Cursuri de pregatire Simularea Sistemelor de Comunicare Wireless folosind MATLAB (Dr Shehata)

• Rezultatele acestui curs
După finalizarea acestui curs, studentul ar trebui să fie capabil să abordeze multe dintre problemele de cercetare deschise în domeniul ingineriei comunicațiilor, deoarece ar trebui să fi dobândit cel puțin următoarele abilități:

• Maparea și manipularea expresiilor matematice complicate care apar frecvent în literatura de inginerie a comunicațiilor

• Abilitatea de a utiliza capacitățile de programare oferite de MATLAB pentru a reproduce rezultatele simulării altor lucrări sau cel puțin pentru a aborda aceste rezultate.

• Crearea modelelor de simulare pentru idei proprii.

• Utilizarea eficientă a abilităților de simulare dobândite împreună cu capacitățile puternice ale MATLAB pentru a proiecta coduri MATLAB optimizate în ceea ce privește timpul de execuție al codului, economisind spațiul de memorie.

• Identificarea parametrilor cheie de simulare ai unui sistem de comunicații dat, extragerea lor din modelul sistemului și studierea impactului acestor parametri asupra performanței sistemului considerat.

• Structura cursului

Materialul oferit în acest curs este extrem de corelat. Nu este recomandat ca un student să urmeze un nivel decât dacă a urmat și a înțeles profund nivelul anterior pentru a asigura continuitatea cunoștințelor dobândite. Cursul este structurat în trei niveluri, începând de la o introducere în programarea MATLAB până la nivelul simulării complete a sistemelor, după cum urmează.

Nivelul 1: Matematică a comunicațiilor cu MATLAB
Sesiunile 01-06

După finalizarea acestei părți, studentul va fi capabil să evalueze expresii matematice complicate și să construiască cu ușurință graficele adecvate pentru diferite reprezentări de date, cum ar fi grafice în domeniul timpului și al frecvenței; grafice BER, modele de radiație ale antenelor etc.

Concepte fundamentale

1. Conceptul de simulare
2. Importanța simulării în ingineria comunicațiilor
3. MATLAB ca mediu de simulare
4. Despre reprezentarea matricială și vectorială a semnalelor scalare în matematica comunicațiilor
5. Reprezentări matriciale și vectoriale ale semnalelor de bandă de bază complexe în MATLAB

Interfața MATLAB

6. Bara de instrumente
7. Fereastra de comenzi
8. Spațiul de lucru
9. Istoricul comenzilor

Declararea variabilelor, vectorilor și matricelor

10. Constante predefinite în MATLAB
11. Variabile definite de utilizator
12. Tablouri, vectori și matrice
13. Introducerea manuală a matricelor
14. Definirea intervalelor
15. Spațiu liniar
16. Spațiu logaritmic
17. Reguli de denumire a variabilelor

Matrice speciale

18. Matricea de uni
19. Matricea de zero
20. Matricea de identitate

Manipularea element cu element și matriceală

21. Accesarea elementelor specifice
22. Modificarea elementelor
23. Eliminarea selectivă a elementelor (trunchierea matricelor)
24. Adăugarea de elemente, vectori sau matrice (concatenarea matricelor)
25. Găsirea indexului unui element într-un vector sau matrice
26. Remodelarea matricelor
27. Trunchierea matricelor
28. Concatenarea matricelor
29. Întoarcerea de la stânga la dreapta și de la dreapta la stânga

Operatori unari pentru matrice

30. Operatorul de sumă
31. Operatorul de așteptare
32. Operatorul min
33. Operatorul max
34. Operatorul de urmă
35. Determinantul matricei |.|
36. Inversa matricei
37. Transpusa matricei
38. Matricea hermitiană
39. …etc

Operatori binari pentru matrice

40. Operații aritmetice
41. Operații relaționale
42. Operații logice

Numere complexe în MATLAB

43. Reprezentarea semnalelor de bandă de trecere în bandă de bază complexă și conversia RF în sus, o revizuire matematică
44. Formarea variabilelor, vectorilor și matricelor complexe
45. Exponențiale complexe
46. Operatorul părții reale
47. Operatorul părții imaginare
48. Operatorul conjugat (.)*
49. Operatorul absolut |.|
50. Operatorul de argument sau fază

Funcții încorporate în MATLAB

51. Vectori de vectori și matrice de matrice
52. Funcția de rădăcină pătrată
53. Funcția de semn
54. Funcția "rotunjire la întreg"
55. Funcția "cel mai apropiat întreg inferior"
56. Funcția "cel mai apropiat întreg superior"
57. Funcția factorial
58. Funcții logaritmice (exp, ln, log10, log2)
59. Funcții trigonometrice
60. Funcții hiperbolice
61. Funcția Q(.)
62. Funcția erfc(.)
63. Funcții Bessel Jo (.)
64. Funcția Gamma
65. Comenzi Diff, mod

