Validazione sperimentale di un modello ray tracing in ambienti indoor

Il trattato sottolinea quanto sia indispensabile avere un confronto fra le simulazioni numeriche effettuate col metodo Ray Tracing e le campagne di misure sperimentali. Sebbene le simulazioni numeriche comportino un impiego di tempo e risorse oneroso, una volta impostate risultano molto versatili e rapide nell'apportare cambiamenti ai relativi settaggi e ambiente di propagazione.

Performance analysis of ray-tracing assisted beamforming techniques for future mm-wave wireless systems.

Il progetto di tesi riguarda principalmente la progettazione di moderni sistemi wireless, come 5G o WiGig, operanti a onde millimetriche, attraverso lo studio di una tecnica avanzata detta Beamforming, che, grazie all'utilizzo di antenne direttive e compatte, permette di superare limiti di link budget dovuti alle alte frequenze e introdurre inoltre diversità spaziale alla comunicazione. L'obiettivo principale del lavoro è stato quello di valutare, tramite simulazioni numeriche, le prestazioni di alcuni diversi schemi di Beamforming integrando come tool di supporto un programma di Ray Tracing capace di fornire le principali informazioni riguardo al canale radio. Con esso infatti è possibile sia effettuare un assessment generale del Beamforming stesso, ma anche formulare i presupposti per innovative soluzioni, chiamate RayTracing-assisted- Beamforming, decisamente promettenti per futuri sviluppi così come confermato dai risultati.

Ray-tracing assessment of the robustness of Physical Layer Security key generation protocol

Nowadays, information security is a very important topic. In particular, wireless networks are experiencing an ongoing widespread diffusion, also thanks the increasing number of Internet Of Things devices, which generate and transmit a lot of data: protecting wireless communications is of fundamental importance, possibly through an easy but secure method. Physical Layer Security is an umbrella of techniques that leverages the characteristic of the wireless channel to generate security for the transmission. In particular, the Physical Layer based-Key generation aims at allowing two users to generate a random symmetric keys in an autonomous way, hence without the aid of a trusted third entity. Physical Layer based-Key generation relies on observations of the wireless channel, from which harvesting entropy: however, an attacker might possesses a channel simulator, for example a Ray Tracing simulator, to replicate the channel between the legitimate users, in order to guess the secret key and break the security of the communication. This thesis work is focused on the possibility to carry out a so called Ray Tracing attack: the method utilized for the assessment consist of a set of channel measurements, in different channel conditions, that are then compared with the simulated channel from the ray tracing, to compute the mutual information between the measurements and simulations. Furthermore, it is also presented the possibility of using the Ray Tracing as a tool to evaluate the impact of channel parameters (e.g. the bandwidth or the directivity of the antenna) on the Physical Layer based-Key generation. The measurements have been carried out at the Barkhausen Institut gGmbH in Dresden (GE), in the framework of the existing cooperation agreement between BI and the Dept. of Electrical, Electronics and Information Engineering "G. Marconi" (DEI) at the University of Bologna.

Sintesi di immagini realistiche mediante l'uso del Photon differentials come estensione del Photon mapping

Questa tesi intende presentare una tecnica per la sintesi di immagini realistiche al calcolatore basata sul concetto di particle tracing. Il metodo proposto opera una stima sulla densità locale dei fotoni estendendo il concetto del photon differentials anche alla gestione delle riflessioni diffusive. Si è scelto di implementare il nuovo algoritmo di illuminazione globale all’interno di XCModel come estensione del photon mapping.

Electromagnetic simulation and measurement of diffuse scattering from building walls

Il fenomeno dello scattering diffuso è stato oggetto di numerosi studi nell’arco degli ultimi anni, questo grazie alla sua rilevanza nell’ambito della propagazione elettromagnetica così come in molti altri campi di applicazione (remote sensing, ottica, fisica, etc.), ma la compresione completa di questo effetto è lungi dall’essere raggiunta. Infatti la complessità nello studio e nella caratterizzazione della diffusione deriva dalla miriade di casistiche ed effetti che si possono incontrare in un ambiente di propagazione reale, lasciando intuire la necessità di trattarne probabilisticamente il relativo contributo. Da qui nasce l’esigenza di avere applicazioni efficienti dal punto di vista ingegneristico che coniughino la definizione rigorosa del fenomeno e la conseguente semplificazione per fini pratici. In tale visione possiamo descrivere lo scattering diffuso come la sovrapposizione di tutti quegli effetti che si scostano dalle classiche leggi dell’ottica geometrica (riflessione, rifrazione e diffrazione) che generano contributi del campo anche in punti dello spazio e direzioni in cui teoricamente, per oggetti lisci ed omogenei, non dovrebbe esserci alcun apporto. Dunque l’effetto principale, nel caso di ambiente di propagazione reale, è la diversa distribuzione spaziale del campo rispetto al caso teorico di superficie liscia ed omogenea in congiunzione ad effetti di depolarizzazione e redistribuzione di energia nel bilancio di potenza. Perciò la complessità del fenomeno è evidente e l’obiettivo di tale elaborato è di proporre nuovi risultati che permettano di meglio descrivere lo scattering diffuso ed individuare altresì le tematiche sulle quali concentrare l’attenzione nei lavori futuri. In principio è stato quindi effettuato uno studio bibliografico così da identificare i modelli e le teorie esistenti individuando i punti sui quali riflettere maggiormente; nel contempo si sono analizzate le metodologie di caratterizzazione della permittività elettrica complessa dei materiali, questo per valutare la possibilità di ricavare i parametri da utilizzare nelle simulazioni utilizzando il medesimo setup di misura ideato per lo studio della diffusione. Successivamente si è realizzato un setup di simulazione grazie ad un software di calcolo elettromagnetico (basato sul metodo delle differenze finite nel dominio del tempo) grazie al quale è stato possibile analizzare la dispersione tridimensionale dovuta alle irregolarità del materiale. Infine è stata condotta una campagna di misure in camera anecoica con un banco sperimentale realizzato ad-hoc per effettuare una caratterizzazione del fenomeno di scattering in banda larga.

