Fiber-Optic Technologies for Wireline and Wireless In-building Networks

This doctoral dissertation aims to establish fiber-optic technologies overcoming the limiting issues of data communications in indoor environments. Specific applications are broadband mobile distribution in different in-building scenarios and high-speed digital transmission over short-range wired optical systems. Two key enabling technologies are considered: Radio over Fiber (RoF) techniques over standard silica fibers for distributed antenna systems (DAS) and plastic optical fibers (POFs) for short-range communications. Hence, the objectives and achievements of this thesis are related to the application of RoF and POF technologies in different in-building scenarios. On one hand, a theoretical and experimental analysis combined with demonstration activities has been performed on cost-effective RoF systems. An extensive modeling on modal noise impact both on linear and non-linear characteristics of RoF link over silica multimode fiber has been performed to achieve link design rules for an optimum choice of the transmitter, receiver and launching technique. A successful transmission of Long Term Evolution (LTE) mobile signals on the resulting optimized RoF system over silica multimode fiber employing a Fabry-Perot LD, central launch technique and a photodiode with a built-in ball lens was demonstrated up to 525m with performances well compliant with standard requirements. On the other hand, digital signal processing techniques to overcome the bandwidth limitation of POF have been investigated. An uncoded net bit-rate of 5.15Gbit/s was obtained on a 50m long POF link employing an eye-safe transmitter, a silicon photodiode, and DMT modulation with bit and power loading algorithm. With the insertion of 3x2N quadrature amplitude modulation constellation formats, an uncoded net-bit-rate of 5.4Gbit/s was obtained on a 50 m long POF link employing an eye-safe transmitter and a silicon avalanche photodiode. Moreover, simultaneous transmission of baseband 2Gbit/s with DMT and 200Mbit/s with an ultra-wideband radio signal has been validated over a 50m long POF link.

Co-simulazione e co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali

L’attività di ricerca contenuta in questa tesi si è concentrata nello sviluppo e nell’implementazione di tecniche per la co-simulazione e il co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali. Questo lavoro presenta un metodo rigoroso per considerare le interazioni tra due sistemi posti sia in condizioni di campo vicino che in condizioni di campo lontano. In sostanza, gli effetti del sistema trasmittente sono rappresentati da un generatore equivalente di Norton posto in parallelo all’antenna del sistema ricevente, calcolato per mezzo del teorema di reciprocità e del teorema di equivalenza. La correttezza del metodo è stata verificata per mezzo di simulazioni e misure, concordi tra loro. La stessa teoria, ampliata con l’introduzione degli effetti di scattering, è stata usata per valutare una condizione analoga, dove l’elemento trasmittente coincide con quello ricevente (DIE) contenuto all’interno di una struttura metallica (package). I risultati sono stati confrontati con i medesimi ottenibili tramite tecniche FEM e FDTD/FIT, che richiedono tempi di simulazione maggiori di un ordine di grandezza. Grazie ai metodi di co-simulazione non lineari/EM sopra esposti, è stato progettato e verificato un sistema di localizzazione e identificazione di oggetti taggati posti in ambiente indoor. Questo è stato ottenuto dotando il sistema di lettura, denominato RID (Remotely Identify and Detect), di funzioni di scansione angolare e della tecnica di RADAR mono-pulse. Il sistema sperimentale, creato con dispositivi low cost, opera a 2.5 GHz ed ha le dimensioni paragonabili ad un normale PDA. E’ stato sperimentata la capacità del RID di localizzare, in scenari indoor, oggetti statici e in movimento.

Progetto ed implementazione di protocolli a basso consumo energetico per reti wireless

