Istituto di elettronica e di ingegneria dell'informazione e delle telecomunicazioni (IEIIT)

Attività di ricerca

Le attività di ricerca dell'Istituto sono organizzate in sette Gruppi di Ricerca, con ricercatori appartenenti a sedi IEIIT diverse che lavorano in stretta connessione grazie alle moderne tecnologie di comunicazione. Inoltre, l'attività di ricerca dell'Istituto e lo specifico interesse nel trasferimento tecnologico hanno permesso l'avvio di tre piccole imprese (CNR spin-off) che collaborano con l'Istituto nell'ambito di vari progetti.


1 - Applied Electromagnetics and Electronic Devices (Torino, Bologna, Milano, Pisa)
Nell'area ICT, i dispositivi a microonde ed onde millimetriche ed i sistemi ottici ed elettronici giocano un ruolo fondamentale nella definizione di nuove soluzioni che migliorano le applicazioni esistenti e supportano lo sviluppo di nuovi campi applicativi. Le applicazioni riguardano le comunicazioni satellitari, i collegamenti wireless, le comunicazioni ottiche, il Remote Sensing, le osservazioni scientifiche e le applicazioni industriali. Le attività coprono sia aspetti teorici che sperimentali spaziando dall'elettromagnetismo alla fotonica ed all'elettronica. Le attività teoriche riguardano lo studio di problemi relativi al progetto di nuovi dispositivi e sotto-sistemi tramite modelli matematici basati su formulazioni integrali e differenziali. In particolare, nei campi delle microonde e delle onde millimetriche, un'intensa attività riguarda lo sviluppo di codici di simulazione per una vasta classe di componenti in guida d'onda e strutture aperte. Tali codici di simulazione sono basati su modelli a parametri distribuiti, metodi spettrali e metodi a ordine ridotto. Inoltre vengono anche sviluppati diversi modelli per lo studio della propagazione troposferica. Allo stesso modo, anche nella ricerca fotonica vengono affrontati numerosi studi per l'analisi e il progetto di laser a cavità verticale con emissione superficiale (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser, VCSELs), mentre, limitandosi all'area elettronica, gli studi di modellistica si concentrano sul progetto di nuovi dispositivi micro e nano-elettronici, convertitori elettronici di potenza, amplificatori a microonde, sensori integrati e MEMS.
L'unità di ricerca utilizza strutture sperimentali: un laboratorio a microonde fino a 110GHz, un'officina meccanica, un sistema di misura di antenne all'aperto basato sull'utilizzo di droni, un laboratorio di tecnologie elettroniche dotato di un microscopio elettronico a scansione adattato per la litografia a fascio elettronico e vari sistemi di deposizione di film sottili.
Sforzi notevoli sono indirizzati verso la progettazione, la produzione e la caratterizzazione di dispositivi e sistemi innovativi a microonde, fotonici ed elettronici. Nell'ambito di numerose cooperazioni industriali, il gruppo di ricerca è in grado di coprire tutti quegli aspetti per la realizzazione di prototipi ad alte prestazioni, come antenne, componenti e sotto-sistemi a microonde, a onde millimetriche e in guida d'onda, VCSELs a polarizzazione stabile, dispositivi attivi e sensori elettronici integrati.

