Cloud Robotics and factories Of the FuTure – CROFT

Este proyecto aborda la investigación necesaria para el desarrollo de la robótica móvil en la nube sobre la base de redes móviles de 5ª generación. En la actualidad la mayoría de los sistemas electrónicos, máquinas y dispositivos son ya capaces de capturar una cantidad ingente de datos y de ponerlos a disposición de los sistemas basados en tecnologías de la información (IT). Estos sistemas se están adoptando por parte de la Industria para mejorar su automatización en términos de robustez, fiabilidad, seguridad, latencia y jitter. Este ecosistema que engloba tecnologías de la información, máquinas y dispositivos inteligentes forma lo que normalmente se llama el internet de las cosas industrial (IIoT). El IIoT será parte de la próxima revolución industrial, conocida como Industria 4.0, cuyo éxito va a depender de la capacidad de los procesos de fabricación para incorporar funciones de gestión y transmisión de toda información relevante en tiempo real. Además, está claro que la movilidad de los objetos involucrados en la producción, así como su necesaria flexibilidad, requiere de sistemas de comunicación inalámbricos. La 5G será fundamental en este nuevo ecosistema, donde un número masivo de máquinas se comunicarán entre ellas de forma inalámbrica.

Para explotar al máximo el potencial ofrecido por las comunicaciones inalámbricas para la monitorización, control y aplicaciones de automatización en el marco de la Industria 4.0, existe una clara necesidad de desarrollar protocolos de comunicaciones que satisfagan las restricciones de capacidad, latencia acotada, alta fiabilidad y eficiencia energética. Además de esto, en la fábrica del futuro, los robots y droides deberán ejecutar instrucciones provenientes de entidades centrales capaces de fusionar toda la información llegada de un número masivo de sensores, y de tomar decisiones sofisticadas en tiempo real. El tiempo para la robótica en la nube está cerca, pero la red inalámbrica no está lista para soportarlo.

Dados los escenarios anteriormente descritos, la actividad del grupo de investigación que dirige Narcís Cardona abordará en los próximos años nuevos paradigmas de comunicación, principalmente en recintos, en interiores, basados en redes ultra densas (UDNs) continuas, incorporando nuevas bandas de frecuencia tales como las de ondas milimétricas (mmW), con confinamiento de interferencias, para contribuir a la nueva era de la robótica móvil y en la nube. Esta necesaria investigación está además especialmente impulsada por el interés de la Industria en habilitar despliegues inalámbricos a gran escala, en aras de una producción flexible, competitiva y eficiente en costes.

Este proyecto de investigación proporcionará algunas respuestas a los retos antes citados, incluyendo el diseño de la arquitectura y los protocolos para sistemas robóticos con movilidad y en la nube, la gestión de movilidad en despliegues inalámbricos ultra densos continuos, estrategias para la capa de control de acceso al medio (MAC) para el acceso masivo a la red compartida, e implicaciones físicas del uso de bandas mmW, principalmente desde el punto de vista de la propagación y el seguimiento de haz en entornos interiores y de alta variabilidad. Durante el proyecto se evaluarán prestaciones, se realizarán simulaciones, medidas RF, y experimentos con un gran número de dispositivos para validar los principios de diseño utilizados. Para ello se hará uso del VLC-CAMPUS 5G, dentro de la UPV.

La visión del grupo de investigación que dirige Narcís Cardona es que la 5G es una nueva oportunidad para incorporar a la mujer al segmento de las Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones. Sin duda este sector, que cuenta con menos del 20% de actividad femenina, necesita que se apoye especialmente la formación de ingenieras expertas en esta materia, para así corregir esta desviación en la incorporación de la mujer en el futuro laboral que abre la 5G. Es por esto que uno de los objetivos específicos del proyecto es promover la formación de mujeres ingenieras especialistas en la 5G, para así aprovechar esta gran oportunidad que se abre con el cambio de tecnología.

OBJETIVOS

  • O1. Investigar los protocolos de acceso cross-layer para mejorar la administración de los recursos radio en el contexto de las comunicaciones de tipo máquina masiva y la interacción dispositivo a dispositivo. La investigación tendrá en cuenta las limitaciones energéticas.

