Corso di laurea: Communications Engineering Programmazione per l'A.A. 2022/2023

Maxwell's equations, general principles and plane waves:Introduction to electromagnetics and applications. ● Time-domain Maxwell equations. ● Lorentz force and continuity equation. ● Interdependence of Maxwell equations. ● Boundary conditions for electromagnetic fields. ● Frequency-domain Maxwell equations and complex notation. ● Polarization of electromagnetic fields. ● Constitutive relations. ● Electromagnetic media: non-polar and polar dielectrics, conductors, and cold, collisionless plasma. ● Poynting and uniqueness theorems. ● Solutions of Maxwell equations in Cartesian coordinates: plane waves. ● Homogeneous and inhomogeneous plane waves: classification. ● Plane wave spectrum and wavenumber domain. ● Dispersion of a wave-packet and Brillouin diagram. ● Phase and group velocities.Transmission lines:Guiding structures with cylindrical symmetry and metallic contour. ● TEM modes. ● Voltage and current on a transmission line. ● Telegraphers' equations in time and frequency domains. ● Solution of Telegraphers' equations. ● Reflection coefficient and VSWR. ● Impedance transformer formula. ● Termination on matched, short-circuited, open-circuited, and generic loads. ● Lossy transmission lines. ● Coaxial cable and bifilar line impedance calculation. ● Matching techniques by quarter-wavelength transformer and by stubs.Reflection and transmission of plane waves:Normal incidence. ● Snell-Cartesio laws. ● Fresnel coefficients for parallel (TM) and orthogonal (TE) polarizations. ● TE/TM equivalent transmission lines and formalism for planar multilayer structure analysis. ● Transmission in lossless media. ● Total transmission and total reflection. ● Transmission in lossy media: interface air-good conductor. ● Leontovich boundary condition. ● Brief overview of high-frequency approximation of EM field and elements of radiopropagation.Radiation and antennas:Electrodynamic potentials. ● Field radiated by an elementary electric dipole. ● Duality theorem. ● Field radiated by an elementary loop. ● Reactive and radiative near-field conditions. ● Far-field conditions. ● Field radiated by linear antennas. ● Image theorem and application to monopole antennas.Transmitting and receiving antennas:Fundamental parameters to characterize transmitting antennas. ● Calculation of parameters for dipole and loop antennas. ● Characterization of receiving antennas. ● Friis formula for link budget. ● Brief overview of RADAR equation and RCS. ● Brief overview of antenna noise temperature.Laboratory and CAD:Experimental verification of Snell laws at optical frequencies. ● Simple overview of MATLAB scripting to solve electromagnetic problems. ● Measurement of antenna radiation pattern.

Applied
Electromagnetics

[1] C. A. Balanis, "Advanced Engineering
Electromagnetics", Wiley.

[2]
G. Franceschetti, "Campi Elettromagnetici", Bollati Boringhieri.

[3]
G. Gerosa, P. Lampariello, "Lezioni di Campi Elettromagnetici",
Edizioni Ingegneria 2000.

[4]J. Kong, "Electromagnetic Wave Theory", EMW Publishing, Cambridge, Massachusetts.

[5] C. G. Someda, "Electromagnetic Waves",
CRC Press.

Fundamentals
of Antennas:

[6] C. A. Balanis, "Antenna Theory: Analysis and
Design", Wiley.

[7]
F. S. Marzano, N. Pierdicca, "Fondamenti di Antenne", Carocci.

[8] S. J. Orfanidis, "Electromagnetic Waves and
Antennas", vol. II (Antennas).

Underlying network technologies



Background on physical interfaces and IEEE 802.11 standards

Laboratorio: network cabling


Cfu: 0,5




2: Internetworking in una rete Internet:


Tecniche di forwarding e routing,; transparent bridging, Indirizzamento IP, (*)

Subnetworking, indirizzi privati, NAT, PAT; VLAN (*)

Risoluzione degli indirizzi (ARP, BootTP, DHCP) (*) ;

protocolli IP (IPv4, cenni IPv6)Error reporting in una Internet (ICMP); (*)

Architetture e Protocolli di routing (RIP, OSPF, BGP) (*)

Laboratorio : configurazione routers/switchs, VLAN, routing


Cfu 2,5




3. Multicast nelle reti IP:


hardware multicast, multicastIP, IGMP, Routing multicast, MBone


Cfu: 0,5




4. Network security


Network security issues

Classification of network attacks. Principles of cryptography. Authentication schemes.

