פרויקטי גמר - הנדסת חשמל - המעבדה לתקשורת תש"פ

301 MIMO in satellite communication

ריבוי אנטנות בתקשורת לווינים

שם המנחה: רעי ריכטר

אחראי אקדמי: ד"ר יצחק ברגל

הרקע לפרויקט:

חכמויות המידע שמערכות תקשורת נדרשות להעביר רק הולכות וגדלות. לווייני תקשורת נמצאים בשימוש כבר כמה עשורים, אך הצורך בהגדלת קצבי המידע מצריך תכנון מערכתי חדש לגמרי. חברות שונות מפתחות קונסטלציות של אלפי לווייני תקשורת שמטרתם העיקרית היא תמיכה בהעברת מידע רב וכיסוי שטחים נרחבים. לווינים אלו ימוקמו בגבהים נמוכים מאוד, ולכן ינועו במהירות גבוהה יחסית לכדור הארץ ויצריכו שיטות וטכנולוגיות חדשות.

במערכות תקשורת יבשתיות השימוש בריבוי אנטנות במשדר ובמקלט (MIMO) הוכיח את עצמו ומשפר את הביצועים. השימוש ב- MIMO מעניק יתרונות רבים ולכן יש מוטיבציה גבוהה להכניס שימוש MIMO גם ללויינים.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט נלמד וננתח את האתגרים בשימוש בריבוי אנטנות בתקשורת לווינים ונחפש להם פתרונות. מטרת הפרויקט היא לכתוב סימולציה של מערכת תקשורת לוויינית המשתמשת בריבוי אנטנות לשם הגדלת קצב התקשורת לבחון אותה.

המטרה המחקרית של הפרויקט היא לגבש שיטה לבחירת הלווינים שמתקשרים עם כל משתמש.

תכולת בפרויקט:

כתיבת סימולציה של מערכת תקשורת שכוללת מספר לווינים ומספר משתמשים.

הסימולציה תכלול שימוש במספר אנטנות בכל לווין ובכל משתמש, ומידול הערוץ שכולל חישוב של מסלולי הלווינים.

בפרויקט יבחנו אלגוריתמים ושיטות שונות לשיפור הביצועים באמצעות שימוש בריבוי אנטנות במשדר ובמקלט.

בנוסף תבחן ותגובש שיטה לבחירת הלווינים שמתקשרים עם כל משתמש.

דרישות:

• תקשורת ספרתית 2 (במקביל)

מקורות:

Arapoglou, Pantelis-Daniel, et al. "MIMO over satellite: A review." IEEE communications surveys & tutorials 13.1 (2011): 27-51.‏

302 Deep Learning-Based mmWave Beam-Selection

בחירת אלומות שידור וקליטה שמבוססת על רשת נוירונים

שם המנחה: רעי ריכטר

אחראי אקדמי: ד"ר יצחק ברגל

הרקע לפרויקט:

השימוש בריבוי אנטנות במשדר ובמקלט (MIMO) מעניק יתרונות רבים ובפרט את היכולת ליצור אלומה לכיוון מסוים ובכך לשדר ולקלוט בצורה טובה יותר.

הרכבים האוטונומים שמפותחים כיום מתקשרים עם תחנות בסיס שמפוזרות במרחב, אחת הדרכים לשיפור התקשורת בין רכב אוטונומי לתחנת בסיס היא יצירת אלומת שידור ויצירת אלומת קליטה על בסיס ריבוי האנטנות בתחנת הבסיס וברכב. ניתן ליצור מספר רב של אלומות שידור וקליטה שונות אך האתגר הוא לבחור בצורה יעילה של זוג אלומות (קליטה ושידור). לשם כך, וכמו בבעיות נוספות רבות, יעשה שימוש ב Deep Learning על מנת לפתור בעיה זו.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא תכנון והבנה של מערכת תקשורת שכוללת רכבים אוטונומים ותחנות בסיס עם מספר רב של אנטנות ובחינת אופטימיזציה של המערכת. עיקר הפרויקט יהיה בניית רשת נוירונים שתאומן למצוא אלומת קליטה ושידור שימקסמו את הביצועים.

