Efficient wireless coverage of in-building environments with low electromagnetic impact

The city of tomorrow is a major integrating stake, which crosses a set of major broad spectrum domains. One of these areas is the instrumentation of this city and the ubiquity of the exchange of data, which will give the pulse of this city (sensors) and its breathing in a hyper-connected world within indoor and outdoor dense areas (data exchange, 5G and 6G). Within this context, the proposed doctorate project has the objective to realize cost- and energy- effective, short-range communication systems for the capillary wireless coverage of in-door environments with low electromagnetic impact and for highly dense outdoor networks. The result will be reached through the combined use of: 1) Radio over Fiber (RoF) Technology, to bring the Radio Frequency (RF) signal to the different areas to be covered. 2) Beamforming antennas to send in real time the RF power just in the direction(s) where it is really necessary.

Grant-free protocols for massive multiple access

In next generation Internet-of-Things, the overhead introduced by grant-based multiple access protocols may engulf the access network as a consequence of the proliferation of connected devices. Grant-free access protocols are therefore gaining an increasing interest to support massive multiple access. In addition to scalability requirements, new demands have emerged for massive multiple access, including latency and reliability. The challenges envisaged for future wireless communication networks, particularly in the context of massive access, include: i) a very large population size of low power devices transmitting short packets; ii) an ever-increasing scalability requirement; iii) a mild fixed maximum latency requirement; iv) a non-trivial requirement on reliability. To this aim, we suggest the joint utilization of grant-free access protocols, massive MIMO at the base station side, framed schemes to let the contention start and end within a frame, and succesive interference cancellation techniques at the base station side. In essence, this approach is encapsulated in the concept of coded random access with massive MIMO processing. These schemes can be explored from various angles, spanning the protocol stack from the physical (PHY) to the medium access control (MAC) layer. In this thesis, we delve into both of these layers, examining topics ranging from symbol-level signal processing to succesive interference cancellation-based scheduling strategies. In parallel with proposing new schemes, our work includes a theoretical analysis aimed at providing valuable system design guidelines. As a main theoretical outcome, we propose a novel joint PHY and MAC layer design based on density evolution on sparse graphs.

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.

Radar FMCW per la rilevazione di ostacoli in movimento

Lo scopo di questa attività di tesi è quello di rilevare dinamicamente la posizione di ostacoli mediante radar FMCW. I radar a onda continua modulati in frequenza sono alla base dei moderni sensori in ambito automotive, in quanto consentono allo stesso tempo di rilevare la distanza, l’angolazione e la velocità di un corpo detto target analizzando gli scostamenti temporali e in frequenza tra i segnali (detti chirp) trasmessi e quelli riflessi dai corpi. Nel lavoro di tesi si analizza sperimentalmente come il radar a onda continua MIMO (multiple input multiple output) RBK2, presente presso il laboratorio TLC del Campus di Cesena, può essere utilizzato per ricavare la velocità relativa di un target, che si avvicina o si allontana dal radar. Innanzitutto, vengono settati i parametri per l’acquisizione e per il processing necessario per ottenere una matrice Angolo-Range che caratterizza staticamente il target. Il mixer interno al radar, a seguito della ricezione di un segnale di eco, produce un segnale a frequenza intermedia il cui spettro presenta un picco in corrispondenza della distanza del target che lo ha riflesso. A questo punto si conosce la posizione del corpo e si procede con la stima della velocità sfruttando l’effetto Doppler: analizzando i chirp riflessi dallo stesso target in istanti successivi si ottengono una serie di picchi nella stessa posizione ma con fasi differenti, e da tale sfasamento si ricava la componente radiale della velocità del target. Sono stati studiati sia il caso di misure outdoor che quello di misure indoor, infine è stato elaborato un codice Matlab in grado di fornire un feedback riguardante una possibile collisione in seguito alla stima della velocità del corpo. Tale tecnologia gioca quindi un ruolo fondamentale nell’ambito della sicurezza stradale potendo prevenire incidenti.

Multi-mode communications in near field exploiting OAM properties

This dissertation analyzes the exploitation of the orbital angular momentum (OAM) of the electromagnetic waves with large intelligent surfaces in the near-field region and line-of-sight conditions, in light of the holographic MIMO communication concept. Firstly, a characterization of the OAM-based communication problem is presented, and the relationship between OAM-carrying waves and communication modes is discussed. Then, practicable strategies for OAM detection using large intelligent surfaces and optimization methods based on beam focusing are proposed. Numerical results characterize the effectiveness of OAM with respect to other strategies, also including the proposed detection and optimization methods. It is shown that OAM waves constitute a particular choice of communication modes, i.e., an alternative basis set, which is sub-optimum with respect to optimal basis functions that can be derived by solving eigenfunction problems. Moreover, even the joint utilization of OAM waves with focusing strategies led to the conclusion that no channel capacity achievements can be obtained with these transmission techniques.

Metodi elettromagnetici per la rilevazione di rifiuti plastici galleggianti

Recentemente è stato stimato che si trovino circa 150 milioni di tonnellate di plastica nei mari di tutto il mondo, con conseguente aumento annuo di 8 milioni di tonnellate: si dice anche che entro il 2050 sarà presente, in termini di peso, nei mari e negli oceani più plastica che pesci. Inoltre, non solo le macro plastiche sono un serio problema ambientale, ma anche la loro frammentazione e decomposizione a causa della prolungata esposizione al sole, acqua e aria porta a microplastiche (dimensione minore di 5 mm): questi piccoli rifiuti che si vanno a depositare nei fondali rappresentano una seria problematica per la salute umana, poiché questi ultimi potrebbero essere ingeriti da pesci, provocandogli anche ridotta riproduttività e infiammazioni, entrando dunque nella nostra catena alimentare. L’idea di questo elaborato sviluppato mediante la collaborazione con il centro di ricerca VTT in Finlandia è quella di sviluppare soluzioni innovative e nuovi metodi per la rilevazione di rifiuti in plastica galleggianti. In sintesi, in questo elaborato sarà presente una parte di ricerca bibliografica, in cui vengono illustrati i principali articoli che spiegano i progetti più attinenti al Remote Sensing di rifiuti di plastica galleggianti trovati in letteratura, successivamente sarà presente la parte più pratica svolta al VTT, in particolare verrà spiegato il Radar MIMO a 60 GHz (prodotto dal VTT) utilizzato per le misurazioni di test su una piccola piscina circolare con i relativi dati ottenuti, infine si descriverà la campagna di misure tramite telecamere iperspettrali, sensori RGB e termo-infrarossi ad Oulu con, anche in tale caso, i dati spettrali di risalto che sono stati ricavati. Infine, in aggiunta ai risultati della campagna iperspettrale, si vuole cercare di applicare degli algoritmi di Machine Learning per cercare di classificare e dunque di identificare i vari campioni di plastica visualizzati nelle varie immagini spettrali acquisite.