UNIVERSIT`
A DI PISA
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL’INFORMAZIONE
Dottorato di Ricerca in Ingegneria dell’Informazione
Relazione dell’allievo Carmine Vitiello sull’attivit`
a svolta nell’ambito del
corso di Dottorato, ciclo XXIX
Tutor: Prof.Marco Luise
1. Attivit`a di Ricerca
Primo Anno
L’attivit`a di ricerca del dottorando Carmine Vitiello durante il primo anno di dottorato si `e concentrata principalmente su tre filoni di ricerca differenti: sviluppo di waveform per scopi di Test & Evaluation di Software-Defined Radio (SDR), Network Coding e la creazione di un tool per l’analisi dei dati provenienti da alcuni ricevitori GALILEO.
La principale attivit`a ha riguardato lo studio delle tecnologie SDR in ambito militare e protezione civile, sia per quanto riguarda le piattaforme hardware, sia per quanto riguarda i tool di sviluppo, all’interno del progetto LANCERS, che ha coinvolto CNIT-Universit`a di Pisa e il CSSN ITE-Ist.Vallauri per la creazione presso l’Accademia Navale di Livorno di un centro di Verifica & Validazione di tecnlogie SDR. In primis, sono stati valutati gli hardware di sviluppo con cui equipaggiare il suddetto laboratorio e tra le diverse piattaforme SDR sono state selezionate diversi modelli delle ben diffuse Ettus USRP ed in seguito un ricevitore low-cost, quale il Realtek rtl2832u. La scelta `e ricaduta sulle suddette piattaforma in quanto sono correntemente usate per la prototipizzazione di diverse waveform militari, sono un hardware low-cost e possono essere procurate facilmente ed infine sono supportate da una larga comunit`a di sviluppatori e ricercatori. Le suddette piattaforme sono state selezionate anche poich´e supportano alcuni tool di sviluppo che aderiscono all’architettura software Software Communication Architecture (SCA), ovvero un architettura introdotta dal consorzio Joint Tactical Radio Center (JTNC), che per prima ha standardizzato fortemente la struttura dei framework di sviluppo in ambito SDR militare: questa architettura principalmente prevede l’utilizzo da parte dei framework di un middleware, individuato nello standard Common Object Request Broker Architecture (CORBA) e nelle sue implementazioni OS-based, che permette l’iterazione tra processi, piattaforma e sistema operativo in maniera tale da garantire la massima portabilit`a delle applicazioni software sviluppate, chiamate waveform. Tra i tool SCA-compliant presenti sul mercato, si `e scelto di utilizzare delle versioni open-source molto conosciute in ambito SCA, quali OSSIE e RedHawk, entrambe prodotte dal Virginia Tech Labs. Essi facilitano il lavoro di sviluppo permettendo la creazione delle waveform e dei loro componenti agendo ad alto livello, ovvero non dovendo interfacciarsi direttamente con CORBA, con livelli inferiori dell’architettura SCA o con l’hardware utilizzato. In particolare, i tool forniscono alcuni template in cui `
e possibile inserire codice C/C++, Java o Python che effettua il processing voluto ed alcune API che consentono di interfacciarsi con gli altri livelli. In questo contesto `e stata sviluppata, ottimizzata e testata una suite di componenti che eseguono le operazioni di processing sul segnale e che permettono la creazione di waveform di base. In merito al progetto LANCERS, sono state anche implementate delle waveform utilizzate nelle comunicazioni tattiche e in ambito civile, quali:
1. STANAG 4285 e 4593; 2. MILSTD-188110 A e B;
3. VHF ICAO and IMM; 4. AM e FM broadcast.
Tutti i componenti utilizzati sono stati implementati basandosi su classi esterne C++ che possono es-sere utilizzate anche separatamente dall’ambiente SCA. Le waveform sviluppate sono state utilizzate come benchmark per le attivit`a di Test & Evaluation del laboratorio.
La seconda attivit`a ha rappresentato un proseguimento delle attivit`a svolte durante la tesi specialistica in collaborazione con il CTTC di Barcelona, ed ha interessato lo sviluppo e l’analisi di alcune tecniche di Physical-Layer Network Coding (PLNC) e di codifica non binaria congiunta in uno scenario basilare come quello del Two-Way Relay Channel (TWRC) in modalit`a complete-decode-and-forward. In questo contesto `
e stata dimostrata l’efficacia della tecnica di decodifica congiunta operata dal relay, rispetto alla decodifica individuale con interference cancellation, utilizzando dei FEC standard, come i 3GPP Turbo code. Sono state valutate le prestazioni della decodifica in termini di BER, al variare del rate, del fading e della bont`a del canale.