  • O2. Emular, medir y modelar canales mmW MIMO de banda ancha y el impacto de la presencia del cuerpo humano sobre él.

  • O3. Optimizar la precodificación digital y el seguimiento de beam en sistemas masivos MIMO mmW en escenarios de interiores con alta movilidad.

  • O4. Diseñar arquitecturas en malla IoT viables y robustas adaptadas a los sistemas IIoT. Se considerará la administración de interfere

  • O5. Implementar el campo de experimentación CAMPUS-5G complementando la financiación recibida para equipamiento dentro del proyecto VLC-5G.

  • O6. Impulsar la incorporación de la mujer al sector de las TICs impulsado por la 5G. Para ello se realizarán jornadas de concienciación y atracción de talento femenino, así como formación específica para este sector.

  • O7. Aumentar la visibilidad del grupo en la definición del 5G, utilizando los medios de diseminación definidos para el proyecto.

PLAN DE TRABAJO

WP1: Arquitecturas de IIoT y gestión de UDN

El objetivo principal del Paquete de trabajo 1 (WP1) es diseñar, analizar y optimizar arquitecturas de malla IIoT viables y sólidas como una red adaptada a los sistemas industriales de IoT y a las estrategias de gestión de la movilidad. La propagación de canales radio en dichos entornos, la gestión de interferencias y las limitaciones de hardware se considerarán en un entorno de sensores y actuadores masivos. Los principales objetivos son:

  • Medir, caracterizar y modelar las degradaciones y limitaciones de las capas PHY y MAC de los dispositivos IoT en condiciones de alta interferencia.
    Proponer nuevos protocolos de capa cruzada PHY / MAC RRC IIoT para una malla robusta y viable con demostración experimental a través del desarrollo de un banco de pruebas.
    Investigar sobre nuevas estrategias de movilidad, incluida la integración de UAVs y la utilización de coaxiales con fugas para los AGVs.
Descripción de tareas

T1.1 Mediciones y modelo de escenarios de interferencia en bandas ISM
Esta tarea tiene como objetivo medir y caracterizar las señales de las bandas ISM y sus efectos sobre dispositivos IoT reales. Se utilizará un analizador de señales en tiempo real para capturar con precisión las variaciones a corto plazo de las señales de los estándares operativos de manera combinada con la ayuda de los USRP. Este estudio se utilizará para realizar una caracterización que dará como resultado modelos para evaluaciones de nivel de sistema realistas y generación de múltiples interferencias agregadas con equipos de generación de señales vectoriales:

  • Diseñar configuraciones de mediciones y realizar mediciones con tráfico de datos reales.
  • Análisis y modelización de interferencias.
  • Definición de escenarios de simulación ultra densos con trazado de rayos 3D en el contexto de IIoT. Comparación de escenarios. Revisar y refinar los modelos previamente obtenidos.
  • Adaptación a la banda mmW a través de la cooperación con el WP4.

T1.2 Nuevas propuestas para protocolos cross mesh mesh
Las limitaciones en la complejidad del hardware y el consumo de energía restringen el diseño de los dispositivos IIoT, que da lugar a limitaciones de cobertura, datos y latencia de descubrimiento, rendimiento, etc.

  • Identificar y caracterizar las deficiencias de hardware (en coordinación con el WP3, ver T3.1)
  • Modelo analítico y simulación de nuevas estrategias de malla que tienen en cuenta los problemas de hardware, la reducción del consumo de energía, el despliegue masivo de dispositivos, la interferencia (después de T1.1) y el estado del canal radio. Evaluar el rendimiento frente a las soluciones del estado del arte.

T1.3 Gestión de la movilidad e integración de UAVs

  • Investigar sobre estrategias de movilidad en redes ultra densas continuas con dispositivos de movimiento rápido y considerando variaciones de carga grandes y rápidas. Estará basado en los conceptos de agrupación de nodos y áreas de cobertura virtual.
  • Evaluar el nivel de enlace y el rendimiento de la movilidad de los UAVs. Realizar simulaciones y evaluar la integración de las técnicas investigadas en WP2-T2.3.
  • Desarrollar una señal de radio definida por software y realizar mediciones y caracterización con vuelos UAV sobre redes existentes en diferentes alturas.
  • Basándose en los resultados de la simulación y la medición, proponer nuevos mecanismos para la optimización de la movilidad y la integración en las redes existentes. Evaluar las opciones de mallado entre UAVs y otros nodos.

