RICERCA ITALIANA     

Piattaforme riconfigurabili per comunicazioni radiomobili a larga banda

Politecnico di Torino

Abstract

Il progetto di ricerca consiste di quattro universita', tre laboratori industriali, e un'unita' di ricerca appartenente al recentemente costituito Istituto Superiore per le Tecnologie ICT Mario Boella.
Il responsabile principale e' Sergio Benedetto, nella sua posizione di Direttore del CERCOM, un Centro di Eccellenza in Comunicazioni Wireless Multimediali costituito da ricercatori del Dipartimento di Elettronica e del Dipartimento di Automatica e Informatica del Politecnico di Torino. Il CERCOM e' stato finanziato nel 2001 al Politecnico di Torino dal Ministero dell'Istruzione, Universita' e Ricerca dopo una Call for Proposals competitiva, e il suo obiettivo e' di "coordinare e perseguire un ampio spettro di competenze disciplinari ed esperienze nell'universita' e nell'industria sui temi dei sistemi di comunicazione wireless a larga banda".
L'attivita' di ricerca del progetto si concentra sui concetti di reconfigurabilita' e interoperabilita' di terminali wireless, due delle sfide piu' importanti che le prossime generazioni di sistemi di comunicazione mobili imporranno alla comunita' scientifica, a causa degli ambienti multi-standard (o poco standardizzati, come nel caso di reti "ad-hoc"), e multi-funzionali nei quali si troveranno a lavorare sia le stazioni base che i terminali utente.

La reconfigurabilita' richiede:
- Identificazione (cieca o assistita) dell'accesso radio e della rete, scaricamento del software attraverso mezzi broadcast e distribuiti, governati da considerazioni di sicurezza e di regolamentazione
- Nuove specifiche per gli apparati, incluse modulazioni multi-livello, codici per la correzione d'errore e per schemi ARQ adattati alle modulazioni, equalizzazione intrapath e interpath (turbo), rivelazione multiutente iterativa e processamento spazio-tempo per avvantaggiarsi della ricchezza di informazione dell'ambiente multipath.
- Architetture per il processamento del segnale digitale per realizzare un'analisi reconfigurabile object-oriented del livello fisico basata sulle caratteristiche sopra citate e caratterizzate da alte prestazioni (per la stazione base in particolare), basso consumo e alta flessibilita' (terminale utente).
- Amplificatori lineari ed efficienti, tuning a larga banda, conversione A/D ad alta velocita'
- Rappresentazione efficiente e flessibile di contenuti multimediali, capace di garantire la piena scalabilita' di codificatori di sorgente multimediali e capace di adattarsi a livelli fisici mutevoli, puntando allo sfruttamento della banda disponibile in modo ottimale dal punto di vista' di velocita' e qualita'.
- Antenne intelligenti e algoritmi beamforming.

L'interoperabilita', a sua volta, deve permettere l'handover verticale mediante:
- Controllo e switching del modo di acceso radio, negoziazione di banda e qualita' di servizio,
middleware e protocolli per realizzare soft handover tra ambienti differenti.
- Accesso wireless ad internet, per estendere protocolli internet a collegamenti wireless; esplorazione di nuove soluzioni per adattare il TCP a reti wireless.
- Protocolli specifici, in particolare protocolli efficienti in energia, protocolli definiti a differenti livelli del network protocol stack che consente ai terminali di massimizzare il risparmio di energia anche raggiungendo la richiesta QoS.

L'attivita' di ricerca del progetto sara' inserita nel precedente scenario, con una scelta attenta degli argomenti basata sulla loro importanza e sulle competenze del gruppo di ricerca. L'attenzione pricipale sara' rivolta al livello fisico con enfasi rivolta ad algoritmi e architetture che consentono efficienza spettrale, bassa potenza, alta capacita', reconfigurabilita', sia per terminale mobile che per stazioni base. Varie architetture adatte ad un'implementazione mediante una piattaforma flessibile SDR (software defined radio) verranno studiate e confrontate, al fine di realizzare un'implementazione efficiente per un certo numero di algoritmi chiave (come trasformate FFT, moduli soft-input soft-output, correlatori ad alta' velocita', ecc.) da condividere tra diversi schemi di accesso radio. Uno dei risultati del progetto sara' la messa a punto della piattaforma, da usare anche per testare soluzioni di sistema innovative e di largo respiro (ad esempio, l'iterazione soft tra blocchi differenti del ricevitore che consenta un'aumento della capacita' aumentando la sensibilita' del ricevitore).

