One of the new key features behind the development of sixth-generation (6G) mobile networks is their ability to gather information about the surrounding environment. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) radio signals, which are transmitted by base stations to users and vice versa, not only carry data, but are also affected by the movement of the transmitter, obstacles, and illuminated targets. The concept of OFDM radar aims to extract information about the distance and relative speeds of targets that reflect the signal. The high bandwidths and large antenna apertures available in next-generation mobile networks will facilitate the usage of OFDM radar for gathering sensing information. The combination of these functions and the underlying existing communication capabilities is referred to as Integrated Sensing and Communication (ISAC). Applications typically considered for ISAC include vehicle detection (cars or drones), human activity detection and industrial safety. The typical assumption is that the target is in line of sight (LOS) from the sensing hardware. However, an area that has not been extensively explored is non-line of sight (NLOS) sensing, where the radio signal can, if at all, reach the target after multiple reflections. The aim of this thesis work is to investigate the feasibility of ISAC in NLOS environments, addressing performance constraints imposed by communication requirements, algorithmic development and identification of novel application scenarios for the system, with a focus on intrusion detection in factory floors. The proposed approaches are validated using real-world measurements obtained from Nokia’s ISAC mmWave prototype, which was deployed in an industrial test facility in the ARENA 2036 in Stuttgart, Germany. The prototype is based on a commercial system that operates at 27.4 GHz and complies with the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standards for fifth-generation (5G) waveforms in the mmWave frequency bands. Validation measurements were performed focusing on human intrusion detection scenarios in an industrial environment. The objective is to define an initial approach for NLOS radar sensing based on periodogram spectral analysis, which can be exploited for more advanced sensing functionalities.

Una delle nuove caratteristiche chiave alla base dello sviluppo delle reti mobili di sesta generazione (6G) sarà la loro capacità di raccogliere informazioni sull’ambiente circostante. I segnali radio a divisione di frequenza ortogonale (OFDM), che vengono trasmessi dalle stazioni base agli utenti e viceversa, non solo trasportano dati, ma sono anche influenzati dal movimento del trasmettitore, dagli ostacoli e dai soggetti illuminati dal segnale. Il concetto di radar OFDM mira a estrarre informazioni sulla distanza e sulla velocità relativa dei bersagli analizzando il segnale riflesso. Le ampie larghezze di banda e le grandi aperture d’antenna disponibili nelle reti mobili di prossima generazione faciliteranno l’uso del radar OFDM per la raccolta di informazioni di rilevamento. La combinazione di queste funzioni e delle capacità cellulari sottostanti è denominata Integrated Sensing and Communications (ISAC). Le applicazioni tipicamente considerate per l’ISAC includono il rilevamento di veicoli (automobili o droni), il rilevamento di attività umane e la sicurezza industriale. In questi casi d’uso presupposto tipico è che il bersaglio venga illuminato in linea diretta dal segnale radio, condizione denominata line-of-sight (LOS). Tuttavia, un ambito non ancora esplorato in modo esaustivo è quello in cui il bersaglio non si trova in linea diretta, ma viene raggiunto dal segnale solo dopo riflessi da altri ostacoli, condizione indicata come non-line-of-sight (NLOS). L’obiettivo di questa tesi è lo studio della fattibilità di sistemi ISAC in condizioni di NLOS e la definizione di un primo approccio per il rilevamento radar in NLOS basato sull’analisi spettrale del periodogramma, affrontando i vincoli sulle prestazioni imposti dai requisiti di comunicazione, dallo sviluppo di algoritmi, dall’identificazione di nuovi scenari applicativi per il sistema. Gli approcci proposti sono stati convalidati utilizzando misure reali ottenute dal prototipo ISAC mmWave di Nokia, installato in una struttura di ricerca industriale ad ARENA 2036, Stoccarda, Germania. Il prototipo è basato su un sistema commerciale che opera a 27,4 GHz, conforme alle specifiche del 3rd Generation Partnership Project (3GPP) per le forme d’onda di quinta generazione (5G) per le forme d’onda di quinta generazione (5G) nelle bande di frequenza mmWave.