Polinoame în MATLAB

66. Polinoame în MATLAB
67. Funcții raționale
68. Derivate ale polinoamelor
69. Integrarea polinoamelor
70. Înmulțirea polinoamelor

Grafice pe scară liniară

71. Reprezentări vizuale ale semnalelor continue în timp și amplitudine
72. Reprezentări vizuale ale semnalelor aproximative în trepte
73. Reprezentări vizuale ale semnalelor discrete în timp și amplitudine

Grafice pe scară logaritmică

74. Grafice dB-decadă (BER)
75. Grafice decadă-dB (grafice Bode, răspuns în frecvență, spectru de semnal)
76. Grafice decadă-decadă
77. Grafice dB-liniare

Grafice polare 2D
78. (modele de radiație ale antenelor plane)

Grafice 3D

79. Modele de radiație 3D
80. Grafice parametrice carteziene

Secțiune opțională (oferită la cererea participanților)

81. Diferențierea simbolică și diferențierea numerică în MATLAB
82. Integrarea simbolică și numerică în MATLAB
83. Ajutor și documentație MATLAB

Fișiere MATLAB

84. Fișiere script MATLAB
85. Fișiere funcție MATLAB
86. Fișiere de date MATLAB
87. Variabile locale și globale

Bucle, condiții, controlul fluxului și luarea deciziilor în MATLAB

88. Bucla for end
89. Bucla while end
90. Condiția if end
91. Condițiile if else end
92. Instrucțiunea switch case end
93. Iterații, erori convergente, operatori de sumă multidimensionali

Comenzi de afișare a intrării și ieșirii

94. Comanda input(' ')
95. Comanda disp
96. Comanda fprintf
97. Caseta de mesaje msgbox

Nivelul 2: Operații asupra semnalelor și sistemelor (24 ore)
Sesiunile 07-14

Obiectivele principale ale acestei părți sunt următoarele

• Generarea semnalelor de test aleatoare necesare pentru testarea performanței diferitelor sisteme de comunicații

• Integrarea mai multor operații elementare asupra semnalelor pentru a implementa o singură funcție de procesare a comunicațiilor, cum ar fi codificatoare, randomizatoare, interleavers, generatoare de coduri de împrăștiere etc. la emițător, precum și omologii lor la terminalul de recepție.

• Interconectarea corectă a acestor blocuri pentru a realiza o funcție de comunicații

• Simularea modelelor de canale de bandă îngustă interioare și exterioare deterministe, statistice și semi-aleatoare

Generarea semnalelor de test pentru comunicații

98. Generarea unei secvențe binare aleatoare
99. Generarea unei secvențe de numere întregi aleatoare
100. Importarea și citirea fișierelor text
101. Citirea și redarea fișierelor audio
102. Importarea și exportul imaginilor
103. Imaginea ca o matrice 3D
104. Transformarea RGB în tonuri de gri
105. Fluxul de biți serial al unei imagini 2D în tonuri de gri
106. Sub-cadrare a semnalelor de imagine și reconstrucție

Condiționarea și manipularea semnalelor

107. Scalarea amplitudinii (câștig, atenuare, normalizare a amplitudinii etc.)
108. Deplasarea nivelului DC
109. Scalarea timpului (compresie temporală, rarefacție)
110. Deplasarea temporală (întârziere temporală, avans temporal, deplasare circulară la stânga și la dreapta)
111. Măsurarea energiei semnalului
112. Normalizarea energiei și puterii
113. Scalarea energiei și puterii
114. Conversia serial-în-paralel și paralel-în-serial
115. Multiplexare și demultiplexare

Digitizarea semnalelor analogice

116. Eșantionarea în domeniul timpului a semnalelor de bandă de bază continue în MATLAB
117. Cuantizarea amplitudinii semnalelor analogice
118. Codificarea PCM a semnalelor analogice cuantizate
119. Conversia zecimal-în-binar și binar-în-zecimal
120. Modelarea impulsurilor
121. Calculul lățimii adecvate a impulsului
122. Selectarea numărului de eșantioane per impuls

123. Convoluția folosind comenzile conv și filter
124. Autocorelația și corelația încrucișată a semnalelor limitate în timp
125. Operațiile de Transformare Rapidă Fourier (FFT) și IFFT
126. Vizualizarea spectrului unui semnal de bandă de bază
127. Efectul ratei de eșantionare și a ferestrei de frecvență adecvate
128. Relația dintre convoluție, corelație și operațiile FFT
129. Filtrarea în domeniul frecvenței, doar filtrare trece-jos

