Ingegneria delle Comunicazioni

LUCA DE NARDIS

GENERALI
Conoscenza di tecniche e protocolli per l’accesso al mezzo nei sistemi di telecomunicazioni wireless, includendo sia tecniche classiche di canalizzazione (TDMA, FDMA, CDMA) che soluzioni più innovative quali quelle adottate nei sistemi Ultra Wide Band (UWB) e reti radio cognitive. Progettazione di algoritmi per il controllo e la gestione della risorsa (Medium Access Control, MAC) in sistemi sia centralizzati che distribuiti. Conoscenza delle soluzioni adottate per l’accesso al mezzo e la gestione della risorsa in reti wireless di quarta e quinta generazione sia in banda licenziata (UMTS, LTE) che in bande condivise (Wi-Fi, Bluetooth, LTE-U, UWB).
SPECIFICI
• Conoscenza e capacità di comprensione: tecniche di multiplazione, algoritmi e protocolli per l’accesso al mezzo wireless e il controllo della risorsa in reti wireless.
• Capacità di applicare conoscenza e comprensione: analisi e dimensionamento di reti wireless in funzione del traffico offerto e de protocollo di accesso adottato sia attraverso l’approccio analitico che con l’utilizzo di strumenti software per la simulazione di singoli link o di reti.
• Autonomia di giudizio: capacità di affrontare un progetto di dimensionamento di una rete wireless identificando vincoli e obiettivi imposti sugli indici prestazionali, selezionando lo strumento o gli strumenti più opportuni per completare in modo corretto ed efficiente il progetto stesso
• Abilità comunicative: saper esporre coerentemente e chiaramente tematiche relative all’accesso al mezzo nelle reti wireless, combinando la padronanza della trattazione analitica con la capacità di sintetizzare le caratteristiche delle tecniche studiate.
• Capacità di apprendimento: (assente)

Acquisizione delle conoscenze e capacità necessarie per il dimensionamento dell'accesso in sistemi di telecomunicazioni wireless, includendo sia gli aspetti relativi alla canalizzazione che al controllo e gestione della risorsa (Medium Access Control, MAC).

Conoscenze di teoria dei segnali, elaborazione numerica e fondamenti di comunicazioni.

- Politiche di assegnazione della risorsa (es. le frequenze): suddivisione contro condivisione. Sistemi aperti contro sistemi chiusi [10 ore]

- Accesso multiplo [18 ore]
* Richiami sulle tecniche di canalizzazione
a) sistemi a portante singola e multipla: TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA
b) sistemi a portante impulsiva: DS-Impulse radio, TH-Impulse radio
* Modelli di Interferenza e analisi di prestazioni
a) Ipotesi “Standard Gaussian Approximation”. Modello basato sulla collisione di impulsi
b) Confronto di prestazioni. Capacità di canale.

- Modelli statistici per i sistemi di accesso [24 ore]
* Processi di nascita e morte
a) Processo di pura nascita
b) Processo di pura morte
c) Processo di Poisson a tasso fisso e variabile
d) Caratteristiche del processo di Poisson: momenti del primo e del secondo ordine, distribuzione dei tempi di interarrivo
* Processi e catene di Markov
- Definizione e caratteristiche di un processo di Markov
- Definizione e caratteristiche di una catena di Markov
- Analisi e descrizione di una catena di Markov: probabilità di stato, probabilità di transizione di stato, diagrammi di transizione di stato
- Catene di Markov omogenee e stazionarie
- Catene di Markov periodiche/aperiodiche, ricorrenti nulle, ricorrenti non nulle, ergodiche
* Teoria delle code
- Definizione di sistema a coda
- Classificazione dei sistemi a coda
- Probabilità di stato steady state e condizioni per la loro esistenza
- Esempi di sistemi a coda: M/M/1, M/M/m, M/M/1/k

