Simulace systémů bezdrátových komunikací pomocí MATLAB (Dr. Shehata) Počítačový Kurz

Výstupy tohoto kurzu

Po dokončení tohoto kurzu by měl být student schopen řešit mnoho aktuálně otevřených výzkumných problémů v oblasti telekomunikačního inženýrství, protože by měl získat alespoň následující dovednosti:

• Schopnost mapovat a manipulovat se složitými matematickými výrazy, které se často vyskytují v literatuře z oboru telekomunikací
• Schopnost využít programovací funkce nabízené jazykem MATLAB k reprodukci výsledků simulací z jiných článků nebo alespoň k přiblížení se těmto výsledkům.
• Vytváření simulačních modelů vlastními navrhovaných nápadů.
• Účinné využití získaných simulačních dovedností v kombinaci s výkonnými možnostmi MATLAB pro návrh optimalizovaného kódu MATLAB z hlediska času běhu programu a šetření paměti.
• Identifikace klíčových simulačních parametrů daného komunikačního systému, jejich extrakce ze systémového modelu a studie vlivu těchto parametrů na výkon posuzovaného systému.

Struktura kurzu

Materiály uvedené v tomto kurzu jsou výrazně provázané. Není doporučeno, aby se student zúčastnil určité úrovně, pokud se nezúčastnil a hluboce nepochopil předchozí úrovně, aby byla zajištěna kontinuita nabytých znalostí. Kurz je strukturován do tří úrovní, začínajících úvodem do programování v MATLAB a končících úrovní kompletní simulace systému, a to následovně.

Matematika komunikací s MATLAB
Sezení 01-06

Po dokončení této části bude student schopen vyhodnocovat složitá matematická výraz a snadno konstruovat vhodné grafy pro různou prezentaci dat, jako jsou grafy ve časové a frekvenční oblasti, grafy BER (Bit Error Rate), vyzařovací diagramy antén atd.

Základní koncepty

• Koncepce simulace
• Důležitost simulace v telekomunikačním inženýrství
• MATLAB jako simulační prostředí
• O maticovém a vektorovém vyjádření skalárních signálů v matematice komunikací
• Maticové a vektorové vyjádření komplexních základnových signálů v MATLAB

Pracovní plocha MATLAB

• Nástrojní lišta
• Příkazové okno
• Pracovní prostor
• Historie příkazů

Deklarace proměnných, vektorů a matic

• Předdefinované konstanty MATLAB
• Proměnné definované uživatelem
• Pole, vektory a matice
• Manuální zadávání matic
• Definice intervalů
• Lineární prostor
• Logaritmický prostor
• Praida pojmenování proměnných

Zvláštní matice

• Jednotková matice (matice jedniček)
• Nulová matice
• Identitická matice

Práce s prvky a maticemi

• Přístup k konkrétním prvkům
• Úprava prvků
• Selectivní eliminace prvků (sekce matic)
• Přidávání prvků, vektorů nebo matic (konkatenace matic)
• Nalezení indexu prvku uvnitř vektoru nebo matice
• Reshaping matice
• Truncace matice
• Konkatenace matic
• Obracení zleva doprava a zprava doleva

Unární maticové operátory

• Operátor součtu
• Operátor očekávání
• Minimální operátor
• Mximální operátor
• Operátor stopy
• Determinant matice |.|
• Inverzní matice
• Transpozice matice
• Hermitovská transpozice matice

Binární maticové operace

• Aritmetické operace
• Relační operace
• Logické operace

Komplexní čísla v MATLAB

• Komplexní základnové vyjádření pásových signálů a RF up-konverze, matematická shrnutí
• Tvorba komplexních proměnných, vektorů a matic
• Komplexní exponenciály
• Operátor reálné části
• Operátor imaginární části
• Operátor konjugace (.)*
• Operátor absolutní hodnoty |.|
• Operátor argumentu nebo fáze

Vestavěné funkce MATLAB

• Vektory vektorů a matice matic
•  Funkce odmocniny
• Funkce znaménka
• Funkce "zaokrouhlení na celé číslo"
• Funkce "nejbližší nižší celé číslo"
• Funkce "nejbližší vyšší celé číslo"
• Faktoriálová funkce
• Logaritmické funkce (exp, ln, log10, log2)
• Goniometrické funkce
• Hyperbolické funkce
• Funkce Q(.)
• Funkce erfc(.)
• Besselovy funkce J0 (. )
• Gama funkce
• Příkazy Diff, mod