IpSec protocol




Cfu 0,75






5. Network performance fundamentals and queueing theory


Network performance metrics (*). Introduction to queueing theory. Poisson processes. Discrete-time(*) Markov chains. Continuous-time (*) Markov chains. M/M/1 systems(*). M/M/1/n systems. M/G/1 systems. M/G/1 systems with priority. M/D/1 systems. Introduction to networks of queues.

Performance evaluation: case studies

Performance analysis of data-link control protocols. Performance analysis of MAC protocols: random access and carrier sensing schemes. Numerical exercises on performance evaluation.




Cfu 2,5






6.QoS management nelle reti IP:


Classificazione, CAC, Controllo del traffico, Scheduling, Gestione delle
code,
Modello IntServ: Modello DiffServ


Cfu: 1




7. MPLS:


Forwarding Equivalent Class, Label Switched Router, Tabelle di routing (LIB, NHLFE,ILM), Gestione
etichette, Label Switched Path, Distribuzione delle accociazioni FEC/Etichette (Label Distribution Protocol), Integrazione MPLS_Diff SERV, Ingegneria del traffico; RSVP-TE(*)



* Contenuti minimi richiesti


Cfu 1,25













Gli studenti della coorte 2020-21 che hanno nel piano di studi l'insegnamento INTERNET da 6 CFU sono esonerati dagli argomenti della sezioni

1. Underlying network technologies

5. Network performance fundamentals and queueing theory

1 J. Kurose, K. Ross: Computer Networking, Addison-Wesley (Italiano/Inglese)

2 Mario Baldi, Pietro Nicoletti: Internetworking (Italiano)

3 Tiziano Tofoni: MPLS: Fondamenti e applicazioni alle reti IP (Italiano)

4. Luc De Ghein: MPLS Fundamentals (Inglese)

5. Achille Pattavina: Reti di Telecomunicazioni, Networking e Internet

Underlying network
technologies


Background on physical
interfaces and IEEE 802.11 standards
Laboratorio: network cabling


Cfu: 0,5




2: Internetworking in una rete Internet:


Tecniche di forwarding e routing,; transparent bridging, Indirizzamento
IP, (*)
Subnetworking, indirizzi privati, NAT, PAT; VLAN (*)
Risoluzione degli indirizzi (ARP, BootTP, DHCP) (*) ;
protocolli IP (IPv4, cenni IPv6)Error reporting in una Internet
(ICMP); (*)
Architetture e Protocolli di routing (RIP, OSPF, BGP) (*)
Laboratorio : configurazione routers/switchs, VLAN, routing


Cfu 2,5




3. Multicast nelle reti IP:


hardware multicast,
multicastIP, IGMP, Routing multicast, MBone


Cfu: 0,5




4. Network security


Network security issues
Classification of network
attacks. Principles of cryptography. Authentication schemes.
IpSec protocol



Cfu 0,75





5. Network performance fundamentals and
queueing theory


Network performance metrics
(*). Introduction to queueing theory. Poisson processes. Discrete-time(*)
Markov chains. Continuous-time (*) Markov chains. M/M/1 systems(*). M/M/1/n
systems. M/G/1 systems. M/G/1 systems with priority. M/D/1 systems.
Introduction to networks of queues.
Performance evaluation: case
studies
Performance analysis of
data-link control protocols. Performance analysis of MAC protocols: random
access and carrier sensing schemes. Numerical exercises on performance
evaluation.



