Il progetto strutturale di RESTART S10 – SEXTET esplora nuove soluzioni di telecomunicazione per scenari estremamente difficili che promettono un enorme impatto sociale ed economico. Gli esempi includono:
- ambienti sottomarini, caratterizzati da una propagazione radio e luminosa molto limitata e da un canale acustico difficile e variabile nel tempo;
- aree portuali che richiedono comunicazioni a lungo raggio per far fronte a riflessioni e ostruzioni massicce;
- applicazioni sanitarie con dispositivi impiantabili comunicanti o nano robot iniettabili;
- aree disastrate in cui le comunicazioni senza infrastruttura supportano le squadre di primo soccorso;
- monitoraggio permanente di vaste aree o infrastrutture civili, dove i sensori sono autosufficienti dal punto di vista energetico.
SEXTET affronta sistematicamente le sfide delle comunicazioni e delle reti in ambienti estremi attraverso un approccio olistico che va dall’elettronica di recupero dell’energia per alimentare i dispositivi, a nuovi schemi di codifica e modulazione in grado di affrontare condizioni di propagazione difficili, nonché protocolli di accesso e di gestione della rete per fornire una connettività end-to-end, fino all’elaborazione e all’analisi dei dati per estrarre le informazioni più preziose.
SEXTET fa parte dello Spoke 6 – Innovative Architectures and Extreme Environments
PI di progetto: Michele Zorzi
Il progetto SEXTET ha portato alla realizzazione delle seguenti attività di ricerca:
[M1-M9]
[M18]
Il progetto ha studiato la progettazione di moderne reti sottomarine con particolare attenzione alle tecniche di trasmissione multimodale, compresa la comunicazione ottica e acustica, e all'integrazione di funzionalità di portata all'interno dello stack di protocolli standard. In questo contesto, gli aspetti più specifici indagati includono lo sviluppo di nuovi componenti hardware per modem acustici, la progettazione di schemi di range trasparenti ai meccanismi di Medium Access Control (MAC), l'uso del Multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) per i modem acustici trasmissione, l'analisi delle migliori forme d'onda ottiche per la comunicazione subacquea e lo studio di nuove strategie basate sull'apprendimento per passare dinamicamente tra modem ottici e acustici in base alle condizioni dello scenario.
Il progetto ha studiato la progettazione di nuovi componenti elettronici in grado di funzionare in ambienti difficili, caratterizzati da temperature estremamente elevate (80-100 gradi) e alta frequenza (10 GHz e oltre). Lo sviluppo dei dispositivi elettronici si basava inizialmente su un simulatore standard del settore, mentre attualmente è in corso un'implementazione prototipica dei dispositivi. Inoltre, è stato studiato un sistema di comunicazione subacquea a lunga distanza per monitorare e controllare stazioni remote (ad esempio centrali eoliche) in mare aperto tramite fibre ottiche. A questo scopo si stanno analizzando i requisiti per le ripetizioni ottiche sottomarine, considerando la necessità di fornire capacità di rilevamento a distanza di centinaia di chilometri.
Il progetto ha studiato la progettazione di sistemi di rete di telemedicina per consentire il monitoraggio continuo e remoto delle malattie croniche, con l'obiettivo di cogliere l'evoluzione della malattia, adeguare di conseguenza il programma di trattamento e ridurre i costi dovuti a ricoveri ospedalieri non necessari. Più specificamente, sono state eseguite misure di movimento su un'ampia popolazione di pazienti affetti da malattie neurodegenerative e sono stati progettati algoritmi ad hoc per identificare complicanze neurologiche sia durante gli stati di riposo che durante le attività della vita quotidiana. In questo contesto, il compromesso tra le prestazioni e la capacità di generalizzazione delle soluzioni di deep learning e il consumo energetico dell’architettura di rete complessiva.