"I computer del nuovo millennio saranno sempre più invisibili, o meglio embedded, incorporati agli oggetti, ai mobili, anche al nostro corpo. L'intelligenza elettronica sviluppata su silicio diventerà sempre più diffusa e ubiqua. Sarà come un'orchestra di oggetti interattivi, non invasivi e dalla presenza discreta, ovunque". [Mark Weiser, 1991] La visione dell'ubiquitous computing, prevista da Weiser, è ormai molto vicina alla realtà e anticipa una rivoluzione tecnologica nella quale l'elaborazione di dati ha assunto un ruolo sempre più dominante nella nostra vita quotidiana. La rivoluzione porta non solo a vedere l'elaborazione di dati come un'operazione che si può compiere attraverso un computer desktop, legato quindi ad una postazione fissa, ma soprattutto a considerare l'uso della tecnologia come qualcosa di necessario in ogni occasione, in ogni luogo e la diffusione della miniaturizzazione dei dispositivi elettronici e delle tecnologie di comunicazione wireless ha contribuito notevolmente alla realizzazione di questo scenario. La possibilità di avere a disposizione nei luoghi più impensabili sistemi elettronici di piccole dimensioni e autoalimentati ha contribuito allo sviluppo di nuove applicazioni, tra le quali troviamo le WSN (Wireless Sensor Network), ovvero reti formate da dispositivi in grado di monitorare qualsiasi grandezza naturale misurabile e inviare i dati verso sistemi in grado di elaborare e immagazzinare le informazioni raccolte. La novità introdotta dalle reti WSN è rappresentata dalla possibilità di effettuare monitoraggi con continuità delle più diverse grandezze fisiche, il che ha consentito a questa nuova tecnologia l'accesso ad un mercato che prevede una vastità di scenari indefinita. Osservazioni estese sia nello spazio che nel tempo possono essere inoltre utili per poter ricavare informazioni sull'andamento di fenomeni naturali che, se monitorati saltuariamente, non fornirebbero alcuna informazione interessante. Tra i casi d'interesse più rilevanti si possono evidenziare: - segnalazione di emergenze (terremoti, inondazioni) - monitoraggio di parametri difficilmente accessibili all'uomo (frane, ghiacciai) - smart cities (analisi e controllo di illuminazione pubblica, traffico, inquinamento, contatori gas e luce) - monitoraggio di parametri utili al miglioramento di attività produttive (agricoltura intelligente, monitoraggio consumi) - sorveglianza (controllo accessi ad aree riservate, rilevamento della presenza dell'uomo) Il vantaggio rappresentato da un basso consumo energetico, e di conseguenza un tempo di vita della rete elevato, ha come controparte il non elevato range di copertura wireless, valutato nell'ordine delle decine di metri secondo lo standard IEEE 802.15.4. Il monitoraggio di un'area di grandi dimensioni richiede quindi la disposizione di nodi intermedi aventi le funzioni di un router, il cui compito sarà quello di inoltrare i dati ricevuti verso il coordinatore della rete. Il tempo di vita dei nodi intermedi è di notevole importanza perché, in caso di spegnimento, parte delle informazioni raccolte non raggiungerebbero il coordinatore e quindi non verrebbero immagazzinate e analizzate dall'uomo o dai sistemi di controllo. Lo scopo di questa trattazione è la creazione di un protocollo di comunicazione che preveda meccanismi di routing orientati alla ricerca del massimo tempo di vita della rete. Nel capitolo 1 vengono introdotte le WSN descrivendo caratteristiche generali, applicazioni, struttura della rete e architettura hardware richiesta. Nel capitolo 2 viene illustrato l'ambiente di sviluppo del progetto, analizzando le piattaforme hardware, firmware e software sulle quali ci appoggeremo per realizzare il progetto. Verranno descritti anche alcuni strumenti utili per effettuare la programmazione e il debug della rete. Nel capitolo 3 si descrivono i requisiti di progetto e si realizza una mappatura dell'architettura finale. Nel capitolo 4 si sviluppa il protocollo di routing, analizzando i consumi e motivando le scelte progettuali. Nel capitolo 5 vengono presentate le interfacce grafiche utilizzate utili per l'analisi dei dati. Nel capitolo 6 vengono esposti i risultati sperimentali dell'implementazione fissando come obiettivo il massimo lifetime della rete.