2 - Computer Engineering & Networks (Torino, Padova)
Il gruppo Computer Engineering & Networks (CE&N) è attivo in molte aree scientifiche che interessano l'ICT industriale e studia, in particolare, i sistemi di comunicazione industriali, gli strumenti e le tecniche per la cyber-security e i sistemi embedded real-time, come brevemente illustrato nel seguito.
Comunicazioni industriali:
Un punto chiave per il successo delle imprese moderne è la capacità di integrare tutte le attività produttive in modo efficiente ed economico. L'introduzione di sistemi di comunicazione digitali nell'automazione industriale risale ai primi anni '80 con la diffusione dei fieldbus. La convergenza verso sistemi completamente integrati, con l'utilizzo pervasivo di soluzioni ICT, è iniziata più recentemente. Tecnologie come le soluzioni industrial Ethernet e le reti wireless hanno modificato profondamente il modo di concepire la produzione e l'automazione, grazie alle loro caratteristiche di flessibilità, scalabilità e disponibilità che non hanno precedenti.
- Tecniche e strumenti per l'analisi della sicurezza delle reti:
Gli impianti industriali e le infrastrutture critiche stanno migrando da soluzioni di comunicazione chiuse e/o proprietarie, tipiche del passato, a tecnologie di comunicazione standard più aperte, flessibili ed economiche. Tale migrazione, tuttavia, espone le reti industriali allo stesso tipo di minacce di sicurezza sperimentate dai più tradizionali sistemi di elaborazione distribuiti su rete. Le tecniche di analisi e gli strumenti software automatizzati, che il gruppo CE&N sviluppa e utilizza, aiutano a creare modelli del sistema e a studiarne il comportamento, valutando l'efficacia dell'approccio rispetto ai requisiti funzionali e agli obiettivi di sicurezza e ponendo rimedio, di conseguenza, alle possibili debolezze riscontrate.
- Sistemi Embedded Real-Time:
L'uso di sistemi operativi real-time (RTOS) per lo sviluppo di applicazioni embedded ha acquisito sempre maggiore importanza, perché permette di integrare e riutilizzare, con il minor sforzo possibile, un vasto insieme di moduli software in un unico sistema informatico. I vantaggi di questa evoluzione, in termini di flessibilità, affidabilità e riutilizzo, sono chiari ma, fino a tempi recenti, ci si è scontrati con gli svantaggi derivanti da costi elevati e da requisiti hardware necessari all'uso dei RTOS. Con il diffondersi del software open-source ed il potenziamento dei microcontrollori tali ostacoli non rappresentano più un problema anche se, per sviluppare progetti validi, non è possibile prescindere dalla disponibilità competenze specifiche ancora poco diffuse.

