Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata) Počítačový Kurz

• Výsledky tohoto kurzu
Po absolvování tohoto kurzu by měl být student schopen řešit řadu aktuálně otevřených výzkumných problémů v oblasti komunikačního inženýrství, protože by měl mít alespoň následující dovednosti:

• Mapujte a manipulujte s komplikovanými matematickými výrazy, které se často objevují v literatuře komunikačního inženýrství

• Schopnost používat programovací schopnosti nabízené v MATLAB za účelem reprodukce výsledků simulací z jiných článků nebo se k těmto výsledkům alespoň přiblížit.

• Vytvořte simulační modely vlastních myšlenek.

• Efektivně využívat získané simulační dovednosti ve spojení s výkonnými MATLAB schopnostmi k navrhování optimalizovaných MATLAB kódů z hlediska doby běhu kódu a zároveň šetřit paměťový prostor.

• Identifikujte klíčové parametry simulace daného komunikačního systému, extrahujte je z modelu systému a prostudujte dopad těchto parametrů na výkon uvažovaného systému.

• Struktura kurzu

Materiál poskytnutý v tomto kurzu je velmi korelovaný. Nedoporučuje se, aby student navštěvoval úroveň, pokud ji nenavštěvuje a hluboce nerozumí její předchozí úrovni, aby byla zajištěna kontinuita získaných znalostí. Kurz je strukturován do tří úrovní od úvodu do MATLAB programování až po úroveň kompletní simulace systému následovně.

Úroveň 1: Communications matematika s MATLAB
Zasedání 01-06

Po absolvování této části bude student schopen vyhodnotit složité matematické výrazy a snadno sestavit vhodné grafy pro různé reprezentace dat, jako jsou grafy v časové a frekvenční oblasti; BER vykresluje vyzařovací diagramy antény…atd.

Základní pojmy

1. Pojem simulace
2. Význam simulace v komunikačním inženýrství
3. MATLAB jako simulační prostředí
4. O maticové a vektorové reprezentaci skalárních signálů v komunikační matematice
5. Matrix a vektorové reprezentace komplexních signálů v základním pásmu v MATLAB

MATLAB Desktop

6. Panel nástrojů
7. Příkazové okno
8. Pracovní prostor
9. Historie příkazů

Deklarace proměnných, vektorů a matic

10. MATLAB předdefinované konstanty
11. Uživatelem definované proměnné
12. Pole, vektory a matice
13. Ruční maticové zadávání
14. Definice intervalu
15. Lineární prostor
16. Logaritmický prostor
17. Pravidla pojmenovávání proměnných

Speciální matrice

18. Matice jedniček
19. Nulová matice
20. Identitní matice

Element-moudrá a maticová manipulace

21. Accessing specifických prvků
22. Modifikační prvky
23. Selektivní eliminace prvků (Matrix zkrácení)
24. Přidávání prvků, vektorů nebo matic (Matrix zřetězení)
25. Nalezení indexu prvku uvnitř vektoru nebo matice
26. Matrix přetváření
27. Matrix zkrácení
28. Matrix zřetězení
29. Překlápění zleva doprava a zprava doleva

Unární maticové operátory

30. Operátor součtu
31. Operátor očekávání
32. Operátor min
33. Max operátor
34. Operátor sledování
35. Matrix determinant |.|
36. Matrix inverzní
37. Matrix transponovat
38. Matrix Hermitian
39. … atd

Binární maticové operace

40. Aritmetické operace
41. Relační operace
42. Logické operace

Komplexní čísla v MATLAB

43. Komplexní reprezentace signálů propustného pásma v základním pásmu a RF up-konverze, matematický přehled
44. Tvoření komplexních proměnných, vektorů a matic
45. Komplexní exponenciály
46. Operátor skutečné části
47. Operátor imaginární části
48. Konjugovaný operátor (.)*
49. Absolutní operátor |.|
50. Argument nebo fázový operátor

MATLAB vestavěné funkce

51. Vektory vektorů a matice matice
52. Funkce druhé odmocniny
53. Funkce znaku
54. Funkce "zaokrouhlit na celé číslo".
55. "Funkce nejbližšího dolního celého čísla"
56. "Funkce nejbližšího horního celého čísla"
57. Faktoriální funkce
58. Logaritmické funkce (exp, ln, log10, log2)
59. Goniometrické funkce
60. Hyperbolické funkce
61. Funkce Q(.).
62. Funkce erfc(.).
63. Besselovy funkce Jo (.)
64. Funkce Gamma
65. Rozdíl, příkazy mod

