RDAntenna

English version here.

Rețea de antenă retro-directivă compactă destinată sistemelor wireless, în benzile specifice protocoalelor de comunicație IEEE 802.11 şi IEEE 802.16 sau WMAN (RDAntenna)

Program: Planul Naţional de Cercetare-Dezvoltare şi Inovare pentru perioada 2015 - 2020 (PNCDI III)

Subprogram: P2 - Creșterea competitivității economiei românești prin CDI

Instrument de finanțare: Soluții

Contract: 6SOL/2017

Interval implementare: 2017 - 2020 (35 luni)

Unitatea de finanțare: UEFISCDI

Beneficiar: Serviciul Român de Informații

Buget: 4500000 lei

Director Proiect: Prof.dr.ing. Tudor PALADE

 

Scurtă descriere

Rețelele de antene exploatează diversitatea spațială în vederea îmbunătățirii performanțelor de detecție a semnalului, estimare a parametrilor și recepție și permit dezvoltarea de tehnici complexe precum determinarea direcției de radiație, localizarea țintei, favorizarea direcției de radiație (beamforming) și urmărirea țintei. În acest context, proiectul propune realizarea unui sistem retrodirectiv adaptiv prin utilizarea unei rețele de antene comandate de echipamente Software Defined Radio (SDR), capabil să execute operații de beamforming.

Scopul proiectului este să ofere o soluție completă care să: (1) identifice utilizatorul țintă (în etapa de asociere la rețea); (2) localizeze utilizatorul țintă cu sistemul de antene controlat SDR (cu algoritmi pentru localizare); (3) modifice caracteristica de radiație a  antenei prin control SDR (prin beamforming) astfel încât SNR țintă să fie îmbunătățit; (4) urmărească utilizatorul țintă prin adaptarea caracteristicii de radiație; (5) prioritizeze traficul pentru îmbunătățirea calității serviciului.

Pentru atingerea scopului proiectului se propune o abordare cuprinzătoare, pe trei direcții de dezvoltare: (1) la strat PHY pentru îmbunătățirea SNR a țintei prin schimbarea caracteristicii de directivitate a antenei, (2) la strat MAC pentru asigurarea suportului QoS prin prioritizarea traficului țintei, (3) la straturile superioare prin implementarea funcțiilor de autentificare și rutare care să asigure securitate ridicată, confidențialitate și latențe mici de procesare pentru traficul țintei.

Pentru realizarea unei platforme de dezvoltare și testare care să aibă cost scăzut, darsă fie versatillă, se propune utilizarea de module SDR NI USRP împreună cu mediul de proiectare NI LabVIEW. Utilizarea NI LABVIEW cu platforma versatilă de proiectare SDR permite implementarea unei rețele de elemente distincte de emisie-recepție, sincronizate, ce pot fi calibrate la rulare, oferind posibilitatea prototipării rapide și facile a soluțiilor ce implementează algoritmii de procesare a semnalului provenit de la rețele de antene. Acest ansamblu va asigura proiectarea rapidă și testarea unei game variate de algoritmi și arhitecturi de rețele de antene, modulul software dezvoltat fiind independent de producătorii hardware și oferind posibilitatea personalizării soluției în funcție de cerințele aplicației.

 

Obiectivele proiectului

Pentru a răspunde cerințelor beneficiarului, proiectul „Rețea de antenă retro-directivă compactă destinată sistemelor wireless, în benzile specifice protocoalelor de comunicație IEEE 802.11 şi IEEE 802.16” are următoarele obiective:

  1. Coordonarea tehnică a echipei proiectului, eşalonarea în timp a activităţilor, întocmirea rapoartelor intermediare şi finale privind progresul proiectului şi gestionarea aspectelor financiar-administrative.
  2. Stabilirea cerințelor sistemului raportate la stadiul actual, conform necesităților beneficiarului, pentru operare în benzile specifice protocoalelor de comunicație IEEE 802.11 şi IEEE 802.16.
  3. Determinarea prin simulare a variantelor constructive ale sistemului radiant cu indicarea soluției hardware.
  4. Dezvoltarea algoritmilor de comandă și control pentru determinarea direcției de radiație, localizării țintei, beamforming, urmăririi și asigurării suportului QoS și implementarea acestora pe module SDR.
  5. Implementarea stivei de protocol conform standardului IEEE 802.11 la nivel fizic și MAC cu suport QoS.
  6. Implementarea stivei de protocol la nivel rețea, transport și aplicație pentru compatibilizare cu IEEE 802.11.
  7. Execuția sistemului radiant de antenă în benzile 2.4 GHz, 3.6 GHz, 5.2 GHz și testarea sistemului radiant în camera anecoică și în spațiu liber (poligon de testare echipamente radio) și evaluarea performanțelor.
  8. Realizarea subsistemului de comandă și control prin interconectarea subsistemului SDR cu Tx/Rx multiple cu modulele de sincronizare în timp, frecvență și fază și evaluarea prin teste de laborator.
  9. Realizarea subsistemului de rutare și securitate pentru asigurarea autentificării și autorizării accesului, precum și pentru rutarea pachetelor înspre / dinspre Internet.
  10. Integrarea modulelor sistemului (rețea antenă, comandă și control, rutare și securitate) și validarea soluției prin teste de trafic și măsurători specifice standardului IEEE 802.11 în medii de lucru reale.
  11. Realizarea unui prototip compact și portabil în standard IEEE 802.11 și testarea în medii de lucru reale.
  12. Diseminarea rezultatelor proiectului, generare de proprietate intelectuală (IP) și finalizarea proiectului.