Cfu 2,5





6.QoS management nelle reti IP:


Classificazione, CAC, Controllo del traffico, Scheduling, Gestione delle
code,
Modello IntServ: Modello DiffServ


Cfu: 1




7. MPLS:


Forwarding Equivalent Class, Label Switched Router, Tabelle di routing
(LIB, NHLFE,ILM), Gestione
etichette, Label Switched Path, Distribuzione delle accociazioni
FEC/Etichette (Label Distribution Protocol), Integrazione MPLS_Diff SERV,
Ingegneria del traffico; RSVP-TE(*)

* Contenuti minimi richiesti


Cfu 1,25

1 J. Kurose, K. Ross: Computer Networking,
Addison-Wesley (Italiano/Inglese)

2 Mario Baldi, Pietro Nicoletti: Internetworking
(Italiano)

3 Tiziano Tofoni: MPLS: Fondamenti e applicazioni alle
reti IP (Italiano)

4. Luc De Ghein:
MPLS Fundamentals (Inglese)

5. Achille Pattavina: Reti di Telecomunicazioni,
Networking e Internet

1. Evolutional trends of networking

Architectural and conceptual issues for the next-generation Internet. Principles of network programmability. Advanced approaches for network control and management. Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV).

2. Advanced network applications

Main application protocols: HTTP, SMTP, DNS. Peer-to-peer applications. Data Center networking. Multimedia network applications: video streaming and Content Delivery Networks.

3. Technologies for wireless access networks

Wireless LANs and ad hoc networks. Vehicular networks. UAVs. Underwater communications. Body and intrabody area networks. Satellite-based networks.

4. Architectures and systems for optical transport networks

Fundamentals of fiber optic communications. Optical switches and routers.

5. Tools for network modeling and design

Network optimization techniques. Machine learning in networking. Game theory.

1) J. Kurose, K. Ross: Computer Networking, Addison-Wesley.

2) A. Tanenbaum: Computer Networks, Prentice-Hall.

3) D. Bertsekas, R. Gallager: Data Networks, Prentice-Hall.

4) A. Pattavina: Internet e Reti - Fondamenti.

1. Introduzione e concetti base sulle reti mobili.Classificazione, motivazione e requisiti delle reti mobili. Evoluzione delle reti e servizi mobili. Architetture delle reti mobili. Condivisione delle risorse radio. La mobilità degli utenti.2. Il Canale radio e la trasmissione radio.Canale radio e modelli di propagazione. Cenni agli schemi di modulazione numerica e codifica di canale. Dimensionamento della cella con considerazioni di propagazione radio.3. Accesso Radio. Tecniche di accesso multiplo in canali broadcast. Il Duplexing. Modelli di condivisione delle risorse radio.4. Gestione della mobilità e Analisi delle prestazioni in mobilità.Cell selection, location management, handover.Modelli di traffico e modelli di mobilità per il calcolo delle prestazioni a livello di chiamata.5. Radio planning: copertura cellulare e capacità di rete. Riuso di frequenza. Pianificazione di un sistema cellulare con considerazioni di ingegneria del traffico. Analisi della capacità.6. GSM: Architettura ed interfaccia radio; canali fisici e logici; gestione della mobilità, delle risorse radio e della sicurezza; protocolli di segnalazione; esempi di procedure.7. GPRS: Architettura e protocolli della rete GPRS: confronto e aggiornamenti rispetto all'architettura del GSM. Interfaccia radio GPRS.8. UMTS: Architettura ed interfaccia radio; controllo di potenza; gestione delle risorse radio, della mobilità e della sicurezza.9.LTE:principali funzionalità e prestazioni offerte dalla nuova tecnologia. Architettura di rete e dei servizi. Interfacce e protocolli. Interfaccia radio LTE.10. Verso il 5G. LTE-Advance e LTE-Advance Pro. 5G Scenari d'uso e requisiti. Architettura e modello QoS. 5G New Radio. 5G RAN & 5G CoreLaboratorio .Le esperienze in laboratorio sono parte integrante del corso e saranno svolte presso il Polo Tecnologico del DIEEI con frequenza variabile (a seconda dell'avanzamento del programma). Le tematiche affrontate sono riportate di seguito.Implementazione al calcolatore di scenari di trasmissione cellulare indoor e outdoor, modelli di path loss (spazio libero, Okumura-Hata, modelli 3GPP) e canali affetti da fading.Implementazione al calcolatore di algoritmi euristici per la risoluzione di problemi di controllo di potenza in sistemi CDMA e allocazione delle risorse radio in sistemi LTE.Introduzione al software di testing per effettuare misurazioni di parametri di rete per sistemi GSM, UMTS e LTE.. Analisi delle procedure di cell attach, cell reselection, location update, chiamate generate e ricevute.Introduzione al software e hardware disponibili in laboratorio per emulare una rete mobile LTE. Analisi delle prestazioni di rete in servizi streaming e download/upload su FTP server. Analisi dello scambio di messaggi di segnalazione sia lato access network che core network. Resource Block allocation e Modulation and Coding Scheme al variare della distanza e della qualità del canale. Valutazione delle chiamate su tecnologia VoLTE.Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto alle specifiche attività di laboratorio dichiarate.