WP2: mmW Comunicaciones para aumentar la capacidad

El objetivo principal del paquete de trabajo 2 (WP2) es investigar la viabilidad y el rendimiento de los sistemas celulares para interiores que funcionan en bandas de mmW en condiciones realistas. El WP2 se centrará en el desarrollo de esquemas MIMO masivos híbridos con una asignación distribuida de puntos de transmisión. Se investigará la formación de haces para que sea posible continuar apuntando a la máquina durante su movimiento con la menor degradación posible. Este objetivo se puede dividir en los siguientes

  • Ampliar las capacidades de simulación existentes en las herramientas de simulación disponibles para evaluar escenarios industriales de mmW realistas mediante la adopción de nuevos modelos de propagación.
  • Usar los módulos de iluminación de los motores de juego para estimar la propagación en mmW y luego caracterizar el canal en la simulación de una manera eficiente.
  •  Estudiar diferentes alternativas de conformación de haz y seguimiento de haz en mmW multiusuario y diseñar implementaciones que permitan su funcionamiento en tiempo real.
  •  Estudiar la robustez de las técnicas iniciales de estimación y seguimiento y adaptar las soluciones propuestas a las arquitecturas híbridas.
  •  Determinar el impacto de la implementación de sistemas de antenas distribuidas mmW en la red.
  •  Evaluar el rendimiento del sistema final en un escenario de robótica en la nube móvil.
Descripción de tareas

T2.1 Configuración general de simulación
En esta tarea se realizarán las actualizaciones necesarias en las herramientas de simulación disponibles para modelar con precisión la transmisión de la banda mmW en un escenario de varias celdas.

T2.2 Uso de módulos de iluminación para la caracterización mmW
En esta tarea se investigará el uso de herramientas y motores de ingeniería de juegos para la caracterización de la interfaz de radio en mmW. La idea es incluir fuentes de luz en los transmisores y postprocesar la intensidad de estas fuentes para estimar las condiciones del canal bajo las bandas de mmW.

T2.3 Diseño de técnicas de procesamiento de señales para comunicaciones interiores en mmW con movilidad
El objetivo de esta tarea es diseñar esquemas de transmisión y recepción capaces de calcular la formación de haz óptima y rastrear esto a lo largo de la movilidad de cualquiera de los bordes de comunicación. Se estudiarán diferentes situaciones, incluyendo:

  • Formación de haz analógico y digital con un equipo de usuario (UE) servido por cada estación base con transmisiones de rango 1
  • 1 UE servido con transmisiones multistream
  • Múltiples UE servidos por cada estación base con transmisiones de rango 1.
  • Múltiples UEs servidos con transmisiones multi-stream.
  • Uso de sistemas de antenas distribuidas, en las que las antenas no están co-ubicadas.

T2.4: Simulación y análisis de sensibilidad bajo impedimentos realistas
Se llevará a cabo una extensa campaña de simulación para evaluar el desempeño de las diferentes propuestas desarrolladas en el proyecto bajo diferentes supuestos de conocimiento del canal y también bajo problemas de hardware. A nivel del conocimiento del canal, se deben tener en cuenta tres opciones: conocimiento perfecto del canal, ningún conocimiento del canal y solo conocimiento del desvanecimiento a gran escala. Con respecto a los fallos en el hardware, se debe agregar un desfase por elemento de antena debido a matrices no calibradas utilizando un modelo apropiado, por ejemplo, distribución gaussiana con una desviación estándar ajustable.

WP3: mmW Comunicaciones para aumentar la capacidad

Este WP pretende contribuir a superar dos de los principales desafíos para el despliegue de redes inalámbricas altamente densas en la recopilación de datos y el control remoto para el IIoT. En primer lugar, la administración de una gran cantidad de dispositivos finales que intentan obtener acceso al canal inalámbrico y, en segundo lugar, la necesidad de extender la vida útil de la red para reducir los costos de mantenimiento mediante un enfoque de capa cruzada con administración de energía activa y captación de energía.

