Curs de pregatire Simularea Sistemelor de Comunicații Wireless folosind MATLAB (Dr. Shehata)

Rezultatele acestui curs

După finalizarea acestui curs, studentul ar trebui să poată aborda multe dintre problemele de cercetare deschise în prezent în domeniul ingineriei comunicațiilor, deoarece ar fi trebuit să dobândească cel puțin următoarele abilități:

• Să mapeze și să manipuleze expresii matematice complicate care apar frecvent în literatura de inginerie a comunicațiilor
• Abilitatea de a utiliza capabilitățile de programare oferite de MATLAB pentru a reproduce rezultatele de simulare ale altor lucrări sau cel puțin pentru a se apropia de aceste rezultate.
• Să creeze modele de simulare ale ideilor auto-propuse.
• Să folosească eficient abilitățile de simulare dobândite împreună cu capabilitățile puternice MATLAB pentru a proiecta coduri MATLAB optimizate în ceea ce privește timpul de rulare a codului, economisind în același timp spațiul de memorie.
• Să identifice parametrii cheie de simulare ai unui sistem de comunicații dat, să îi extragă din modelul sistemului și să studieze impactul acestor parametri asupra performanței sistemului considerat.

Structura cursului

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

Matematică pentru Comunicații cu MATLAB
Sesiunile 01-06

După finalizarea acestei părți, studentul va putea evalua expresii matematice complicate și va putea construi cu ușurință graficele adecvate pentru diferite reprezentări de date, cum ar fi reprezentări în domeniul timp și frecvență; grafice BER, diagrame de radiație ale antenei etc.

Concepte fundamentale

• Conceptul de simulare
• Importanța simulării în ingineria comunicațiilor
• MATLAB ca mediu de simulare
• Despre reprezentarea matricială și vectorială a semnalelor scalare în matematica comunicațiilor
• Reprezentări matriciale și vectoriale ale semnalelor complexe în bandă de bază în MATLAB

Desktopul MATLAB

• Bara de instrumente
• Fereastra de comandă
• Spațiul de lucru
• Istoricul comenzilor

Declararea variabilelor, vectorilor și matricelor

• Constante predefinite în MATLAB
• Variabile definite de utilizator
• Array-uri, vectori și matrice
• Introducerea manuală a matricelor
• Definirea intervalului
• Spațiu liniar
• Spațiu logaritmic
• Reguli de denumire a variabilelor

Matrice speciale

• Matricea ones
• Matricea zeros
• Matricea identitate

Manipulare pe elemente și pe matrice

• Accesarea unor elemente specifice
• Modificarea elementelor
• Eliminarea selectivă a elementelor (Trunchierea matricelor)
• Adăugarea de elemente, vectori sau matrice (Concatenarea matricelor)
• Găsirea indexului unui element în cadrul unui vector sau al unei matrice
• Remodelarea matricelor
• Trunchierea matricelor
• Concatenarea matricelor
• Inversarea de la stânga la dreapta și de la dreapta la stânga

Operatori matriciali unari

• Operatorul Sumă
• Operatorul de așteptare (expectation)
• Operatorul Min
• Operatorul Max
• Operatorul trace
• Determinantul matricei |.|
• Inversa matricei
• Transpusa matricei
• Hermitianul matricei

Operații matriciale binare

• Operații aritmetice
• Operații relaționale
• Operații logice

Numere complexe în MATLAB

• Reprezentarea complexă în bandă de bază a semnalelor de trecere bandă și conversia RF ascendentă, o recapitulare matematică
• Formarea de variabile, vectori și matrice complexe
• Exponențiale complexe
• Operatorul parte reală
• Operatorul parte imaginară
• Operatorul conjugat (.)*
• Operatorul absolut |.|
• Operatorul argument sau fază

Funcții încorporate MATLAB

• Vectori de vectori și matrice de matrice
• Funcția rădăcină pătrată
• Funcția semn
• Funcția "rotunjire la întreg"
• "Funcția cel mai apropiat întreg inferior"
• "Funcția cel mai apropiat întreg superior"
• Funcția factorial
• Funcții logaritmice (exp, ln, log10, log2)
• Funcții trigonometrice
• Funcții hiperbolice
• Funcția Q(.)
• Funcția erfc(.)
• Funcțiile Bessel J0(.)
• Funcția Gamma
• Comenzile diff, mod