Il progetto ha studiato nuove architetture di rete complete basate su stazioni base non terrestri, ad esempio basate su veicoli aerei senza equipaggio o satelliti. Si prevede che queste soluzioni funzioneranno come architetture autonome e, quindi, potranno sostituire le tradizionali infrastrutture cellulari in caso di eventi dirompenti, come disastri naturali o attacchi militari. Più specificamente, è stato studiato come estendere le funzioni di gestione della rete 5G/6G in caso di scenari di pubblica sicurezza, considerando tre diversi casi d'uso: reti IoT di fascia alta, reti non terrestri e sistemi di allocazione delle risorse per applicazioni industriali. Come caso d'uso principale, è stato modellato un nuovo stack di protocolli di riferimento per fornire comunicazioni cellulari in ambienti marittimi, anche in caso di rottura delle stazioni base cellulari.
Il progetto ha infine studiato nuove soluzioni per ottimizzare i sistemi di comunicazione dal punto di vista dell'efficienza energetica. In questo contesto, la prima sfida ha riguardato la riduzione del consumo energetico in sistemi di tipo OFDM, esplorando il ruolo svolto dalla quantizzazione e dalle procedure di bitloading. Inoltre, sono stati proposti nuovi metodi per accelerare le simulazioni dei canali 5G, consentendo l’analisi e l’implementazione di massicci modelli di canali con ingressi multipli e uscite multiple in scenari pratici. Infine, ha valutato i vantaggi dell'uso di schemi di comunicazione semantici e pragmatici, che consentono di ridurre fortemente il numero di messaggi scambiati senza degradare l'esperienza dell'utente. Complessivamente è stato valutato il costo reale delle architetture di comunicazione cognitiva, studiando il compromesso tra la diffusione dell'uso di algoritmi di apprendimento e l'aumento del sovraccarico dei dati di controllo.
[M1-M9]
- Sono state analizzate le sfide legate alla progettazione di moderne reti subacquee. In questo contesto, gli aspetti principali hanno riguardato: l'uso di componenti hardware specifici per i modem acustici, la progettazione di reti di localizzazione trasparenti al protocollo MAC, l'uso di OFDM per la trasmissione acustica e l'analisi delle migliori forme d'onda ottiche per la comunicazione subacquea.
- I componenti elettronici ad alta frequenza (10 GHz) per ambienti estremi sono stati progettati e analizzati tramite un simulatore standard del settore. Inoltre, è stato studiato un sistema di monitoraggio a lunga distanza per la fornitura di impianti eolici in mare aperto tramite fibre ottiche. A questo scopo, sono stati analizzati i requisiti delle ripetizioni ottiche sottomarine, considerando la necessità di fornire capacità di rilevamento a una distanza fino a 330 km.
- Sono state eseguite misure di movimento su diversi pazienti affetti da malattie neurodegenerative e sono stati progettati algoritmi ad hoc per identificare le complicazioni neurologiche sia durante lo stato di riposo che durante le attività della vita quotidiana. In questo contesto, abbiamo analizzato il trade-off tra prestazioni e consumo energetico per consentire il monitoraggio in condizioni difficili.
- È stato sviluppato un sistema di gestione della rete 5G per scenari di protezione pubblica e soccorso in caso di calamità. In particolare, per la valutazione delle prestazioni sono stati considerati tre scenari estremi: reti IoT di fascia alta, reti non terrestri e sistemi di allocazione delle risorse per l'IoT industriale. Per tutti gli scenari è stata considerata la necessità di fornire servizi di emergenza in caso di eventi dirompenti, con un focus specifico sugli ambienti marittimi.
- Sono stati analizzati il consumo energetico e l'efficienza temporale dei sistemi OFDM-like, esplorando il ruolo svolto dalle procedure di quantizzazione e di caricamento dei bit. In questo contesto, sono stati proposti nuovi metodi per accelerare le simulazioni dei canali 5G, consentendo l'analisi di modelli di canale massivi a ingresso multiplo e uscita multipla. Inoltre, sono state analizzate le prestazioni delle strategie di allocazione delle risorse basate sul reinforcement learning in ambienti dinamici.