Oltre agli obiettivi scientifici del progetto, si intende sviluppare, attorno al CERCOM, un centro multipolo nazionale (prima, internazionale dopo) per studi avanzati sui sistemi wireless, capace di offrire una vasta gamma di opportunita' a giovani ricercatori (come studenti di dottorato) e ricercatori riconosciuti a livello internazionale, e con l'abilita' di rispondere con iniziative coordinate a call for proposal nazionali ed europee. Diversi obiettivi complementari possono essere menzionati a riguardo di questo centro nazionale:
· Coordinare e focalizzare un'ampia gamma di competenze disciplinari ed esperienze che si possono trovare nelle università e industrie partecipanti.
- Pianificare e sviluppare le attività di ricerca mediante una cooperazione continua e costruttiva tra università e industrie, in modo tale da coniugare la visione innovativa a lungo termine dell'accademia con l'esperienza, la consapevolezza della rilevanza pratica, la sensibilità nei confronti dell'efficienza economica, l'attenzione al prodotto finale tipici dell'industria.
- Stabilire una prassi di scambio reciproco di ricercatori tra industria e università, con l'obiettivo di trasferire valide esperienze nell'ambiente di origine, per arricchirlo e renderlo più aperto.
· Formare un numero consistente di giovani ricercatori nel settore delle comunicazioni wireless, con competenze specifiche che sono assai rare, e tuttavia assai richieste sul mercato del lavoro. Tra queste, forse le più importanti sono la capacità di comprendere appieno i sistemi e le loro realizzazioni, gli algoritmi e le architetture, il livello fisico e quello di rete, in modo da colmare la lacuna tra la conoscenza di ciò che può essere ottenuto teoricamente e ciò che può essere ragionevolmente realizzato, magari in una prospettiva di lungo termine.
Per i giovani ricercatori, i gestori del progetto prepareranno opportuni percorsi educativi che includeranno periodi da passare nei laboratori dei partner di ricerca e di universita' internazionali e centri con gia' atttive collaborazioni con le unita' del progetto. Questi percorsi educativi includeranno anche corsi a livello di dottorato nel campo delle comunicazioni wireless insegnati nelle universita' partecipanti.
· Ospitare in università italiane ricercatori di fama internazionale, per un periodo di tempo significativo (6-12 mesi), e integrarli nei gruppi di ricerca.
- Focalizzare l'attenzione del project management verso lo sfruttamento dell'IPR derivante dalle attivita' di progetto, ispirando nelle universita' partecipanti quella cultura dei brevetti tecnici che non ha mai avuto sufficiente attenzione nel passato.
· Ispirare nel personale accademico e nei giovani ricercatori formati nel corso del programma un'attitudine imprenditoriale nei confronti dello sfruttamento di idee innovative in modo da fondare nuove compagnie a elevato contenuto tecnologico. In questo senso, la presenza al Politenico di Torino di una esperienza di successo come un incubatore di start-up molto attivo nel campo delle ICT sara' di grande aiuto. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

SERGIO BENEDETTO, Politecnico di TORINO

Obiettivo del Finanziamento

Il progetto di ricerca ha due obiettivi principali, uno strettamente legato al settore di ricerca (piattaforme riconfigurabili per sistemi cellulari wireless di futura generazione), e il secondo di più ampio respiro, che mira a preparare il terreno per una rete di eccellenza, distribuita a livello nazionale (e in prospettiva internazionale) nel settore delle comunicazioni wireless.

Primo obiettivo principale

Fino ad ora, la maggior parte della ricerca nel settore delle comunicazioni wireless è stata concentrata sullo sviluppo di sistemi per applicazioni specifiche, ben definite sulla base di standard esistenti o proposti, come i sistemi mobili di terza generazione -3G- (UMTS, CDMA2000), o le reti locali wireles W-LAN (standard 802.11, Hiperlan).