Polinoame în MATLAB

• Polinoame în MATLAB
• Funcții raționale
• Derivate polinomiale
• Integrare polinomială
• Înmulțire polinomială

Grafice la scară liniară

• Reprezentări vizuale ale semnalelor continue în timp și amplitudine
• Reprezentări vizuale ale semnalelor aproximate în trepte
• Reprezentări vizuale ale semnalelor discrete în timp – amplitudine discretă

Grafice la scară logaritmică

• Grafice dB-decadă (BER)
• Grafice decadă-dB (diagrame Bode, răspuns în frecvență, spectru de semnal)
• Grafice decadă-decadă
• Grafice dB-liniar

Grafice polare 2D

• (diagrame de radiație ale antenelor plane)

Grafice 3D

• Diagrame de radiație 3D
• Grafice parametrice carteziene

Secțiune opțională (oferită la cererea cursanților)

• Diferențiere simbolică și diferențiere numerică în MATLAB
• Integrare simbolică și numerică în MATLAB
• Ajutor și documentație MATLAB

Fișiere MATLAB

• Fișiere script MATLAB
• Fișiere funcție MATLAB
• Fișiere de date MATLAB
• Variabile locale și globale

Bucle, condiții, controlul fluxului și luarea deciziilor în MATLAB

• Bucla for end
• Bucla while end
• Condiția if end
• Condițiile if else end
• Instrucțiunea switch case end
• Iterații, erori convergente, operatori de sumă multidimensionali

Comenzi de afișare a intrărilor și ieșirilor

• Comanda input(' ')
• Comanda disp
• Comanda fprintf
• Caseta de mesaj msgbox

Operații cu Semnale și Sisteme
Sesiunile 07-14

Obiectivele principale ale acestei părți sunt următoarele:

• Să genereze semnale de test aleatorii, necesare pentru a testa performanța diferitelor sisteme de comunicații
• Să integreze multe operații elementare pe semnale pentru a implementa o singură funcție de procesare a comunicațiilor, cum ar fi codificatoare, randomizatoare, interleaver-e, generatoare de coduri de împrăștiere etc. la emițător, precum și omoloagele acestora la terminalul receptor.
• Să interconecteze corect aceste blocuri pentru a realiza o funcție de comunicație
• Simularea modelelor de canal deterministe, statistice și semi-aleatorii de interior și exterior, de bandă îngustă

Generarea semnalelor de test pentru comunicații

• Generarea unei secvențe binare aleatorii
• Generarea unei secvențe aleatorii de numere întregi
• Importarea și citirea fișierelor text
• Citirea și redarea fișierelor audio
• Importarea și exportarea imaginilor
• Imaginea ca matrice 3D
• Transformarea RGB în scară de gri
• Flux de biți serial al unei imagini 2D în scară de gri
• Sub-cadrarea semnalelor de imagine și reconstrucția

Condiționarea și Manipularea Semnalelor

• Scalare în amplitudine (câștig, atenuare, normalizare de amplitudine etc.)
• Deplasarea nivelului DC
• Scalare în timp (compresie în timp, rarefiere)
• Deplasare în timp (întârziere, avans, deplasare circulară la stânga și la dreapta)
• Măsurarea energiei semnalului
• Normalizarea energiei și a puterii
• Scalarea energiei și a puterii
• Conversia serial-paralel și paralel-serial
• Multiplexare și demultiplexare

Digitalizarea Semnalelor Analogice

• Eșantionarea în domeniul timp a semnalelor continue de bandă de bază în MATLAB
• Cuantizarea în amplitudine a semnalelor analogice
• Codificarea PCM a semnalelor analogice cuantizate
• Conversia zecimal-binar și binar-zecimal
• Modelarea impulsurilor
• Calculul lățimii adecvate a impulsului
• Selectarea numărului de eșantioane pe impuls
• Convoluția folosind comenzile conv și filter
• Autocorelația și corelația încrucișată a semnalelor limitate în timp
• Operațiile Transformata Fourier Rapidă (FFT) și IFFT
• Vizualizarea spectrului unui semnal de bandă de bază
• Efectul ratei de eșantionare și fereastra de frecvență adecvată
• Relația dintre operațiile de convoluție, corelație și FFT
• Filtrare în domeniul frecvență, doar filtrare trece-jos

Funcții Auxiliare de Comunicații

• Randomizatoare și de-randomizatoare
• Puncturi și de-puncturi
• Codificatoare și decodificatoare
• Interleaver-e și de-interleaver-e