Sicurezza nelle reti di sensori wireless UWB: generazione di chiavi simmetriche da parametri fisici

Le reti di oggetti intelligenti costituiscono una realtà che si sta affermando nel mondo quotidiano. Dispositivi capaci di comunicare tra loro, oltre che svolgere la propria funzione primaria, possono comporre una nuvola che faccia riferimento al legittimo proprietario. Un aspetto fondamentale di questo scenario riguarda la sicurezza, in particolar modo per garantire una comunicazione protetta. Il soddisfacimento di questo requisito è fondamentale anche per altri punti come l'integrità dell'informazione condivisa e l'autenticazione. Lo strumento più antico e tutt'ora adatto alla riservatezza di una comunicazione è costituito dalla crittografia. Una tecnica crittografica è schematicamente composta da un algoritmo che, a seconda di una chiave e del messaggio in ingresso, restituisce in uscita un messaggio cifrato, il crittogramma. Questo viene poi inviato e al legittimo destinatario che, essendo in possesso della chiave e dell'algoritmo, lo converte nel messaggio originale. L'obiettivo è rendere impossibile ad un utente malevolo - non dotato di chiave - la ricostruzione del messaggio. L'assunzione che l'algoritmo possa essere noto anche a terze parti concentra l'attenzione sul tema della chiave. La chiave deve essere sufficientemente lunga e casuale, ma soprattutto deve essere nota ai due utenti che intendono instaurare la comunicazione. Quest'ultimo problema, noto come distribuzione della chiave, è stato risolto con il sistema RSA a chiave pubblica. Il costo computazionale di questa tecnica, specialmente in un contesto di dispositivi non caratterizzati da grandi potenze di calcolo, suggerisce però la ricerca di strade alternative e meno onerose. Una soluzione promettente ed attualmente oggetto di studio sembra essere costituita dalle proprietà del canale wireless. Un ponte radio è caratterizzato da una funzione di trasferimento che dipende dall'ambiente in cui ci si trova e, per il teorema di reciprocità, risulta essere lo stesso per i due utenti che l'hanno instaurato. Oggetto della tesi è lo studio ed il confronto di alcune delle tecniche possibili per estrarre una chiave segreta da un mezzo condiviso, come quello del canale wireless. Si presenterà il contesto in cui verrà sviluppato l'elaborato. Si affronteranno in particolare due casi di interesse, costituiti dalla attuale tecnologia di propagazione del segnale a banda stretta (impiegata per la maggior parte delle trasmissioni senza fili) per passare a quella relativamente più recente della banda Ultra-larga (UWB). Verranno poi illustrate delle tecniche per ottenere stringhe di bit dai segnali acquisiti, e saranno proposti dei metodi per la loro correzione da eventuali discordanze. Saranno infine riportate le conclusioni sul lavoro svolto e le possibili strade future.

From fall-risk assessment to fall detection: inertial sensors in the clinical routine and daily life

Falls are caused by complex interaction between multiple risk factors which may be modified by age, disease and environment. A variety of methods and tools for fall risk assessment have been proposed, but none of which is universally accepted. Existing tools are generally not capable of providing a quantitative predictive assessment of fall risk. The need for objective, cost-effective and clinically applicable methods would enable quantitative assessment of fall risk on a subject-specific basis. Tracking objectively falls risk could provide timely feedback about the effectiveness of administered interventions enabling intervention strategies to be modified or changed if found to be ineffective. Moreover, some of the fundamental factors leading to falls and what actually happens during a fall remain unclear. Objectively documented and measured falls are needed to improve knowledge of fall in order to develop more effective prevention strategies and prolong independent living. In the last decade, several research groups have developed sensor-based automatic or semi-automatic fall risk assessment tools using wearable inertial sensors. This approach may also serve to detect falls. At the moment, i) several fall-risk assessment studies based on inertial sensors, even if promising, lack of a biomechanical model-based approach which could provide accurate and more detailed measurements of interests (e.g., joint moments, forces) and ii) the number of published real-world fall data of older people in a real-world environment is minimal since most authors have used simulations with healthy volunteers as a surrogate for real-world falls. With these limitations in mind, this thesis aims i) to suggest a novel method for the kinematics and dynamics evaluation of functional motor tasks, often used in clinics for the fall-risk evaluation, through a body sensor network and a biomechanical approach and ii) to define the guidelines for a fall detection algorithm based on a real-world fall database availability.

