Internet of things and vehicles in the context of 5G

Negli ultimi anni si sta assistendo ad un’esplosione nella domanda di connettività in mobilità. Dispositivi quali smartphone, tablet e laptop offrono funzionalità e servizi sempre più basati sulla disponibilità di una connessione sempre attiva. Allo stesso modo, sempre più settori dell’industria premono gli operatori di rete mobile, chiedendo connettività per una nuova classe di dispositivi che rientrano nella categoria del Machine-Type-Communication. Coi termini Machine-Type-Communication (MTC) o Machine-2-Machine (M2M) si indica un paradigma con il quale si identificano una pletora di nuovi servizi di connettività in cui vincoli sulla latenza, disponibilità, affidabilità, consumo energetico della connessione sono più stringenti e meglio definiti. Le MTC diventeranno in un futuro prossimo una presenza massiva nelle reti cellulari, dando vita finalmente al mondo globalmente interconnesso descritto dal paradigma dell’Internet delle Cose. Sebbene in costante evoluzione e aggiornamento l’attuale generazione di rete mobile 4G ha alcune limitazioni intrinseche che rendono necessario un ulteriore salto generazionale ad una rete 5G di nuova concezione, come unica soluzione percorribile per soddisfare la crescente domanda di connettività. Nonostante in letteratura la maggior parte delle nuove soluzioni tecnologiche proposte hanno come obiettivo il raggiungimento di connessioni più veloci, uno degli aspetti più importanti del 5G e il pieno supporto alle MTC. In questa tesi vengono presi in esame alcuni aspetti delle comunicazioni M2M. In primo luogo si prendono in considerazione le reti veicolari, nello specifico si affrontano alcune criticita dell’attuale protocollo per reti wireless ad-hoc tra veicoli, il protocollo IEEE 802.11p, perciò che riguarda la stima del canale radio e il meccanismo di accesso al mezzo. Il livello fisico del protocollo non fornisce sufficienti risorse per permettere il tracking delle fluttuazioni del canale radio, qui proponiamo una tecnica innovativa che sfrutta informazioni aggiuntive provenienti da sensori e sistemi elettronici, di cui le moderne auto sono dotate, per migliorare il tracking del canale radio. Gli attuali protocolli per le reti veicolari prevedono l’uso concorrente di più canali radio, e lasciano totale libertà ai terminali sui metodi di scelta del canale radio da utilizzare. In questo lavoro, vengono presi in esame alcuni tra i più comuni rilevatori di occupazione del canale radio, mutuati dalla teoria del “cognitive radio”, e ne vengono analizzate le performance in termini di probabilità di mancata rilevazione e ritardo di rilevazione in ambiente veicolare. Nel campo delle MTC, presentiamo l’implementazione di uno stack protocollare IETF IPv6-6LoWPAN, realizzato per permettere a dispositivi low-cost con risorse limitate, di supportare comunicazioni su rete IPv6. L’architettura dello stack stata progettata allo scopo di disaccoppiare le funzionalità dello stack dal particolare protocollo data-link utilizzato, e di supportare dispositivi equipaggiati con più moduli per la comunicazione wireless. I test comparativi dimostrano un throughput maggiore rispetto all’implementazione più conosciuta del protocollo IPv6 per questi dispositivi. In conclusione, sono messi in relazione le reti 5G e il paradigma delle green communication. I protocolli di tipo Automatic Repeat reQuest (ARQ) ibrido, largamente usati nelle moderne reti cellulari, vengono analizzati in termini di efficienza energetica usando i recenti risultati di Polyanskiy-Poor-Verdù sulla capacità di canale in regime di parola di codice di lunghezza finita. Tale teoria affronta l’analisi della capacità di correzione dei codici di canale a fronte di una parola di codice di lunghezza finita, teoria che si concilia con la natura delle reti MTC. L’analisi propone inoltre, una tecnica di ottimizzazione della potenza trasmissiva nelle ritrasmissioni dei protocolli HARQ di tipo Type-I e Type-II. L’analisi mostra i risultati ottenuti in termini di probabilità di outage finale e di risparmio energetico ottenuto.