Modulatoare și demodulatoare

• Scheme de modulație digitală în bandă de bază în MATLAB
• Reprezentarea vizuală a semnalelor modulate digital

Modelarea și Simularea Canalului

• Modelarea matematică a efectului canalului asupra semnalului transmis
  • Adunare – canale cu zgomot alb gaussian aditiv (AWGN)
  • Înmulțire în domeniul timp – canale cu fading lent, deplasare Doppler în canale vehiculare
  • Înmulțire în domeniul frecvență – canale cu fading selectiv în frecvență
  • Convoluție în domeniul timp – răspunsul la impuls al canalului

Exemple de modele de canal deterministe

• Pierderi de traseu în spațiul liber și pierderi de traseu dependente de mediu
• Canale cu blocaj periodic

Caracterizarea Statistică a Canalelor Comune cu Fading Multi-cale Staționare și Cvasi-Staționare

• Generarea unei variabile aleatoare distribuite uniform
• Generarea unei variabile aleatoare gaussiene cu valori reale
• Generarea unei variabile aleatoare gaussiene complexe
• Generarea unei variabile aleatoare distribuite Rayleigh
• Generarea unei variabile aleatoare distribuite Ricean
• Generarea unei variabile aleatoare distribuite lognormal
• Generarea unei variabile aleatoare cu distribuție arbitrară
• Aproximarea unei funcții de densitate de probabilitate (PDF) necunoscute a unei variabile aleatoare printr-o histogramă
• Calculul numeric al funcției de distribuție cumulativă (CDF) a unei variabile aleatoare
• Canale reale și complexe cu zgomot alb gaussian aditiv (AWGN)

Caracterizarea Canalului prin Profilul său de Întârziere a Puterii

• Caracterizarea canalului prin profilul său de întârziere a puterii
• Normalizarea puterii PDP
• Extragerea răspunsului la impuls al canalului din PDP
• Eșantionarea răspunsului la impuls al canalului cu o rată de eșantionare arbitrară, eșantionare nepotrivită și întârziere
• cuantizare
• Problema eșantionării nepotrivite a răspunsului la impuls al canalului pentru canalele de bandă îngustă
• Eșantionarea unui PDP cu o rată de eșantionare arbitrară și compensarea întârzierii fracționale
• Implementarea mai multor modele de canal standardizate IEEE de interior și exterior
• (Modele de canal COST – SUI - Ultra Wide Band etc.)

Simulare la Nivel de Legătură a Sistemelor Practice de Comunicații
Sesiunile 15-24

Această parte a cursului se referă la cea mai importantă problemă pentru studenții cercetători, și anume cum să reproducă prin simulare rezultatele de simulare ale altor lucrări publicate.

Performanța Ratei de Eroare pe Bit a Schemelor de Modulație Digitală în Bandă de Bază

• Compararea performanței diferitelor scheme de modulație digitală în bandă de bază în canale AWGN (studiu comparativ cuprinzător prin simulare pentru verificarea expresiilor teoretice); diagrame de dispersie, rata de eroare pe bit
• Compararea performanței diferitelor scheme de modulație digitală în bandă de bază în diferite canale cu fading staționar și cvasi-staționar; diagrame de dispersie, rata de eroare pe bit (studiu comparativ cuprinzător prin simulare pentru verificarea expresiilor teoretice)
• Impactul canalelor cu deplasare Doppler asupra performanței schemelor de modulație digitală în bandă de bază; diagrame de dispersie, rata de eroare pe bit
• Comunicații Elicopter-Satelit
  • Lucrarea (1): Sistem de voce și date în timp real la cost redus pentru Serviciul Mobil Aeronautic prin Satelit (AMSS) – Enunțul problemei și analiza
  • Lucrarea (2): Combinarea diversității în timp pre-detectare cu AFC precis pentru Comunicațiile prin Satelit pentru Elicoptere – Prima soluție propusă
  • Lucrarea (3): O Schemă de Modulație Adaptivă pentru Comunicațiile Elicopter-Satelit – O abordare de îmbunătățire a performanței

Simularea Sistemelor cu Spectru Împrăștiat

• Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat
• Sisteme bazate pe spectru împrăștiat cu secvență directă
• Generatoare de secvențe binare pseudo-aleatorii (PBRS)
  
  • Generarea secvențelor de lungime maximă
  • Generarea codurilor Gold
  • Generarea codurilor Walsh
• Sisteme bazate pe spectru împrăștiat cu salt în timp
• Performanța Ratei de Eroare pe Bit a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în canale AWGN
  
