SRE ha come principali obiettivi:
- Comprensione fisica approfondita, strumenti di progettazione, implementazione e valutazione di nodi elettromagnetici intelligenti per ambienti radio intelligenti (SRE). In particolare: metamateriali, superfici intelligenti riconfigurabili, pelli intelligenti, antenne intelligenti, ripetitori attivi, soluzioni di raccolta dell’energia, algoritmi di elaborazione del segnale per la comunicazione e il rilevamento.
- Dimostrazione di SRE in scala di laboratorio per casi d’uso ben definiti.
- Soddisfare i KPI per i sistemi wireless 6G attraverso soluzioni a complessità ridotta, economiche, energetiche, ecologiche e verdi.
SRE è parte dello Spoke 7 – Green and Smart Environments
PI di progetto: Davide Dardari / Daniele Riccio
[M1-M15]
Progettazione metasuperfici: progettazione di metasuperfici basate su frattali e di una superficie intelligente riconfigurabile (RIS) basata su plasma per il beam-steering. Sviluppo di uno strumento di ray-tracing per la pianificazione SRE e studio di skin intelligenti passive curve per infrastrutture urbane.
Skin intelligenti: progettazione di una skin intelligente da montare su pali utilizzando celle unitarie di tipo risonante per estendere la copertura.
Raccolta di energia: progettazione di schemi innovativi per ottenere RIS autonomi dal punto di vista energetico.
Comunicazioni assistite da RIS: sviluppo di algoritmi per una configurazione RIS ottimale e migliori prestazioni di comunicazione. Sono stati progettati schemi di stima del canale a bassa complessità.
Localizzazione assistita da RIS: sfruttamento di metasuperfici selettive in frequenza per la localizzazione e il rilevamento in condizioni non in linea di vista, ottenendo una precisione centimetrica. Abbiamo anche formulato limiti di prestazione per applicazioni veicolari.
Imaging: esplorate tecniche di imaging avanzate per personalizzare la riflessione del campo elettromagnetico ("vedere" oltre l'angolo").
[M16-M24]
Tecnologie e progettazione di metasuperfici:
Progettazione metasuperfici: progettazione di metasuperfici basate su frattali e di una superficie intelligente riconfigurabile (RIS) basata su plasma per il beam-steering. Sviluppo di uno strumento di ray-tracing per la pianificazione SRE e studio di skin intelligenti passive curve per infrastrutture urbane.
Skin intelligenti: progettazione di una skin intelligente da montare su pali utilizzando celle unitarie di tipo risonante per estendere la copertura.
Raccolta di energia: progettazione di schemi innovativi per ottenere RIS autonomi dal punto di vista energetico.
Comunicazioni assistite da RIS: sviluppo di algoritmi per una configurazione RIS ottimale e migliori prestazioni di comunicazione. Sono stati progettati schemi di stima del canale a bassa complessità.
Localizzazione assistita da RIS: sfruttamento di metasuperfici selettive in frequenza per la localizzazione e il rilevamento in condizioni non in linea di vista, ottenendo una precisione centimetrica. Abbiamo anche formulato limiti di prestazione per applicazioni veicolari.
Imaging: esplorate tecniche di imaging avanzate per personalizzare la riflessione del campo elettromagnetico ("vedere" oltre l'angolo").
[M16-M24]
Tecnologie e progettazione di metasuperfici:
- È stata intrapresa un'attività per progettare metodi efficienti per EM computazionale, tra cui nuove funzioni di base per metodi computazionali di elementi finiti ed elementi di contorno. In questa direzione, è stata presa in considerazione la connessione con l'apprendimento automatico. Inoltre, è stata impostata una strategia di sintesi efficace ed efficiente. Si basa su un modello radiativo accurato ed è in grado di gestire un gran numero di elementi riflettenti, ciascuno caratterizzato da più di un parametro di controllo. Il porting sull'architettura GPU è attualmente in fase di valutazione. È stata avviata una nuova attività di ricerca per rappresentare efficacemente il campo irradiato/diffuso da oggetti oblunghi.