Descripción de tareas

T3.1 Medición del consumo de energía y caracterización de dispositivos reales y extensión a escenarios de acceso masivo
Esta tarea establece la base para el resto de las tareas del WP. Analizaremos el comportamiento de dispositivos aislados y desarrollaremos modelos analíticos basados en simulación.

  • Estudiar la interrelación de los principales parámetros de interés de IIoT (cobertura, latencia de descubrimiento, fiabilidad, probabilidad de no detección y rendimiento) con el consumo de energía.
  • Analizar el comportamiento de dispositivos e identificación de desafíos en redes altamente estresadas.
  • Realizar una propuesta de modelo matemático para incluir los nuevos efectos debidos a las deficiencias relacionadas con el hardware y las condiciones del canal de RF.
  • Analizar las colisiones y

T3.2 Propuestas de mecanismos de capa cruzada de acceso masivo con eficiencia energética.
En esta tarea se investigará sobre nuevos esquemas de MAC para escenarios de implementación masiva con eficiencia energética y menor latencia de descubrimiento. Se pondrá especial énfasis en:

  • Estrategias con cola de espera distribuida con captación de energía.
  • Estrategias de administración de energía activa, como agrupación de nodos, restricción de acceso y órdenes activas de reposo dentro de los reconocimientos.
  • Optimizar el protocolo de activación para un acceso masivo, siendo los principales desafíos la minimización de la latencia de activación, la sobrecarga y las interferencias asociadas.

WP4: Caracterización y modelado de la propagación radio en la banda mmW

La UPV, dentro del grupo de antenas del iTEAM, posee equipos avanzados para la caracterización en mmW. Además, la UPV ha establecido una buena cooperación con el grupo Inalámbrico NYU en el marco del proyecto METIS / METIS-II, que nos permite acceder y promover nuevos experimentos de mmW para la recolección de medidas. Los objetivos del WP4 son los siguientes:

  • Extraer parámetros de canal a partir de medidas de modelos adecuados para mmW MIMO.
  • Estudiar posibles interferencias entre los enlaces de radio mmW en las fábricas del futuro.
  • Estudiar el efecto de la rotación de las características del canal Eigen debido a la movilidad y su impacto en el seguimiento del haz.
  • Estudiar los canales de radio en mmW en el cuerpo y fuera, y medir el efecto de la observación de personas en el caso de uso de las fábricas del futuro.
Descripción de tareas

T4.1 Proponer un modelo apropiado y preciso para enlaces de mmW interiores
Esta tarea utilizará medidas tanto existentes como nuevas para realizar una caracterización adecuada de la banda de mmW. Se prestará especial atención a la naturaleza dinámica del canal, ya que esto tiene un gran impacto en el rendimiento de los mecanismos de seguimiento de haz.

T4.2 Extraer los parámetros relevantes del canal para futuros sistemas mmW
En esta tarea se analizará el conjunto completo de datos recopilados para estimar varios parámetros del canal, como el retardo de tiempo, el número de agrupaciones, los parámetros intragrupo, la dispersión angular de potencia en elevación y en el acimut y los efectos de la precipitación en la polarización de la onda entrante, tiempo de coherencia, ancho de banda de coherencia e interferencia entre enlaces de radio montados en las superficies de los edificios. Esta tarea también analizará el impacto de los objetos interferentes en las características del canal.

T4.3 Caracterización y modelado de la dispersión del cuerpo humano en mmWave
La idea es desarrollar modelos humanos sintéticos de RF basados en phantoms físicos de mmWave, para poder evaluar el efecto de dispersión del cuerpo humano en los canales de entrada de mmWave. Una vez que se entienda este efecto, esta tarea incluirá el efecto del cuerpo humano en los modelos de canales de mmWave.