Polynomy v MATLAB

66. Polynomy v MATLAB
67. Racionální funkce
68. Polynomiální derivace
69. Polynomiální integrace
70. Polynomiální násobení

Grafy v lineárním měřítku

71. Vizuální reprezentace spojitých časově spojitých amplitudových signálů
72. Vizuální reprezentace aproximovaných signálů schodišťového typu
73. Vizuální reprezentace diskrétního času – signály s diskrétní amplitudou

Logaritmické grafy

74. grafy dB-dekády (BER)
75. grafy dekády dB (bodové grafy, frekvenční odezva, spektrum signálu)
76. zápletky desetiletí
77. dB-lineární grafy

2D polární grafy
78. (vyzařovací diagramy planární antény)

3D grafy

79. 3D obrazce záření
80. Kartézské parametrické grafy

Volitelná sekce (poskytována na základě požadavku studentů)

81. Symbolická diferenciace a numerická diferenciace v MATLAB
82. Symbolická a numerická integrace v MATLAB
83. MATLAB nápověda a dokumentace

MATLAB souborů

84. MATLAB soubory skriptů
85. MATLAB funkční soubory
86. MATLAB datové soubory
87. Lokální a globální proměnné

Smyčky, řízení toku podmínek a rozhodování v MATLAB

88. Koncová smyčka for
89. Smyčka while end
90. Koncová podmínka if
91. Koncové podmínky if else
92. Koncový příkaz switch case
93. Iterace, konvergující chyby, vícerozměrné součtové operátory

Vstupní a výstupní zobrazovací příkazy

94. Příkaz input(' ').
95. příkaz disp
96. příkaz fprintf
97. Zpráva schránky msgbox

Úroveň 2: Provoz signálů a systémů (24 hodin)
Zasedání 07-14

Hlavní cíle této části jsou následující

• Generovat náhodné testovací signály, které jsou nezbytné pro testování výkonu různých komunikačních systémů

• Integrace mnoha elementárních signálových operací může být integrována k implementaci jediné funkce zpracování komunikace, jako jsou kodéry, randomizéry, prokládače, generátory rozprostírajícího se kódu…atd. na vysílači i jejich protějšky na přijímacím terminálu.

• Propojte tyto bloky správně, abyste dosáhli komunikační funkce

• Simulace deterministických, statistických a polonáhodných vnitřních a venkovních úzkopásmových kanálových modelů

Generování komunikačních testovacích signálů

98. Generování náhodné binární posloupnosti
99. Generování sekvencí náhodného celého čísla
100. Import a čtení textových souborů
101. Čtení a přehrávání zvukových souborů
102. Import a export obrázků
103. Obraz jako 3D matice
104. Transformace RGB do šedé stupnice
105. Sériový bitový tok 2D obrazu ve stupních šedi
106. Sub-framing obrazových signálů a rekonstrukce

Úprava a manipulace se signálem

107. Amplitudové škálování (zesílení, útlum, normalizace amplitudy… atd.)
108. DC řazení úrovně
109. Měřítko času (komprese času, zředění)
110. Časový posun (časové zpoždění, časový posun, levý a pravý kruhový časový posun)
111. Měření energie signálu
112. Energetická a výkonová normalizace
113. Energetické a výkonové škálování
114. Konverze sériový-paralelní a paralelní-sériový
115. Multiplexování a demultiplexování

Digitalizace analogových signálů

116. Vzorkování v časové oblasti signálů v základním pásmu spojitého časového pásma v MATLAB
117. Amplitudové kvantování analogových signálů
118. PCM kódování kvantovaných analogových signálů
119. Převod desítkové soustavy na binární a binární soustavy na desítkovou soustavu
120. Tvarování pulsů
121. Výpočet adekvátní šířky pulzu
122. Volba počtu vzorků na puls

123. Konvoluce pomocí příkazů conv a filter
124. Autokorelace a vzájemná korelace časově omezených signálů
125. Rychlá Fourierova transformace (FFT) a IFFT operace
126. Zobrazení spektra signálu v základním pásmu
127. Vliv vzorkovací frekvence a správného frekvenčního okna
128. Vztah mezi konvolucí, korelací a operacemi FFT
129. Filtrování ve frekvenční oblasti, pouze filtrování dolní propustí