- avanzare lo stato dell'arte delle comunicazioni subacquee, proponendo nuovi schemi di modulazione e codifica per scenari subacquei e progettando uno stack di comunicazione sicuro in grado di passare in modo ottimale tra modem ottici e acustici;
- studiare ambienti di propagazione difficili (ad esempio, comunicazione in acqua, sottoterra e in tubature O&G) e progettare un'architettura di rete completa (comprendente antenne, sensori e protocolli di comunicazione) per lo scambio di media in tali condizioni;
- progettare un sistema di rete di teleassistenza per consentire il monitoraggio continuo del Parkinson e di altre malattie croniche, con l'obiettivo di cogliere l'evoluzione della malattia e adeguare correttamente il programma di trattamento e i percorsi di riabilitazione;
- sviluppare nuovi algoritmi per promuovere un uso efficiente delle risorse di rete in ambienti estremi, concentrandosi sulla progettazione di hardware a basso consumo e di protocolli innovativi per supportare la comunicazione, il calcolo e l'elaborazione dei dati, considerando sia l'efficienza energetica sia il costo degli algoritmi di apprendimento.
[M18]
Il progetto ha studiato la progettazione di moderne reti sottomarine con particolare attenzione alle tecniche di trasmissione multimodale, compresa la comunicazione ottica e acustica, e all'integrazione di funzionalità di portata all'interno dello stack di protocolli standard. In questo contesto, gli aspetti più specifici indagati includono lo sviluppo di nuovi componenti hardware per modem acustici, la progettazione di schemi di range trasparenti ai meccanismi di Medium Access Control (MAC), l'uso del Multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) per i modem acustici trasmissione, l'analisi delle migliori forme d'onda ottiche per la comunicazione subacquea e lo studio di nuove strategie basate sull'apprendimento per passare dinamicamente tra modem ottici e acustici in base alle condizioni dello scenario.
Il progetto ha studiato la progettazione di nuovi componenti elettronici in grado di funzionare in ambienti difficili, caratterizzati da temperature estremamente elevate (80-100 gradi) e alta frequenza (10 GHz e oltre). Lo sviluppo dei dispositivi elettronici si basava inizialmente su un simulatore standard del settore, mentre attualmente è in corso un'implementazione prototipica dei dispositivi. Inoltre, è stato studiato un sistema di comunicazione subacquea a lunga distanza per monitorare e controllare stazioni remote (ad esempio centrali eoliche) in mare aperto tramite fibre ottiche. A questo scopo si stanno analizzando i requisiti per le ripetizioni ottiche sottomarine, considerando la necessità di fornire capacità di rilevamento a distanza di centinaia di chilometri.
Il progetto ha studiato la progettazione di sistemi di rete di telemedicina per consentire il monitoraggio continuo e remoto delle malattie croniche, con l'obiettivo di cogliere l'evoluzione della malattia, adeguare di conseguenza il programma di trattamento e ridurre i costi dovuti a ricoveri ospedalieri non necessari. Più specificamente, sono state eseguite misure di movimento su un'ampia popolazione di pazienti affetti da malattie neurodegenerative e sono stati progettati algoritmi ad hoc per identificare complicanze neurologiche sia durante gli stati di riposo che durante le attività della vita quotidiana. In questo contesto, il compromesso tra le prestazioni e la capacità di generalizzazione delle soluzioni di deep learning e il consumo energetico dell’architettura di rete complessiva.
Il progetto ha studiato nuove architetture di rete complete basate su stazioni base non terrestri, ad esempio basate su veicoli aerei senza equipaggio o satelliti. Si prevede che queste soluzioni funzioneranno come architetture autonome e, quindi, potranno sostituire le tradizionali infrastrutture cellulari in caso di eventi dirompenti, come disastri naturali o attacchi militari. Più specificamente, è stato studiato come estendere le funzioni di gestione della rete 5G/6G in caso di scenari di pubblica sicurezza, considerando tre diversi casi d'uso: reti IoT di fascia alta, reti non terrestri e sistemi di allocazione delle risorse per applicazioni industriali. Come caso d'uso principale, è stato modellato un nuovo stack di protocolli di riferimento per fornire comunicazioni cellulari in ambienti marittimi, anche in caso di rottura delle stazioni base cellulari.