  • Impactul ratei de codare r asupra performanței BER
  • Impactul lungimii codului asupra performanței BER
• Performanța Ratei de Eroare pe Bit a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în Canale cu Fading Rayleigh Lent Multi-cale cu Deplasare Doppler Zero
• Analiza performanței ratei de eroare pe bit a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în medii cu fading de mobilitate ridicată
• Analiza performanței ratei de eroare pe bit a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în prezența interferenței multi-utilizator
• Transmisia imaginilor RGB prin sisteme cu spectru împrăștiat
• Sisteme CDMA optice (OCDMA)
  
  • Coduri optice ortogonale (OOC)
  • Limitele de performanță ale sistemelor OCDMA; performanța ratei de eroare pe bit a sistemelor OCDMA sincrone și asincrone

Sisteme SS ultra-wideband

Sisteme Bazate pe OFDM

• Implementarea sistemelor OFDM folosind Transformata Fourier Rapidă
• Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe OFDM
• Performanța Ratei de Eroare pe 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 subpurtătoarelor asupra performanței BER
• Performanța Ratei de Eroare pe Bit a Sistemelor OFDM în Canale cu Fading Rayleigh Lent Multi-cale cu Deplasare Doppler Zero
• Performanța Ratei de Eroare pe Bit a Sistemelor OFDM în Canale cu Fading Rayleigh Lent Multi-cale cu CFO
• Estimarea Canalului în Sistemele OFDM
• Egalizarea în Domeniul Frecvență în Sistemele OFDM
  
  • Egalizator Zero Forcing
  • Egalizatoare MMSE
• Alte Metrici Comune de Performanță în Sistemele Bazate pe OFDM (Raportul Putere de Vârf – Putere Medie, Raportul Purtătoare – Interferență etc.)
• Analiza performanței sistemelor bazate pe OFDM în medii cu fading de mobilitate ridicată (ca proiect de simulare constând din trei lucrări)
  
  • Lucrarea (1): Atenuarea interferenței inter-purtătoare
  • Lucrarea (2): Sisteme MIMO-OFDM

Optimizarea unui Proiect de Simulare MATLAB

Scopul acestei părți este de a învăța cum să construiești și să optimizezi un proiect de simulare MATLAB pentru a simplifica și organiza procesul general de simulare. Mai mult, spațiul de memorie și viteza de procesare sunt de asemenea luate în considerare pentru a evita problemele de depășire a memoriei în sistemele cu stocare limitată sau timpii lungi de rulare care decurg din procesarea lentă.

• Structura tipică a proiectelor de simulare la scară mică
• Extragerea parametrilor de simulare și maparea teoretic-simulare
• Construirea unui Proiect de Simulare
• Tehnica de Simulare Monte Carlo
• O Procedură Tipică pentru Testarea unui Proiect de Simulare
• Gestionarea Spațiului de Memorie și Tehnici de Reducere a Timpului de Simulare
  
  • Simulare în bandă de bază vs. bandă de trecere
  • Calculul lățimii adecvate a impulsului pentru forme de impuls arbitrare trunchiate
  • Calculul numărului adecvat de eșantioane pe simbol
  • Calculul Numărului Necesar și Suficient de Biți pentru Testarea unui Sistem

Programare 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 dintr-un proiect de simulare controlează acest lucru. Din acest motiv și nu numai, este oferită o prelegere suplimentară despre "Programarea Interfeței Grafice cu Utilizatorul (GUI)" pentru a aduce controlul asupra diferitelor părți ale proiectului tău de simulare la îndemâna ta, mai degrabă decât să te scufunzi în coduri sursă lungi pline de comenzi. În plus, mascarea codului tău MATLAB cu o interfață GUI ajută la prezentarea muncii tale într-un mod care facilitează combinarea mai multor rezultate într-o singură fereastră principală și facilitează compararea datelor.

• Ce este o interfață GUI MATLAB
• Structura fișierului funcție GUI MATLAB
• Componentele principale ale GUI (proprietăți și valori importante)
• Variabile locale și globale

Notă: Subiectele acoperite în fiecare nivel al acestui curs includ, dar nu se limitează la, cele menționate în fiecare nivel. Mai mult, elementele fiecărei prelegeri pot fi modificate în funcție de nevoile cursanților și de interesele lor de cercetare.