Polynomy v MATLAB

• Polynomy v MATLAB
• Racionální funkce
• Derivace polynomů
• Integrace polynomů
• Násobení polynomů

Grafy v lineární škále

• Vizuální reprezentace signálů s průběžným časem a průběžnou amplitudou
• Vizuální reprezentace schodovitých aproximovaných signálů
• Vizuální reprezentace diskrétních časových a amplitudových signálů

Grafy v logaritmické škále

• Grafy dB-dekády (BER)
• Grafy dekády-dB (Bodeho diagramy, frekvenční odezva, spektrum signálu)
• Grafy dekáda-dekáda
• Grafy dB-lineární

2D polární grafy

• (Vyzařovací diagramy planárních antén)

3D grafy

• 3D vyzařovací diagramy
• Kartézské parametrické grafy

Volitelná sekce (nabízena na požadání studentů)

• Symbolické derivování a numerické diferencování v MATLAB
• Symbolické a numerické integrování v MATLAB
• Pomoc a dokumentace MATLAB

Soubory MATLAB

• Skriptové soubory MATLAB
• Funkční soubory MATLAB
• Datové soubory MATLAB
• Lokální a globální proměnné

Smyčky, řízení toku podmínek a rozhodování v MATLAB

• Smyčka for end
• Smyčka while end
• Podmínka if end
• Podmínky if else end
• Vyjadření switch case end
• Iterace, konvergující chyby, více-rozměrné operátory součtu
>

Příkazy pro vstup a výstup

• Příkaz input(' ')
• Příkaz disp
• Příkaz fprintf
• Dialogové okno msgbox

Operace se signály a systémy
Sezení 07-14

Hlavními cíli této části jsou:

• Generování náhodných testovacích signálů, které jsou nutné pro testování výkonu různých komunikačních systémů
• Integrace mnoha elementárních operací se signály, které mohou být integrovány pro implementaci jedné komunikační zpracovatelské funkce, jako jsou kodéry, randomizéry, interlaceři, generátory šířícího kódu ... atd. na vysílací straně, stejně jako jejich protějšky na přijímací straně.
• Prosprávné propojení těchto bloků za účelem dosažení komunikační funkce
• Simulace deterministických, statistických a semi-náhodných modelů úzkopásových kanálů uvnitř a venku budov

Generování testovacích signálů pro komunikace

• Generování náhodné binární sekvence
• Generování náhodných celočíselných sekvencí
• Import a čtení textových souborů
• Čtení a přehrávání audio souborů
• Import a export obrazů
• Obrázek jako 3D matice
• Transformace z RGB do šedé škály
• Sériový tok bitů 2D obrázku ve šedé škále
• Sub-frame obrazových signálů a rekonstrukce

Kondicionování a manipulace se signály

• Měření amplitudy (zisk, útlum, normalizace amplitudy... atd.)
• Posunutí stejnosměrné úrovně
• Měření času (kompresce času, zředění)
• Posun času (zpoždění času, předstih času, kruhový posun času vlevo a vpravo)
• Měření energie signálu
• Normalizace energie a výkonu
• Měření energie a výkonu
• Serial-to-parallel a parallel-to-serial konverze
• Multiplexing a demultiplexing

Discretizace analogových signálů

• Vzorkování základnových signálů v časové oblasti v MATLAB
• Kvantizace amplitudy analogových signálů
• PCM kódování kvantizovaných analogových signálů
• Desimální do binární a binární do desimální konverze
• Tvarování pulzů
• Výpočet přiměřené šířky pulzu
• Výběr počtu vzorků na pulz
• Konvoluce pomocí příkazů conv a filter
• Autokorelace a zkřížená korelace časově omezených signálů
• Operace Fast Fourier Transform (FFT) a IFFT
• Zobrazení spektra základnového signálu
• Vliv rychlosti vzorkování a vhodného frekvenčního okna
• Vztah mezi konvolucí, korelací a operacemi FFT
• Frekvenční filtrování, pouze low-pass filtrování

Doplňkové funkce komunikací

• Randomizéry a derandomizéry
•  Punkturování a depotunkurování
• Kodéry a dekódkery
• Interlaceři a deinterlaceři