Pomocné Communications funkce

130. Randomizéry a de-randomizéry
131. Děrovačky a depunktury
132. Kodéry a dekodéry
133. Prokladače a de-prokladače

Modulátory a demodulátory

134. Schémata digitální modulace základního pásma v MATLAB
135. Vizuální reprezentace digitálně modulovaných signálů

Modelování a simulace kanálů

136. Mathematical modelování vlivu kanálu na přenášený signál

• Addition – aditivní kanály bílého gaussovského šumu (AWGN).
• Násobení v časové oblasti – pomalé slábnoucí kanály, Dopplerův posun v dopravních kanálech
• Multiplikace ve frekvenční oblasti – frekvenčně selektivní slábnoucí kanály
• Konvoluce v časové oblasti – impulsní odezva kanálu

Příklady deterministických kanálových modelů

137. Ztráta cesty volného prostoru a ztráta cesty závislá na prostředí
138. Periodické blokovací kanály

Statistická charakterizace společných stacionárních a kvazistacionárních vícecestných únikových kanálů

139. Generování rovnoměrně rozloženého RV
140. Generování skutečné hodnoty Gaussova distribuovaného RV
141. Generování komplexního Gaussova distribuovaného RV
142. Generování Rayleighova distribuovaného RV
143. Generace Ricean distribuovaného RV
144. Generování lognormálně distribuovaného RV
145. Generování libovolného distribuovaného RV
146. Aproximace neznámé funkce hustoty pravděpodobnosti (PDF) RV pomocí histogramu
147. Numerický výpočet kumulativní distribuční funkce (CDF) RV
148. Kanály skutečného a komplexního aditivního bílého Gaussova šumu (AWGN).

Charakteristika kanálu podle profilu zpoždění výkonu

149. Charakterizace kanálu jeho profilem zpoždění výkonu
150. Výkonová normalizace PDP
151. Vyjmutí impulzní odezvy kanálu z PDP
152. Vzorkování impulsní odezvy kanálu libovolnou vzorkovací frekvencí, nesprávné vzorkování a kvantování zpoždění
153. Problém nepřizpůsobeného vzorkování kanálové impulsní odezvy úzkopásmových kanálů
154. Vzorkování PDP libovolnou vzorkovací frekvencí a kompenzací zlomkového zpoždění
155. Implementace několika modelů vnitřních a venkovních kanálů standardizovaných IEEE
156. (COST – SUI – Ultra Wide Band Channel Modely… atd.)

Úroveň 3: Simulace na úrovni propojení praktické komunikace. Systémy (30 hodin)
Sezení 15-24

Tato část kurzu se zabývá nejdůležitějším problémem pro studenty výzkumu, tedy jak simulací reprodukovat výsledky simulací jiných publikovaných článků.

Výkon bitové chybovosti schémat digitální modulace v základním pásmu

1. Porovnání výkonnosti různých schémat digitální modulace v základním pásmu v kanálech AWGN (Komplexní srovnávací studie prostřednictvím simulace k ověření teoretických vyjádření); bodové grafy, bitová chybovost

2. Porovnání výkonu různých schémat digitální modulace v základním pásmu v různých stacionárních a kvazistacionárních kanálech úniku; bodové grafy, bitová chybovost (Komplexní srovnávací studie prostřednictvím simulace k ověření teoretických výrazů)

3. Vliv kanálů Dopplerova posunu na výkon schémat digitální modulace v základním pásmu; bodové grafy, bitová chybovost

Helicopter-to-Satellite Communications

4. Příspěvek (1): Nízkonákladový hlasový a datový systém v reálném čase pro leteckou mobilní družicovou službu (AMSS) – Vysvětlení problému a analýza
5. Papír (2): Časová rozmanitost předběžné detekce v kombinaci s přesným AFC pro vrtulníkový satelit Communication – první navrhované řešení
6. Referát (3): Schéma adaptivní modulace pro družicové vrtulníky Communication – Přístup ke zlepšení výkonu

Simulace systémů s rozprostřeným spektrem

1. Typická architektura systémů založených na rozprostřeném spektru
2. Systémy založené na přímé sekvenci s rozprostřeným spektrem
3. Generátory pseudonáhodné binární sekvence (PBRS).
• Generování sekvencí maximální délky
• Generování zlatých kódů
• Generování Walshových kódů

4. Systémy založené na rozprostřeném spektru s časovým skákáním
5. Bit Error Rate Výkon systémů založených na rozprostřeném spektru v kanálech AWGN
• Vliv rychlosti kódování r na výkon BER
• Vliv délky kódu na výkon BER

