coordinator: luca.sanguinetti@unipi.it
The research activities are dedicated to the study and development of next generation networks, able to satisfy the requirements (in term of latency, reliability, security and sustainability) necessary to favor the evolution of industrial processes and emerging technologies - including immersive virtual reality, high-fidelity holographic projections, digital twins and the metaverse.
In the context of Industry 5.0, the networks that are expected to underpin this transformative paradigm will be at the forefront of technological innovation. These networks will go beyond the capabilities of their predecessors, aiming to seamlessly integrate advanced technologies and capabilities that enable dynamic communication, real-time data processing, and collaborative decision-making in industrial environments.
The research conducted within the future network (FN) line of the FoReLab project is pivotal in shaping the foundation of these advanced networks. With its far-reaching impact on various research areas, the FN line actively contributes to the following facets of network technologies:
- Network Softwarization Network softwarization involves the use of several key technologies, including network functions virtualization (NFV) and software-defined networking (SDN). NFV allows network functions such as routing, switching, and firewalling to be implemented as software on virtual machines rather than as physical devices. SDN enables network administrators to manage network traffic flows and configure network devices through software rather than by manually configuring each device.
- Pervasive Networks Future networks demand for an end-to-end co-design of communication, sensing, and computing functionalities, aiming at endowing networks with the native ability to "perceive" the physical world. In a conventional information processing pipeline, environmental information is collected by sensors (perception layer), exchanged via communications (transport layer), and fused by processing units (computing/application layer). Perceive networks aim to seamlessly integrate these three layers into a self-sustaining, intelligent network, virtually interacting with every aspect of our daily lives.
- Digital Twins A digital twin refers to a virtual representation or digital replica of a physical object, system, or process. This virtual counterpart is created using data and modeling techniques, providing a dynamic and real-time simulation of the physical entity. Digital twins are used across various industries to monitor, analyze, and optimize the performance of physical assets and processes.
- Quantum Internet Quantum networks allow for the transmission of information in the form of quantum bits (qubits) between remote quantum computers. The Quantum Internet will complement the classical Internet enabling new functionalities such as quantum cryptography and quantum distributed/cloud computing.
- Smart Propagation Environments Smart propagation environments with reconfigurable surfaces refer to wireless communication environments that are optimized for signal propagation using advanced technologies such as reconfigurable surfaces, made up of arrays of tiny antennas or other active components, which can be used to reflect, redirect, or focus wireless signals in specific directions. Smart propagation environments can also incorporate other advanced technologies, such as machine learning algorithms, which can optimize network performance in real-time based on changing environmental conditions.
- THz Communications THz (terahertz) communications and networks refer to the use of terahertz frequencies, which lie between the microwave and infrared regions of the electromagnetic spectrum, for wireless communications. This offers the potential for extremely high bandwidths, allowing for data transfer rates that are orders of magnitude faster than current wireless technologies, while guaranteeing deterministic performance in terms of reliability and latency. This allows to replicate the functionality of wired systems and create the opportunity to make wireless networks an integral part of industrial automation.
- Non-Terrestrial Networks Satellite networks refer to communication systems that utilize artificial satellites in Earth's orbit to facilitate various types of telecommunications, broadcasting, navigation, Earth observation, and scientific research. These networks provide global coverage and are crucial for enabling long-distance and wide-area communication where terrestrial infrastructure may be impractical or unavailable.
- Silicon photonics Silicon photonics is a technology that integrates optical components and systems into silicon-based semiconductor platforms. The goal is to combine the capabilities of both photonics (the study and use of light) and traditional electronic circuitry on a single chip, enabling the development of compact, high-performance, low-cost devices for communications and data processing applications.
Le reti che sosterranno il paradigma trasformativo dell’Industria 5.0 saranno in prima linea nell’innovazione tecnologica. Queste reti andranno oltre le capacità delle precedenti generazioni, mirando a integrare perfettamente tecnologie e capacità avanzate che consentono la comunicazione dinamica, l’elaborazione dei dati in tempo reale e il processo decisionale collaborativo in ambienti industriali.
