Management and routing algorithms for ad-hoc and sensor networks

Large scale wireless adhoc networks of computers, sensors, PDAs etc. (i.e. nodes) are revolutionizing connectivity and leading to a paradigm shift from centralized systems to highly distributed and dynamic environments. An example of adhoc networks are sensor networks, which are usually composed by small units able to sense and transmit to a sink elementary data which are successively processed by an external machine. Recent improvements in the memory and computational power of sensors, together with the reduction of energy consumptions, are rapidly changing the potential of such systems, moving the attention towards datacentric sensor networks. A plethora of routing and data management algorithms have been proposed for the network path discovery ranging from broadcasting/floodingbased approaches to those using global positioning systems (GPS). We studied WGrid, a novel decentralized infrastructure that organizes wireless devices in an adhoc manner, where each node has one or more virtual coordinates through which both message routing and data management occur without reliance on either flooding/broadcasting operations or GPS. The resulting adhoc network does not suffer from the deadend problem, which happens in geographicbased routing when a node is unable to locate a neighbor closer to the destination than itself. WGrid allow multidimensional data management capability since nodes' virtual coordinates can act as a distributed database without needing neither special implementation or reorganization. Any kind of data (both single and multidimensional) can be distributed, stored and managed. We will show how a location service can be easily implemented so that any search is reduced to a simple query, like for any other data type. WGrid has then been extended by adopting a replication methodology. We called the resulting algorithm WRGrid. Just like WGrid, WRGrid acts as a distributed database without needing neither special implementation nor reorganization and any kind of data can be distributed, stored and managed. We have evaluated the benefits of replication on data management, finding out, from experimental results, that it can halve the average number of hops in the network. The direct consequence of this fact are a significant improvement on energy consumption and a workload balancing among sensors (number of messages routed by each node). Finally, thanks to the replications, whose number can be arbitrarily chosen, the resulting sensor network can face sensors disconnections/connections, due to failures of sensors, without data loss. Another extension to {WGrid} is {W*Grid} which extends it by strongly improving network recovery performance from link and/or device failures that may happen due to crashes or battery exhaustion of devices or to temporary obstacles. W*Grid guarantees, by construction, at least two disjoint paths between each couple of nodes. This implies that the recovery in W*Grid occurs without broadcasting transmissions and guaranteeing robustness while drastically reducing the energy consumption. An extensive number of simulations shows the efficiency, robustness and traffic road of resulting networks under several scenarios of device density and of number of coordinates. Performance analysis have been compared to existent algorithms in order to validate the results.

Electrothermal characterization and nonlinear modelling of GaN transistors for telecommunication circuit design

This thesis starts showing the main characteristics and application fields of the AlGaN/GaN HEMT technology, focusing on reliability aspects essentially due to the presence of low frequency dispersive phenomena which limit in several ways the microwave performance of this kind of devices. Based on an equivalent voltage approach, a new low frequency device model is presented where the dynamic nonlinearity of the trapping effect is taken into account for the first time allowing considerable improvements in the prediction of very important quantities for the design of power amplifier such as power added efficiency, dissipated power and internal device temperature. An innovative and low-cost measurement setup for the characterization of the device under low-frequency large-amplitude sinusoidal excitation is also presented. This setup allows the identification of the new low frequency model through suitable procedures explained in detail. In this thesis a new non-invasive empirical method for compact electrothermal modeling and thermal resistance extraction is also described. The new contribution of the proposed approach concerns the non linear dependence of the channel temperature on the dissipated power. This is very important for GaN devices since they are capable of operating at relatively high temperatures with high power densities and the dependence of the thermal resistance on the temperature is quite relevant. Finally a novel method for the device thermal simulation is investigated: based on the analytical solution of the tree-dimensional heat equation, a Visual Basic program has been developed to estimate, in real time, the temperature distribution on the hottest surface of planar multilayer structures. The developed solver is particularly useful for peak temperature estimation at the design stage when critical decisions about circuit design and packaging have to be made. It facilitates the layout optimization and reliability improvement, allowing the correct choice of the device geometry and configuration to achieve the best possible thermal performance.

Design and experimental characterization of antennas and wireless systems for innovative wearable and implantable ultra low–power applications

The present PhD thesis exploits the design skills I have been improving since my master thesis’ research. A brief description of the chapters’ content follows. Chapter 1: the simulation of a complete front–end is a very complex problem and, in particular, is the basis upon which the prediction of the overall performance of the system is possible. By means of a commercial EM simulation tool and a rigorous nonlinear/EM circuit co–simulation based on the Reciprocity Theorem, the above–mentioned prediction can be achieved and exploited for wireless links characterization. This will represent the theoretical basics of the entire present thesis and will be supported by two RF applications. Chapter 2: an extensive dissertation about Magneto–Dielectric (MD) materials will be presented, together with their peculiar characteristics as substrates for antenna miniaturization purposes. A designed and tested device for RF on–body applications will be described in detail. Finally, future research will be discussed. Chapter 3: this chapter will deal with the issue regarding the exploitation of renewable energy sources for low–energy consumption devices. Hence the problem related to the so–called energy harvesting will be tackled and a first attempt to deploy THz solar energy in an innovative way will be presented and discussed. Future research will be proposed as well. Chapter 4: graphene is a very promising material for devices to be exploited in the RF and THz frequency range for a wide range of engineering applications, including those ones marked as the main research goal of the present thesis. This chapter will present the results obtained during my research period at the National Institute for Research and Development in Microtechnologies (IMT) in Bucharest, Romania. It will concern the design and manufacturing of antennas and diodes made in graphene–based technology for detection/rectification purposes.