Modulátory a demodulátory

• Digitální základnové modulací schémat v MATLAB
• Vizuální reprezentace digitálně modulovaných signálů

Modelování a simulace kanálu

• Matematické modelování vlivu kanálu na odeslaný signál
  • Přidání – kanály additivního bílého gaussovského šumu (AWGN)
  • Násobení v časové oblasti – pomalé fadingové kanály, Dopplerův posun v vozidlových kanálech
  • Násobení ve frekvenční oblasti – frekvenčně selektivní fadingové kanály
  • Konvoluce v časové oblasti – impulsní odezva kanálu

Příklady deterministických modelů kanálů

• Útlum volného prostoru a útlum závislý na prostředí
• Periodické kanály s překážkami

Statistická charakterizace běžných stacionárních a quasi-stacionárních multipath fading kanálů

• Generování rovnoměrně rozložené náhodné veličiny
• Generování reálné gaussovsky rozložené náhodné veličiny
• Generování komplexní gaussovsky rozložené náhodné veličiny
• Generování Rayleightovského rozložené náhodné veličiny
• Generování Riceovského rozložené náhodné veličiny
• Generování lognormálně rozložené náhodné veličiny
• Generování libovolně rozložené náhodné veličiny
• Aproximace neznámé hustoty pravděpodobnosti (PDF) náhodné veličiny histogramem
• Numerický výpočet kumulativní distribuční funkce (CDF) náhodné veličiny
• Reálné a komplexní kanály additivního bílého gaussovského šumu (AWGN)

Karakterizace kanálu jeho mocnostní zpožděním profilem

• Karakterizace kanálu jeho mocnostní zpožděním profilem
• Mocnostní normalizace PDP
• Extrakce impulsní odezvy kanálu z PDP
• Vzorkování impulsní odezvy kanálu libovolnou vzorkovací rychlostí, nesouladné vzorkování a zpoždění
• Kvantizace
• Problém nesouladného vzorkování impulsní odezvy úzkopásových kanálů
• Vzorkování PDP libovolnou vzorkovací rychlostí a kompenzace frakčního zpoždění
• Implementace několika IEEE standardizovaných modelů vnitřních a venkovních kanálů
• (COST – SUI – Modely ultra širokopásových kanálů... atd.)

Simulace na úrovni linky praktických komunikačních systémů
Sezení 15-24

Tato část kurzu se zabývá nejdůležitějším problémem pro výzkumné studenty, tím, jak reprodukovat výsledky simulací z jiných publikovaných článků pomocí simulace.

Výkon chybějících bitů (BER) základnových digitálních modulací schémat

•  Srovnání výkonu různých základnových digitálních modulací schémat v kanálech AWGN (Komplexní komparativní studie prostřednictvím simulace pro ověření teoretických výrazů); scatter grafy, BER
• Srovnání výkonu různých základnových digitálních modulací schémat v různých stacionárních a quasi-stacionárních fadingových kanálech; scatter grafy, BER (Komplexní komparativní studie prostřednictvím simulace pro ověření teoretických výrazů)
• Vliv Dopplerova posunu na výkon základnových digitálních modulací schémat; scatter grafy, BER
• Komunikace vrtulník-satelit
  • Článek (1): Nízkonákladový systém reálného času pro hlas a data pro aeronautické mobilní satelitní služby (AMSS) – Formulace problému a analýza
  • Článek (2): Před-detekční časová diverzita s přesnou AFC pro satelitní komunikaci vrtulníku – Prvně navržené řešení
  • Článek (3): Adaptivní modulací schéma pro komunikaci vrtulník-satelit – Příklad vylepšení výkonu

Simulace systémů s rozšířeným spektrem

• Typická architektura systémů založených na rozšířeném spektru
• Systémy založené na přímém sekvenci s rozšířeným spektrem
• Generátory pseudo-náhodných binárních sekvencí (PBRS)
  
  • Generování sekvencí maximální délky
  • Generování Goldových kódů
  • Generování Walshových kódů
• Systémy založené na časovém skákání s rozšířeným spektrem
• Výkon chybějících bitů (BER) systémů založených na rozšířeném spektru v kanálech AWGN
  