Martin Sauter, “From GSM to LTE‐Advanced Pro and 5G: An Introduction to Mobile Networks and Mobile Broadband”, IV Edition , John Wiley & Sons Ltd, 2021M. Schwartz, “Mobile Wireless Communications”, Cambridge University Press.C. Cox, “An introduction to LTE: LTE LTE-Advanced, SAE, VoLTE and 4G Mobile Communications”, 2° Edizione, Wiley.Christopher Cox, “An Introduction to 5g: The New Radio, 5g Network and Beyond”, John Wiley & Sons Ltd, 2020Rajib Taid, “Mobile Communications Systems Development: A Practical Introduction to System Understanding, Implementation, and Deployment”, John Wiley & Sons Ltd, 2021,Dispense delle slide del docente disponibili su Studium

Il corso è organizzato in sei Unità Didattiche Elementari (UDE):ArgomentiRiferimenti testi1UDE 1. Digitalizzazione dei segnali*Campionamento, quantizzazione e codifica. Ricostruzione ideale del segnale in banda base. Campionamento in condizioni non ideali: segnali non limitati in banda; campionamento non istantaneo e compensazione; ricostruzione non ideale e compensazione.Campionamento in banda passante.Testo: F. Argenti, L. Mucchi, E. Del Re, “Elaborazione numerica dei segnali”.Cap. 1, §1.1 – 1.5e diapositive proiettate a lezione2UDE 2. Trasformata di Fourier per sequenze e trasformata Z*Definizione di Trasformata di Fourier per sequenze e Trasformata di Fourier inversa; Trasformata di Fourier per sequenze canoniche.Definizione di Trasformata Z, relazione con la Trasformata di Fourier, regione di convergenza, calcolo della trasformata Z per sequenze notevoli. Trasformata Z inversa di funzioni razionali.Convergenza delle Trasformate di Fourier e Z. Trasformata Z inversa di funzioni non razionali.Testo: F. Argenti, L. Mucchi, E. Del Re, “Elaborazione numerica dei segnali”.Cap. 1, §1.6 – 1.10Cap. 2e diapositive proiettate a lezione3UDE 3. Sistemi a tempo-discreto*Sistemi lineari tempo invarianti (LTI): calcolo della sequenza di uscita; causalità; stabilità. Rappresentazioni di un sistema LTI tramite risposta all’impulso, equazione alle differenze finite, funzione di trasferimento, risposta in frequenza. Ritardo di fase e ritardo di gruppo; sistemi non distorcenti. Sistemi passa-tutto; sistemi a fase minimaFIR simmetrici: proprietà (fase lineare, ritardo di fase costante, posizione degli zeri).Sistemi elementari nel tempo-discreto: ritardatore, media mobile, accumulatore o integratore numerico, derivatore numerico. Decimatore o sottocampionatore, interpolatore o sovra-campionatore, multiplexer di sequenze; filtri FIR Half-band; generatore di un segnale analitico discreto.Testo: F. Argenti, L. Mucchi, E. Del Re, “Elaborazione numerica dei segnali”.Cap. 3e diapositive proiettate a lezione4UDE 4.Discrete Fourier Transform (DFT) e Fast Fourier Transform (FFT)*DFT e IDFT. Traslazione circolare. Convoluzione circolare e convoluzione lineare. Applicazione al calcolo dell’uscita di un sistema LTI.FFT. Radice-2 a decimazione nel tempoStime spettrali, risoluzione spettrale. Periodogramma.Convoluzione lineare veloce tra due sequenze e applicazione al calcolo del filtraggio di una sequenza. Algoritmi “Overlap & Add” e “Overlap & Save”.FFT a decimazione in frequenza. FFT inversa.Scelta della finestra e della sua durata. Correlazione di sequenze.Testo: F. Argenti, L. Mucchi, E. Del Re, “Elaborazione numerica dei segnali”.Cap. 5e diapositive proiettate a lezione5UDE 5. Progettazione e implementazione di filtri digitali*Filtri FIR. Specifiche di progetto. Uso di FIR a fase lineare. Progettazione con il metodo delle finestre. Progetto di FIR passa-basso. Metodo equiripple e criterio di Chebychev, approccio di Parks-McClellan.Filtri IIR. Metodi di progetto diretto e indiretto. Trasformazione bilineare e invarianza all’impulso.Progetto di finestre ottime.Progetto di FIR passa-banda, FIR derivatore, FIR di Hilbert. Metodo dei minimi quadrati. Metodo del campionamento in frequenza. Progetto di FIR a fase minima.Progetto di filtri IIR passa-alto, passa-banda ed elimina banda.Testo: F. Argenti, L. Mucchi, E. Del Re, “Elaborazione numerica dei segnali”.Cap. 6Cap. 7e diapositive proiettate a lezione6UDE 6. Elaborazione e compressione di audio, immagini e video digitali*Codifica lossless e lossy. Cenni di tecniche di codifica per segnale vocale e codifica delle immagini JPEG ed MPEG.Realizzazione di effetti su immagini digitali in MatlabAppunti forniti dal docentee diapositive proiettate a lezione