Assessment of Daily Life Mobility Levels using Wearable Inertial Sensors and Minimun Measured Input Models

Tracking activities during daily life and assessing movement parameters is essential for complementing the information gathered in confined environments such as clinical and physical activity laboratories for the assessment of mobility. Inertial measurement units (IMUs) are used as to monitor the motion of human movement for prolonged periods of time and without space limitations. The focus in this study was to provide a robust, low-cost and an unobtrusive solution for evaluating human motion using a single IMU. First part of the study focused on monitoring and classification of the daily life activities. A simple method that analyses the variations in signal was developed to distinguish two types of activity intervals: active and inactive. Neural classifier was used to classify active intervals; the angle with respect to gravity was used to classify inactive intervals. Second part of the study focused on extraction of gait parameters using a single inertial measurement unit (IMU) attached to the pelvis. Two complementary methods were proposed for gait parameters estimation. First method was a wavelet based method developed for the estimation of gait events. Second method was developed for estimating step and stride length during level walking using the estimations of the previous method. A special integration algorithm was extended to operate on each gait cycle using a specially designed Kalman filter. The developed methods were also applied on various scenarios. Activity monitoring method was used in a PRIN’07 project to assess the mobility levels of individuals living in a urban area. The same method was applied on volleyball players to analyze the fitness levels of them by monitoring their daily life activities. The methods proposed in these studies provided a simple, unobtrusive and low-cost solution for monitoring and assessing activities outside of controlled environments.

Progetto di un sistema wireless a microcontrollore per il monitoraggio di consumi elettrici

L’obiettivo che questo elaborato si pone è la realizzazione di un prototipo di smart meter distribuito che, in modalità Near-Real-Time, acquisisca ed invii ad un database remoto i consumi relativi ad ogni singolo carico elettrico presente in una abitazione.

Biochemische Charakterisierung des O 2-Sensors NreB aus Staphylococcus carnosus

Staphylococcus carnosus wird in der Lebensmittelindustrie als Starterkultur in der Rohwurstfermentation eingesetzt. Das Gram-positive Bakterium ist fakultativ anaerob und kann unter anaeroben Bedingungen Nitrat und Nitrit zu Ammonium reduzieren. Die Expression der Gene der Nitrat-, Nitritreduktase und des potentiellen Nitrattrans-porters, wird vom NreBC Zwei-Komponentensystem reguliert. NreB ist eine cy-toplasmatische Sensor-Histidinkinase, die Ähnlichkeiten zu HämB-bindenden PAS-Domänen aufweist. NreB reagiert auf Sauerstoff und kontrolliert zusammen mit dem Response-Regulator NreC die Expression der Gene der Nitrat/Nitrit-Atmung. Die Gene nreBC wurden in Staphylococcus Arten, Bacillus clausii und anderen Bacil-lus Arten gefunden. Anaerob präpariertes NreB von S. carnosus enthält ein diamag-netisches [4Fe-4S]2+-Zentrum, das durch Mössbauer-Spektroskopie identifiziert wur-de. Nach Luftexposition wurde das [4Fe-4S]2+-Zentrum mit einer Halbwertszeit von 2,5 Minuten zu nicht an das Protein gebundenem γ-FeOOH oxidiert. Mit EPR- und Mössbauer-Spektroskopie konnten keine signifikanten Mengen von Zwischenstufen detektiert werden. Photoreduktion mit Deazaflavin lieferte kleine Mengen von [4Fe-4S]1+, die aber nicht stabil waren und sofort wieder zerfielen. Das magnetische Mössbauer-Spektrum des [4Fe-4S]2+-Zentrums wies eine hohe Symmetrie auf, wor-aus man auf eine vollständige Delokalisation der Elektronen und dieselben Liganden für alle Eisenionen schließen kann. In Übereinstimmung mit ihrer Rolle als Liganden des FeS-Zentrums inaktivierte der Austausch der einzelnen Cysteinreste (Cys59, Cys62, Cys74, Cys77) gegen Alanin oder Serin die Funktion von NreB in vivo. Die [4Fe-4S]2+-enthaltende Form von NreB besaß eine hohe Kinaseaktivität. Luftexposition erniedrigte den Gehalt an [4Fe-4S]2+-Zentrum und die Kinaseaktivität mit ähnlichen Halbwertszeiten von 2,5 min. Die Sensor-Domäne von NreB ist eine neuartige PAS-Domäne, die einen FeS-haltigen Co-Faktor (in diesem Fall ein [4Fe-4S]2+-Zentrum) zur Reizperzeption be-sitzt. Das O2-sensitive [4Fe-4S]2+-Zentrum von NreB ist dem [4Fe-4S]2+-Zentrum des DNA-bindenden FNR Proteins aus Escherichia coli ähnlich und kommt möglicherwei-se in anderen O2-wahrnehmenden bakteriellen Proteinen vor. Daraus kann man schließen, dass der Mechanismus der Sauerstoffwahrnehmung über O2-sensitive [4Fe-4S]2+-Zentren in der Evolution mehrfach und unabhängig voneinander in ver-schiedenen bakteriellen O2-Sensoren entstanden ist.