תכולת בפרויקט:

הפרויקט יכלול כתיבת סימולציה של מערכת תקשורת שכוללת רכבים אוטונומים ותחנות בסיס.

הסימולציה תכלול שימוש במספר אנטנות בכל רכב אוטונומי ובכל תחנת בסיס. על בסיס מערכת זו יתוכננו וימודלו אלומות שידור וקליטה מתאימות.

בפרויקט תאומן רשת נוירונים בכדי לבחור את אלומת השידור ואלומת הקליטה היעילות ביותר ויבחנו הביצועים.

דרישות:

• תקשורת ספרתית 2 (במקביל)

מקורות:

Klautau, Aldebaro, Nuria González-Prelcic, and Robert W. Heath. "LIDAR Data for Deep Learning-Based mmWave Beam-Selection." IEEE Wireless Communications Letters (2019).

303 Low-Density Code-Domain Non-orthogonal Multiple Access (NOMA)

ריבוי גישה לא אורתוגונלי במרחב הקודים המבוסס על חתימות דלילות

שם המנחה: ד״ר בנימין זיידל

אחראי אקדמי: ד״ר בנימין זיידל

הרקע לפרויקט:

רשתות התקשורת האלחוטיות העתידיות תצטרכנה לתמוך במגוון רחב של יישומים המאופיינים בקישוריות מסיבית (massive connectivity) ובקצבי מידע גדולים באופן משמעותי מהמוכר לנו כיום. בפרט, חזון ״האינטרנט של הדברים״ (Internet-of-Things) צופה קישור מספרים עצומים של התקנים לרשת, אשר יאפשרו ניטור, ניתוח ובקרה של כל הסובב אותנו. היעילות הספקטרלית בדורות הבאים של רשתות הסלולר (5G-6G) נדרשת לגדול בסדרי גודל של פי 5-15 בהשוואה לדור הנוכחי (4G), והיעד לצפיפות ההתקנים המקושרים לרשת הינו כ- 1e6/km^2. הגשמת חזון זה מחייבת מערכות תקשורת בעלות יכולת גידול יעילה, והקושי המרכזי נובע מכך שהגישות הטכנולוגיות העומדות בבסיס המערכות הקיימות כיום אינן מתאימות למימוש החזון. הטכנולוגיות הקיימות מבוססות על גישה אורתוגונלית לרשת ((orthogonal multiple access (OMA), המונעת הפרעות הדדיות בתוך התא ומשיגה יעילות ספקטרלית גבוהה יחסית תוך שימוש במקלטים פשוטים. עם זאת, עקב מגבלות פיזיקליות על חלוקת משאבי הזמן-תדר העומדים לרשות המערכת, הגישה האורתוגונלית אינה מאפשרת תמיכה בקישוריות מסיבית, כאשר כמות ההתקנים גדולה באופן משמעותי ביחס לכמות המשאבים. נדרשות על כן גישות טכנולוגיות אלטרנטיביות למימוש הרשתות העתידיות, המבוססות על גישה לא אורתוגונלית (NOMA).

הפרויקט יתמקד באחד הפתרונות הטכנולוגיים הבולטים בשנים האחרונות למימוש NOMA, המבוסס על פרישה ספקטרלית באמצעות סדרות חתימה דלילות (low-density spreading). הרעיון המרכזי בבסיס הגישה המוצעת הינו לבנות את הערוץ העולה (uplink) של הרשת הסלולרית כגרף דו-צדדי רגולרי דליל, כך שכל התקן פעיל ברשת משתמש במספר קטן וקבוע של משאבים ובכל משאב מתבצע שימוש ע״י מספר קטן וקבוע של התקנים. מבנה זה של הערוץ מאפשר שימוש באלגוריתמי פיענוח איטרטיביים יעילים ומעשיים, המבוססים על העברת הודעות בין צמתים בגרף ((iterative message-passing algorithms (MPAs), ומנצלים את המבנה הדליל שלו להשגת ביצועים הקרובים לאופטימליים. אלגוריתמים אלו פועלים באופן דומה לאלגוריתמי פענוח של קודי LDPC. לאחרונה אף הוכח אנליטית כי המבנה הרגולרי הדליל מוביל לביצועים עדיפים משיקולים תיאורטיים של תורת האינפורמציה (ביחס לגישות מתחרות).