WP5: Desarrollo del testbed CAMPUS-5G y pruebas experimentales

La UPV, dentro del grupo de antenas del iTEAM, es beneficiaria de la ayuda VLC-5G para la adquisición de equipamiento 5G. Sin embargo, es necesario un trabajo inmenso de diseño e implementación de la red, lo que requiere de nuevas contrataciones específicas para ese trabajo. En particular, el personal contratado deberá encargarse de configurar el sistema y ponerlo a punto y estará encargado de la organización, inventario, mantenimiento de los equipos, instalaciones y demás infraestructuras que sean destinadas para las labores de Investigación, Desarrollo e innovación (I+D+i). Además, el personal contratado deberá proporcionar formación al usuario del demostrador cuando así se requiera. A las actividades descritas con anterioridad se sumarán tareas relacionadas con la documentación de los procedimientos necesarios para el manejo de equipos e infraestructuras y así garantizar su correcto funcionamiento y optimizar los resultados obtenidos. Los objetivos del WP5 son los siguientes:

  • Mejorar los resultados de los proyectos de investigación activos de la UPV.
  • Formar al personal incorporado, siguiendo los mecanismos de formación propios de los fabricantes de equipos, así como la formación propia de la UPV. Se priorizará la contratación de mujeres para así disponer de una perspectiva de género más equilibrada.
  • Desplegar un campo de experimentación completo 5G, incluyendo las últimas tecnologías tanto radio como de uso virtual de redes, con esquemas de computación en la nube y de network slicing.
  • Integrar el campo de experimentación dentro del CAMPUS-5G, consiguiendo máxima difusión internacional.
  • Preparar los testbeds necesarios y realizar las pruebas experimentales requeridas por los WP1-WP4.
Descripción de tareas

T5.1 Despliegue del CAMPUS-5
Bajo la financiación recibida para la adquisición de equipamiento, esta tarea está relacionada con el despliegue del campo de pruebas conocido como CAMPUS-5G. Las actividades concretas son las siguientes:

  • Instalación de las líneas de fibra óptica monomodo y adecuación de la configuración de la red de comunicaciones de la UPV para conexión de emplazamientos 5G del campus de la UPV.
  • Realización de experimentos de comprobación de conectividad y funcionamiento de los equipos instalados.
  • Instalación del resto de equipos, núcleo de red, plataformas software de gestión y virtualización de red de acceso radio.
  • Realización de pruebas experimentales para la evaluación de la eficiencia del campo de experimentación y comprobación del correcto funcionamiento de los componentes, de los esquemas de trabajo y del equipo de soporte al testbed.
  • Inventario y mantenimiento de la infraestructura desplegada.
  • Documentación de procedimientos y protocolos de funcionamiento.
  • Dar soporte y formación en el manejo de los equipos al usuario final (calibración, configuración y puesta en funcionamiento).
  • Desarrollo e integración en el campo de pruebas de la UPV de los experimentos planificados para el proyecto.

T5.2 Testbed de acceso masivo
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en las tareas anteriores, la tarea T3.3 se centrará en el desarrollo de un demostrador de un banco de pruebas de acceso masivo para la integración de comunicaciones masivas de tipo máquina con eficiencia energética. Se hará especial hincapié en la observación real de colisiones y efectos de canal a nivel de radio:

  • Estudiar y analizar la arquitectura de hardware del banco de pruebas basada en un enfoque mixto, en el que cientos de dispositivos independientes se combinan con un generador de señales y USRPs para incluir flexibilidad en la generación de señales, patrones de interferencia y características fuera de estándar.
  • Diseñar e implementar una plataforma automatizada para programar el firmware y administrar el comportamiento de los cientos de nodos que se utilizarán en el banco de pruebas.
  • Diseñar e implementar el banco de pruebas.
  • Evaluar las propuestas mediante un enfoque de medición de capa cruzada con evaluación de señales en tiempo real

T5.3 Testbed para redes en malla IIoTs
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en T1.1 y T1.2, esta tarea se ocupará del desarrollo de un demostrador de las propuestas utilizando dispositivos off-the-self combinados con un generador de señales y radios definidos por software.

  • Estudio y análisis de las arquitecturas de hardware del banco de pruebas.
  • Diseño e implementación del banco de pruebas.
  • Medición y observación en tiempo real mediante analizador de señales en tiempo real y refinamiento de los protocolos propuestos.

WP0: Coordinación, diseminación y transferencia de tecnología

La tarea de coordinación del proyecto se centra no solo en la organización y la gestión internas, sino también en otros aspectos relacionados con la difusión y la transferencia de tecnología de los resultados que se obtendrán durante el proyecto. Se hará especial hincapié en las jornadas de atracción de talento femenino, así como en la formación específica para la mujer ingeniera que se incorpore al sector.