Cognitive radio applications for enhanced spectrum efficiency

The aim of this thesis is the study of techniques for efficient management and use of the spectrum based on cognitive radio technology. The ability of cognitive radio technologies to adapt to the real-time conditions of its operating environment, offers the potential for more flexible use of the available spectrum. In this context, the international interest is particularly focused on the “white spaces” in the UHF band of digital terrestrial television. Spectrum sensing and geo-location database have been considered in order to obtain information on the electromagnetic environment. Different methodologies have been considered in order to investigate spectral resources potentially available for the white space devices in the TV band. The adopted methodologies are based on the geo-location database approach used either in autonomous operation or in combination with sensing techniques. A novel and computationally efficient methodology for the calculation of the maximum permitted white space device EIRP is then proposed. The methodology is suitable for implementation in TV white space databases. Different Italian scenarios are analyzed in order to identify both the available spectrum and the white space device emission limits. Finally two different applications of cognitive radio technology are considered. The first considered application is the emergency management. The attention is focused on the consideration of both cognitive and autonomic networking approaches when deploying an emergency management system. The cognitive technology is then considered in applications related to satellite systems. In particular a hybrid cognitive satellite-terrestrial is introduced and an analysis of coexistence between terrestrial and satellite networks by considering a cognitive approach is performed.

Spectrum Sensing Algorithms for Cognitive Radio Applications

Future wireless communications systems are expected to be extremely dynamic, smart and capable to interact with the surrounding radio environment. To implement such advanced devices, cognitive radio (CR) is a promising paradigm, focusing on strategies for acquiring information and learning. The first task of a cognitive systems is spectrum sensing, that has been mainly studied in the context of opportunistic spectrum access, in which cognitive nodes must implement signal detection techniques to identify unused bands for transmission. In the present work, we study different spectrum sensing algorithms, focusing on their statistical description and evaluation of the detection performance. Moving from traditional sensing approaches we consider the presence of practical impairments, and analyze algorithm design. Far from the ambition of cover the broad spectrum of spectrum sensing, we aim at providing contributions to the main classes of sensing techniques. In particular, in the context of energy detection we studied the practical design of the test, considering the case in which the noise power is estimated at the receiver. This analysis allows to deepen the phenomenon of the SNR wall, providing the conditions for its existence and showing that presence of the SNR wall is determined by the accuracy of the noise power estimation process. In the context of the eigenvalue based detectors, that can be adopted by multiple sensors systems, we studied the practical situation in presence of unbalances in the noise power at the receivers. Then, we shift the focus from single band detectors to wideband sensing, proposing a new approach based on information theoretic criteria. This technique is blind and, requiring no threshold setting, can be adopted even if the statistical distribution of the observed data in not known exactly. In the last part of the thesis we analyze some simple cooperative localization techniques based on weighted centroid strategies.

Cognitive radio in sistemi di comunicazione satellitari

La tesi descrive alcune applicazioni in ambito satellitare delle tecniche di radio cognitiva. In particolare si analizza la loro possibile implementazione in uno scenario dual-satellite in banda Ka nel quale l'utente primario si avvale dello standard DVB-S2 per la trasmissione. A seguire la verifica delle performance degli algoritmi di spectum sensing per la detection del segnale primario attraverso simulazioni in ambiente matlab con curve ROC e curve di probabilità di detection in funzione del rapporto segnale rumore.

Radio halos in a mass-selected sample of galaxy clusters

A fraction of galaxy clusters host Mpc-scale Radio Halos (RH), generated by ultrarelativistic electrons in the magnetized intra cluster medium (ICM). In the current view they trace turbulent regions in merging clusters, where relativistic particles are trapped and accelerated. This model has clear expectations about the statistical properties of RHs. To test these expectations large mass-selected samples of galaxy clusters with adequate radio and X-ray data are necessary. We used the Planck SZ cluster catalogue as suitable starting point of our investigation, selecting clusters with M500>6x10^14 Msun at 0.08

Ricerca dell'emissione alle alte energie da parte delle radio galassie fri e frii

