Network sensing and context awareness

Position information is one of the core element for context awareness and pervasive systems. In recent years, with the increase of the demand for location-based services (LBS), there is more and more interest in localization systems. In the outdoor environment, location information is obtained from the Global Positioning System (GPS), while for indoor environment, intense research is ongoing both form academic in industry words to achieve a global solution. In this thesis, we focus on positioning and navigation techniques, for indoor, outdoor, and molecular communication environment. The main achievements in the indoor scenario are related to the fingerprinting-based localization, which is one of the most popular techniques for Indoor Positioning System (IPS). In particular, we have developed an analytical model to predict the performance at the design time. Therefore it is possible to tune the system parameters without the time consuming and expensive practical implementation and testing methods. A more important result is the introduction of the Binary Fingerprinting (BFP) technique, where the quantization bits of the Received Signal Strength Indicator (RSSI) is reduced till the binary level. The obtained Radio-Map and the online fingerprints are binary, therefore it is possible to apply concepts from binary coding theory to analyze and estimate the user position. Numerical and experimental evidence has shown the benefits of the proposed technique, in terms of computational complexity and scalability. Moreover, we extended the concept of the BFP beyond the mere positioning purpose, introducing the Binary Space Labeling concept, which can serve as a network access and resource sharing strategy with less signaling and control w.r.t state of the art techniques. For the outdoor environment, the Vulnerable Road User (VRU) protection is presented. It is a location-based service in the network, where Road users are localized and tracked by the network with the goal of preventing road accidents. Within 5GCAR project, VRU protection will be demonstrated live on June 27, 2019, in Paris. Another localization application studied in this work is related to Molecular Communication (MC). The study of communication systems based on the exchange of molecules is currently a fertile research direction in communications, encouraged by novel practical tools to engineer such systems from living substrates. Position estimation in these systems, especially when applied to the pervasive monitoring and control of biochemical environments, e.g., intra-body, is a critical functionality. In this context, two distance estimation methods are introduced. The first estimator is based on the measure of the peak attenuation, while the second is based on the measure of the widening, respectively, of a diffusing pulse of emitted molecules. Their performance is evaluated through simulations in terms of normalized Root Mean-Squared Error (RMSE) by varying several parameters, such as the transmitter-receiver distance, the number of released molecules, and the diffusion coefficient. The use of a variable-length smoothing filter is also proposed to further improve the performance of the two considered methods. The simulation results have shown that a positioning algorithm is feasible in the bio-environment, with unlimited practical applications.

L'informazione sulla posizione è uno dei principali elementi nei sistemi attivi nell'interazione con l'ambiente e pervasivi. Negli ultimi anni, con una crescente domanda di servizi basati sulla posizione, vi è sempre più un maggior interesse nei sistemi di localizzazione. In ambienti esterni, l'informazione sulla posizione è ottenuta grazie al GPS mentre, in aree chiuse, vi è un'intensa attività di ricerca, sia nel mondo accademico sia nell'industria al fine di giungere a una soluzione globale. In questa tesi, ci concentreremo su tecniche di localizzazione e navigazione, in aree esterne, chiuse e in ambienti dove la comunicazione avviene per via molecolare. I risultati più importanti raggiunti riguardano gli ambienti chiusi e sono relativi alla tecnica di fingerprinting, la quale risulta essere fra le più utilizzate nei sistemi di localizzazione per aree interne. In particolare, abbiamo sviluppato un modello analitico in grado di predire le prestazioni durante la fase di progetto grazie al quale è possibile impostare tutti i parametri del sistema, prima della fase sperimentale, che può risultare laboriosa e talvolta anche costosa. Un risultato ancora più importante è la nuova tecnica Binary Fingerprinting (BFP), dove i livelli di quantizzazione delle misure raccolte del RSSI vengono ridotti fino al livello binario. La mappa radio ottenuta durante la fase di calibrazione e le misure ottenute durante la fase di stima risultano essere binari e di conseguenza è possibile applicare tecniche dalla teoria dei codici binari per la stima della posizione. Le verifiche numeriche e sperimentali hanno mostrato i benefici di tale approccio, in termini di una maggiore scalabilità del sistema e una minore complessità computazionale. Inoltre, abbiamo esteso il concetto della tecnica BFP ad altre applicazioni. Introducendo il concetto di space labeling binario, è possibile condividere le risorse di una rete o accedere alla stessa usando meno segnali di controllo rispetto ad altre tecniche presenti nello stato dell'arte. Per gli ambienti aperti, abbiamo presentato un servizio di protezione degli utenti stradali vulnerabili (VRU). Tale servizio può essere offerto dalla rete stessa, che diventa in grado di localizzare e tracciare tutti gli utenti stradali con l'obiettivo di prevenire incidenti. L'applicazione di questo servizio è stata sviluppata all'interno del progetto europeo 5GCAR e una dimostrazione ha avuto luogo a Parigi il 27 Giugno 2019. Un'altra applicazione presentata in questa tesi è relativa alle comunicazioni molecolari. Gli studi legati a sistemi che comunicano scambiando molecole sono attualmente un terreno di ricerca fertile, grazie a nuovi strumenti pratici che permettono di ingegnerizzare i microrganismi viventi (batteri). La stima della posizione in questi sistemi, specialmente se applicata ai sistemi di monitoraggio pervasivo e controllo degli ambienti biochimici, e.g. all'interno del corpo umano, è di grandissima importanza. In questo contesto, abbiamo introdotto due metodi di stima della distanza. Il primo stimatore si basa sulla stima dell'ampiezza dell'impulso di molecole diffuso, mentre il secondo si basa sulla larghezza del medesimo impulso. Le prestazioni sono state valutate tramite simulazioni numeriche in termini di RMSE variando diversi parametri di sistema, e.g. distanza fra cellula trasmettitore e cellula ricevitore, il numero di molecole diffuse, il coefficiente di diffusione. Inoltre, è stato proposto l'utilizzo di un filtro passa-basso al ricevitore per entrambi i metodi, mostrando che è possibile migliorare le prestazioni ottenute precedentemente. I risultati ottenuti hanno mostrato che è possibile implementare un sistema di localizzazione in ambienti biochimici, con applicazioni illimitate.