Il progetto ha infine studiato nuove soluzioni per ottimizzare i sistemi di comunicazione dal punto di vista dell'efficienza energetica. In questo contesto, la prima sfida ha riguardato la riduzione del consumo energetico in sistemi di tipo OFDM, esplorando il ruolo svolto dalla quantizzazione e dalle procedure di bitloading. Inoltre, sono stati proposti nuovi metodi per accelerare le simulazioni dei canali 5G, consentendo l’analisi e l’implementazione di massicci modelli di canali con ingressi multipli e uscite multiple in scenari pratici. Infine, ha valutato i vantaggi dell'uso di schemi di comunicazione semantici e pragmatici, che consentono di ridurre fortemente il numero di messaggi scambiati senza degradare l'esperienza dell'utente. Complessivamente è stato valutato il costo reale delle architetture di comunicazione cognitiva, studiando il compromesso tra la diffusione dell'uso di algoritmi di apprendimento e l'aumento del sovraccarico dei dati di controllo.
È stato sviluppato un efficiente protocollo di localizzazione basato sull'impronta digitale per il tracciamento dei veicoli subacquei autonomi (AUV).
Papers:
F. Ardizzon, P. Casari, S. Tomasin, "A RNN-based approach to physical layer authentication in underwater acoustic networks with mobile devices," in Computer Networks, vol. 243, April 2024.
F. Pase, M. Giordani, S. Cavallero, M. Schellmann, J. Eichinger, R. Verdone, and M. Zorzi, “DISNETS: a DIStributed NEural linear Thompson Sampling framework to achieve URLLC in IIoT,” IEEE Transactions on Wireless Communications, under review.
S. Lahmer, F. Mason, F. Chiariotti, A. Zanella, “Fast Context Adaptation in Cost-Aware Continual Learning,” in IEEE Transactions on Machine Learning in Communications and Networking, vol. 2, April 2024.
- Impatto sociale: sviluppo di tecnologie di comunicazione di sicurezza che consentano servizi di comunicazione più affidabili e riducano i costi energetici rispetto alle controparti crittografiche.
- Impatto Economico: sviluppo di brevetti/standard dedicati per la sicurezza nella comunicazione acustica subacquea, attualmente assenti.
- Impatto sociale: consentire una maggiore efficienza energetica negli scenari sottomarini sfruttando la trasmissione multimodale e ottimizzando così il costo di nuovi dispositivi/applicazioni.
- Impatto economico: sviluppo di nuovi modem acustici e/o ottici per scenari subacquei e quindi nuovi brevetti/standard di comunicazione.
- Impatto sociale: abilitare scenari di comunicazione in scenari in cui la tecnologia attuale non è fattibile, a causa delle alte temperature in vulcanologia o dell’alta pressione in oceanologia.
- Impatto economico: sviluppo di nuovi dispositivi prototipali e brevetti/standard per la comunicazione in ambienti difficili.
- Impatto sociale: sostenere lo sviluppo di sistemi di telemedicina per persone affette da malattie croniche che richiedono il monitoraggio continuo dei loro parametri fisiologici.
- Impatto economico: ridurre i costi dei ricoveri ospedalieri e delle pratiche cliniche non necessarie spostando gli esami medici dalle infrastrutture specializzate alle case dei pazienti.
- Impatto sociale: sostenere lo sviluppo di sistemi di comunicazione basati su satellite per offrire servizi di comunicazione in aree remote dove le reti terrestri sono assenti.
- Impatto economico: sviluppo di nuovi dispositivi prototipali e brevetti/standard per la comunicazione terra-satellite.
- Impatto sociale: rafforzare la progettazione di architetture di comunicazione prive di infrastrutture in grado di supportare gli operatori della pubblica sicurezza e gli utenti civili in scenari di emergenza.
- Impatto economico: ridurre i costi di realizzazione delle infrastrutture di telecomunicazione evitando l'installazione di stazioni base terrestri in nuove aree.
- Impatto sociale: riduzione dell'impatto ambientale delle simulazioni al computer utilizzate per la progettazione di sistemi di telecomunicazioni.
- Impatto economico: supportare un’implementazione più efficiente dei modelli di canale/comunicazione, riducendo così il costo energetico associato allo sviluppo della rete.