- Sono stati ottenuti progressi significativi nel superamento delle sfide chiave relative alla progettazione e all'ottimizzazione di superfici intelligenti riconfigurabili (RIS) e alla modellazione accurata della diffusione del campo elettromagnetico. Il lavoro ha dimostrato il potenziale per alterare la direzione dei campi elettromagnetici riflessi selezionando inclusioni di materiali intelligenti appropriate e costruendo RIS altamente efficienti.
- È proseguita l'attività di progettazione di skin intelligenti funzionanti in modalità di riflessione o trasmissione e discretizzate con celle unitarie quasi risonanti. È stata studiata e convalidata una modellazione più dettagliata e accurata di metasuperfici selettive in frequenza tramite strumenti EM.
- È in corso la progettazione realistica di una superficie riflettente basata sul plasma. La superficie è in grado di orientare il fascio basandosi su una strategia di controllo a 1 bit della densità del plasma.
- È stato sviluppato uno strumento dedicato per l'analisi di array quasi periodici con inclusioni cilindriche. Le applicazioni coprono una gamma piuttosto ampia di possibili dispositivi, tra cui filtri, RIS, specchi dicroici e array di antenne.
- L'attività si è concentrata sulla convalida sperimentale dell'effetto di un interferente su un sistema di comunicazione indoor supportato da un RIS, concentrandosi sulla banda ISM a 60 GHz senza licenza utilizzando un modello di canale 3D realistico di un ufficio per implementare una tecnica basata su gemelli digitali. È iniziata la progettazione del codebook da utilizzare da un RIS nella banda sub-6 GHz.
- Il modello RIS bilaterale sviluppato da includere negli strumenti di Ray-tracing è stato progettato anche per l'uso in ambienti esterni (facciate di edifici) per migliorare la copertura dall'esterno all'interno, in particolare a frequenze più elevate in cui la Building Penetration Loss può causare un'attenuazione significativa, con conseguente scarsa copertura interna e qualità del servizio (QoS) degradata
- Le soluzioni progettate per conversioni di potenza efficienti e metasuperficie riflettente sono in fase di convalida tramite co-simulazioni a livello di transistor e a onda intera/non lineari. È stata avviata la progettazione del convertitore in una tecnologia CMOS a 22 nm,
- Come follow-up dell'attività svolta sull'ottimizzazione della configurazione RIS, è stato proposto un approccio mirato a determinare la configurazione ottimale di RIS diagonali e oltre la diagonale in base alla configurazione ottimale del RIS completamente connesso.
- Le superfici intelligenti impilate (SIM) e la loro estensione sono state studiate combinando strati quasi passivi con capacità di riconfigurazione solo di fase e strati attivi integrati con chip amplificatori per consentire il controllo dell'ampiezza. Sono state eseguite simulazioni approfondite per dimostrare che questa soluzione migliora significativamente la capacità rispetto alla SIM di codifica solo di fase precedentemente segnalata.
- È stato proposto un nuovo sistema di rilevamento in cui una sorgente in movimento mira a creare immagini di una regione di interesse in non-line-of-sight (NLOS) utilizzando una metasuperficie passiva statica correttamente configurata.
- Sono state inoltre studiate soluzioni di rilevamento monostatiche per sfruttare le caratteristiche di propagazione in campo vicino per stimare le componenti di velocità di un bersaglio in movimento. Sono stati derivati limiti fondamentali teorici.
- Sul radar lato imaging a microonde per target in ambienti interni, è stato preso in considerazione un approccio di ricostruzione tomografica lineare a una singola frequenza ed è stata condotta un'analisi teorica per studiare l'effetto della propagazione multipath sulle capacità di imaging ottenibili.
- L'attività relativa alle quattro prove di concetto identificate, corrispondenti a diversi casi d'uso quali ambienti industriali ed estensione della copertura delle reti cellulari mmWave, sta proseguendo attraverso la progettazione dei componenti che le compongono.