- Allocazione di risorse [16 ore]
* Accesso aleatorio
a) Richiami su tecniche di base
b) Applicazione della teoria dei giochi alla gestione delle risorse
c)Hand-shaking
d) Out-of-band signalling (cenni)
* Accesso regolamentato (scheduling)
a) Approccio centralizzato e distribuito: algoritmi basati su token (token ring, token bus) e su polling
b) Analisi delle prestazioni di un sistema token ring basato su elementi di teoria delle code:
- Determinazione del tempo medio nel sistema ed in coda
- Numero medio di pacchetti nel sistema e in coda
- Impatto delle statistiche dei tempi di servizio e di interarrivo sulle prestazioni del sistema

- Criteri di progettazione di un sistema di accesso per reti wireless e ad-hoc [8 ore]
* Strategie di accesso nelle reti wireless e ad-hoc
a) Standard MAC per reti wireless: IEEE 802.11, IEEE 802.15.1, 802.15.3, 802.15.4
b) Organizzazione della rete e network discovery
c) Clustering e gestione della risorsa intra e inter-cluster
d) Power-aware e location-aware MAC design (LEACH, PAMAS, IEEE 802.15.4a)
e) Ottimizzazione della protezione di errore. Confronto prestazionale tra ARQ, FEC, Hybrid-ARQ
f) Mobilità: modelli e effetto sulle strategie di accesso

- Gestione della risorsa in sistemi aperti: Coesistenza e reti cognitive [6 ore]
* Spectrum sensing individuale e cooperativo
* Pilot channel e comunicazioni inter-sistema
* Esempio: coesistenza tra Wi-Fi e Bluetooth, coesistenza tra LTE-U e Wi-Fi
* Applicazione di tecniche di intelligenza artificiale e machine learning alla classificazione di emissioni radio

- Applicazione di tecniche di accesso multiplo e accesso al mezzo a reti wireless basate su piattaforma Software Defined Radio USRP [8 ore]
* La piattaforma USRP N210
* Tecniche di programmazione su piattaforma USRP attraverso Matlab e Simulink
* Confronto tra tecniche di accesso multiplo (TDMA vs. FDMA)
* Confronto tra protocolli di accesso al mezzo (ALOHA vs. CSMA)

Diapositive del corso, articoli di supporto e codici disponibili sul sito web http://newyork.ing.uniroma1.it/wa.php.

Dimitri P. Bertsekas and Robert G. Gallager, "Data Networks," (2nd edition) Prentice Hall, 1992, ISBN 0132009161

Il corso prevede l’utilizzo di lezioni frontali che illustrano le tematiche del corso, combinando una trattazione approfondita degli aspetti analitici con esempio di utilizzo delle tecniche e dei protocolli studiati in reti wireless esistenti ed in fase di definizione. Alle lezioni che introducono ciascuna tematica si affiancano lezioni in cui la tematica stessa è analizzata nel contesto di uno o più problemi di analisi e dimensionamento di una rete wireless; la partecipazione attiva a tali lezioni da parte degli studenti è fortemente incoraggiata, in modo da permettere loro di verificare la propria comprensione degli argomenti affrontati nel corso.
In base alle indicazioni fornite dall'Ateneo durante il semestre, le lezioni si tengono in presenza o a distanza su piattaforma Zoom al link https://uniroma1.zoom.us/j/88345130247?pwd=cTViNUtaZGtDTFdBR3FrcmVsMVBiUT09

La frequenza delle lezioni è facoltativa, ma fortemente raccomandata.

L'esame è costituito da una prova scritta, consistente in un progetto da sviluppare utilizzando gli strumenti di simulazione utilizzati nel corso (Matlab/OMNeT++), e da una prova orale che verte sui contenuti delle lezioni e delle esercitazioni svolte in aula. Le due prove hanno steso peso nel determinare la votazione finale.

- Si discuta il problema dell'Interferenza Multi Utente in una rete wireless che opera con una tecnica di canalizzazione a divisione di codice

- Si descriva il protocollo ALOHA e se ne derivi il throughput

- Si descrivano le tecniche utilizzabili per mitigare l'effetto dei problemi legati alla presenza di terminali esposti e nascosti in una rete che adotta un protocollo di tipo CSMA