מטרת הפרויקט:

מימוש ב- MATLAB של סימולציה מלאה הכוללת משדרים, מקלט המבצע גילוי רב משתמשים מבוסס MPA וניתוח ביצועים השוואתי מפורט.

תכולת בפרויקט:

הפרויקט יכלול את השלבים הבאים:

• לימוד מעמיק של הרקע התאורטי הדרוש
• מימוש ב- MATLAB של ערוץ מרובה משתמשים המבוסס על סדרות חתימה דלילות תחת הנחה של ערוץ AWGN
• מימוש מקלט MPA לפיענוח השידורים של כלל המשתמשים בערוץ
• הרחבת המימוש למודל ערוץ הכולל דעיכות (אופציונלי)
• ביצוע סימולציות ביצועים מקיפות וניתוח התוצאות תוך השוואה לגישות אלטרנטיביות

דרישות:

• תקשורת ספרתית 1 (83-310)
• תקשורת ספרתית 2 (83-618)
• תורת האינפורמציה (83-823)
• שליטה ברמה גבוהה בתכנת MATLAB

קורסים נוספים מומלצים:

• מערכות פרושות תדר (83-828)
• תקשורת אלחוטית 1 (83-821)

מקורות:

1. L. Dai, B. Wang, Z. Ding, Z. Wang, S. Chen, and L. Hanzo, “A survey of non-orthogonal multiple access for 5G,” IEEE Commun. Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 3, pp. 2294–2323, Third Quarter 2018.
2.  R. Hoshyar, F. P. Wathan, and R. Tafazolli, “Novel low-density signature for synchronous CDMA systems over AWGN channel,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 56, no. 4, pp. 1616-1626, Apr. 2008.
3. O. Shental, B. M. Zaidel, and S. Shamai (Shitz), “Low-density code-domain NOMA: Better be regular,” in Proc. 2017 IEEE Int. Symp. Inf. Theory (ISIT’17), Aachen, Germany, Jun. 25–30, 2017.
4. B. M. Zaidel, O. Shental, and S. Shamai (Shitz), “Sparse NOMA: A closed-form characterization,” in Proc. 2018 IEEE Int. Symp. Inf. Theory (ISIT’18), Vail, CO, USA, Jun. 17–23, 2018.

304  Simulation of low density molecular detection using cooperating nanobots

סימולציה לגילוי חומר בריכוז נמוך על ידי ננו-רובוטים שיתופיים

שם המנחה: פרופ' רחלה פופובצר ודר' איציק ברגל

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר וד"ר יצחק ברגל

הרקע לפרויקט:

ננו-רובוטים נמצאים בפיתוח כבר מספר שנים, ובקרוב יגיעו גם לשימוש מעשי. הדורות הראשונים של ננו-רובוטים יהיה פשוטים מאוד, עם יכולות מאוד מוגבלות. בפרויקט זה נבחן שיתוף פעולה בין ננו-רובוטים שמאפשר לקבוצת רובוטים להשיג מטרה משותפת בצורה יעילה.

הפרויקט יתמקד בננו-רובוטים פשוטים המסוגלים רק לאחסן חומר ולשחרר אותו בתגובה לגילוי של מולקולה נבחרת. מחקר קודם הראה ששילוב של שני סוגים של ננו-רובוטים כאלו יכול לבצע גילוי של חומר אפילו בריכוזים מאוד נמוכים, על ידי יצירת משוב חיובי בין הרובוטים.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לבצע סימולציה של מערכת עם ננו-רובוטים רבים, הפועלים ביחד לגילוי של חומר. הפרויקט יכלול סימולציה וניתוח תיאוריטי (ללא חלק ניסויי).