- Impatto sociale: consentire la trasmissione di dati urgenti (ad esempio, dati sanitari) anche nel caso di risorse di comunicazione altamente limitate (ad esempio, scenari di pubblica sicurezza).
- Impatto economico: ridurre il costo delle infrastrutture di comunicazione sostenendo una distribuzione più efficiente delle risorse tra gli utenti del sistema.
Papers:
F. Ardizzon, P. Casari, S. Tomasin, "A RNN-based approach to physical layer authentication in underwater acoustic networks with mobile devices," in Computer Networks, vol. 243, April 2024.
F. Pase, M. Giordani, S. Cavallero, M. Schellmann, J. Eichinger, R. Verdone, and M. Zorzi, “DISNETS: a DIStributed NEural linear Thompson Sampling framework to achieve URLLC in IIoT,” IEEE Transactions on Wireless Communications, under review.
S. Lahmer, F. Mason, F. Chiariotti, A. Zanella, “Fast Context Adaptation in Cost-Aware Continual Learning,” in IEEE Transactions on Machine Learning in Communications and Networking, vol. 2, April 2024.
Il progetto SEXTET si avvale della collaborazione di due principali partner industriali, che consente al gruppo di ricerca accademico di valutare le prestazioni di nuovi banchi di prova e implementazioni prototipiche in scenari realistici che tengono conto anche delle esigenze specifiche della comunità industriale. Più specificamente, Athonet (HPE) si è fatta carico del coordinamento delle attività sperimentali complessive del progetto e si è concentrata sulla ricerca sul core 5G, utilizzando una duplice strategia che comprende il quadro per la gestione del core 5G e considerazioni relative all'efficienza energetica . D'altro canto, Applicon sta contribuendo allo sviluppo di modem per modem acustici subacquei, con particolare attenzione alle applicazioni per la portata acustica.
Partner di programma:
- Università di Roma, Tor Vergata
- Politecnico di Torino
- Università di Padova
- Università di Reggio Calabria
- Università di Roma Sapienza
- Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT)
- Prysmian
- Hewlett Packard Enterprise (HPE)
- Applicon Srl
- Università degli Studi della Campania "Luigi Vanvitelli"
- Università degli Studi di Brescia
- Università degli Studi di Napoli Parthenope
- Università degli Studi Di Palermo
- Università degli Studi di Pavia
- Università degli Studi di Trento
- Università degli Studi di Trieste
- Università della Calabria
- Università Politecnica delle Marche
Podcast Tutto Connesso – Come si comunica sott’acqua?
https://www.spreaker.com/user/polimi/tc-84-comunicazioni-subacquee
July 30, 2023
Expected KPIs are referred to the whole RESTART project.
- Publications
Expected: at least 100 publications on 36 months
Accomplished: 26
Readiness: 80% - Joint Publications
Expected: >=30% joint publications on 36 months
Accomplished: 5 joint publications over 29
Readiness: 50% - Talks/Communication events
Expected: 30 talks or event chairing/organizing within SEXTET activities on 36 months
Accomplished: > 10 (among dissemination events and conference presentations)
Readiness: 100% - Demo/Proof of Concept
Expected: 5 Proof of Concepts expected by the end of the project
Accomplished: 0
Readiness: 0% (work according to plan) - Project Meetings
Expected: > 36 meetings
Accomplished: 6 meetings
Readiness: 50% - Patents/Innovations
Expected: 10 items over 36 months
Accomplished: 0
Readiness: 0% - Open Source contributions
Expected: 3
Accomplished: 0
Readiness Level: 0% (work according to plan) - Standardization contributions
Expected: 6
Accomplished: 0
Readiness Level: 0% (work according to plan)
Ricercatori coinvolti: 550
Proposte di collaborazione
Il progetto SEXTET è aperto a collaborazioni sui seguenti temi:
- Architetture di rete subacquee e non terrestri
- Antenne innovative per la trasmissione/ricezione ad altissima frequenza
- Sistemi di monitoraggio remoto per la tele-sanità
- Tecniche di ottimizzazione delle risorse per il 5G New Radio
È possibile avanzare proposte di collaborazione sul progetto contattando il PI del progetto.
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