Funcții auxiliare de comunicații

130. Randomizatoare și derandomizatoare
131. Punctatoare și depunctatoare
132. Codificatoare și decodificatoare
133. Interleavers și de-interleavers

Modulatoare și demodulatoare

134. Scheme de modulație digitală de bandă de bază în MATLAB
135. Reprezentarea vizuală a semnalelor modulate digital

Modelarea și simularea canalului

136. Modelarea matematică a efectului canalului asupra semnalului transmis

• Adăugare – canale cu zgomot alb gaussian aditiv (AWGN)
• Înmulțire în domeniul timpului – canale cu fading lent, deplasare Doppler în canale vehiculare
• Înmulțire în domeniul frecvenței – canale cu fading selectiv în frecvență
• Convoluție în domeniul timpului – răspunsul la impuls al canalului

Exemple de modele de canale deterministe

137. Pierderi de cale în spațiu liber și pierderi de cale dependente de mediu
138. Canale cu blocare periodică

Caracterizarea statistică a canalelor comune de fading multipath staționare și cvasi-staționare

139. Generarea unei variabile aleatoare uniform distribuite
140. Generarea unei variabile aleatoare gaussiene reale
141. Generarea unei variabile aleatoare gaussiene complexe
142. Generarea unei variabile aleatoare Rayleigh distribuite
143. Generarea unei variabile aleatoare Rice distribuite
144. Generarea unei variabile aleatoare lognormale distribuite
145. Generarea unei variabile aleatoare arbitrar distribuite
146. Aproximarea unei funcții de densitate de probabilitate (PDF) necunoscute a unei variabile aleatoare printr-un histogramă
147. Calculul numeric al funcției de distribuție cumulativă (CDF) a unei variabile aleatoare
148. Canale cu zgomot alb gaussian aditiv (AWGN) reale și complexe

Caracterizarea canalului prin profilul său de întârziere de putere

149. Caracterizarea canalului prin profilul său de întârziere de putere
150. Normalizarea puterii PDP
151. Extragerea răspunsului la impuls al canalului din PDP
152. Eșantionarea răspunsului la impuls al canalului la o rată de eșantionare arbitrară, eșantionare nepotrivită și cuantizarea întârzierii
153. Problema eșantionării nepotrivite a răspunsului la impuls al canalelor de bandă îngustă
154. Eșantionarea unui PDP la o rată de eșantionare arbitrară și compensarea întârzierii fracționare
155. Implementarea mai multor modele de canale interioare și exterioare standardizate IEEE
156. (COST – SUI - Modele de canale de bandă ultra-largă etc.)

Nivelul 3: Simularea la nivel de legătură a sistemelor de comunicații practice (30 ore)
Sesiunile 15-24

Această parte a cursului se ocupă de cea mai importantă problemă pentru studenții de cercetare, și anume, cum să reproducă rezultatele simulării altor lucrări publicate prin simulare.

Performanța ratei de eroare de bit a schemelor de modulație digitală de bandă de bază

1. Compararea performanțelor diferitelor scheme de modulație digitală de bandă de bază în canale AWGN (Studiu comparativ cuprinzător prin simulare pentru a verifica expresiile teoretice); grafice de dispersie, rata de eroare de bit

2. Compararea performanțelor diferitelor scheme de modulație digitală de bandă de bază în diferite canale de fading staționare și cvasi-staționare; grafice de dispersie, rata de eroare de bit (Studiu comparativ cuprinzător prin simulare pentru a verifica expresiile teoretice)

3. Impactul canalelor cu deplasare Doppler asupra performanței schemelor de modulație digitală de bandă de bază; grafice de dispersie, rata de eroare de bit

Comunicații elicopter-satelit

4. Lucrarea (1): Sistem de voce și date în timp real de cost redus pentru serviciul mobil aeronautic prin satelit (AMSS) – Enunțarea și analiza problemei
5. Lucrarea (2): Combinarea diversității în timp pre-detectare cu AFC precisă pentru comunicațiile elicopter-satelit – Prima soluție propusă
6. Lucrarea (3): O schemă de modulație adaptivă pentru comunicațiile elicopter-satelit – O abordare de îmbunătățire a performanței

Simularea sistemelor cu spectru împrăștiat

1. Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat
2. Sisteme bazate pe spectru împrăștiat cu secvență directă
3. Generatoare de secvențe binare pseudo-aleatoare (PBRS)
• Generarea secvențelor de lungime maximă
• Generarea codurilor Gold
• Generarea codurilor Walsh