Principali risultati per il potenziale sfruttamento:
Metaprismi per comunicazione e rilevamento migliorati: l'innovazione consiste in una metasuperficie completamente passiva, selettiva in frequenza e non riconfigurabile, denominata metaprisma, e relativi schemi di elaborazione del segnale, volti ad assistere la connettività wireless, l'affidabilità, la velocità di trasmissione e la localizzazione in ambienti interni complessi , con una tecnologia a basso costo, a latenza zero, full-duplex, a bassa complessità e verde (consumo zero, emissioni EM zero e nessuna manutenzione).
A differenza di altre soluzioni, una delle caratteristiche principali dei metaprismi è il riciclaggio delle onde radio in modo costruttivo ed efficiente dal punto di vista energetico. Da un punto di vista socioeconomico, questa è una soluzione promettente per abbassare i livelli di radiazioni EM in ambienti sensibili, come ospedali e aerei. Uno dei principali vantaggi della tecnologia del metaprisma proposta risiede nel fatto che non richiede risorse elevate e attrezzature molto costose per essere implementata, abbassando così la barriera economica all’ingresso e rendendola accessibile alle piccole e medie imprese (PMI).
Metodi efficienti di stima e tracciamento dei canali a bassa complessità nella comunicazione assistita da RIS su onde mm.
L’affidabilità per l’ambiente radio 6G e la localizzazione dei sensori si ottiene sfruttando la riconfigurabilità adattiva dei RIS per affrontare il problema della zona morta in scenari difficili.
Impatto sociale:
La connettività 5G e oltre potenziata attraverso la selezione RIS ottimizzata può migliorare significativamente la comunicazione in ambienti radio intelligenti. Una migliore connettività può rafforzare l’inclusione sociale e colmare il divario digitale, fornendo a più persone l’accesso a servizi e opportunità fondamentali. Possibilità di migliorare le prestazioni di comunicazione dell'utente sfruttando le informazioni sulla posizione. Ciò porta ad un uso più intelligente delle risorse di comunicazione esistenti. Ad esempio, il tracciamento degli utenti può abilitare servizi più reattivi e personalizzati, migliorando la qualità della vita e l’efficienza operativa o il monitoraggio in tempo reale per fabbriche più sicure e il supporto all’attività degli operatori umani.
Impatto economico:
L'utilizzo di RIS meno costosi con un numero limitato di bit di quantizzazione per i loro profili di fase può rendere più accessibili le tecnologie di comunicazione avanzate. Questa efficienza in termini di costi può incoraggiare una più ampia adozione della tecnologia RIS in vari settori, dalle telecomunicazioni all’automotive e oltre. Riutilizzo dell'infrastruttura di comunicazione esistente per servizi di tracciamento e localizzazione con conseguente riduzione dei costi e dell'implementazione dell'hardware. Possibilità di ottimizzare i RIS meno frequentemente con lo stesso livello di precisione di tracciamento/localizzazione.
Risultati scientifici:
87 pubblicazioni 1 brevetto + 1 Innovazione 3 Premi Best Paper Awards 11 conferenze su invito 12 Workshop/sessioni speciali
Papers:
M. A. Shameli, M. Magarotto, A.-D. Capobianco, L. Schenato, M. Santagiustina, M. Vincenti, D. De Ceglia, “Reconfigurable and Broadband Analog Computing With Terahertz Metasurface Based on Electrical Tuning of Vanadium-Dioxide Resonators”, IEEE Access, vol.12, pp. 170478-170486, November 2024
M. Haghshenas, P. Ramezani, M. Magarini, E. Björnson, “Parametric channel estimation with short pilots in RIS-assisted near-and far-field communications,” IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 23, No. 8, pp. 10366 - 10382, August 2024
D. Dardari, "Reconfigurable Electromagnetic Environments: A General Framework," in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 42, no. 6, pp. 1479-1493, June 2024
Metaprismi per comunicazione e rilevamento migliorati: l'innovazione consiste in una metasuperficie completamente passiva, selettiva in frequenza e non riconfigurabile, denominata metaprisma, e relativi schemi di elaborazione del segnale, volti ad assistere la connettività wireless, l'affidabilità, la velocità di trasmissione e la localizzazione in ambienti interni complessi , con una tecnologia a basso costo, a latenza zero, full-duplex, a bassa complessità e verde (consumo zero, emissioni EM zero e nessuna manutenzione).