Lo scenario di unificazione degli AGN caratterizza le molteplici proprietà di questi oggetti in termini del differente angolo di vista rispetto ad un sistema costituito da un toro oscurante, un disco di accrescimento che alimenta il SMBH e nubi di gas che circondano il buco nero. Circa il 10% degli AGN sono forti sorgenti radio. Questi oggetti, detti AGN Radio-Loud, sono caratterizzati da getti relativistici emessi trasversalmente rispetto al disco di accrescimento e comprendono le radio galassie e i blazar. In accordo con il modello unificato, le radio galassie (MAGN), rappresentano i blazar visti a grandi angoli di inclinazione del getto rispetto alla linea di vista. Nei blazar la radiazione emessa dai getti su scale del pc viene amplificata da effetti relativistici dando origine a spettri piatti con elevata polarizzazione ottica e forte variabilità. Questi oggetti rappresentano le sorgenti più brillanti identificate nel cielo gamma extragalattico. I MAGN, a differenza dei blazar, mostrano spettri ripidi e strutture radio quasi simmetriche. In queste sorgenti, l'effetto del Doppler boosting è meno evidente a causa del grande angolo di inclinazione del getto. In soli 3 mesi di osservazioni scientifiche effettuate con il satellite Fermi è stata rivelata emissione gamma da parte delle radio galassie NGC 1275 e Cen A. I MAGN rappresentano una nuova classe di sorgenti gamma. Tuttavia, il numero di radio galassie rivelate è sorprendentemente piccolo ponendo degli interrogativi sui meccanismi di emissione alle alte energie di questi oggetti. Nel presente lavoro di tesi, si analizzeranno i dati gamma raccolti dal LAT durante i primi 5 anni di osservazioni scientifiche per un campione di 10 radio galassie più brillanti selezionate dai cataloghi B2 e BCS. L'obiettivo principale sarà migliorare la statistica e cercare di comprendere la natura dell'emissione alle alte energie da parte delle radio galassie.

From Radio Channel Modeling to a System Level Perspective in Body-Centric Communications

Body-centric communications are emerging as a new paradigm in the panorama of personal communications. Being concerned with human behaviour, they are suitable for a wide variety of applications. The advances in the miniaturization of portable devices to be placed on or around the body, foster the diffusion of these systems, where the human body is the key element defining communication characteristics. This thesis investigates the human impact on body-centric communications under its distinctive aspects. First of all, the unique propagation environment defined by the body is described through a scenario-based channel modeling approach, according to the communication scenario considered, i.e., on- or on- to off-body. The novelty introduced pertains to the description of radio channel features accounting for multiple sources of variability at the same time. Secondly, the importance of a proper channel characterisation is shown integrating the on-body channel model in a system level simulator, allowing a more realistic comparison of different Physical and Medium Access Control layer solutions. Finally, the structure of a comprehensive simulation framework for system performance evaluation is proposed. It aims at merging in one tool, mobility and social features typical of the human being, together with the propagation aspects, in a scenario where multiple users interact sharing space and resources.

Osservazioni radio di bl lacertae durante un episodio di variabilita multi-frequenza

L'oggetto astronomico BL Lacertae nel corso dell'anno 2012 ha mostrato un aumento di attività su più bande di emissione. Al radiotelescopio di Medicina si sono allora intensificate le osservazioni dell'oggetto durante un periodo che va da dicembre 2012 ad aprile 2013. Si sono analizzati i dati ricavati durante queste osservazioni per la frequenza di emissione radio di 8 GHz, allo scopo di ricavare la variabilità di BL Lacertae.