Misure e simulazioni a 60ghz per lo studio della propagazione negli edifici

Studio di misure fatte a 60 GHz e delle rispettive simulazioni mediante Ray Tracing

Studio delle prestazioni di tecniche di beamforming a onde millimetriche

L’elaborato è incentrato sul problema dello Human Blockage, e lo si è analizzato utilizzando tecniche di copertura radio, per ambienti indoor, basate sull’uso di array di antenne. In particolare si è dato enfasi alle tecniche Radiale, Single Beamforming e Multi Beamforming che sono state utilizzate per ottenere le performance in termini di CINR che hanno evidenziato le differenze tra scenari "statici" in cui le ostruzioni sono solo oggetti e "dinamici" i blockage sono costituiti da corpi umani.

Studio e validazione di modelli di propagazione radio in ambiente urbano per tecniche di localizzazione non cooperativa

La previsione della copertura RF in ambiente urbano è oggi comunemente considerato un problema risolto, con decine di modelli proposti in letteratura che mostrano una buona approssimazione rispetto alle misure. Tra questi, il ray tracing è considerato come uno dei più accurati tra i modelli disponibili. In questo lavoro si dimostra però come sia ancora necessario parecchio lavoro per fare in modo che il ray tracing possa essere effettivamente impiegato per scopi pratici.

Motori di Rendering a confronto in Blender: Teoria e Applicazioni

L'elaborato prende in esame alcuni motori di rendering, studiandone e descrivendone le caratteristiche sia dal punto di vista teorico-matematico che pratico, con un'ampia introduzione sulla teoria del rendering e sui diversi modelli di illuminazione.

Deep Learning Architectures for time of arrival detection in Acoustic Emissions Monitoring

Acoustic Emission (AE) monitoring can be used to detect the presence of damage as well as determine its location in Structural Health Monitoring (SHM) applications. Information on the time difference of the signal generated by the damage event arriving at different sensors is essential in performing localization. This makes the time of arrival (ToA) an important piece of information to retrieve from the AE signal. Generally, this is determined using statistical methods such as the Akaike Information Criterion (AIC) which is particularly prone to errors in the presence of noise. And given that the structures of interest are surrounded with harsh environments, a way to accurately estimate the arrival time in such noisy scenarios is of particular interest. In this work, two new methods are presented to estimate the arrival times of AE signals which are based on Machine Learning. Inspired by great results in the field, two models are presented which are Deep Learning models - a subset of machine learning. They are based on Convolutional Neural Network (CNN) and Capsule Neural Network (CapsNet). The primary advantage of such models is that they do not require the user to pre-define selected features but only require raw data to be given and the models establish non-linear relationships between the inputs and outputs. The performance of the models is evaluated using AE signals generated by a custom ray-tracing algorithm by propagating them on an aluminium plate and compared to AIC. It was found that the relative error in estimation on the test set was < 5% for the models compared to around 45% of AIC. The testing process was further continued by preparing an experimental setup and acquiring real AE signals to test on. Similar performances were observed where the two models not only outperform AIC by more than a magnitude in their average errors but also they were shown to be a lot more robust as compared to AIC which fails in the presence of noise.

Studio della propagazione radio MIMO in scenari street-intersection

L'elaborato si suddivide essenzialmente in due parti principali. Una prima parte descrittiva dove vengono presentati i concetti fondamentali per la corretta comprensione della seconda, nella quale viene descritto il progetto svolto. Esso mira a valutare l’effetto che oggetti in metallo presenti in prossimità di un incrocio stradale hanno sulla propagazione del segnale radio, e in particolare sulla generazione di cammini multipli. I cammini multipli vengono infatti sfruttati dalle tecnologie di trasmissione a multiple antenne (MIMO) per incrementare la capacità di trasmissione. Un parametro sintetico che permette di caratterizzare le prestazioni dei sistemi MIMO è il cosiddetto Condition Number, che si è utilizzato in questo elaborato. Per effettuare lo studio delle prestazioni MIMO si sono utilizzate simulazioni elettromagnetiche a raggi (ray-tracing) e misure sperimentali, che sono state effettuate in prossimità del campus dell’Università Jiaotong di Shanghai, in Cina. Inizialmente, utilizzando una mappa standard dell’ambiente di propagazione, contenente i soli edifici, i valori di Condition Number ottenuti dalle simulazioni ray-tracing differivano notevolmente dai valori sperimentali. Il mio compito è stato quello di modellare nuovi elementi di forma cilindrica che ben simulano le proprietà fisico-geometriche dei pali e di altri oggetti metallici presenti lungo il tragitto e nelle intersezioni stradali e di inserirli nella mappa nella corretta posizione. Le simulazioni poi sono servite per valutare l’efficacia in termini di miglioramento delle prestazioni, in particolare sulla generazione di nuovi cammini sfasati nel tempo e nello spazio, e il relativo effetto sui valori numerici del condition number. Successivamente, è stata fatta una valutazione sull’influenza della vegetazione presente in loco per vedere quanta influenza abbia sul collegamento radio.