La ricerca condotta nell’ambito della linea FN è fondamentale nel preparare le fondamenta di queste reti avanzate. Con il suo impatto di vasta portata su varie aree di ricerca, la linea FN contribuisce attivamente ai seguenti aspetti delle tecnologie di rete:
- Softwarizzazione di rete: creazione di scenari SD-WAN reali, sfruttando algoritmi di Re-inforcement Learning all'avanguardia, con particolare attenzione alle aree remote con scarse risorse e alle applicazioni in ambito medico; sviluppare primitive di elaborazione di rete sicure ed efficienti utilizzando hardware prontamente disponibile, sfruttando paradigmi di programmazione innovativi, in particolare l'elaborazione del flusso di dati; ricercare metodi per l'analisi delle prestazioni nel caso peggiore nei sistemi collegati in rete e integrarli in strumenti software.
- Reti pervasive: preservare la continuità del servizio e la QoS per i dispositivi degli utenti nel continuum cloud-edge; nuovo algoritmo di gestione e pianificazione delle risorse per i sistemi IoT industriali da eseguire durante l'implementazione della rete e in fase di esecuzione per far rispettare i requisiti di qualità del servizio; utilizzando la tecnologia RFID UHF passiva per la localizzazione a livello di articolo su larga scala in ambienti interni.
- Digital Twins: applicazione della metodologia multi-modello Model Based Design per lo sviluppo di DT di sistemi cyber-fisici, con supporto alla validazione e alla verifica formale; lo sviluppo di strumenti software di simulazione di eventi discreti da integrare nei gemelli digitali delle reti 5G/6G.
- Quantum Internet: sviluppo di un protocollo di rete quantistica che agisca su una catena di ripetitori quantistici, garantendo elevata flessibilità; progettare e implementare un framework ispirato al paradigma SDN che consenta la piena programmabilità del piano dati della rete quantistica; esplorazione e sviluppo di sistemi crittografici post-quantistici, con particolare attenzione ai codici di correzione degli errori.
- Ambienti di propagazione intelligenti: modello analitico del calcolo della risposta in ampiezza e fase di superfici riflettenti intelligenti (IRS), considerando l'effetto dei materiali, le non idealità dei componenti elettronici attivi, le caratteristiche geometriche degli elementi IRS, l'angolo di incidenza e accoppiamento elettromagnetico. Il nuovo modello fornisce una stima accurata sia dell'ampiezza che della fase della riflessione non solo alla prima risonanza ma anche alla seconda.
- Comunicazioni THz: modellazione e progettazione di comunicazioni efficienti dal punto di vista energetico e spettrale nello spettro di frequenze Terahertz per applicazioni industriali, con particolare attenzione alla valutazione dell'impatto della modellazione dei canali, allo sviluppo di modelli di canali semplificati in campi vicini e lontani e all'impatto delle interferenze elettromagnetiche sulle comunicazioni assistite dall'IRS.
- Reti non terrestri: sviluppo di un'antenna a doppio riflettore in grado di affrontare sfide specifiche su quattro bande di frequenza (C, X, K e Ka), tra cui la polarizzazione circolare doppia, l'alimentazione coassiale e l'integrazione della linea di alimentazione; ricercare le capacità dei sistemi di antenne per la formazione di schiere; per i satelliti GEO e LEO; progettazione di un avanzato codificatore BCH/LDPC parallelo ad alta velocità che fornisce una flessibilità senza precedenti in tutte le modalità di missione per i sistemi di comunicazione satellitare EO.
- Fotonica del silicio: sviluppo di ricetrasmettitori elettro-ottici integrati, essenziali per la trasmissione e la messa in rete di dati ottici ad alta velocità, che confermano il potenziale della fotonica del silicio come tecnologia dirompente per ambienti ricchi di radiazioni, come veicoli spaziali o satelliti.