[Arg] F. Argenti, L. Mucchi, E. Del Re, Elaborazione numerica dei segnali. Teoria, esercizi ed esempi al calcolatore, Mc Graw Hill, 2011.[Opp] A. V. Oppenheim, R. W. Schafer, Elaborazione numerica dei segnali, Angeli, Milano, 2003

Introduction (approx 3 hours): Introduction to Internet of Things-Introduction to big data-Definition of big data-Types of big data-operations on big data-Examples of big data.

Part 1 (approx 40 hours): Digital transmission: Space of signals, Vector representation of signals, Gram-Schmidt orthogonalization -Survey on main analog and digital modulation techniques, Error probabilities for different modulation schemes, MAP criteria for signal reconstruction, Transmission on Gaussian channel -Viterbi decoding, convolutional and Trellis codes -Minimum bandwidth systems, Maximum likelihood estimation, receiving systems -Fading channels, Clarke hypothesis, multipath, Rayleigh and Rice fading -Equalizers, Zero Forcing equalizers,

Part 2 (approx 12 hours).Big data sensing: Types of data - Audio sources - Basics of acoustics - Human earing fundamentals - Basics of digital audio - Digital encoding - Sampling Theory - Different audio file formats - Compressed audio - Videosources - Basics of video encoding - Different video file formats - Multimedia transmission - Fundamentals - Jitter and synchronization - Multimedia file formats - Data sources - Data file formats - Examples of different mechanisms for data generation.

Part 3 (approx 10 hours).Big data compression: Source coding - Compressive sensing - Channel coding - Examples of compression techniques applied to different types of data.

Part 4 (approx 15 hours).Big data communication: Technologies for the IoT - WiFi - LoRa - SigFox - Examples of communication between nodes exploiting some of the technologies discussed above.

The following texts are suggested readings. During the course, the teacher can also suggest further readings (e.g. scientific papers and articles) on specific topics.

-A. Rezzani. Big Data Analytics: Il manuale del data scientist, Apogeo Maggioli Editore

-V. Lombardo, A. Valle. Audio e multimedia, 4th edition, Apogeo Maggioli Editore.

-Z. Han, H. Li, W. Yin.Compressive sensing for wireless networks. Cambridge University Press.

-F. Wu. Advances in visual data compression and communication: Meeting the Requirements of New Applications,CRC Press.

-U. Mengali, M. Morelli, Trasmissione numerica, Mc Graw Hill