Random Access Procedures in 5G IoT via NTN: System level performances

The Internet of Things (IoT) is a critical pillar in the digital transformation because it enables interaction with the physical world through remote sensing and actuation. Owing to the advancements in wireless technology, we now have the opportunity of using their features to the best of our abilities and improve over the current situation. Indeed, the Internet of Things market is expanding at an exponential rate, with devices such as alarms and detectors, smart metres, trackers, and wearables being used on a global scale for automotive and agriculture, environment monitoring, infrastructure surveillance and management, healthcare, energy and utilities, logistics, good tracking, and so on. The Third Generation Partnership Project (3GPP) acknowledged the importance of IoT by introducing new features to support it. In particular, in Rel.13, the 3GPP introduced the so-called IoT to support Low Power Wide Area Networks (LPWAN).As these devices will be distributed in areas where terrestrial networks are not feasible or commercially viable, satellite networks will play a complementary role due to their ability to provide global connectivity via their large footprint size and short service deployment time. In this context, the goal of this thesis is to investigate the viability of integrating IoT technology with satellite communication (SatCom) systems, with a focus on the Random Access(RA) Procedure. Indeed, the RA is the most critical procedure because it allows the UE to achieve uplink synchronisation, obtain the permanent ID, and obtain uplink transmission resources. The goal of this thesis is to evaluate preamble detection in the SatCom environment.

Progettazione e implementazione di una applicazione per dispositivi mobili basata su piattaforma android (linguaggio java) a supporto di soggetti affetti da disturbi dello spettro autistico

Nella maggior parte dei casi, i soggetti affetti da Disturbo dello Spettro Autistico hanno un deficit di comunicazione, sia esso verbale o non verbale. Nonostante, ad oggi, non esista una cura per questo disturbo, una diagnosi precoce entro il terzo anno di vita del soggetto e un programma educativo coerente con le necessità del paziente, permettono al bambino con autismo di raggiungere quantomeno le abilità comunicative di base. Recenti studi hanno dimostrato che l’utilizzo di Information and Communication Technology (ICT) nel trattamento di soggetti affetti da Disturbo dello Spettro Autistico può portare molti benefici, dato che, da un lato, computer, tablet e smartphone sono strumenti strutturati e prevedibili e, dall’altro, i sintetizzatori vocali, se presenti, sono privi di inflessioni verbali. A questo proposito, durante il mio tirocinio di tesi magistrale presso l’azienda “CSP – Innovazioni nelle ICT” di Torino, ho sviluppato un’applicazione per tablet Android che permette a psicologi, educatori, logopedisti, insegnanti e genitori di creare tabelle comunicative circostanziate alle esigenze del soggetto e che consente a quest’ultimo di utilizzare questo strumento come efficace mediatore sociale. Questo software si va a inserire in un progetto più ampio, denominato “tools4Autism”, nato dalla collaborazione tra il centro di ricerca di cui sopra, la “Fondazione ASPHI Onlus – ICT per migliorare la qualità di vita delle persone con disabilità” e il “Centro Autismo e Sindrome di Asperger” di Mondovì (CN). L’applicazione prevede principalmente due metodi di utilizzo: il primo, definito “modalità operatore”, è un editor che permette di creare tabelle composte da un numero variabile di immagini che possono essere pittogrammi, fotografie personali, disegni del bambino e possono essere accompagnate o meno da un testo. Una volta create le tabelle, l’operatore ha la possibilità di modificarle, eliminarle, variarne l’ordine, esportarle su altri dispositivi o importare tabelle precedentemente create. Il secondo metodo di utilizzo, definito “modalità utente”, permette al soggetto affetto da Disturbo Autistico di comunicare con altre persone sfruttando le tabelle create dall’operatore coerentemente con le sue necessità. Al tocco dell’immagine da parte del bambino, essa viene evidenziata tramite un contorno rosso e, se abilitato, il sintetizzatore vocale riproduce il testo associato a tale immagine. I principali fattori di innovazione dell’applicazione sono la gratuità, la semplicità di utilizzo, la rapidità nella creazione e nell’aggiornamento delle tabelle comunicative, la portabilità dello strumento e l’utilizzo della sintesi vocale. Il software sarà sperimentato presso il “Centro Autismo e Sindrome di Asperger”, centro di neuropsichiatria infantile specializzato nello studio del Disturbo Autistico. Tale sperimentazione si pone come obiettivo quello di verificare gli effettivi miglioramenti nella velocità e nella qualità di apprendimento delle fondamentali abilità comunicative.