La responsabilità civile da prodotto farmaceutico

Il tema della ricerca ha riguardato preliminarmente la definizione di farmaco descritta nel d.lgs. n. 219 del 2006 (Codice dei farmaci per uso umano). Oltre al danno prodotto da farmaci, la ricerca ha approfondito anche la tutela ex ante ed ex post riguardante la produzione di dispositivi medici (Direttiva della Comunità Economica Europea n. 42 del 1993 e Direttiva della Comunità Economica Europea n. 374 del 1985). E’ stato necessario soffermarsi sull’analisi del concetto di precauzione per il quale nell’ambito di attività produttive, come quelle che cagionano inquinamento ambientale, o “pericolose per la salute umana” come quelle riguardanti la produzione di alimenti e farmaci, è necessario eliminare i rischi non conosciuti nella produzione di questi ultimi al fine di garantire una tutela completa della salute. L’analisi della Direttiva della Comunità Economica Europea n. 374 del 1985 nei suoi aspetti innovativi ha riguardato l’esame dei casi di danno da farmaco (Trib. Roma, 20 Giugno 2002, Trib. Roma 27 Giugno 1987, Trib. Milano 19 Novembre 1987, Cassazione Civile n. 6241 del 1987): profilo critico è quello riguardante la prova liberatoria, mentre l'art. 2050 prevede che «si debbano adottare tutte le misure necessarie per evitare il danno», l'art. 118, lett. e), c. cons.) prevede una serie di casi di esonero di responsabilità del produttore (tra cui il rischio di sviluppo). Dall'analisi emerge poi la necessità da parte del produttore di continuo utilizzo del duty to warn (Art. 117 del Codice del Consumo lett. A e B ): esso consiste nel dovere continuo di informazione del produttore tramite i suoi rappresentanti e il bugiardino presente nelle confezioni dei farmaci. Tale dovere è ancor più importante nel caso della farmacogenetica, infatti, al fine di evitare reazioni avverse nel bugiardino di alcuni farmaci verrà prescritta la necessità di effettuare un test genetico prima dell’assunzione.

Studio e caratterizzazione di biosensori sviluppati su dispositivi inorganici ed organici

L’attività di dottorato qui descritta ha riguardato inizialmente lo sviluppo di biosensori elettrochimici semplificati per la rilevazione di DNA e successivamente lo studio di dispositivi organici ad effetto di campo per la stimolazione e il rilevamento dell’attività bioelettrica di cellule neuronali. Il lavoro di ricerca riguardante il prima parte è stato focalizzato sulla fabbricazione e sulla caratterizzazione di un biosensore a due elettrodi per la rilevazione di DNA solubile , facilmente producibile a livello industriale. Tale sensore infatti, è in grado di leggere livelli diversi di correnti faradiche sulle superfici in oro degli elettrodi, a discrezione di un eventuale ibridizzazione del DNA da analizzare su di esse. I risultati ottenuti riguardo a questo biosensore sono :la paragonabilità dello stesso con i sensori standard a tre elettrodi basati sulla medesima metodica, la possibilità di effettuare due misure in parallelo di uno stesso campione o di 2 diversi campioni su di uno stesso di dispositivo e la buona applicabilità della chimica superficiale a base di tale biosensore a superfici create con tecnologie industriali. Successivamente a tali studi, mi sono focalizzato sull’utilizzo di dispositivi organici ad effetto campo (in particolare OTFT) per lo sviluppo di un biosensore capace di stimolare e registrare l’attività bioelettrica di cellule neuronali. Inizialmente sono state identificate le caratteristiche del materiale organico utilizzato e successivamente del dispositivo fabbricato pre e post esposizione all’ambiente fisiologico. Poi, sono stati effettuati esperimenti per osservare la capacità di stimolare e di leggere i segnali elettrogenici da parte dell’OTFT. I risultati ottenuti da tali studi sono che: il materiale organico ed il dispositivo mantengo le loro caratteristiche morfologiche e funzionali dopo l’esposizione per giorni all’ambiente fisiologico. Inoltre l’OFET in grado di stimolare il cambiamento delle tensioni di membrana cellulari e contemporaneamente di registrare tali variazioni e le eventuali risposte cellulari provocate da esse.