6. Výkon bitové chybovosti systémů založených na rozprostřeném spektru ve vícecestných kanálech s pomalým útlumem Rayleigh s nulovým Dopplerovým posunem
7. Analýza výkonu bitové chybovosti systémů založených na rozprostřeném spektru v prostředí s vysokou mobilitou slábnoucí
8. Analýza výkonu bitové chybovosti systémů založených na rozprostřeném spektru v přítomnosti víceuživatelského rušení
9. Přenos RGB obrazu přes systémy s rozprostřeným spektrem
10. Optické CDMA (OCDMA) systémy
• Optické ortogonální kódy (OOC)
• Limity výkonu systémů OCDMA; výkon bitové chybovosti synchronních a asynchronních systémů OCDMA

Ultra širokopásmové SS systémy

Systémy založené na OFDM

11. Implementace OFDM systémů pomocí rychlé Fourierovy transformace
12. Typická architektura systémů založených na OFDM
13. Výkon bitové chybovosti systémů OFDM v kanálech AWGN
• Vliv rychlosti kódování r na výkon BER
• Vliv cyklické předpony na výkonnost BER
• Vliv velikosti FFT a rozteče subnosných na výkonnost BER

14. Výkonnost bitové chybovosti systémů OFDM ve vícecestných kanálech s pomalým útlumem Rayleigh s nulovým Dopplerovým posunem
15. Bitová chybovost systémů OFDM ve vícecestných pomalých Rayleighových útlumových kanálech s CFO
16. Odhad kanálů v systémech OFDM
17. Ekvalizace frekvenční domény v systémech OFDM
• Zero Forceing Equalizer
• Ekvalizéry MMSE
18. Další běžné metriky výkonu v systémech založených na OFDM (poměr špičky k průměrnému výkonu, poměr nosné k rušení… atd.)
19. Analýza výkonnosti systémů založených na OFDM v prostředí s vysokou mobilitou slábnoucích (jako simulační projekt sestávající ze tří článků)
20. Papír (1): Zmírnění rušení mezi nosnými
21. Příspěvek (2): Systémy MIMO-OFDM

Optimalizace MATLAB simulačního projektu

Cílem této části je naučit se sestavit a optimalizovat MATLAB simulační projekt za účelem zjednodušení a organizace celkového simulačního procesu. Kromě toho se bere v úvahu také paměťový prostor a rychlost zpracování, aby se předešlo problémům s přetečením paměti v omezených úložných systémech nebo dlouhým dobám provozu vyplývajícím z pomalého zpracování.

1. Typická struktura malých simulačních projektů
2. Extrakce parametrů simulace a mapování z teoretické do simulace
3. Vytvoření simulačního projektu
4. Simulační technika Monte Carlo
5. Typický postup pro testování simulačního projektu
6. Paměťový prostor Management a techniky zkrácení doby simulace
• Simulace základního pásma vs
• Výpočet adekvátní šířky pulzu pro zkrácené libovolné tvary pulzů
• Výpočet odpovídajícího počtu vzorků na symbol
• Výpočet potřebného a dostatečného počtu bitů pro testování systému

GUI programování

Mít MATLAB kód bez ladění a správně fungovat, aby produkoval správné výsledky, je velký úspěch. Sada klíčových parametrů v simulačním projektu však řídí Z tohoto důvodu a dalších důvodů je uvedena další přednáška na téma „Grafické uživatelské rozhraní (GUI) Programming“, aby bylo možné získat kontrolu nad různými částmi vašeho simulačního projektu na spíše tipy než se potápět v dlouhých zdrojových kódech plných příkazů. Kromě toho, když váš kód MATLAB zamaskujete pomocí grafického uživatelského rozhraní, pomáhá prezentovat vaši práci způsobem, který usnadňuje kombinování více výsledků v jednom hlavním okně a usnadňuje porovnávání dat.

1. Co je MATLAB GUI
2. Struktura MATLAB funkčního souboru GUI
3. Hlavní komponenty GUI (důležité vlastnosti a hodnoty)
4. Lokální a globální proměnné

Poznámka: Témata probíraná v každé úrovni tohoto kurzu zahrnují, ale nikoli výhradně, témata uvedená v každé úrovni. Kromě toho se položky každé konkrétní přednášky mohou měnit v závislosti na potřebách studentů a jejich výzkumných zájmech.