Infine la terza attivit`a si `e basata sull’implementazione di un software atto ad analizzare dati provenienti da diversi ricevitori del sistema di navigazione Galileo, situati nelle varie sedi della European Space Agency (ESA), e generare automaticamente dei report. Il software, dopo l’elaborazione mediante Matlab di alcuni file di dump resi disponibili dai ricevitori stessi, restituisce all’operatore un file di report con estensione .doc o .pdf in cui compara le prestazioni ottenute valutando la stima di diversi parametri e segnala all’utente vari mal funzionamenti e/o risultati inaspettati. Quest’ultima attivit`a `e stata svolta all’interno del progetto ESA GNSS-SIS SW tool ed ha coperto anche buona parte del secondo anno di dottorato.
Secondo Anno
L’attivit`a di ricerca del secondo anno di dottorato si `e concentrata principalmente su tre filoni di ricerca differenti: lo studio e sviluppo di una nuovo livello fisico per il 5G, lo studio e l’implementazione di tecniche di crittografia di livello fisico chiamate Directional Modulation (DM) e la creazione di un tool per l’analisi dei dati provenienti da alcuni ricevitori GALILEO, gi`a descritta nelle attivit`a del primo anno.
La principale attivit`a di ricerca si `e focalizzata sullo studio, lo sviluppo e l’implementazione della wave-form multicarrier chiamata Universal Filtered MultiCarrier (UFMC). Essa rappresenta una delle wavewave-form candidate a divenire il nuovo livello fisico in ambito della rete mobile di quinta generazione. Questa at-tivit`a `e nata in seguito al periodo all’estero trascorso presso Eurecom, condotto sotto la supervisione del Prof.Knopp e del Prof.Kaltenberger. L’obiettivo dell’attivit`a e delle visite `e stato quello di sviluppare un implementazione SDR della waveform UFMC applicata alle comunicazioni in uplink dell’attuale sistema 4G, dimostrando i benefici apportati dall’uso dell’UFMC e la sua coesistenza con il livello fisico attuale. Dopo un’analisi teorica preliminare, si `e lavorato nel semplificare lo schema del trasmettitore della waveform, facendo attenzione a non perderne i benefici e quindi migliorando le sue prestazioni dal punto di vista della complessit`a computazionale. Al lato ricevitore, si `e sfruttato il ricevitore standard SC-FDMA semplice-mente aggiungendo un ulteriore blocco di sincronizzazione in testa alla catena di ricezione, permettendo cos`ı una corretta ricezione del segnale. Dopo aver testato il codice tramite simulazioni, `e stato compiuto il porting della waveform su OpenAirInterface (OAI), un framework SDR sviluppato presso Eurecom, il quale comprende una implementazione in C altamente ottimizzata di tutti gli elementi dello stack protocollare della Release 8.6 del 3GPP LTE pi`u qualche subset della Release 10, sia per UE che per eNB. Il modem software pu`o essere eseguito sia in modalit`a simulazione/emulazione, sia in real-time abbinato ad una pi-attaforma SDR (NI USRP B2x0 o ExpressMIMO2). Sono state condotte simulazioni e altri test su canale ULSCH a 10MHz, i quali hanno confermato ed evidenziato le qualit`a della waveform UFMC: riduzione delle emissioni Out-of-Band (OOB), incremento dell’efficienza spettrale specialmente in caso di piccole quantit`a di dati, incremento della robustezza agli offset in tempo e frequenza in casi di non perfetta sincronizzazione, mentre l’ottimizzazione della waveform ha portato a migliorare le performance in termini di complessit`a
computazionale, specialmente nel caso di trasmissione di pochi Physical Resource Block (PRB). Grazie alla collaborazione con Eurecom, l’Universit`a di Pisa `e entrata a far parte del OpenAirInterface Software Alliance (OSA). Quest’attivit`a `e andata avanti fino alla fine del dottorato.