A differenza di altre soluzioni, una delle caratteristiche principali dei metaprismi è il riciclaggio delle onde radio in modo costruttivo ed efficiente dal punto di vista energetico. Da un punto di vista socioeconomico, questa è una soluzione promettente per abbassare i livelli di radiazioni EM in ambienti sensibili, come ospedali e aerei. Uno dei principali vantaggi della tecnologia del metaprisma proposta risiede nel fatto che non richiede risorse elevate e attrezzature molto costose per essere implementata, abbassando così la barriera economica all’ingresso e rendendola accessibile alle piccole e medie imprese (PMI).
Metodi efficienti di stima e tracciamento dei canali a bassa complessità nella comunicazione assistita da RIS su onde mm.
L’affidabilità per l’ambiente radio 6G e la localizzazione dei sensori si ottiene sfruttando la riconfigurabilità adattiva dei RIS per affrontare il problema della zona morta in scenari difficili.
Impatto sociale:
La connettività 5G e oltre potenziata attraverso la selezione RIS ottimizzata può migliorare significativamente la comunicazione in ambienti radio intelligenti. Una migliore connettività può rafforzare l’inclusione sociale e colmare il divario digitale, fornendo a più persone l’accesso a servizi e opportunità fondamentali. Possibilità di migliorare le prestazioni di comunicazione dell'utente sfruttando le informazioni sulla posizione. Ciò porta ad un uso più intelligente delle risorse di comunicazione esistenti. Ad esempio, il tracciamento degli utenti può abilitare servizi più reattivi e personalizzati, migliorando la qualità della vita e l’efficienza operativa o il monitoraggio in tempo reale per fabbriche più sicure e il supporto all’attività degli operatori umani.
Impatto economico:
L'utilizzo di RIS meno costosi con un numero limitato di bit di quantizzazione per i loro profili di fase può rendere più accessibili le tecnologie di comunicazione avanzate. Questa efficienza in termini di costi può incoraggiare una più ampia adozione della tecnologia RIS in vari settori, dalle telecomunicazioni all’automotive e oltre. Riutilizzo dell'infrastruttura di comunicazione esistente per servizi di tracciamento e localizzazione con conseguente riduzione dei costi e dell'implementazione dell'hardware. Possibilità di ottimizzare i RIS meno frequentemente con lo stesso livello di precisione di tracciamento/localizzazione.
Risultati scientifici:
87 pubblicazioni 1 brevetto + 1 Innovazione 3 Premi Best Paper Awards 11 conferenze su invito 12 Workshop/sessioni speciali
Papers:
M. A. Shameli, M. Magarotto, A.-D. Capobianco, L. Schenato, M. Santagiustina, M. Vincenti, D. De Ceglia, “Reconfigurable and Broadband Analog Computing With Terahertz Metasurface Based on Electrical Tuning of Vanadium-Dioxide Resonators”, IEEE Access, vol.12, pp. 170478-170486, November 2024
M. Haghshenas, P. Ramezani, M. Magarini, E. Björnson, “Parametric channel estimation with short pilots in RIS-assisted near-and far-field communications,” IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 23, No. 8, pp. 10366 - 10382, August 2024
D. Dardari, "Reconfigurable Electromagnetic Environments: A General Framework," in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 42, no. 6, pp. 1479-1493, June 2024
È avvenuta un'interazione con il partner industriale Leonardo s.p.a. per lo studio e lo sviluppo di antenne universali di metasuperficie (UMA) per il controllo simultaneo e indipendente di tutte le proprietà delle onde elettromagnetiche in maniera software-defined.
I ricetrasmettitori basati su UMA potrebbero implementare una forma di beamforming ibrido A/D, poiché parte dell'elaborazione dei segnali trasmessi/ricevuti viene effettuata nel dominio analogico. UMA fornisce funzionalità di beamforming simili a quelle ottenibili con le tipiche antenne a schiera, ma con un consumo energetico e un costo molto inferiori. Inoltre, Leonardo ha mostrato un vivo interesse per la tecnologia delle antenne al plasma.