 

Rezultate estimate

Rezultatele estimate pentru proiectul „Rețea de antenă retro-directivă compactă destinată sistemelor wireless, în benzile specifice protocoalelor de comunicație IEEE 802.11 şi IEEE 802.16” sunt următoarele: (1) definirea cerințelor sistemului și a metodelor de implementare; (2) proiectarea și realizarea subsistemului antenă retro-directivă conform caracterisiticilor și parametrilor determinați; (3) realizarea subsistemului de comandă și control a antenei retro-directive cu implementarea pe platforme SDR a algoritmilor de localizare, sintetizare a caracteristicii de radiație și urmărire a țintei; (4) integrarea stivei de protocol de comunicație în standard IEEE 802.11 în vederea asigurării accesului la canal și partajării resurselor între utilizatori; (5) realizarea subsistemului de rutare și securitate pentru asigurarea transferului de date și garantarea confidențialității; (6) realizarea și testarea sistemului complet de rețea de antenă-retrodirectivă ce integrează subsistemele specifice și care este calificat pentru funcționarea într-un mediu de transmisie real.

 

Principalele realizări ale proiectului RDAntenna sunt:

  • Proiectarea, simularea, realizarea și măsurarea a 3 variante de sistem radiant (liniar cu până la 8 elemente, octogon cu 16 dipoli în λ/2 realizați clasic și octogon cu 16 dipoli în tehnologie microstrip).
  • Implementarea și validarea procedurii de recunoaștere a utilizatorului țintă pe baza unui identificator.
  • Implementarea, testarea prin simulare și validarea prin măsurători a algoritmilor de indicare a direcției utilizatorului țintă cu sistemul de antene controlat SDR (MUSIC și ESPRIT).
  • Implementarea, testarea prin simulare și validarea prin măsurători a algoritmilor de beamforming (MVDR și phase shift beamforming) la transmisie și recepție pentru sistem radiant liniar (ULA) cu până la 8 antene.
  • Implementarea, testarea prin simulare și măsurători a algoritmilor de beamforming (MVDR și phase shift beamforming) pentru sistem radiant cu simetrie circulară cu până la 16 antene. Rezultatele măsurătorilor susțin ideea utilizării unui reflector octogonal.
  • Implementarea, realizarea și testarea procedurii de beamforming pentru sistem radiant cu reflector octogonal și 16 antene.
  • Implementarea, testarea și validarea subsistemului de rutare echipat cu modem 3G/4G, SD card pentru stocare configurări, server RADIUS pentru autentificare/autorizare și funcții de prioritizare a traficului.
  • Integrarea subsistemelor la nivelul unui sistem cu rețea de antenă retro-directivă.
  • Diseminarea rezultatelor obținute: 15 articole cu ACK pe RDAntenna, un studiu de caz publicat de NI și 2 cereri de brevet.

 