  • Vliv rychlosti kódování r na výkon BER
  • Vliv délky kódu na výkon BER
• Výkon chybějících bitů (BER) systémů založených na rozšířeném spektru v multipath pomalých Rayleightovských fadingových kanálech s nulovým Dopplerovským posunem
• Analýza výkonu chybějících bitů systémů založených na rozšířeném spektru v fadingových prostředích s vysokou mobilitou
• Analýza výkonu chybějících bitů systémů založených na rozšířeném spektru za přítomnosti interference více uživatelů
• Přenášení RGB obrázků přes systémy s rozšířeným spektrem
• Optické CDMA (OCDMA) systémy
  
  • Optické ortogonální kódy (OOC)
  • Výkonové limity systémů OCDMA; výkon chybějících bitů synchronních a asynchronních systémů OCDMA

Ultra širokopásová SS systémy

OFDM systémy

• Implementace OFDM systémů pomocí Fast Fourier Transform
• Typická architektura OFDM systémů
• Výkon chybějících bitů (BER) OFDM systémů v kanálech AWGN
  
  • Vliv rychlosti kódování r na výkon BER
  • Vliv cyklického předpony na výkon BER
  • Vliv velikosti FFT a rozteče subkmitů na výkon BER
• Výkon chybějících bitů (BER) OFDM systémů v multipath pomalých Rayleightovských fadingových kanálech s nulovým Dopplerovským posunem
• Výkon chybějících bitů (BER) OFDM systémů v multipath pomalých Rayleightovských fadingových kanálech s CFO
• Odhad kanálu v OFDM systémech
• Rovnováha ve frekvenční oblasti v OFDM systémech
  
  • Zero Forcing rovnovačka
  • MMSE rovnovačky
• Jiné běžné metricky výkonu v OFDM systémech (Poměr vrcholové k průměrné výkonu, Poměr nosné k interference... atd.)
• Analýza výkonu OFDM systémů v fadingových prostředích s vysokou mobilitou (jako simulační projekt skládající se ze tří článků)
  
  • Článek (1): Mitigace interference mezi nosnými
  • Článek (2): MIMO-OFDM systémy

Optimalizace projektu simulace v MATLAB

Cílem této části je naučit se stavět a optimalizovat simulační projekt v MATLAB, aby se usnadnil a uspořádal celkový proces simulace. Navíc jsou zohledněny i prostor paměti a zpracovatelská rychlost, aby se předešlo problémům s přetékáním paměti v systémech s omezenou úložištěm nebo dlouhým dobou běhu způsobeným pomalým zpracováváním.

• Typická struktura malých simulačních projektů
• Extrakce simulačních parametrů a mapování teoretického na simulační
• Stavba simulačního projektu
• Monte Carlo simulační technika
• Typický postup pro testování simulačního projektu
• Techniky pro správu prostoru paměti a snížení času simulace
  
  • Základové pásmo vs. Pásmo průběžné
  • Výpočet přiměřené šířky pulzu pro ořezané libovolné tvarování pulzů
  • Výpočet přiměřeného počtu vzorků na symbol
  • Výpočet nutného a postačujícího počtu bitů pro testování systému

GUI programování

Mít kód MATLAB bez chyb a fungující správně pro produkci správných výsledků je velký úspěch. Nicméně, sada klíčových parametrů v simulačním projektu ovládá pro tento důvod a další, je dána extra přednáška na téma "Programování grafického uživatelského rozhraní (GUI)", aby se kontrola nad různými částmi simulačního projektu dostala na dosah ruky, místo ponoření se do dlouhého zdrojového kódu plného příkazů. Navíc, mít váš kód MATLAB maskovaný s GUI pomáhá prezentovat vaši práci takovým způsobem, který usnadňuje kombinování více výsledků do jednoho hlavního okna a činí snazší porovnávání dat.

• Co je MATLAB GUI
• Struktura funkčního souboru MATLAB GUI
• Hlavní komponenty GUI (důležité vlastnosti a hodnoty)
• Lokální a globální proměnné

Poznámka: Témata pokrytá na každé úrovni tohoto kurzu zahrnují, ale nejsou omezena na ty, které jsou uvedeny na každé úrovni. Navíc, položky každé konkrétní přednášky podléhají změnám v závislosti na potřebách studentů a jejich výzkumných zájmech.