3 - Engineering for Health and Wellbeing (Torino, Genova, Milano, Padova)
Il gruppo Engineering for Health and Wellbeing applica metodi, modelli e tecnologie proprie dell'ingegneria al fine di migliorare la conoscenza sui sistemi biologici e le scienze della salute e di comprendere, formalizzare e risolvere problemi di interesse medico-biologico, allo scopo di promuovere la salute umana in tutti i sui aspetti. Queste attività, che si basano su un approccio multidisciplinare, sono intrinsecamente multiscala, spaziando dal livello molecolare e cellulare fino ad arrivare ai sistemi viventi complessi, dimostrandosi così efficaci nel miglioramento sia di diagnosi e terapie, nello sviluppo e ottimizzazione di nuovi dispositivi biomedici, nel supporto a servizi e sistemi sanitari. L'attività di ricerca del gruppo si divide in sotto-categorie, qui dettagliate brevemente.
-Cognitive Systems:
modellizzazione dei meccanismi coinvolti nei processi di comunicazione, adattamento, apprendimento e crescita per progettare architetture per caregiver robots con comportamenti intelligenti e adattabili, con Interfacce uomo-robot accettabili utilizzanti anche attraverso l'elaborazione di linguaggi naturali.
Computer Vision:
sviluppo di algoritmi di elaborazione dei segnali e delle immagini e delle loro applicazioni in medicina e in problemi di ispezione industriale e controllo di qualità. Viene affrontato il problema di stimare in tempo reale la posa e di inseguire il movimento (tracking) di parti del corpo umano: metodologie per il tracking di mani e arti con le loro articolazioni vengono sviluppate usando telecamere di profondità e/o Body Sensor Networks. Il tracking delle mani e degli arti rende possibile lo sviluppo di strumenti utili sia per la riabilitazione e il monitoraggio remoto di persone anziane e pazienti che soffrono di disturbi traumatici e/o neurovegetativi, sia per lo studio un nuovo tipo di interfaccia uomo-computer nel riconoscimento automatico del linguaggio dei segni.
EMF for Health:
approfondimento e ampliamento delle basi tecnologiche e scientifiche per l'applicazione sicura e benefica dell'energia elettromagnetica (EMF). EMF for Health focalizza le proprie attività su tre fondamentali aree di applicazione: applicazioni biomediche (EMF MED), applicazioni per un ambiente sicuro (EMF SAFE) e applicazioni per la valutazione del rischio per la salute (EMF RISK). EMF MED: progettazione e ottimizzazione di nuovi strumenti diagnostici e terapeutici e nuovi dispositivi medicali. EMF SAFE: caratterizzazione dei livelli di campo elettromagnetico generato nell'ambiente in studio, e che coinvolgono, caso per caso, il singolo organo o soggetto o l'intera popolazione, Queste attività sono poste in essere sia mediante applicazioni di bio-elettromagnetismo computazionale si mediante la partecipazione a a campagne di misura relative all'esposizione a specifici componenti del campo elettromagnetico. EMF RISK: valutazione dei rischi per la salute legati all'esposizione all'energia elettromagnetica su soggetti sani, mediante tecniche di analisi del rischio, di valutazione dell'esposizione e del potenziale impatto sulla saluta legato all'esposizione a questo agente fisico.
IT HEAR:
applicazione alle scienze biomediche, in particolare alle scienze dell'udito, delle conoscenze maturate in ambito ingegneristico, nell'e-Health/ICT e nella modellizzazione computazionale. I principali argomenti di ricerca sono: lo studio e sviluppo di architetture basate sul Natural Language Processing (NLP) per l'estrazione di informazioni (Information Extraction) di rilevanza clinica da testi e referti medici non strutturati; lo studio di ontologie per la gestione e l'elaborazione delle informazioni cliniche da testi e referti medici; lo sviluppo di modelli per la caratterizzazione e la valutazione tecnica di app nel settore della mobile-health; lo sviluppo di soluzioni tecnologiche intelligenti per sistemi di amplificazione personalizzati ed innovativi; lo sviluppo di metodi ad hoc per l'autovalutazione remota della funzionalità uditiva; lo studio di modelli computazionali della percezione uditiva nell'invecchiamento, nella neurodegenerazione e nei disturbi cognitivi.
Physiological Modeling:
lo studio di aspetti pratici e metodologici dei processi dinamici biologici e fisiologici. Lo scopo è quello di rappresentare la conoscenza e validare le ipotesi riguardo le funzioni biologiche, simulandone il comportamento previsto sotto diverse condizioni sperimentali e verificando la corrispondenza tra i dati simulati e i dati sperimentali. Gli aspetti metodologici includono la rappresentazione con modelli strutturati, la simulazione, l'ottimizzazione, la stima parametrica e il progetto sperimentale.
Robotics:
studio della robotica per i servizi di assistenza all'uomo nella vita di tutti i giorni, in grado di operare parzialmente - o completamente - in autonomia per compiere azioni in un ambiente destrutturato. In questo ambito di ricerca, la crescente disponibilità delle reti espande le possibilità di Internet e del Network Robotics fino al nuovo campo del Cloud Robotics. Un'altra linea di ricerca è l'Educational Robotics, che nasce dalla necessità di preparare ed educare la cittadinanza all'arrivo della rivoluzione robotica che avrà un impatto profondo e drammatico sulla nostra società. Di conseguenza, il gruppo è coinvolto anche nel campo interdisciplinare Roboethics, che tratta gli aspetti etici, legali e sociali che intervengono quando si parla di Advanced Robotics.
Tissue Engineering:
la modellizzazione, progettazione e sviluppo di nuovi materiali intelligenti e bioattivi, che sostituiscono tessuti naturali compromessi nella loro funzionalità (come effetto di traumi o di chirurgia tumorale). Per raggiungere questo obiettivo, il gruppo è attivo anche nel progettare e realizzare prototipi di bioreattori per la coltura di tessuti viventi, in grado di imitare l'ambiente naturale del tessuto/organo attraverso opportune stimolazioni fluidiche/meccaniche. Un'ulteriore ricerca riguarda gli aspetti fondamentali della risposta cellulare e dell'adattamento dei tessuti quando sono sottoposti a stimolazioni controllate e definite.

