Novel Network Paradigms: Microfluidic and M2M Communications

La presente tesi si focalizza sullo studio di due importanti paradigmi che si prevede possano caratterizzare i sistemi di comunicazione di prossima generazione: le reti microfluidiche e le comunicazioni Machine to Machine (M2M). Riguardo alle reti microfluidiche, in questo lavoro illustriamo come sia possibile introdurre elementi di switch e meccanismi di routing all’interno di sistemi microfluidici. Definiamo poi alcuni semplici modelli matematici che descrivono il comportamento macroscopico di gocce all’interno di tali reti. Questi ultimi sono quindi sfruttati per implementare un simulatore che è capace di riprodurre il movimento e predire il percorso delle gocce in un generico sistema microfluidico. Dopo averlo validato sperimentalmente, il simulatore è impiegato per progettare una rete microfluidica con topologia a bus. Infine, viene dimostrato come sia possibile realizzare comunicazioni molecolari in questo ambito tramite la formalizzazione e la descrizione di un protocollo che sfrutta la modulazione della lunghezza/interdistanza delle gocce per trasferire informazione. L’attività di ricerca in merito alle comunicazioni M2M, invece, è finalizzata allo studio di due importanti criticità insite nelle Machine-Type Communications (MTCs), ovvero l’efficienza energetica e l’accesso simultaneo di massa (massive access). Per quanto concerne l’efficienza energetica, viene affrontato il problema di trasmettere un payload di una certa lunghezza fissata attraverso un canale wireless affetto da Rayleigh fading con lo scopo di minimizzare il costo totale medio dell’utente finale, dato dalla somma dell’energia di trasmissione e di quella di circuito, per completare l’operazione. Tale scenario ben si applica al contesto di trasmissioni cellulari per applicazioni di tipo IoT nelle future reti 5G, dove l’attenzione è rivolta maggiormente all’efficienza energetica dei dispositivi rispetto al throughput, in quanto le UE hanno tipicamente capacità computazionali ed energetiche esigue e si limitano ad inviare sporadicamente pacchetti molto brevi. Vengono quindi descritte le strategie ottime di trasmissione da adottare in un contesto di accesso coordinato a seconda del livello di dettaglio sulle informazioni di canale e delle potenzialità di trasmettitore/ricevitore, illustrando i corrispondenti limiti teorici. Nell’ultima parte del lavoro vengono studiate le prestazioni asintotiche di schemi di accesso non coordinati quando si utilizzano tecniche di Multi Packet Reception (MPR) e Successive Interference Cancellation (SIC) per la risoluzione delle collisioni al ricevitore. I risultati corrispondenti, in termini di throughput, per uno scenario M2M con massive access sono infine ricavati e discussi.