Ciò nonostante, si può prevedere che le future applicazioni wireless ad alte prestazioni opereranno in ambienti di rete diversificati, comprendenti W-LAN, reti mobili cellulari basate su standard diversi coesistenti e reti "ad hoc". In un tale contesto, i terminali mobili e le infrastrutture (stazioni base) dovranno affrontare diverse problematiche:
- I terminali mobili dovranno sostenere standard differenti per poter transitare tra diversi fornitori di servizi e diversi paesi. A tale fine, essi dovranno possedere la capacità di riconoscere l'ambiente, e di adattarsi ad esso tramite le proprie risorse hardware/software interne, oppure scaricando software dalla rete circostante. Questa capacità richiede apparecchiature mobili multimodali e multibanda, che possano operare in una W-LAN, in una rete cellulare locale, o in una rete satellitare di copertura globale.
- Per quanto riguarda le stazioni base, la riconfigurabilità è necessaria per poter attivare su richiesta nuove interfacce radio in una molteplicità di standard diversi in rapida evoluzione, per incorporare modifiche di sistema, e per sviluppare nuove funzionalità. Inoltre, la riconfigurabilità dovrebbe permettere ai gestori dell'infrastruttura (fornitori di servizi, agenzie governative, imprese e utenti) di aggiornare i componenti dell'infrastruttura stessa senza averne diretto accesso fisico.
- A livello di rete, l'interoperabilità dev'essere garantita, sia nella direzione verticale (tra protocolli a livelli diversi) che in quella orizzontale (accesso a reti diverse).