4. Sisteme bazate pe spectru împrăștiat cu salt în timp
5. Performanța ratei de eroare de bit a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în canale AWGN
• Impactul ratei de codare r asupra performanței BER
• Impactul lungimii codului asupra performanței BER

6. Performanța ratei de eroare de bit a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în canale de fading Rayleigh lent multipath fără deplasare Doppler
7. Analiza performanței ratei de eroare de bit a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în medii de fading de mare mobilitate
8. Analiza performanței ratei de eroare de bit a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în prezența interferenței multi-utilizator
9. Transmisia imaginilor RGB peste sisteme cu spectru împrăștiat
10. Sisteme CDMA optice (OCDMA)
• Coduri ortogonale optice (OOC)
• Limitele de performanță ale sistemelor OCDMA; performanța ratei de eroare de bit a sistemelor OCDMA sincrone și asincrone

Sisteme SS de bandă ultra-largă

Sisteme bazate pe OFDM

11. Implementarea sistemelor OFDM folosind Transformarea Rapidă Fourier
12. Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe OFDM
13. Performanța ratei de eroare de bit a sistemelor OFDM în canale AWGN
• Impactul ratei de codare r asupra performanței BER
• Impactul prefixului ciclic asupra performanței BER
• Impactul dimensiunii FFT și al spațierii subportantelor asupra performanței BER

14. Performanța ratei de eroare de bit a sistemelor OFDM în canale de fading Rayleigh lent multipath fără deplasare Doppler
15. Performanța ratei de eroare de bit a sistemelor OFDM în canale de fading Rayleigh lent multipath cu CFO
16. Estimarea canalului în sistemele OFDM
17. Egalizarea în domeniul frecvenței în sistemele OFDM
• Egalizator Zero Forcing
• Egalizatoare MMSE
18. Alte metrici comune de performanță în sistemele bazate pe OFDM (Raportul vârf-la-medie, Raportul purtător-la-interferență etc.)
19. Analiza performanței sistemelor bazate pe OFDM în medii de fading de mare mobilitate (ca proiect de simulare constând din trei lucrări)
20. Lucrarea (1): Mitigarea interferenței inter-portante
21. Lucrarea (2): Sisteme MIMO-OFDM

Optimizarea unui proiect de simulare MATLAB

Scopul acestei părți este de a învăța cum să construiți și să optimizați un proiect de simulare MATLAB pentru a simplifica și organiza procesul general de simulare. În plus, sunt luate în considerare spațiul de memorie și viteza de procesare pentru a evita problemele de depășire a memoriei în sistemele cu stocare limitată sau timpii de rulare lungi datorită procesării lente.

1. Structura tipică a unor proiecte de simulare de mică anvergură
2. Extragerea parametrilor de simulare și maparea teoretică la simulare
3. Construirea unui proiect de simulare
4. Tehnica de simulare Monte Carlo
5. O procedură tipică pentru testarea unui proiect de simulare
6. Tehnici de gestionare a spațiului de memorie și reducere a timpului de simulare
• Simularea de bandă de bază vs. simularea de bandă de trecere
• Calculul lățimii adecvate a impulsului pentru forme de impuls trunchiate arbitrare
• Calculul numărului adecvat de eșantioane per simbol
• Calculul numărului necesar și suficient de biți pentru a testa un sistem

Programarea GUI

A avea un cod MATLAB fără erori și care funcționează corect pentru a produce rezultate corecte este o mare realizare. Cu toate acestea, un set de parametri cheie într-un proiect de simulare controlează procesul. Din acest motiv și nu numai, este oferită o lecție suplimentară despre "Programarea interfeței grafice (GUI)" pentru a pune controlul asupra diferitelor părți ale proiectului de simulare la îndemână, în loc să te scufunzi într-un cod sursă lung plin de comenzi. În plus, mascarea codului MATLAB cu o GUI facilitează prezentarea lucrării într-un mod care permite combinarea mai multor rezultate într-o fereastră principală și face mai ușoară compararea datelor.

1. Ce este o GUI MATLAB
2. Structura fișierului funcție GUI MATLAB
3. Componentele principale ale GUI (proprietăți și valori importante)
4. Variabile locale și globale

Notă: Subiectele acoperite în fiecare nivel al acestui curs includ, dar nu se limitează la, cele menționate în fiecare nivel. În plus, elementele fiecărei lecții particulare sunt supuse schimbărilor în funcție de nevoile participanților și interesele lor de cercetare.