Feasibility of non-line of sight integrated sensing and communication at mmWave

TOSI, PAOLO
2023/2024

Abstract

One of the new key features behind the development of sixth-generation (6G) mobile networks is their ability to gather information about the surrounding environment. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) radio signals, which are transmitted by base stations to users and vice versa, not only carry data, but are also affected by the movement of the transmitter, obstacles, and illuminated targets. The concept of OFDM radar aims to extract information about the distance and relative speeds of targets that reflect the signal. The high bandwidths and large antenna apertures available in next-generation mobile networks will facilitate the usage of OFDM radar for gathering sensing information. The combination of these functions and the underlying existing communication capabilities is referred to as Integrated Sensing and Communication (ISAC). Applications typically considered for ISAC include vehicle detection (cars or drones), human activity detection and industrial safety. The typical assumption is that the target is in line of sight (LOS) from the sensing hardware. However, an area that has not been extensively explored is non-line of sight (NLOS) sensing, where the radio signal can, if at all, reach the target after multiple reflections. The aim of this thesis work is to investigate the feasibility of ISAC in NLOS environments, addressing performance constraints imposed by communication requirements, algorithmic development and identification of novel application scenarios for the system, with a focus on intrusion detection in factory floors. The proposed approaches are validated using real-world measurements obtained from Nokia’s ISAC mmWave prototype, which was deployed in an industrial test facility in the ARENA 2036 in Stuttgart, Germany. The prototype is based on a commercial system that operates at 27.4 GHz and complies with the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standards for fifth-generation (5G) waveforms in the mmWave frequency bands. Validation measurements were performed focusing on human intrusion detection scenarios in an industrial environment. The objective is to define an initial approach for NLOS radar sensing based on periodogram spectral analysis, which can be exploited for more advanced sensing functionalities.
HENNINGER, MARCUS
MANDELLI, SILVIO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
9-apr-2024
2023/2024
Una delle nuove caratteristiche chiave alla base dello sviluppo delle reti mobili di sesta generazione (6G) sarà la loro capacità di raccogliere informazioni sull’ambiente circostante. I segnali radio a divisione di frequenza ortogonale (OFDM), che vengono trasmessi dalle stazioni base agli utenti e viceversa, non solo trasportano dati, ma sono anche influenzati dal movimento del trasmettitore, dagli ostacoli e dai soggetti illuminati dal segnale. Il concetto di radar OFDM mira a estrarre informazioni sulla distanza e sulla velocità relativa dei bersagli analizzando il segnale riflesso. Le ampie larghezze di banda e le grandi aperture d’antenna disponibili nelle reti mobili di prossima generazione faciliteranno l’uso del radar OFDM per la raccolta di informazioni di rilevamento. La combinazione di queste funzioni e delle capacità cellulari sottostanti è denominata Integrated Sensing and Communications (ISAC). Le applicazioni tipicamente considerate per l’ISAC includono il rilevamento di veicoli (automobili o droni), il rilevamento di attività umane e la sicurezza industriale. In questi casi d’uso presupposto tipico è che il bersaglio venga illuminato in linea diretta dal segnale radio, condizione denominata line-of-sight (LOS). Tuttavia, un ambito non ancora esplorato in modo esaustivo è quello in cui il bersaglio non si trova in linea diretta, ma viene raggiunto dal segnale solo dopo riflessi da altri ostacoli, condizione indicata come non-line-of-sight (NLOS). L’obiettivo di questa tesi è lo studio della fattibilità di sistemi ISAC in condizioni di NLOS e la definizione di un primo approccio per il rilevamento radar in NLOS basato sull’analisi spettrale del periodogramma, affrontando i vincoli sulle prestazioni imposti dai requisiti di comunicazione, dallo sviluppo di algoritmi, dall’identificazione di nuovi scenari applicativi per il sistema. Gli approcci proposti sono stati convalidati utilizzando misure reali ottenute dal prototipo ISAC mmWave di Nokia, installato in una struttura di ricerca industriale ad ARENA 2036, Stoccarda, Germania. Il prototipo è basato su un sistema commerciale che opera a 27,4 GHz, conforme alle specifiche del 3rd Generation Partnership Project (3GPP) per le forme d’onda di quinta generazione (5G) per le forme d’onda di quinta generazione (5G) nelle bande di frequenza mmWave.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/218779