An Integrated Transmission-Media Noise Calibration Software For Deep-Space Radio Science Experiments

The thesis describes the implementation of a calibration, format-translation and data conditioning software for radiometric tracking data of deep-space spacecraft. All of the available propagation-media noise rejection techniques available as features in the code are covered in their mathematical formulations, performance and software implementations. Some techniques are retrieved from literature and current state of the art, while other algorithms have been conceived ex novo. All of the three typical deep-space refractive environments (solar plasma, ionosphere, troposphere) are dealt with by employing specific subroutines. Specific attention has been reserved to the GNSS-based tropospheric path delay calibration subroutine, since it is the most bulky module of the software suite, in terms of both the sheer number of lines of code, and development time. The software is currently in its final stage of development and once completed will serve as a pre-processing stage for orbit determination codes. Calibration of transmission-media noise sources in radiometric observables proved to be an essential operation to be performed of radiometric data in order to meet the more and more demanding error budget requirements of modern deep-space missions. A completely autonomous and all-around propagation-media calibration software is a novelty in orbit determination, although standalone codes are currently employed by ESA and NASA. The described S/W is planned to be compatible with the current standards for tropospheric noise calibration used by both these agencies like the AMC, TSAC and ESA IFMS weather data, and it natively works with the Tracking Data Message file format (TDM) adopted by CCSDS as standard aimed to promote and simplify inter-agency collaboration.

Development Of New Toolkits For Orbit Determination Codes For Precise Radio Tracking Experiments

This thesis describes the developments of new models and toolkits for the orbit determination codes to support and improve the precise radio tracking experiments of the Cassini-Huygens mission, an interplanetary mission to study the Saturn system. The core of the orbit determination process is the comparison between observed observables and computed observables. Disturbances in either the observed or computed observables degrades the orbit determination process. Chapter 2 describes a detailed study of the numerical errors in the Doppler observables computed by NASA's ODP and MONTE, and ESA's AMFIN. A mathematical model of the numerical noise was developed and successfully validated analyzing against the Doppler observables computed by the ODP and MONTE, with typical relative errors smaller than 10%. The numerical noise proved to be, in general, an important source of noise in the orbit determination process and, in some conditions, it may becomes the dominant noise source. Three different approaches to reduce the numerical noise were proposed. Chapter 3 describes the development of the multiarc library, which allows to perform a multi-arc orbit determination with MONTE. The library was developed during the analysis of the Cassini radio science gravity experiments of the Saturn's satellite Rhea. Chapter 4 presents the estimation of the Rhea's gravity field obtained from a joint multi-arc analysis of Cassini R1 and R4 fly-bys, describing in details the spacecraft dynamical model used, the data selection and calibration procedure, and the analysis method followed. In particular, the approach of estimating the full unconstrained quadrupole gravity field was followed, obtaining a solution statistically not compatible with the condition of hydrostatic equilibrium. The solution proved to be stable and reliable. The normalized moment of inertia is in the range 0.37-0.4 indicating that Rhea's may be almost homogeneous, or at least characterized by a small degree of differentiation.

"Il carceriere di sé medesimo" di Lodovico Adimari e Alessandro Melani, Firenze 1681. Dalla «comedia» di Pedro Calderón de la Barca al «drama per musica» italiano di fine Seicento

Questo lavoro è imperniato sullo studio di uno dei melodrammi più interessanti della fine del XVII secolo: “Il carceriere di sé medesimo” di Lodovico Adimari (1644-1708) e Alessandro Melani (1639-1703), allestito per la prima volta a Firenze nel 1681, e ripreso nel giro di una ventina d’anni a Reggio (1684), a Bologna (1697) e a Vienna (1702). L’opera vanta un’origine drammatica di spicco: risale infatti alla commedia “Guardarse a sí mismo” di Pedro Calderón de la Barca (1600-1681) mediata dal “Geôlier de soi-mesme” di Thomas Corneille (1625-1709), e presenta qualità poetiche e musicali evidenti, assicurate dai nomi del poeta Lodovico Adimari e del compositore Alessandro Melani. A ciò si aggiungano una tradizione articolata in quattro allestimenti, nonché un elevato numero di testimoni superstiti: cinque edizioni del libretto (testimoniate da numerosi esemplari) e il numero fortunatissimo di tre partiture manoscritte, conservate a Parigi, Bologna e Modena. La tesi contiene l’edizione critica del “Carceriere di sé medesimo” di Adimari con tutte le varianti accumulatesi nella riedizione del libretto e nella copiatura della partitura, l’analisi del dramma, a partire dal confronto tra i testi di Calderón, Corneille e Adimari, e lo studio delle sue componenti drammatiche, formali e contenutistiche. Si aggiunge uno studio sul contesto storico-musicale degli allestimenti di Firenze, Reggio, Bologna e Vienna, nonché l’edizione dei restanti tre drammi di Adimari: la commedia “Le gare dell’amore e dell’amicizia” (1679), e il dramma per musica “L’amante di sua figlia” (1684).