Questa proposta si prefigge di investigare gli aspetti di riconfigurabilità e interoperabilità entro lo scenario operativo descritto, e di definire una piattaforma riconfigurabile, inclusi sia il terminale mobile che la stazione base. Tale piattaforma sarà realizzata per mezzo di architetture hardware/software flessibili, veloci, a bassa dissipazione di potenza. Sebbene nel futuro (nello scenario di reti "ad hoc") i concetti di stazione base e terminale di utente potranno diventare sfumati e difficili da distinguere, per un lungo periodo di tempo essi saranno caratterizzati da requisiti e (soprattutto) vincoli in qualche misura differenti. Pertanto, si manterrà la distinzione tra stazione base e terminale mobile nella definizione dell'architettura più appropriata. Trattare ambedue gli aspetti, oltre ad avere una intrinseca valenza di ricerca, appare importante in quanto, nei sistemi presenti e futuri di comunicazioni wireless, il fondamentale requisito della riconfigurabilità non può essere imposto solamente al terminale mobile, ma deve necessariamente coinvolgere la coppia terminale mobile - stazione base. Le due entità devono necessariamente cooperare nelle procedure di riconfigurazione, inclusi il download di software, la negoziazione della capacità trasmissiva, le procedure di sicurezza, la gestione della configurazione e della qualità del servizio (QoS).
I transceiver radio a larga banda e il software defined radio (SDR) in banda base sono tra i principali strumenti per conseguire la necessaria flessibilità. I transeiver a larga banda convertono e digitalizzano portanti multiple in un singolo segnale a radiofrequenza, mentre il software designed radio separa le portanti mediante conversione numerica in banda base. In questo modo, i paradigmi di accesso, l'allocazione delle portanti, gli schemi di codifica e modulazione possono essere modificati in modo adattativo sotto controllo software, in funzione delle condizioni operative.
Il SDR è stato contrapposto per molti anni al progetto di circuiti VLSI "ad hoc". Sebbene non vi siano dubbi sulla maggiore flessibilità dell'approccio SDR, i sostenitori dell'approccio VLSI "ad hoc" si appellano ai maggiori consumi di potenza delle architetture hardware flessibili necessarie nell'approccio SDR. Questo punto assume particolare rilevanza per i terminali mobili, e in particolare per quelli palmari, dove il basso costo e il basso consumo sono determinanti. Tuttavia, la fondamentale capacità di operare in ambienti di rete multistandard, e la prospettiva a lungo termine di reti "ad hoc" blandamente (o per nulla) standardizzate, indirizzano inevitabilmente verso soluzioni flessibili e riconfigurabili che necessitano di un approccio SDR. Di conseguenza, la questione diventa non tanto se, ma piuttosto quando e come.
Il raggiungimento degli obiettivi dei transceiver radio a larga banda e del SDR in banda base prevede sforzi di ricerca multidisciplinare, e i requisiti contrastanti di flessibilità e bassa dissipazione di potenza possono essere soddisfatti solamente adoperando competenze diversificate nei settori degli algoritmi di comunicazione, delle antenne a larga banda, del progetto di componenti a radiofrequenza e architetture riconfigurabili veloci, e dei protocolli MAC.
Il principale obiettivo di ricerca in questo progetto consiste nell'armonizzare competenze culturali complementari di gruppi di ricerca universitari e industriali, in modo da consentire progressi significativi in questo settore ambizioso. Come già discusso, saranno presi in considerazione sia terminali mobili sia stazioni base; gli obiettivi di ricerca comuni a entrambi saranno:
- L'identificazione delle principali e (in alcuni casi) comuni caratteristiche delle diverse reti e dei diversi standard, in termini di controllo dell'accesso al mezzo condiviso. Una lista non esaustiva può comprendere antenne intelligenti, interfacce radio analogiche e conversione analogico-digitale, accesso multiplo a divisione di codice a larga banda (W-CDMA), nelle sue versioni a portante singola e multipla, codifica di sorgente per servizi integrati multimediali come video, voce e dati, codifica spazio-temporale per antenne multiple in trasmissione e ricezione, architetture di rete e protocolli che consentano la mobilità pur offrendo servizi differenziati con elevata QoS e bassa dissipazione di potenza.
- L'analisi degli algoritmi che rendono possibili le suddette caratteristiche, come correlazione a alta velocità, decodifica iterativa spazio-temporale con ingresso e uscita soft (SISO), tecniche di trasformazione di Fourier veloce, DCT e trasformata wavelet veloce, predizione del movimento, codifica aritmetica. L'obiettivo specifico sarà la semplificazione degli algoritmi e la loro formulazione in modo adatto per una realizzazione hardware veloce, regolare e efficiente.
- L'identificazione e l'ottimizzazione di alcuni moduli hardware particolarmente critici, come il correlatore e il decodificatore SISO o la FFT, con l'obiettivo di realizzare tali algoritmi mediante architetture a basso consumo di potenza, e tuttavia veloci e dotate di qualche grado di flessibilità nei parametri di controllo.
Il confronto di differenti soluzioni realizzative, che garantiscano la necessaria flessibilità, come:
-- processori DSP a elevata velocità
-- architetture ibride costituite da una (o più) unità DSP complementata da ASIC specifici
-- architetture hardware parametrizzate, approccio che si può concretizzare in forme diverse: un ASIC progettato per dterminate funzioni (come un filtro FIR o un decodificatore SISO con alcuni parametri modificabili), oppure un processore con microcodice riprogrammabile
-- dispositivi FPGA (filed programmable gate array).
Un aspetto cruciale di tutte le soluzioni identificate è lo studio di interconnessioni efficienti e flessibili, e di interfacce tra processori, moduli dedicati e memorie.
La gerarchia tra gli approcci suddetti non è chiara, ed è fortemente dipendente dai progressi tecnologici legati agli specifici componenti impiegati. Il confronto tra le diverse soluzioni su un insieme di algoritmi e standard rappresenta un obiettivo di ricerca attuale e notevole, ed è tra i principali obiettivi del progetto.
- Lo studio di protocolli "energy efficient", e delle loro interazioni con la qualità del servizio.
- La ricerca sull'evoluzione del protocollo TCP in sistemi cellulari, e su protocolli di controllo della congestione "end-to-end".
- Il progetto, la realizzazione e la validazione della soluzione prescelta, realizzata mediante una piattaforma da interfacciare con il mondo esterno per l'esecuzione di test intensivi a livello fisico e MAC.
I suddetti obiettivi di ricerca sono ambiziosi, e tuttavia alla portata del gruppo di ricerca proponente, grazie alla consistenza quantitativa e qualitativa di quest'ultimo. Tutte le unità di ricerca sono coordinate da ricercatori noti, specialisti in settori complementari, e con esperienza di partecipazione comune a progetti nazionali e europei. I settori di ricerca sulle architetture hadware (sia a radiofrequenza che in banda base), modulazione e codifica, sincronizzazione, progetto di antenne, reti e protocolli sono rappresentati da gruppi con componente sia accademica che industriale.