תכולת בפרויקט:

בפרויקט תיכתב סימולציה המדמה פעילות של ננו-רובוטים רבים בסביבה הומוגנית.

בעזרת הסימולציה ייבחנו שיטות שונות לגילוי, ותכומת הצלחת הגילוי בכל שיטה.

בחלק המחקרי של הפרויקט יבוצע ניתוח מתימטי של יכולת הגילוי ויפותחו שיטות לגילוי טוב יותר עם אותה כמות רובוטים.

לא נדרש ידע מוקדם בתקשורת.

דרישות:

• נושאים מתקדמים בתקשורת (83829) במקביל

מקורות:

305 Molecular density control using coopertive nanobots

סימולצית בקרה של ריכוז חומר על ידי ננו-רובוטים שיתופיים

שם המנחה: פרופ' רחלה פופובצר ודר' איציק ברגל

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר וד"ר יצחק ברגל

הרקע לפרויקט:

ננו-רובוטים נמצאים בפיתוח כבר מספר שנים, ובקרוב יגיעו גם לשימוש מעשי. הדורות הראשונים של ננו-רובוטים יהיה פשוטים מאוד, עם יכולות מאוד מוגבלות. בפרויקט זה נבחן שיתוף פעולה בין ננו-רובוטים שמאפשר לקבוצת רובוטים להשיג מטרה משותפת בצורה יעילה.

הפרויקט יתמקד בשימוש ברשת של ננו-רובוטים לבקרה על ריכוז של חומר בתמיסה. בקרה כזו חשובה באפליקציות רבות (לדוגמא על מנת לוודא שרמת הסוכר בדם לא תרד מתחת לרמה קריטית). הפרויקט יבחן שימוש בננו-רובוטים פשוטים המסוגלים רק לאחסן חומר ולשחרר אותו בתגובה לגילוי של מולקולה נבחרת. הפרויקט איך ניתן לשלוט על ריכוז החומר תוך מימוש של שערים לוגיים בודדים בכל רובוט.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לבצע סימולציה של מערכת עם ננו-רובוטים רבים, הפועלים ביחד לבקרה על ריכוז של חומר. הפרויקט יכלול סימולציה וניתוח תיאוריטי (ללא חלק ניסויי).

תכולת בפרויקט:

בפרויקט תיכתב סימולציה המדמה פעילות של ננו-רובוטים רבים בסביבה הומוגנית.

בעזרת הסימולציה ייבחנו שיטות שונות לבקרה על כמות החומר ותיבחן היכולת לשלוט על הריכוז ולמנוע ירידה מתחת לריכוז קריטי. בחלק המחקרי של הפרויקט יפותחו שיטות בקרה חדשות ויבוצע ניתוח מתימטי של יכולת הבקרה.

לא נדרש ידע מוקדם בתקשורת.
 

דרישות:

• נושאים מתקדמים בתקשורת (83829) במקביל

מקורות:

306 Distributed coordinated transmission for Multi Point Cooperative Cellular Communications

תאום שידור במערכות תקשורת סללולרית מבוזרות

שם המנחה:  יאיר נועם

אחראי אקדמי:  יאיר נועם

הרקע לפרויקט:

The scarcity of the electromagnetic spectrum is one of the most important problems in communications today.

Multi point cooperative communication (CoMP) is a promising paradigm for increasing spectrum utilization, in which multiple cellular base stations (BS), coordinate their transmission to mitigate interference to each other or to jointly transmit to cell edge users.

מטרת הפרויקט:

In this project, the students will implement advanced learning algorithms, such as distributed channel learning and distributed beamforming for CoMP.

For this purpose, the students will build an advance system level simulator of a cellular network, which encapsulates some features of the Long Term Evolution (LTE) standard.