Sono stati condotti diversi incontri per esplorare le potenzialità di questa tecnologia e per valutare le soluzioni all'avanguardia per la generazione del plasma, individuando i pro e i contro dei diversi approcci.
C'è particolare interesse per il potenziale utilizzo del plasma per migliorare le prestazioni degli attuali radome. Il plasma può essere attivato e disattivato per creare schermi selettivi, che riducono al minimo le interferenze tra le antenne. L'applicazione più promettente per questi schermi al plasma selettivi sembra essere nelle antenne navali per le comunicazioni satellitari.
Sono in corso interazioni con altre aziende.
I ricetrasmettitori basati su UMA potrebbero implementare una forma di beamforming ibrido A/D, poiché parte dell'elaborazione dei segnali trasmessi/ricevuti viene effettuata nel dominio analogico. UMA fornisce funzionalità di beamforming simili a quelle ottenibili con le tipiche antenne a schiera, ma con un consumo energetico e un costo molto inferiori. Inoltre, Leonardo ha mostrato un vivo interesse per la tecnologia delle antenne al plasma.
Sono stati condotti diversi incontri per esplorare le potenzialità di questa tecnologia e per valutare le soluzioni all'avanguardia per la generazione del plasma, individuando i pro e i contro dei diversi approcci.
C'è particolare interesse per il potenziale utilizzo del plasma per migliorare le prestazioni degli attuali radome. Il plasma può essere attivato e disattivato per creare schermi selettivi, che riducono al minimo le interferenze tra le antenne. L'applicazione più promettente per questi schermi al plasma selettivi sembra essere nelle antenne navali per le comunicazioni satellitari.
Sono in corso interazioni con altre aziende.
Partner di programma:
- Consiglio Nazionale delle Ricerche
- Politecnico di Milano
- Politecnico di Torino
- Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
- Università degli Studi di Napoli "Federico II"
- Università degli Studi di Padova
- Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria
- Università degli Studi di Brescia
- Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale
- Università degli Studi di Pisa
- Università degli Studi di Siena
- Università degli Studi di Trento
- Università degli Studi Roma Tre
- NEC Italia
- Alma Sistemi srl – ALMA, Mantid srl –MANTID
- Centro Italiano Ricerche Aerospaziali – CIRA
- Università della Calabria
- Università del Sannio
Le superfici intelligenti riconfigurabili (RIS) rappresentano la più promettente tecnologia abilitante chiave candidata ad affrontare le sfide dei sistemi 6G in termini di latenza drasticamente ridotta e capacità ultraelevata.
Il progetto S12 - SRE propone nuove tecnologie chiave abilitanti per la realizzazione di ambienti radio intelligenti basati su metasuperfici intelligenti riconfigurabili per superare le attuali limitazioni delle tecnologie 5G al fine di gestire una capacità ultraelevata, una latenza prossima allo zero e un'elevata efficienza energetica.
Il progetto mira a combinare le forti competenze di gruppi italiani che operano nei campi della comunicazione wireless e della teoria elettromagnetica, con l'obiettivo di esplorare questa nuova tecnologia e renderla adatta ad abilitare il nuovo paradigma degli ambienti radio intelligenti, consentendo al Paese di giocare un ruolo rilevante in Europa e nel mondo nelle comunicazioni del futuro.
I principali risultati raggiunti finora possono essere riassunti come segue:
Il progetto S12 - SRE propone nuove tecnologie chiave abilitanti per la realizzazione di ambienti radio intelligenti basati su metasuperfici intelligenti riconfigurabili per superare le attuali limitazioni delle tecnologie 5G al fine di gestire una capacità ultraelevata, una latenza prossima allo zero e un'elevata efficienza energetica.
Il progetto mira a combinare le forti competenze di gruppi italiani che operano nei campi della comunicazione wireless e della teoria elettromagnetica, con l'obiettivo di esplorare questa nuova tecnologia e renderla adatta ad abilitare il nuovo paradigma degli ambienti radio intelligenti, consentendo al Paese di giocare un ruolo rilevante in Europa e nel mondo nelle comunicazioni del futuro.