Middleware per Internet of Things: Java Embedded come caso di studio

Grazie al progresso dell'elettronica, ai giorni nostri, è possibile costruire dispositivi elettronici molto piccoli, che col passare del tempo lo sono sempre più. Questo ci permette di poter imboccare nuove strade nel mondo dell'informatica, sfruttando proprio questo fatto. Le dimensioni ridotte dei dispositivi in commercio, come sensori, attuatori, tag e tanto altro, sono particolarmente adatte a nuovi scenari applicativi. Internet of Things è una visione in cui Internet viene esteso alle cose. Facendo largo uso di dispositivi come sensori e tag è possibile realizzare sistemi intelligenti che possono avere riscontri positivi nella vita di tutti i giorni. Tracciare la posizione degli oggetti, monitorare pazienti da remoto, rilevare dati sull'ambiente per realizzare sistemi automatici (ad esempio regolare automaticamente la luce o la temperatura di una stanza) sono solo alcuni esempi. Internet of Things è la naturale evoluzione di Internet, ed è destinato a cambiare radicalmente la nostra vita futura, poichè la tecnologia sarà sempre più parte integrante della nostra vita, aumentando sempre più il nostro benessere e riducendo sempre più il numero delle azioni quotidiane da compiere. Sempre più sono middleware, le piattaforme e i sistemi operativi che nascono per cercare di eliminare o ridurre le problematiche relative allo sviluppo di sistemi di questo genere, e lo scopo di questa tesi è proprio sottolinearne l'importanza e di analizzare gli aspetti che questi middleware devono affrontare. La tesi è strutturata in questo modo: nel capitolo uno verrà fatta una introduzione a Internet of Things, analizzando alcuni degli innumerevoli scenari applicativi che ne derivano, insieme però alle inevitabili problematiche di tipo tecnologico e sociale. Nel secondo capitolo verranno illustrate le tecnologie abilitanti di Internet of Things, grazie alle quali è possibile realizzare sistemi intelligenti. Nel terzo capitolo verranno analizzati gli aspetti relativi ai middleware, sottolineandone l'importanza e prestando attenzione alle funzioni che devono svolgere, il tutto riportando anche degli esempi di middleware esistenti. Nel quarto capitolo verrà approfondito il middleware Java Embedded di Oracle.

Integrating wireless sensor networks and internet of things: A coap-based approach

L'obiettivo su cui è stata basata questa Tesi di Laurea è stato quello di integrare la tecnologia delle Wireless Sensor Networks (WSN) al contesto dell'Internet delle cose (IoT). Per poter raggiungere questo obiettivo, il primo passo è stato quello di approfondire il concetto dell'Internet delle cose, in modo tale da comprendere se effettivamente fosse stato possibile applicarlo anche alle WSNs. Quindi è stata analizzata l'architettura delle WSNs e successivamente è stata fatta una ricerca per capire quali fossero stati i vari tipi di sistemi operativi e protocolli di comunicazione supportati da queste reti. Infine sono state studiate alcune IoT software platforms. Il secondo passo è stato quindi di implementare uno stack software che abilitasse la comunicazione tra WSNs e una IoT platform. Come protocollo applicativo da utilizzare per la comunicazione con le WSNs è stato usato CoAP. Lo sviluppo di questo stack ha consentito di estendere la piattaforma SensibleThings e il linguaggio di programmazione utilizzato è stato Java. Come terzo passo è stata effettuata una ricerca per comprendere a quale scenario di applicazione reale, lo stack software progettato potesse essere applicato. Successivamente, al fine di testare il corretto funzionamento dello stack CoAP, è stata sviluppata una proof of concept application che simulasse un sistema per la rilevazione di incendi. Questo scenario era caratterizzato da due WSNs che inviavano la temperatura rilevata da sensori termici ad un terzo nodo che fungeva da control center, il cui compito era quello di capire se i valori ricevuti erano al di sopra di una certa soglia e quindi attivare un allarme. Infine, l'ultimo passo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare le performance del sistema sviluppato. I parametri usati per effettuare queste valutazioni sono stati: tempi di durata delle richieste CoAP, overhead introdotto dallo stack CoAP alla piattaforma Sensible Things e la scalabilità di un particolare componente dello stack. I risultati di questi test hanno mostrato che la soluzione sviluppata in questa tesi ha introdotto un overheadmolto limitato alla piattaforma preesistente e inoltre che non tutte le richieste hanno la stessa durata, in quanto essa dipende dal tipo della richiesta inviata verso una WSN. Tuttavia, le performance del sistema potrebbero essere ulteriormente migliorate, ad esempio sviluppando un algoritmo che consenta la gestione concorrente di richieste CoAP multiple inviate da uno stesso nodo. Inoltre, poichè in questo lavoro di tesi non è stato considerato il problema della sicurezza, una possibile estensione al lavoro svolto potrebbe essere quello di implementare delle politiche per una comunicazione sicura tra Sensible Things e le WSNs.

Progetto di un dispositivo wireless di feedback tattile per un sistema di ausilio per non vedenti o ipovedenti

La tesi è incentrata sullo studio e sulla progettazione di un dispositivo wireless di feedback tattile per un sistema di ausilio per non vedenti o ipovedenti. Il dispositivo composto da micro motori vibranti avvisa l'utente di imminenti ostacoli nel suo cammino. La rilevazione degli ostacoli è opera del visore, un sistema composto da una videocamera stereo, con elaborazione su FPGA, collegata ad un Odroid-U3. Viene trattato anche lo sviluppo di un'applicazione server, con relativa libreria di funzioni, che permette al visore di comunicare con dispositivi iOS esterni. Quest'ultima parte è avvenuta in collaborazione con il collega Luca Ranalli che si è occupato dell' App client per smartphone e tablet iOS.

Progetto e sviluppo di un middleware per l’interfacciamento di sensori per la domotica in ambiente Java

La diffusione di soluzioni domotiche dipende da tecnologie abilitanti che supportino la comunicazione tra i numerosi agenti delle reti. L’obiettivo della tesi è progettare e realizzare un middleware per sensori distribuiti Java-based chiamato SensorNetwork, che permetta ad un agente domotico di effettuare sensing sull’ambiente. Le funzionalità principali del sistema sono uniformità di accesso a sensori eterogenei distribuiti, alto livello di automazione (autoconfigurazione e autodiscovery dei nodi), configurazione a deployment time, modularità, semplicità di utilizzo ed estensione con nuovi sensori. Il sistema realizzato è basato su un’architettura a componente-container che permette l’utilizzo di sensori all’interno di stazioni di sensori e che supporti l’accesso remoto per mezzo di un servizio di naming definito ad-hoc.

Analisi Sperimentale delle Prestazioni di Nodi Wireless LoRa in Presenza di Interferente

L’obiettivo dell’Internet of Things (IoT), come suggerisce il nome, è quello di connettere oggetti (spesso alimentati a batteria) alla rete Internet per poterne avere un controllo da remoto. Lo sviluppo di questa tecnologia prevede la progettazione di dispositivi che abbiano: un basso costo per unità, una durata della batteria sufficientemente lunga (anche dell’ordine di anni) quindi bassi consumi e la possibilità di realizzare un’ampia rete che possa supportare tante unità. Per questo elaborato è stata utilizzata la tecnologia LoRa, creata da Semtech. Essa lavora nelle frequenze ISM designate per le varie zone geografiche del mondo, presenta un Livello Fisico personalizzato ispirato alla modulazione CSS e un Livello MAC che si basa sul protocollo ALOHA puro. Lo scopo di questo elaborato è realizzare delle misure delle prestazioni in ambiente indoor tramite l’utilizzo di due nodi (End Devices) e un gateway. Sono state sviluppate due applicazioni Java per realizzare la comunicazione tra i dispositivi. Le misure sono state realizzate inizialmente con un nodo singolo, per osservarne il tasso di perdita di pacchetti (packet loss rate) e l’attenuazione di potenza sul canale (channel loss). Successivamente sono state inviate trasmissioni da entrambi i nodi, prima separatamente e poi in contemporanea, per valutare l’interferenza tra invii di messaggi con uguali impostazioni nello stesso canale. Per fare ciò è stato utilizzato un modello della comunicazione di canale che tiene conto del path loss e dello shadowing log-normale. I risultati hanno mostrato che con un solo nodo si tratta di una tecnologia affidabile. Per quanto riguarda i risultati delle misure con interferente è emersa una differenza con i valori attesi fino al 20%. Nell’elaborato vengono discussi i risultati ottenuti e possibili sviluppi futuri per questo tipo di sperimentazione.

Precise Near-Field Focusing exploiting Bessel Beam Launchers for Wireless Power Transfer at millimeter waves

Wireless Power Transfer has become a promising technology to overcome the limits of wired solutions. Within this framework, the objective of this thesis is to study a WPT link at millimeter waves involving a particular type of antenna working in the radiative near-field, known as Bessel Beam (BB) Launcher. This antenna has been chosen for its peculiarity of generating a Bessel Beam which is by nature non-diffractive, showing good focusing and self-healing capabilities. In particular, a Bull-Eye Leaky Wave Antenna is designed and analysed, fed by a loop antenna and resonating at approximately 30 GHz. The structure excites a Hybrid-TE mode showing zeroth-order Bessel function over the z-component of the magnetic field. The same antenna is designed with two different dimensions, showing good wireless power transport properties. The link budgets obtained for different configurations are reported. With the aim of exploiting BB Launchers in wearable applications, a further analysis on the receiving part is conducted. For WPT wearable or implantable devices a reduced dimension of the receiver system must be considered. Therefore, an electrically large loop antenna in planar technology is modified, inserting phase shifters in order to increase the intensity of the magnetic field in its interrogation zone. This is fundamental when a BB Launcher is involved as transmitter. The loop antenna, in reception, shows a further miniaturization level since it is built such that its interrogation zone corresponds to the main beam dimension of transmitting BB Launcher. The link budget is evaluated with the new receiver showing comparable results with respect to previous configurations, showing an efficient WPT link for near-field focusing. Finally, a matching network and a full-wave rectifying circuit are attached to two of the different receiving systems considered. Further analysis will be carried out about the robustness of the square loop over biological tissues.