תכולת בפרויקט:

The students will study the topic of CoMP. They will learn theoretical aspects of wireless communications, with emphasize on MIMO, which are necessary for CoMP.

The main phases of this project are the following:

• Overview of CoMP problem and relevant aspects in wireless communication such as MIMO channel estimation, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).
• Building system level simulator of a cellular network, which encapsulates features of the LTE standard.
• Testing and designing advanced CoMP algorithms for spatial coexistence.
• Project deliverable: System level simulator and implementation of advanced algorithms such as the energy null space learning, tracking algorithms, distributed beamforming and Spatial multiple access algorithms.

The students will gain both theoretical and practical understanding of CoMP.
 

דרישות:

• תקשורת ספרתית 1
• תקשורת אלחוטית (במקביל)

מקורות:

1. Noam, Yair, and Andrea J. Goldsmith “Blind Null-Space Learning for MIMO Underlay Cognitive Radio with Primary User Interference Adaptation.” IEEE Trans. Wireless Commun. 12 (4): 1722–34. 2013.
2. Manolakos, Alexandros, Yair Noam, and Andrea J. Goldsmith “Null Space Learning in  Cooperative MIMO Cellular Networks Using Interference Feedback.” IEEE  Transactions on Wireless Communications 14 (7): 3961–77. 2015
3. Noam, Yair, Alexandros Manolakos, and Andrea J. Goldsmith. 2014. “Null Space Learning With Interference Feedback for Spatial Division Multiple Access.” IEEE Transactions on Wireless Communications 13 (10): 5699–5715. .
4.  Noam, Yair, and Andrea J. Goldsmith “The One-Bit Null Space Learning Algorithm and Its Convergence.” IEEE Transactions on Signal Processing 61 (24), 2013.

307  Network localization

איכון רשתות

שם המנחה:  הודיה הלוי

אחראי אקדמי: ד"ר איציק ברגל,  יאיר נועם

הרקע לפרויקט:

בשנים הקרובות נראה יות ויותר מכשירים מתחברים לרשתות תקשורת.

ככל שרשת התקשורת גדולה יותר, איכון המכשירים נהיה יותר חשוב. ידיעת מיקום המכשירים ברשת חשובה, בין השאר לצורכי ניתוב תקשורת, בקרה סביבתית, התאמת תכנים למשתמש ועוד.

לחלק מהמכשירים ברשת יכולת איכון עצמאית (GPS), אולם חיישנים, ורכיבי תקשורת פשוטים יצטרכו ללמוד על מקומם מתוך פרמטרי התקשורת.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט זה נדרש ללמוד את תחום איכון הרשתות וליישם איכון של רשת תקשורת על ידי סימולציה ממוחשבת.

תכולת בפרויקט:

על הסטודנטים ללמוד על השיטות השונות לביצוע איכון רשתות, לבחור שיטה אחת, לתכנן ולממש סימולצית מטלב המדמה את פעולת האיכון ברשת.

ביצועי הסימולציה יושוו לחסמים קיימים וחסמים שיפותחו תוך כדי הפרויקט.

דרישות:

• נושאים מתקדמים בתקשורת (במקביל לפרויקט)
• מומלץ SSP1

מקורות:

Bal, Mert, et al. "Localization in cooperative wireless sensor networks: A review." 2009 13th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design. IEEE, 2009.‏

308 Coordinated Transmission in Satellite Communications

שידור משותף בתקשורת לווינים

שם המנחה:  /*-->*/ ד״ר יאיר נועם

אחראי אקדמי: ד"ר יאיר נועם, ד"ר איציק ברגל, פרופ' אפי זהבי

הרקע לפרויקט:

/*-->*/ התפתחותן של מערכות תקשורת הינו גורם מרכזי בתהליכים חברתיים וכלכליים. תקשורת לוויינית שיחקה תפקיד מכריעה בהצלחה הגדולה של מהפכת התקשורת בעשורים האחרונים. אולם הביקוש המתמיד לתקשורת בקצב מהיר עם כיסוי רחב מציב אתגרים משמעותיים בתכנון ובפיתוח של רשתות לוויינים מהירות. בתקופה האחרונה מושקעים משאבים רבים בתכנון של רשת שכזו הניתנת לפריסה בעלות נמוכה. מדובר בקונסטלציות של אלפי לווייני תקשורת הנעים במסלולים נמוכים. היתרונות ברשת שכזו הינם רבים. בגלל הקרבה לכדור הארץ ניתן לשדר בהספקים נמוכים ביחס ללוויינים החגים במסלולים גבוהים. על כן, אפשר להשתמש בלוויינים קטנים וזולים ולשלוח כמות גדולה. בנוסף לכך, קיומם של מספר רב של לוויינים המסוגלים לשתף פעולה מאפשר קצבי תקשורת גבוהים ע״י יצירת רשת לוויינים.

אולם, ניהול ותאום רשת שכזו מציב אתגרים רבים, במיוחד לאור העובדה שלוויינים במסלולים נמוכים נעים במהירות גבוהה ביחס לכדור הארץ.

מטרת הפרויקט:

/*-->*/ הבנת האתגרים והמגבלות האינהרנטיות של שידור משותף ע״י רשת לוויינים. מטרת הפרויקט היא לכתוב סימולציה של רשת תקשורת לוויינית בעלת שידור משותף שמטרתו להגדיל את קצב תקשורת הכולל ולבחון את ביצועי הרשת בתרחישים שונים.

המטרה המחקרית של הפרויקט היא לגבש שיטות לשידור משותף של לוויינים במסלול נמוך עם מערכות קרקעיות.

תכולת בפרויקט:

/*-->*/ כתיבת סימולציה של מערכת תקשורת בעלת מספר לוויינים ומשתמשים.
הסימולציה תכלול מידול ערוץ הכולל חישוב של מסלולי הלוויינים.
יבחנו אלגוריתמים שונים לשידור משותף במטרה להגדיל את קצבי התקשורת.

בנוסף תבחן ותגובש שיטה לבחירת הלוויינים שמתקשרים עם כל משתמש.

דרישות:

• /*-->*/ תקשורת ספרתית 2 (במקביל)

מקורות:

/*-->*/ Arapoglou, Pantelis-Daniel, et al. "MIMO over satellite: A review." IEEE 1,

פרויקטים נוספים מומלצים

108  Computational inference of network motifs in partially known networks

שיטות חישוביות למציאת מוטיבים ברשתות

שם המנחה: דר' הלל קוגלר

אחראי אקדמי: דר' הלל קוגלר

הרקע לפרויקט:

על מנת להבין איך פועלות רשתות מורכבות פותחו שיטות המאפשרות לזהות ולנתח מוטיבים ברשת - תת גרף שמשמש כיחידה בסיסית בעלת תפקוד התנהגותי. אחד האתגרים הגדולים הוא איך ניתן לנתח רשתות עליהן יש רק ידע חלקי.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט נפתח אלגוריתמים חדשים למציאת מוטיבים ברשתות ידועות חלקית, במטרה לנתח בצורה יעילה רשתות גדולות ומורכבות.

תכולת בפרויקט:

במהלך הפרויקט הסטודנטים ילמדו מהם מוטיבים ברשת ירכשו ידע אלגוריתמי רלוונטי, ויפתחו אלגוריתמים חדשים למציאת מוטיבים ברשת ולהבנת התפקוד של המוטיבים.

דרישות:

• 83691 Formal Verification and Synthesis (במקביל לפרויקט)
• 83670 Biological Computation (במקביל לפרויקט)

מקורות:

1. Hillel Kugler, Sara-Jane Dunn, Boyan Yordanov. Formal Analysis of Network Motifs, CMSB'18.
    
2. Milo, R., Shen-Orr, S., Itzkovitz, S., Kashtan, N., Chklovskii, D., Alon, U.: Networkmotifs: simple building blocks of complex networks. Science, 2002.