Sistemi radiomobili di quinta generazione

La tesi tratta le tecnologie radiomobili di quinta generazione. Analizza i principali problemi, e le più importanti proposte risolutive. Elenca le più importanti idee per ottenere i requisiti richiesti nella quinta generazione di sistemi radiomobili, tra cui il x1000 nella capacità del canale, la latenza < 1ms ecc.. Affronta il dettaglio delle tecnologie proposte da HUAWEI, F-OFDM e SCMA, illustrandone i vantaggi. Si conclude con una parte di simulazioni numeriche Matlab a proposito dell'SCMA.

Massive MIMO-based system analysis and comparison with MIMO based-systems

The thesis is focused on introducing basic MIMO-based and Massive MIMO-based systems and their possible benefits. Then going through the implementation options that we have, according to 3GPP standards, for 5G systems and how the transition is done from a non-standalone 5G RAN to a completely standalone 5G RAN. Having introduced the above-mentioned subjects and providing some definition of telecommunications principles, we move forward to a more technical analysis of the Capacity, Throughput, Power consumption, and Costs. Comparing all the mentioned parameters between a Massive-MIMO-based system and a MIMO-based system. In the analysis of power consumption and costs, we also introduce the concept of virtualization and its benefits in terms of both power and costs. Finally, we try to justify a trade-off between having a more reliable system with a high capacity and throughput while keeping the costs as low as possible.

Grant-Free Access for Massive IoT Based on Interference Cancellation and Massive MIMO

Recent years have witnessed an increasing evolution of wireless mobile networks, with an intensive research work aimed at developing new efficient techniques for the future 6G standards. In the framework of massive machine-type communication (mMTC), emerging Internet of Things (IoT) applications, in which sensor nodes and smart devices transmit unpredictably and sporadically short data packets without coordination, are gaining an increasing interest. In this work, new medium access control (MAC) protocols for massive IoT, capable of supporting a non-instantaneous feedback from the receiver, are studied. These schemes guarantee an high time for the acknowledgment (ACK) messages to the base station (BS), without a significant performance loss. Then, an error floor analysis of the considered protocols is performed in order to obtain useful guidelines for the system design. Furthermore, non-orthogonal multiple access (NOMA) coded random access (CRA) schemes based on power domain are here developed. The introduction of power diversity permits to solve more packet collision at the physical (PHY) layer, with an important reduction of the packet loss rate (PLR) in comparison to the number of active users in the system. The proposed solutions aim to improve the actual grant-free protocols, respecting the stringent constraints of scalability, reliability and latency requested by 6G networks.

Asynchronous Massive Machine-Type Access with Massive MIMO

In this thesis asynchronous contention resolution diversity slotted ALOHA (ACRDA) is studied and implemented on computer to simulate a typical massive IoT scenario. Chapter 1 gives a general overview of existing multiple access schemes, reporting their fundamental concepts focusing more on Coded Random Access schemes and their characteristics. In Chapter 2 the asynchronous protocol ACRDA is explained in depth analyzing all parts of the scheme. In the third Chapter the results obtained following various simulations of the asynchronous scheme are reported and their performance are analyzed.

Localizzazione e tracking tramite filtri statistici in sistemi multi antenna

Uno dei temi più recenti nel campo delle telecomunicazioni è l'IoT. Tale termine viene utilizzato per rappresentare uno scenario nel quale non solo le persone, con i propri dispositivi personali, ma anche gli oggetti che le circondano saranno connessi alla rete con lo scopo di scambiarsi informazioni di diversa natura. Il numero sempre più crescente di dispositivi connessi in rete, porterà ad una richiesta maggiore in termini di capacità di canale e velocità di trasmissione. La risposta tecnologica a tali esigenze sarà data dall’avvento del 5G, le cui tecnologie chiave saranno: massive MIMO, small cells e l'utilizzo di onde millimetriche. Nel corso del tempo la crescita delle vendite di smartphone e di dispositivi mobili in grado di sfruttare la localizzazione per ottenere servizi, ha fatto sì che la ricerca in questo campo aumentasse esponenzialmente. L'informazione sulla posizione viene utilizzata infatti in differenti ambiti, si passa dalla tradizionale navigazione verso la meta desiderata al geomarketing, dai servizi legati alle chiamate di emergenza a quelli di logistica indoor per industrie. Data quindi l'importanza del processo di positioning, l'obiettivo di questa tesi è quello di ottenere la stima sulla posizione e sulla traiettoria percorsa da un utente che si muove in un ambiente indoor, sfruttando l'infrastruttura dedicata alla comunicazione che verrà a crearsi con l'avvento del 5G, permettendo quindi un abbattimento dei costi. Per fare ciò è stato implementato un algoritmo basato sui filtri EKF, nel quale il sistema analizzato presenta in ricezione un array di antenne, mentre in trasmissione è stato effettuato un confronto tra due casi: singola antenna ed array. Lo studio di entrambe le situazioni permette di evidenziare, quindi, i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di sistemi multi antenna. Inoltre sono stati analizzati altri elementi chiave che determinano la precisione, quali geometria del sistema, posizionamento del ricevitore e frequenza operativa.