Biomechanics of the distal radio-ulnar joint: A finite element study (biomeccanica dell'articolazione radio-ulnare distale: Studio agli elementi finiti)

Il metodo agli elementi finiti è stato utilizzato per valutare la distribuzione dei carichi e delle deformazioni in numerose componenti del corpo umano. L'applicazione di questo metodo ha avuto particolare successo nelle articolazioni con geometria semplice e condizioni di carico ben definite, mentre ha avuto un impatto minore sulla conoscenza della biomeccanica delle articolazioni multi-osso come il polso. Lo scopo di questo lavoro è quello di valutare gli aspetti clinici e biomeccanici dell’articolazione distale radio-ulnare, attraverso l’utilizzo di metodi di modellazione e di analisi agli elementi finiti. Sono stati progettati due modelli 3D a partire da immagini CT, in formato DICOM. Le immagini appartenevano ad un paziente con articolazione sana e ad un paziente con articolazione patologica, in particolare si trattava di una dislocazione ulnare traumatica. Le componenti principali dei modelli presi in considerazione sono stati: radio, ulna, cartilagine, legamento interosso, palmare e distale. Per la realizzazione del radio e dell’ulna sono stati utilizzati i metodi di segmentazione “Thresholding” e “RegionGrowing” sulle immagini e grazie ad operatori morfologici, è stato possibile distinguere l’osso corticale dall’osso spongioso. Successivamente è stata creata la cartilagine presente tra le due ossa, attraverso operazioni di tipo booleano. Invece, i legamenti sono stati realizzati prendendo i punti-nodo del radio e dell’ulna e formando le superfici tra di essi. Per ciascuna di queste componenti, sono state assegnate le corrispondenti proprietà dei materiali. Per migliorare la qualità dei modelli, sono state necessarie operazioni di “Smoothing” e “Autoremesh”. In seguito, è stata eseguita un’analisi agli elementi finiti attraverso l’uso di vincoli e forze, così da simulare il comportamento delle articolazioni. In particolare, sono stati simulati lo stress e la deformazione. Infine, grazie ai risultati ottenuti dalle simulazioni, è stato possibile verificare l’eventuale rischio di frattura in differenti punti anatomici del radio e dell’ulna nell’articolazione sana e patologica.

Spectrum sensing su piattaforma software defined radio: Implementazione e test su stick dvb-t

Spectrum sensing su piattaforma software defined radio: Implementazione e test su stick dvb-t

Telescopi ottici, radio, X: principi e differenze

Per telescopio intendiamo qualsiasi strumento finalizzato alla misura della radiazione proveniente dallo spazio. Tipicamente questo nome viene riservato agli strumenti ottici; tuttavia è utile utilizzare un singolo nome per caratterizzare tutta la classe di strumenti per le osservazioni astronomiche. Un telescopio è uno strumento capace di raccogliere radiazione da una grande superficie, concentrandola in un punto. La luce viene in genere raccolta da uno specchio o antenna, quindi elaborata da vari strumenti, come per esempio un filtro o uno spettrografo, e infine indirizzata ad un rivelatore, che può essere l'occhio umano, una lastra fotografica, un CCD, un rivelatore radio, una camera a scintille etc.