La seconda attivit`a di lavoro ha coinvolto il sottoscritto nel progetto LICOLA2, svolto per IDS - IN-GEGNERIA DEI SISTEMI S.p.A, in merito allo studio di tecniche di Directional Modulation in scenari reali e successiva implementazione su trasmettitori e ricevitori multicarrier standard, quali DVB-T, 802.11, etc. Le tecniche di DM sfruttano lo sfasamento imposto al segnale da dei phase shifter in un trasmettitore multiantenna al fine di rendere possibile la decodifica solo in una determinata direzione, mentre altrove il segnale risulta essere inintelligibile. Gli studi condotti hanno evidenziato la possibilit`a di applicazione solo in determinati contesti caratterizzati da fading originato da scatteratori locali ed in presenza di un contributo principale, identificato da quello in Line-of-Sight (LOS). L’implementazione su apparati SDR `e avvenuta su piattaforme Ettus USRP B100, B2x0 e USRP1, programmate per trasmettere e ricevere real-time un segnale DVB-T in modalit`a 2k con code rate e modulazione fissati, sfruttando delle antenne in trasmissione composte da 4 e/o 64 elementi. Le prove in laboratorio e sul campo, in collaborazione con gli ingegneri di IDS, hanno evidenziato l’applicabilit`a e l’efficacia di applicazione delle DM in scenari reali. Quest’attivit`a si `e conclusa nella met`a del terzo anno di dottorato.
Terzo Anno
Durante il terzo anno di dottorato, la principale attivit`a `e stata lo sviluppo di altri aspetti della wave-form UFMC. Sono stati infatti sviluppati differenti metodi di allocazione delle risorse applicate all’UFMC, massimizzando una data metrica, chiamata goodput, in casi di perfetta ed imperfetta sincronizzazione, per comunicazioni caratterizzate dalla trasmissione di blocchi di dati corti e sporadici, tipica delle comuni-cazioni Internet of Things (IoT). Queste stategie hanno portato a selezionare la migliore combinazione dei parametri di trasmissione, quali il code rate, l’allocazione dei bit e della potenza su sottobande e sottopor-tanti ed il numero di simboli multicarrier, sfruttando le qualit`a e le caratteristiche della waveform UFMC, abbinate ad una modulazione Bit Interleave Code (BIC).
2. Attivit`a di formazione
- Prof. A. Wallwork, Universit`a di Pisa, “English for writing and presenting scientific papers”, 20 ore - 2 crediti
- Prof. C. R. Johnson, Jr., Cornell University, W. A. Sethares, University of Wisconsin, “Signal Pro-cessing in Computational Art History”, 20 ore - 5 crediti
- PhD Springschool “Advanced Signal Processing Techniques for Heterogeneous Networks (ASPHEN 2014)”, 20 ore - 5 crediti
- Prof. R. Leupers, Rwth Aachen University - Germany, “Design Technologies for Embedded Multi-processor Systems-On-Chip”, 20 ore - 5 crediti
- Giovanni Neglia, INRIA MAESTRO Team (Models for performance analysis and control of networks), “Network Science”, 20 ore - 5 crediti
- Prof. D. G. Korzun, Petrozavodsk State University - Russia, ”Smart Spaces”, 20 ore - 5 crediti - PhD Summerschool “Summerschool on Wireless and Networks 2015 – 5G Lab Germany”, 29 ore - 7
- Prof. M. Luise e L. Sanguinetti, Universit`a di Pisa: “Game Theory and Optimization in Communi-cations and Networking”, 16 ore - 4 crediti
- Tutorial al “Tyrrhenian International Workshop 2016”, 21 ore - 5 crediti CREDITI TOTALI: 43
3. Periodi di ricerca in Istituzioni Qualificate
• Visiting PhD presso Eurecom, Sophia-Antipolis, Biot, France dal 13/04/2015 al 12/06/2015, sup-portato dal Newcom # Mobility Grant su “First Steps Towards 5G Modem Prototyping”, sotto la supervisione di Prof. R. Knopp e F. Kaltenberger.
• Visiting PhD presso Eurecom, Sophia-Antipolis, Biot, France dal 30/10/2015 al 31/12/2015, sup-portato dal Newcom # Mobility Grant su “Comparison between candidate architectures for 5G Physical Layer”, sotto la supervisione di Prof. R. Knopp e F. Kaltenberger.
Grazie alla collaborazione scaturita durante il periodo all’estero, l’Univerist`a di Pisa `e entrata a far parte del OpenAirInterface Software Alliance (OSA).