Analisi e simulazione di protocolli di accesso multiplo per reti IoT 6G cell-free

Lo scopo delle reti mobili è fornire ai dispositivi wireless accesso a una grande varietà di servizi dati, in un’ampia area geografica. Nonostante le reti cellulari odierne, basate sulla tecnologia Massive MIMO, possano raggiungere elevate performance in condizioni favorevoli (centro cella) esse, presentano all’interno dell’area di copertura, zone soggette a data-rate notevolmente ridotti. In questo elaborato, viene brevemente descritta la rete cell-free; una nuova architettura di rete pensata per superare i vecchi limiti delle reti cellulari tradizionali. Successivamente, vengono presentati attraverso simulazioni i due principali vantaggi che queste nuove reti cell-free offrono. Inoltre, viene analizzato uno schema random access in grado di gestire l’accesso multiplo per queste nuove architetture di rete. Questo schema rappresenta un’estensione di un protocollo già presente in letteratura e perfettamente funzionante per reti Massive MIMO, appartenente alla famiglia dei protocolli Coded Slotted ALOHA. Infine, un'analisi delle prestazioni e alcuni possibili scenari sono stati presentati, con lo scopo di valutare l'effetto che algoritmi di tipo SIC possono avere su queste reti.

Caratterizzazione sismica di tre siti della rete accelerometrica nazionale (ran) mediante elaborazione di terremoti e rumore ambientale.

Il lavoro di questa tesi ha previsto l'acquisizione e l'elaborazione di dati geofisici al fine di determinare la risposta sismica di tre siti della Rete Accelerometrica Nazionale (RAN), collocandosi all'interno del progetto sismologico S2-2014 Constraining Observations into Seismic Hazard gestito dal Dipartimento di Protezione Civile Nazionale e dall’Istituto Nazionale di Geofisica e di Vulcanologia. Tale necessità nasce dal fatto che il più delle volte le informazioni per la corretta caratterizzazione geofisica dei siti ospitanti le stazioni accelerometriche risultano essere insufficienti, rendendo così i dati acquisiti non idonei per l'utilizzo in sede di calcolo delle leggi di attenuazione dalle quali successivamente vengono derivate le mappe di pericolosità sismica a livello nazionale e locale. L'obbiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di determinare l'eventuale presenza di effetti di sito o effetti di interazione suolo-struttura, per tre stazioni ubicate in Friuli-Venezia Giulia (codici stazioni MAI, TLM1 e BRC), capaci di amplificare il moto del terreno nella parte di suolo compresa fra il bedrock sismico (inteso come strato che non amplifica) e il piano campagna. Le principali tecniche utilizzate sono le seguenti: HVSR ossia rapporto spettrale della componente orizzontale su quella verticale da misure di rumore ambientale acquisite e EHV ovvero rapporto spettrale della componente orizzontale su verticale da registrazione di terremoti scaricate dal database accelerometrico italiano ITACA. I risultati delle due tecniche sono stati poi confrontati al fine di verificare un'eventuale congruenza, portando alle seguenti conclusioni. La caratterizzazione della stazione TLM1 ha portato alla importante conclusione che il sito non è idoneo per l’acquisizione di dati accelerometrici da utilizzare per il calcolo di leggi predittive o di attenuazione. La stazione accelerometrica è ospitata all’interno di un box in lamiera su una collina nel comune di Verzegnis (UD). Il problema principale che riguarda questo sito è la vicinanza della diga Ambiesta e del relativo invaso. La stazione di BRC è collocata all’interno di una cabina di trasformazione dell’ENEL sul lato destro del torrente Cellina, al suo ingresso nel lago di Barcis (PN). Le condizioni topografiche della zona, molto impervie, non consentono la corretta acquisizione dei dati. Un ulteriore fattore di disturbo è dato dall’interazione suolo-struttura, causata dalla cabina ENEL in cui è alloggiata la strumentazione. La caratterizzazione della stazione MAI collocata all'interno di una cabina ENEL nel centro del comune di Majano (UD) ha portato alla conclusione che questa è l'unica delle tre stazioni considerate capace di acquisire dati utilizzabili per il processo di validazione per le stime di pericolosità sismica. Questo perché le condizioni topografiche dell’area, pianura con stratificazione 1D, hanno permesso di sfruttare a pieno le potenzialità delle metodologie utilizzate, consentendo anche la ricostruzione di profili di velocità delle onde di taglio S con i quali è stata assegnata la categoria C del suolo previsto dall'approccio semplificato presente nelle NTC08.

Graph-based User Scheduling for MIMO LEO-based Satellite Communication Systems

The study of the user scheduling problem in a Low Earth Orbit (LEO) Multi-User MIMO system is the objective of this thesis. With the application of cutting-edge digital beamforming algorithms, a LEO satellite with an antenna array and a large number of antenna elements can provide service to many user terminals (UTs) in full frequency reuse (FFR) schemes. Since the number of UTs on-ground are many more than the transmit antennas on the satellite, user scheduling is necessary. Scheduling can be accomplished by grouping users into different clusters: users within the same cluster are multiplexed and served together via Space Division Multiple Access (SDMA), i.e., digital beamforming or Multi-User MIMO techniques; the different clusters of users are then served on different time slots via Time Division Multiple Access (TDMA). The design of an optimal user grouping strategy is known to be an NP-complete problem which can be solved only through exhaustive search. In this thesis, we provide a graph-based user scheduling and feed space beamforming architecture for the downlink with the aim of reducing user inter-beam interference. The main idea is based on clustering users whose pairwise great-circle distance is as large as possible. First, we create a graph where the users represent the vertices, whereas an edge in the graph between 2 users exists if their great-circle distance is above a certain threshold. In the second step, we develop a low complex greedy user clustering technique and we iteratively search for the maximum clique in the graph, i.e., the largest fully connected subgraph in the graph. Finally, by using the 3 aforementioned power normalization techniques, a Minimum Mean Square Error (MMSE) beamforming matrix is deployed on a cluster basis. The suggested scheduling system is compared with a position-based scheduler, which generates a beam lattice on the ground and randomly selects one user per beam to form a cluster.