Cooperative Wireless Systems

This Ph.D. dissertation reports on the work performed at the Wireless Communication Laboratory - University of Bologna and National Research Council - as well as, for six months, at the Fraunhofer Institute for Integrated Circuit (IIS) in Nürnberg. The work of this thesis is in the area of wireless communications, especially with regards to cooperative communications aspects in narrow-band and ultra-wideband systems, cooperative links characterization, network geometry, power allocation techniques,and synchronization between nodes. The underpinning of this work is devoted to developing a general framework for design and analysis of wireless cooperative communication systems, which depends on propagation environment, transmission technique, diversity method, power allocation for various scenarios and relay positions. The optimal power allocation for minimizing the bit error probability at the destination is derived. In addition, a syncronization algorithm for master-slave communications is proposed with the aim of jointly compensate the clock drift and offset of wireless nodes composing the network.

Ultra-low power WSNs: distributed signal processing and dynamic resource management

This thesis presents several data processing and compression techniques capable of addressing the strict requirements of wireless sensor networks. After introducing a general overview of sensor networks, the energy problem is introduced, dividing the different energy reduction approaches according to the different subsystem they try to optimize. To manage the complexity brought by these techniques, a quick overview of the most common middlewares for WSNs is given, describing in detail SPINE2, a framework for data processing in the node environment. The focus is then shifted on the in-network aggregation techniques, used to reduce data sent by the network nodes trying to prolong the network lifetime as long as possible. Among the several techniques, the most promising approach is the Compressive Sensing (CS). To investigate this technique, a practical implementation of the algorithm is compared against a simpler aggregation scheme, deriving a mixed algorithm able to successfully reduce the power consumption. The analysis moves from compression implemented on single nodes to CS for signal ensembles, trying to exploit the correlations among sensors and nodes to improve compression and reconstruction quality. The two main techniques for signal ensembles, Distributed CS (DCS) and Kronecker CS (KCS), are introduced and compared against a common set of data gathered by real deployments. The best trade-off between reconstruction quality and power consumption is then investigated. The usage of CS is also addressed when the signal of interest is sampled at a Sub-Nyquist rate, evaluating the reconstruction performance. Finally the group sparsity CS (GS-CS) is compared to another well-known technique for reconstruction of signals from an highly sub-sampled version. These two frameworks are compared again against a real data-set and an insightful analysis of the trade-off between reconstruction quality and lifetime is given.

Wireless Networks for Body-Centric Communications

Progress in miniaturization of electronic components and design of wireless systems paved the way towards ubiquitous and pervasive communications, enabling anywhere and anytime connectivity. Wireless devices present on, inside, around the human body are becoming commonly used, leading to the class of body-centric communications. The presence of the body with all its peculiar characteristics has to be properly taken into account in the development and design of wireless networks in this context. This thesis addresses various aspects of body-centric communications, with the aim of investigating network performance achievable in different scenarios. The main original contributions pertain to the performance evaluation for Wireless Body Area Networks (WBANs) at the Medium Access Control layer: the application of Link Adaptation to these networks is proposed, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance algorithms used for WBAN are extensively investigated, coexistence with other wireless systems is examined. Then, an analytical model for interference in wireless access network is developed, which can be applied to the study of communication between devices located on humans and fixed nodes of an external infrastructure. Finally, results on experimental activities regarding the investigation of human mobility and sociality are presented.