4. Pubblicazioni
International Journals
[J1 ] Arreghini, F., Vitiello, C., Luise, M., Manco A., Bacci G., Falzarano M. (2016). An Approach to T&E of Military SDR Platforms and Waveforms: the LANCERS Lab. Journal of Signal Processing Systems. (Vol. 83, pp.93-111). Springer US.
International Conferences/Workshops with Peer Review
[C1 ] Vitiello C., Pfletschinger S. and Luise M. (2013, June). Decoding options for trellis codes in the two-way relay channel. 2013 IEEE 14th Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC). (pp.380-384), IEEE
[C2 ] Pfletschinger S., Vitiello C. and Navarro M. (2014 June). Decoding options for the symmetric and asymmetric turbo-coded two-way relay channel. EuCNC 2014, European Conference on Networks and Communications, (Vol. 23 pp.26), IEEE
[C3 ] Vitiello C., Bacci G., Arreghini F. and Luise M. Low-cost fully-software waveforms for tactical communications. WinnCom Europe 2014, Wireless Innovation Forum European Conference. Wireless Innovation Forum
[C4 ] Arreghini F., Vitiello C., Luise M., Manco A., Bacci G., Falzarano M. (2014, November). An approach to T&E of military SDR platforms and waveforms: the LANCERS lab. WinnCom Europe 2014, Wireless Innovation Forum European Conference. Wireless Innovation Forum.
[C5 ] Kaltenberger F., Knopp R., Vitiello C., Danneberg M. and Festag A. (2015, October). Experimental analysis of 5G candidate waveforms and their coexistence with 4G systems. JNCW 2015, Joint NEWCOM/COST Workshop on Wireless Communications
[C6 ] Knopp R., Kaltenberger F., Vitiello C. and Luise, M. (2016, July). Universal filtered multicar-rier for machine type communications in 5G. EuCNC 2016, European Conference on Networks and Communications. IEEE
[C7 ] Del Fiorentino P., Vitiello C., Lottici V., Giannetti F. and Luise M. (2016, September). A robust resource allocation algorithm for packet BIC-UFMC 5G wireless communications. EUSIPCO.IEEE [C8 ] Vitiello C., Del Fiorentino P., Debels E., Lottici V., Giannetti F., Luise M. and M. Moeneclaey
M.(2016, September). Two-Step Resource Allocation for BIC-UFMC Wireless Communications ISWCS 2016, International Symposium on Wireless Communication System.IEEE
[C9 ] Del Fiorentino P., Vitiello C., Debels E., Van Hecke J., Lottici V., Giannetti F., Luise M. and M. Moeneclaey M.(2016, December). Resource allocation in short packets BIC-UFMC transmission for Internet of Things. Globecom 2016. IEEE
[C10 ] Debels E., Del Fiorentino P., Vitiello C., Van Hecke J., Giannetti F., Luise M., Lottici V. and M. Moeneclaey M.(2016, November). Adaptive modulation and coding for UFMC and BIC-OFDM systems taking CFO into account. Communications and Vehicular Technology in the Benelux (SCVT), 2016 IEEE Symposium on. IEEE
Altre
[O1 ] Arreghini, F., Vitiello C., Luise M., Manco A., Bacci G., Falzarano M. (2016, May). Test and evaluation of military SDR platforms and waveforms: Initial outcomes from the laboratory funded by the Italian Ministry of Defense. NATO IST 123 symposium cognitive radio and future networks. NATO
[O2 ] Deliverable 2 - Project LANCERS - Technical report
[O3 ] Deliverable D11.2 of the European project NEWCOM # - External Research Report - Fundamental issues and preliminary results of N# JRAs on opportunistic and cooperative communications [O4 ] Deliverable D23.4 of the European project NEWCOM # - External Research Report - Final report
on tools and their integration on the experimental setups
[O5 ] Deliverable D35.3 of the European project NEWCOM # - External Research Report - Report on third-year mobility and awards
[O6 ] Deliverable of the ESA Project “GNSS-SIS SW tool” - User Manual [O7 ] Deliverable 1 - Project LICOLA - Technical report
[O8 ] Deliverable 2 - Project LICOLA - Technical report [O9 ] Deliverable 3 - Project LICOLA - Technical report
Pisa , 09/01/2017
Lo studente Il Tutor