Publicarea rezultatelor obținute

Articole științifice la conferințe internaționale

  1. Codau, C., Voina, A., Pastrav, A., Palade, T., Puschita, E., Hedesiu, H., Chirap, C., Experimental evaluation of the IEEE 802.11ac standard using NI USRP 2954R, 2017 16th RoEduNet Conference: Networking in Education and Research (RoEduNet), DOI: 10.1109/ROEDUNET.2017.8123765, Sept. 21-23, Tg. Mures, Romania, 2017. WOS:000425040000037
  2. Voina, A., Codau, C., Pastrav, A., Palade, T., Puschita, E., Hedesiu, H., Chirap, C., Implementation of a SDR-based redundant access network using NI USRP-RIO, 201716th RoEduNet Conference: Networking in Education and Research (RoEduNet), DOI: 10.1109/ROEDUNET.2017.8123764, Sept. 21-23, Tg. Mures, Romania, 2017.  WOS:000425040000036
  3. Pastrav, A., Codau, C., Puschita, E., Dolea, P., Palade, T., Conceptual Architecture of a Retrodirective Antenna System with Beamforming Capabilities, 2018 International Conference on Communications (COMM), Bucuresti, 2018, pp. 225-230.  WOS:000449526000041. https://doi.org/10.1109/ICComm.2018.8484740
  4. Rares, B., Codau, C., Pastrav, A., Palade, T., Hedesiu, H., Balauta, B., Puschita, E., Experimental Evaluation of AoA Algorithms using NI USRP Software Defined Radios, 2018 17th RoEduNet Conference: Networking in Education and Research (RoEduNet), Cluj-Napoca, 2018, pp. 1-6.  https://doi.org/10.1109/ROEDUNET.2018.8514133
  5. Pastrav, A., Palade, T., Dolea, P., Simedroni, R., Codau, C., Puschita, E., The Alphasat Experiment at Cluj-Napoca – Preliminary Results, 2018 International Symposium on Electronics and Telecommunications (ISETC), Timisoara, 2018, pp. 1-4. WOS:000463031500051. https://doi.org/10.1109/ISETC.2018.8583877 
  6. Pastrav, A., Dolea, P., Puschita, E., Codau, C., Palade, T., Palade, I., Exposure to UHF Electromagnetic Radiation in Urban Areas, 6th International Conference on Advancements of Medicine and Health Care through Technology, Volume 71, p. 97-101, Springer, 2018. https://doi.org/10.1007/978-981-13-6207-1_16.
  7. Pastrav, A., Dolea, P., Puschita, E., Codau C., Palade, T., Evaluating the Electromagnetic Pollution in the 700-1000MHz Frequency Range in Urban Areas, 2018 IEEE Conference on Antenna Measurements & Applications (CAMA), Vasteras, 2018, pp. 1-4.  https://doi.org/10.1109/CAMA.2018.8530655.
  8. E. Jecan, C. Pop, Z. Padrah, M. Vlasin, O. Ratiu, E. Puschita, Redundancy for an all-in-one ISA100.11a Gateway: Protocol Design and Hardware Integration, 2019 18th RoEduNet Conference: Networking in Education and Research (RoEduNet), Galati, Romania, 2019, pp. 1-6. doi: 10.1109/ROEDUNET.2019.8909476.
  9. Codău, C., Buta, R., Palade, T., Păstrăv,  A., Dolea,  P., Simedroni,  R., Puschita E., Experimental Evaluation of a Beamforming-capable System using NI USRP Software Defined Radios, 2019 18th RoEduNet Conference: Networking in Education and Research (RoEduNet), Galati, Romania, 2019, pp. 1-6. doi: 10.1109/ROEDUNET.2019.8909456.

De asemenea, echipa RDAntenna a participat și la conferința internațională IEEE 2020 International Workshop on Antenna Technology (iWAT 2020) cu indexarea lucrarilor ISI-WoS / IEEEXplore. Evenimentul s-a desfășurat în intervalul 25-28 februarie 2020, la Hotel Intercontinental, București. Au fost prezentate următoarele lucrări:

  1. Codău, C., Buta, R., Păstrăv,  A., Palade, T., Dolea,  P., Pușchiță, E., An Overview of Digital Beamforming Implemented on SDR Platforms.
  2. Codău, C., Buta, R., Păstrăv,  A., Palade, T., Dolea,  P., Pușchiță, E., ULA Transmit Beamforming on SDR Platform.
  3. Padrah, Z., Catalin, P., Jecan, E., Păstrăv,  A., Palade, T., Rațiu, O., Pușchiță, E., An ISA100.11a Model Implementation for Accurate Industrial WSN Simulation in ns-3.
  4. Simedroni, R., Pușchiță, E., Palade, T.,Dolea, P., Codău, C., Buta, R., Păstrăv,  A., Indoor Positioning using Decawave MDEK1001.
  5. Pușchiță, E., Simedroni, R., Palade, T., Codău, C., Voș, S., Rațiu, V., Rațiu, O., Performance Evaluation of the UWB-based CDS Indoor Positioning Solution.
  6. Dolea, P., Palade, T., Puschita, E., Cristea, O., Pastrav, A., Conceptual Approach of an SDR-operated Multifeed Antenna for Space Surveillance and Tracking

 

Studiu de caz

R. Buta, C. Codau, A. Pastrav, T. Palade, P. Dolea, E. Pușchiță, Direction-Finding System Deployment Based on the NI Platform, National Instruments Case Study, 2019. Online: http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-17758# 

 

Cereri de brevet:

Titlu brevet 1: Sistem radiant compact cu diagramă de radiație omnidirecțional deformabilă

Număr de înregistrare la OSIM: A/00082/18.02.2020

Autorii: Palade, T. (UTC-N), Păstrăv,  A. (UTC-N), Pușchiță, E. (UTC-N), Dolea, P. (BITNET), Cristea, O. (BITNET), O. Rațiu (CDS)

 

Titlu brevet 2: Sistem și metodă de localizare a unui terminal WiFi folosind ancore echipate cu antene retro-directive

Număr de înregistrare la OSIM: A/00081/18.02.2020

Autorii: Palade, T. (UTC-N), Păstrăv,  A. (UTC-N), Pușchiță, E. (UTC-N), Dolea, P. (BITNET), Cristea, O. (BITNET), O. Rațiu (CDS)

 

Rapoarte tehnico-științifice

RST 2017 disponibil aici

RST 2018 disponibil aici

RST 2019 disponibil aici

RST 2020 disponibil aici 

 

Contact

Prof.dr.ing. Tudor PALADE

e-mail: Tudor.Palade@com.utcluj.ro

tel. 0264 401 403

str. George Barițiu, nr. 26-28, 400027, Cluj-Napoca, Romania