Secondo obiettivo principale

Il secondo obiettivo principale del programma di ricerca va oltre gli specifici risultati scientifici, e si prefigge di conseguire diversi risultati complementari:
- Coordinare e focalizzare ampie competenze disciplinari presenti nelle università e industrie partecipanti:
- Pianificare e sviluppare le attività di ricerca mediante una cooperazione continua e costruttiva tra università e industrie, in un modo tale da coniugare la visione innovativa a lungo termine dell'accademia con l'esperienza, la consapevolezza della rilevanza pratica, la sensibilità nei confronti dell'efficienza economica, l'attenzione al prodotto finale tipici dell'industria.
- Stabilire una prassi di scambio di ricercatori tra industria e università, con l'obiettivo di trasferire esperienze valide nell'ambiente di origine, per arricchirlo e renderlo più aperto.
- Formare una rete di eccellenza decentralizzata e multidisciplinare su scala italiana, europea e in prospettiva mondiale, per le attività di ricerca e insegnamento nel settore delle comunicazioni wireless (con particolare attenzione all'educazione permanente), in modo da poter intraprendere attività future, quali la partecipazione e programmi di ricerca nazionali e europei con impegni congiunti facilitati dall'esperienza triennale maturata in questo progetto.
- Formare un numero consistente di giovani ricercatori nel settore delle comunicazioni wireless, con competenze specifiche che sono assai rare, e tuttavia assai richieste sul mercato del lavoro. Tra queste, forse le più importanti sono la capacità di comprendere appieno i sistemi e le loro realizzazioni, gli algoritmi e le architetture, il livello fisico e quello di rete, in modo da colmare la lacuna tra la conoscenza di ciò che può essere ottenuto teoricamente e ciò che può essere ragionevolmente realizzato, magari in una prospettiva di lungo termine. Per i giovani ricercatori, la direzione del progetto preparera' appositi percorsi formativi comprensivi di soggiorni di ricerca nei laboratori delle unita' partecipanti e in quelli di universita' e industrie straniere che intrettangono stretti collegamenti di ricerca con i ricercatori del progetto. Fara' parte dei percorsi educativi la frequenza a corsi per studenti di Ph. D. nel settore delle comunicazioni radiomobili offerti dalle universita' partecipanti.
- Ospitare in università italiane ricercatori di chiara fama internazionale, per un periodo di tempo significativo (6-12 mesi), e integrarli nei gruppi di ricerca.
- Dedicare, da parte della direzione del progetto, un'attenzione particolare allo sfruttamento degli oggetti di proprieta' intellettuale derivanti dalle attivita', ispirando nelle universita' la cultura del brevetto che e' stata assai poco considerata nel passato.
- Ispirare nel personale accademico e nei nuovi ricercatori formati nel corso del programma un'attitudine imprenditoriale nei confronti dello sfruttamento di idee innovative in modo da fondare nuove compagnie a elevato contenuto tecnologico. A tal fine, sara' di grande aiuto la presenza nel Politecnico di Torino di un incubatore di nuove imprese, che ha avuto finora un buon successo soprattutto nel settore delle tecnologie ICT.

Il terzo, e ultimo, obiettivo si esprime nella ferma volonta' dei partecipanti di coordinare le attivita' di ricerca in sinergia con progetti che si esplichino in tematiche confluenti. In particolare, il responsabile di questo progetto sa dell'esistenza di un progetto incentrato sul progetto della parte di radio-frequenza (RF) e di conversione analogico-digitale (A/D) di ricevitori radiomobili, e ha gia' discusso e coordinato con il responsabile di quel progetto i temi principali. A tal fine, in questo progetto abbiamo messo la sordina a temi importnati quali il "front-end" RF e le tecniche di conversione A/D, pronti a utilizzare in maniera sinergica i risultati originati dal progetto dim cui sopra.<<<

Durata

36 mesi