4 - Decision Support Methods and Models (Genova, Milano, Padova)
La ricerca nel gruppo Decision Support Systems and Machine Learning riguarda lo sviluppo di soluzioni innovative per processi di supporto alle decisioni e per realizzare modelli in grado di prevedere il comportamento di sistemi complessi. Si seguono due diversi approcci per ottenere questi obiettivi: da una parte, i processi di decisione vengono strutturati e organizzati per assicurare il rispetto di quei requisiti di base in grado di migliorare la qualità dell'applicazione di interesse. Dall'altra parte, vengono progettate e realizzate tecnologie specifiche in grado di estrarre dai dati conoscenza in una forma comprensibile, per fornire agli esperti uno strumento automatico ed esauriente per scopi previsionali e di analisi "what-if". Sebbene una moltitudine di tecniche diverse con approccio statistico e machine learning possono essere considerate, si privilegiano i metodi di generazione delle regole per la loro capacità di descrivere il modello risultante in termini di regole comprensibili "if-then". Questo permette di fare luce sul comportamento del sistema che si sta studiando e di determinare automaticamente le variabili rilevanti tramite una misura quantitativa della loro importanza.
La crescente complessità dei dati e dei sistemi da gestire, come la necessità di avere tempi di elaborazione ragionevoli per una risposta tempestiva ad eventi critici, rende utile e spesso necessario ricorrere a sistemi di calcolo parallelo e distribuito. Così, per far fronte a questi aspetti, vengono sviluppate metodologie e algoritmi per il calcolo ad alte prestazioni su architetture multi-core/many-core, che combinano alte prestazioni con costi contenuti, basso consumo di potenza e piccole dimensioni. In particolare, sono stati realizzati kernel computazionali ottimizzati per applicazioni Machine Learning e analisi di Big Data.
Le metodologie sviluppate vengono applicate in numerosi campi differenti, tra i quali la bioinformatica, l'elaborazione di immagini mediche, le telecomunicazioni, il controllo ottimo e le politiche delle amministrazioni territoriali (i.e. la valutazione ambientale e la mobilità sostenibile), dove l'uso dei sistemi per il supporto alle decisioni risulta particolarmente adatto per incoraggiare il coinvolgimento di tutti i soggetti interessati (e-democracy).

5 - Network Security (Genova)
Il gruppo si occupa di aspetti di sicurezza di rete e di sistemi, analizzando sia le minacce che le tecnologie di mitigazione. In particolare, le attività di ricerca riguardano le seguenti aree nel campo della sicurezza: analisi di strumenti infettivi (come malware, virus o Trojan horses), sistemi di rilevamento e prevenzione delle intrusioni (Intrusion Detection and Prevention Systems), sicurezza in reti wireless, penetration testing, tecniche forensi, attacchi Denial of Service, tecniche Data Exfiltration. Lo scopo è identificare come questi attacchi agiscono, in modo da individuare metodologie di mitigazione innovative ed efficaci. Il gruppo inoltre realizza le operazioni di gestione della rete per l'Area di Ricerca CNR di Genova (ARiGe), fornendo agli utenti una grande varietà di servizi, quali posta elettronica, Domain Name System, web hosting, serrvizi antispam, connettività Internet wired e wireless, gestione del backup, monitoraggio della rete e gestione dei firewall e dei dispositive di rete. Infine, queste competenze sono oggetto di trasferimento tecnologico rivolto a piccole e medie aziende collegate al campo della sicurezza informatica. In particolare, uno dei più importanti traguardi raggiunti è la costituzione di Cleis Security s.r.l., spin-off del CNR che coinvolge i ricercatori IEIIT e una piccola media impresa.