Radio follow-up of the gamma-ray flaring gravitational lens B0218+357

B0218+357 è un blazar soggetto al lensing che si trova a z=0.944. Questo sistema consiste in due componenti compatte (A e B) e un anello di Einstein. Recentemente è stato associato ad una sorgente gamma soggetta a burst osservata con il satellite Fermi-LAT. Questo blazar ha mostrato una forte variabilità in banda γ da agosto a settembre del 2012. Gli episodi di variabilità osservati hanno consentito di misurare per la prima volta in banda gamma il ritardo temporale previsto dalla teoria del lensing gravitazionale. Le osservazioni in banda gamma sono state seguite da un programma di monitoring con il Very Long Baseline Array (VLBA) in banda radio con lo scopo di verificare l’esistenza di una correlazione tra l’emissione nelle due bande. In questa Tesi tali osservazioni radio sono state analizzate con lo scopo di studiare la variabilità di B0218+357 e, quindi, attestare la connessione tra l’emissione alle alte energie e quella in banda radio. L’obiettivo principale di questo lavoro di Tesi è quello di studiare l’evoluzione della densità di flusso, dell’indice spettrale e della morfologia delle immagini A e B e delle loro sottocomponenti. I dati analizzati sono stati ottenuti con l’interferometro VLBA a tre frequenze di osser- vazione: 2.3, 8.4 GHz (4 epoche con osservazioni simultanee alle due frequenze) e 22 GHz (16 epoche). Le osservazioni hanno coperto un periodo di circa due mesi, subito successivo al flare in banda gamma. La riduzione dei dati è stata effettuata con il pacchetto AIPS. Dall’analisi delle immagini, nella componente B è possibile riconoscere la tipica struttura nucleo-getto chiaramente a tutte e tre le frequenze, invece nella componente A questa struttura è identificabile solo a 22 GHz. A 2.3 e 8.4 GHz la risoluzione non è sufficiente a risolvere nucleo e getto della componente A e l’emissione diffusa risulta dominante. Utilizzando il metodo dello stacking sulle immagini a 2.3 GHz, è stato possibile rivelare le parti più brillanti dell’Einstein ring associato a questa sorgente. Questo è stato possibile poiché la sorgente non ha mostrato alcun segno di variabilità significativa né di struttura né di flusso nelle componenti. Quindi dall’analisi delle curve di luce delle due componenti A e B non è emersa una variabilità significativa chiaramente associabile al flare osservato in banda gamma. Per verificare questo risultato, le curve di luce ottenute sono state confrontate con le osservazioni del radio telescopio OVRO (15 GHz) nel periodo corrispondente alle nostre osservazioni. La curva di luce OVRO è risultata in pieno accordo con le curve di luce ottenute durante questo lavoro di tesi e ha confermato che B0218+257 non ha mostrato un’importante attività radio nel periodo delle osservazioni VLBA. In definitiva, la mancanza di variabilità radio associata a quella osservata nei raggi gamma può essere dovuta al fatto che la regione in cui si è originato il flare gamma è otticamente spessa alle lunghezze d’onda radio, oppure non esiste una precisa correlazione tra le due emissioni, rimanendo quindi un problema aperto da investigare.

Studio e valutazione sperimentale di tecniche di radio fingerprinting per navigazione indoor con dispositivi mobili Android

Lo studio effettuato raccoglie informazioni al fine di svolgere un’analisi globale delle tecniche attualmente in uso, o in fase di studio, nel campo della localizzazione di dispositivi all’interno di un ambiente chiuso, ovvero laddove non è possibile sfruttare la copertura del sistema GPS. La panoramica è frutto dell’analisi e dello studio di paper tecnici pubblicati dai collaboratori dell’IEEE, fruibili all’interno del portale IEEE Xplore. A corredo di questo studio è stata sviluppata una applicazione per dispositivi Android basata sulla tecnica del Wi-Fi fingerprint; l’applicazione, che rappresenta un primo approccio alle tecniche di localizzazione, è a tutti gli effetti un sistema standalone per la localizzazione, consente cioè di costruire sia la mappa per la localizzazione, partendo da un ambiente sconosciuto, sia di ottenere la posizione dell’utente all’interno di una mappa conosciuta. La tesi si conclude con una analisi dei risultati e delle performance ottenute dall’applicazione in un uso comune, al fine di poter valutare l’efficacia della tecnica presa in considerazione. I possibili sviluppi futuri sono analizzati in un capitolo a parte e trovano spazio in ambienti nei quali si vogliono offrire servizi "context-based", ovvero basati sulla posizione esatta dell’utente.