο μέρος του μαθήματος θα αναλυθούν οι απαιτήσεις, δυνατότητες και περιορισμοί στην σχεδίαση ευρυζωνικών δικτύων. Στο δεύτερο μέρος θα μελετηθούν ενσύρματα και ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα, με έμφαση σε θέματα μετάδοσης και επεξεργασίας σήματος βασικής ζώνης, φυσικού επιπέδου, πολλαπλής πρόσβασης και αρχιτεκτονικής δικτύου. Στο τελευταίο μέρος του μαθήματος θα συζητηθούν μελλοντικές τεχνολογικές τάσεις και καινοτόμες τεχνικές σχεδίασης, όπως extreme MIMO, Reconfigurable Intelligent Surfaces, και μετάδοση σε πολύ υψηλές συχνότητες (mmWave, THz).

Περιεχόμενα

• Ευρυζωνικές Επικοινωνίες: απαιτήσεις και πρόσφατες εξελίξεις (ITU, 3GPP, IEEE standards).
• Θεμελιώδεις έννοιες ευρυζωνικής μετάδοσης: χωρητικότητα, φασματική απόδοση, συνδεσιμότητα, αξιοπιστία, προσαρμοστικότητα και ευφυία.
• Μέθοδοι αποτελεσματικής χρήσης του φάσματος για ευρυζωνική πρόσβαση: διαμόρφωση, κωδικοποίηση, πολυπλεξία, χωρική κωδικοποίηση/πολυπλεξία, διασπορά φάσματος, συνεργατικές τεχνικές, τεχνικές συντονισμού και διαχείρισης παρεμβολής.
• Digital Subscriber Line (ITU-T): επεξεργασία βασικής ζώνης, διαδικασίες φυσικού επιπέδου, αρχιτεκτονική, προηγμένα χαρακτηριστικά ADSL2, VDSL, πολυχρηστικό DSL.
• Δίκτυα Ethernet (IEEE 802.3) επόμενης γενιάς: τεχνικές βασικής ζώνης, πρωτόκολλα φυσικού επιπέδου και MAC, αρχιτεκτονικές xGigabit Ethernet, crosstalk, Ethernet in the first mile.
• Σχεδίαση και αρχιτεκτονική Οπτικών Δικτύων (ITU-T): μετάδοση με οπτικές ίνες, Wavelength Division Multiplexing, υποδομές οπτικών δικτύων, Optical Transport Network.
• Ευρυζωνική Ασύρματη Τοπική Πρόσβαση και το Μελλοντικό WiFi (IEEE 802.11): τεχνολογίες OFDM, multiuser MIMO, τυχαία πρόσβαση και πρόσβαση που βασίζεται στο χρονοπρογραμματισμό.
• Προηγμένες τεχνολογίες σε δίκτυα 4G και 5G (3GPP): συνεργατικότητα, συντονισμός, massive/network MIMO, αρχιτεκτονικές με επίκεντρο το χρήστη.
• Ευρυζωνικότητα στο μελλοντικό διαδίκτυο και τεχνολογικές τάσεις για το 6G: πυκνοποίηση και μη-κυψελωτές αρχιτεκτονικές.
• Ερευνητικά θέματα και καινοτόμες τεχνικές στις Ευρυζωνικές Επικοινωνίες: extreme MIMO, Reconfigurable Intelligent Surfaces, και μετάδοση σε πολύ υψηλές συχνότητες (mmWave, THz).

Προτεινόμενα συγγράμματα

• W Stallings, “Ασύρματες επικοινωνίες και δίκτυα” (Εκδόσεις Τζιόλα)
• Rajiv Sivarajan, Kumar N. Ramaswami, “Optical Networks: A Practical Perspective (Morgan Kaufmann Series in Networking)”, Morgan Kaufmann, 2nd edition (2001)
• Behrouz A. Forouzan, “Data Communications and Networking”, Fourth edition, McGraw-Hill, 2007
• D. Tse, P. Viswanath, “Βασικές Αρχές Ασύρματης Επικοινωνίας” , Eκδόσεις Κλειδάριθμος (2009)
• T. S. Rappaport, “Ασύρματες Επικοινωνίες – Αρχές και Πρακτική” , Εκδόσεις Μ. Γκούρας (2009)
• Bernhard H. Walke, Stefan Mangold, Lars Berlemann, “IEEE 802 Wireless Systems: Protocols, Multi-Hop Mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence”, Wiley (2006)

Προτεινόμενα Θέματα

Δείτε τα προτεινόμενα θέματα μεταπτυχιακών διπλωματικών εργασιών στον Λεύκιππο.