6 - Systems and Control Technologies (Torino, Milano, Padova)
Il gruppo Systems and Control Technologies (SCT) riunisce i ricercatori nell'area dei sistemi e controllo, con enfasi sull'analisi e il progetto di sistemi incerti e complessi. Il gruppo è geograficamente distribuito su quattro sedi IEIIT (Torino, Milano, Padova), con un largo spettro di competenze.
La nostra ricerca ha origine dall'osservazione che i sistemi di controllo sono onnipresenti, essenziali, e per lo più invisibili al pubblico comune. Il settore dell'ingegneria dei sistemi di controllo sta diventando sempre più importante con il progresso ddella tecnologia. Il suo scopo è studiare e progettare sistemi complessi che sono interconnessi e devono portare a termine in modo soddisfacente una data azione. Questi sistemi includono applicazioni classiche nei vari campi dell'ingegneria, come aerospaziale, chimica, elettrica e meccanica, ma anche nuove aree di ricerca, che comprendono l'economia, i sistemi biologici, le scienze sociali e le reti.
Le competenze del gruppo SCT spazia dal progetto di sistemi di controllo robusti anche non lineari all'identificazione e la stima dei sistemi, e include sistemi di controllo di rete, algoritmi randomizzati, metodi probabilistici e ottimizzazione. Sono condotti svariati progetti industriali, in particolare orientati al progetto di sistemi multi-veicolo e alla modellizzazione e ottimizzazione di sistemi per la produzione alimentare.
Il gruppo promuove attività di ricerca internazionale e cooperazioni con istituzioni accademiche distribuite in tutto il mondo, come University of Illinois at Urbana Champaign, University of California at Irvine, Tokyo Institute of Technology, Russian Academy of Sciences in Moscow, Chinese Academy of Sciences in Beijing, French Centre National de la Recherche Scientifique in Toulouse, UNAM in Mexico City, University of Hull in UK, ed è coinvolto nei principali progetti italiani ed europei. I ricercatori del gruppo SCT mantengono posizioni chiave in IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Control Systems Society e in IFAC (International Federation of Automatic Control) e nelle rispettive riviste e conferenze. Il gruppo conta tre IEEE Fellows e tre IFAC Fellows.

7 - Wireless Communication Systems (Torino, Bologna, Milano)
Le attività di ricerca del gruppo Wireless Communication Systems sviluppano aspetti sia teorici che pratici delle nuove applicazioni emergenti nel campo delle comunicazioni wireless che il progresso delle tecnologie rende possibili. Poichè la rapida espansione delle comunicazioni wireless continua ad essere limitata dai livelli inadeguati di capacità del sistema, dalle insoddisfacenti velocità di trasmissione dei dati, e dai brevi tempi di vita delle batterie dei dispositivi wireless portatili, le attività teoriche riguardano l'investigazione di tecnologie in grado di ottimizzare due obiettivi, spesso in conflitto tra loro: minimizzare il consumo di potenza e massimizzare le prestazioni. Questo traguardo deve essere raggiunto mantenendo algoritmi di elaborazione e architetture circuitali con complessità ragionevoli, per permettere soluzioni praticamente realizzabili. In particolare, si studiano le potenzialità e il miglioramento delle prestazioni di schemi multi-antenne MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), il problema della mitigazione del rumore di fase che rimane uno dei principali disturbi nei collegamenti con antenne multiple, le prestazioni di diversi tipi di turbo-codici e di codici a correzione dell'errore (Error-Correcting Codes, ECC) e l'affidabilità di codici convoluzionali protograph-based LDPC applicati a sistemi di controllo Networked Control Systems (NCS).
Dal punto di vista applicativo, le attività di ricerca e sviluppo sono varie: spaziano dall'analisi delle proprietà di connettività dei nodi nelle reti Ad Hoc al progetto di architetture integrate e/m-Learning, dallo svipluppo di tecniche Software Defined Radio (SDR) alla gestione dell'instradamento e delle risorse trasmissive nei sistemi di trasporto intelligenti, dalla prototipazione e test di sistemi di localizzazione innovativi alla generazione di modelli di simulazione o di ambienti di simulazione per rappresentare la mobilità dell' utente/dispositivo in contesti urbani fino alle tecnologie di nuova generazione Wireless Sensor Network (WSN), come i sistemi distribuiti Virtual MIMO (V-MIMO) o gli schemi di comunicazione cooperativa con Virtual Antenna Arrays (VAAs).
Alcune delle attività sopra citate vengono svolte nel laboratorio sperimentale ospitato nella Sede IEIIT di Bologna ed equipaggiato con: Un banco di lavoro completo che opera in remoto; analizzatori di spettro e altre apparecchiature per l'analisi e la caratterizzazione di ricetrasmettitori radio;schede FPGA (Field Processing Gate Array) e kit di sviluppo per DSP (Digital Signal Processing), compresi prototipi multi-DSP.