I principali risultati raggiunti finora possono essere riassunti come segue:
- Approcci innovativi di progettazione di metasuperfici per l'implementazione di RIS, anche energeticamente autonomi.
- Algoritmi per la configurazione ottimale dei RIS e nuovi approcci basati sulla metasuperficie per migliorare le prestazioni di comunicazione in termini di copertura, velocità di trasmissione dei dati, riduzione della latenza e consumo energetico.
- Localizzazione e imaging assistiti dai RIS: Nuove soluzioni che sfruttano le metasuperfici passive selettive in frequenza per la localizzazione e il rilevamento in condizioni di non visibilità, raggiungendo una precisione centimetrica.
Pubblicazioni
- Previsto: almeno 60 pubblicazioni in 36 mesi
- Completato: 87
- Livello di prontezza: 146%
- Previsto: >=30% di pubblicazioni congiunte in 36 mesi
- Completato: 15/87
- Livello di prontezza: 17%
- Previsto: 20 discorsi nell'ambito delle attività SRE in 36 mesi
- Completato: 11 (tra eventi di disseminazione e presentazioni di conferenze)
- Livello di prontezza: 84%
- Previsto: 10 eventi di presidenza/organizzazione nell'ambito delle attività SRE in 36 mesi
- Completato: 12
- Livello di prontezza: 140%
- Previsto: 10
- Completato: 4
- Livello di prontezza: 40%
- Previsto: 10 elementi in 36 mesi
- Completato: 2 (1 brevetto, 1 innovazione)
- Livello di prontezza: 30%
- Previsto: almeno 4 PoC previsti entro la fine del progetto
- Completato: 0 (4 in preparazione)
- Livello di prontezza: 0%
- Previsto: > 30 riunioni
- Completato: 28 riunioni
- Prontezza: 93%
- Previsto: almeno uno previsto entro la fine del progetto
- Completato: 0
- Livello di prontezza: 0%
- Previsto: nessuno
- Completato: 0
- Livello di prontezza: N/D
Identificare lo stato dell'arte delle più recenti applicazioni del 6G nei servizi di telemedicina
D1: Nodi EM intelligenti passivi - Report iniziale
- Data di scadenza: 30/6/2023
- Stato: Completato
- Livello di prontezza: 100%
- Data di scadenza: 30/6/2023
- Stato: Completato
- Livello di prontezza: 100%
- Data di scadenza: 31/12/2023
- Stato: Completato
- Livello di prontezza: 100%
- Data di scadenza: 31/3/2024
- Stato: Completato
- Livello di prontezza: 100%
- Data di scadenza: 30/6/2024
- Stato: Completato
- Livello di prontezza: 100%
- Data di scadenza: 30/6/2024
- Stato: Completato
- Livello di prontezza: 100%
- Data di scadenza: 30/9/2024
- Stato: Previsto
- Livello di prontezza: 100%
- Data di scadenza: 31/12/2024
- Stato: Previsto
- Livello di prontezza: 100%
- Data di scadenza: 30/6/2025
- Stato: Previsto
- Livello di prontezza: 30%
- Data di scadenza: 30/11/2025
- Stato: Previsto
- Livello di prontezza: 0%
- Data di scadenza: 30/11/2025
- Stato: Previsto
- Livello di prontezza: 0%
- Data di scadenza: 31/12/2025
- Stato: Previsto
- Livello di prontezza: 0%
- Data di scadenza: 31/12/2025
- Stato: Previsto
- Livello di prontezza: 0%
- Data di scadenza: 31/12/2025
- Stato: Previsto
- Livello di prontezza: 0%
Ricercatori coinvolti: circa 200 PM
Proposte di collaborazione:
Il team potrebbe trarre vantaggio dalla collaborazione con le strutture sanitarie che utilizzano i servizi di telemedicina nel loro percorso clinico.
È possibile avanzare proposte di collaborazione sul progetto contattando i PI del progetto.
SRE News: