Simulace bezdrátových komunikačních systémů pomocí MATLAB (dr. Shehata) Počítačový Kurz

• Výstupy tohoto kurzu
Na základě tohoto kurzu by student měl být schopen řešit mnoho aktuálně otevřených výzkumných problémů v oboru inženýrství komunikací, a to díky získání alespoň následující dovednosti:

• Mapování a manipulace se složitými matematickými výrazy, které se časté objevují v literatuře z oboru inženýrství komunikací

• Schopnost využít programovací schopnosti MATLABu k reprodukování výsledků simulace z jiných článků nebo alespoň k dosažení těchto výsledků.

• Vytvoření simulačních modelů vlastními návrhy.

• Efektivní využití získaných simulačních dovedností v kombinaci s výkonnými možnostmi MATLABu pro design optimalizovaného kódu MATLABu z hlediska doby běhu programu při úspoře paměti.

• Identifikace klíčových simulačních parametrů daného komunikačního systému, jejich extrakce ze systémového modelu a studium dopadu těchto parametrů na výkon zvažovaného systému.

• Struktura kurzu

Materiály poskytnuté v tomto kurzu jsou extrémně navzájem provázány. Není doporučeno, aby student navštěvoval danou úroveň, pokud nenavštěvoval a hluboce nerozuměl předchozí úrovni, aby se zajistila kontinuita nabytých znalostí. Kurz je strukturován do tří úrovní od úvodní představení programování v MATLAB až po úrovni kompletní simulace systému následovně.

Úroveň 1: Komunikace Matematika s MATLABem
Relace 01-06

Na základě dokončení této části bude student schopen hodnotit složitý matematický výraz a snadno sestavit vhodné grafy pro různé reprezentace dat, jako jsou grafy časového a frekvenčního měření; grafy BER, radiační diagramy antény...apod.

Základní koncepty

1. Koncept simulace
2. Důležitost simulace v inženýrství komunikací
3. MATLAB jako simulační prostředí
4. O matricích a vektorových reprezentacích skalárních signálů v matematice komunikací
5. Matricové a vektorové reprezentace komplexních signálů základního pásma v MATLABu

MATLAB Desktop

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

Deklarace proměnných, vektorů a matic

10. Předdefinované konstanty MATLABu
11. Uživatel definované proměnné
12. Pole, vektory a matice
13. Ruční zadání matice
14. Definice intervalu
15. Lineární prostor
16. Logaritmický prostor
17. Pravidla pro pojmenování proměnných

Speciální matice

18. Jednotková matice
19. Nulová matice
20. Jednotková matice (identity matrix)

Prvky po článcích a matiční manipulace

21. Přístup ke specifickým prvkům
22. Úprava prvků
23. Selektivní odstranění prvků (zkracování matice)
24. Přidání prvků, vektorů nebo matic (konkatenace matic)
25. Najdění indexu prvku uvnitř vektoru nebo matice
26. Reorganizace matice
27. Zkracování matice
28. Konkatenace matic
29. Převrácení zleva doprava a zdola nahoru

Unární matiční operátory

30. Operátor součtu
31. Operátor očekávání
32. Operátor minim
33. Operátor maxim
34. Operátor sledu
35. Determinanta matice |.|
36. Inverzní matice
37. Transpozice matice
38. Hermitovská matice
39. ...apod.

Binární matiční operace

40. Aritmetické operace
41. Relacní operace
42. Logické operace

Komplexní čísla v MATLABu

43. Komplexní reprezentace základního pásma pro signály prostupného pásma a RF up-conversion, matematické zhodnocení
44. Tvorba komplexních proměnných, vektorů a matic
45. Komplexní exponenciální funkce
46. Operátor reálné části
47. Operátor imaginární části
48. Konjugovaný operátor (.)*
49. Operátor absolutní hodnoty |.|
50. Operátor argumentu nebo fáze

Vestavěné funkce MATLABu

51. Vektory vektorů a matice matic
52. Funkce odmocniny
53. Funkce znaménka
54. Funkce "zaokrouhlení na celé číslo"
55. Funkce "nejbližší nižší celé číslo"
56. Funkce "nejbližší vyšší celé číslo"
57. Faktoriální funkce
58. Logaritmické funkce (exp, ln, log10, log2)
59. Trigonometrické funkce
60. Hyperbolické funkce
61. Funkce Q(.)
62. Funkce erfc(.)
63. Besselovy funkce Jo (.)
64. Gama funkce
65. Příkazy Diff, mod

Polynomy v MATLABu

66. Polynomy v MATLABu
67. Racionální funkce
68. Derivace polynomu
69. Integrace polynomu
70. Násobení polynomů

Grafy lineární škály

71. Vizuální reprezentace spojitých časových signálů s kontinuální amplitudou
72. Vizuální reprezentace schoditých aproximovaných signálů
73. Vizuální reprezentace diskontinuálních signálů v čase s diskontinuální amplitudou

Grafy logaritmické škály

74. Grafy dB-dekády (BER)
75. Grafy dekáda-dB (Bodeovy grafy, frekvenční odezva, spektrum signálu)
76. Grafy dekáda-dekáda
77. Grafy dB-lineární

2D polární grafy
78. (Radiační diagramy rovinných antén)

3D grafy

79. 3D radiační diagramy
80. Parametrické grafy v souřadnicích křivých

Fakultativní sekce (podle poptávky studentů)

81. Symbolické derivace a numerické derivace v MATLABu
82. Symbolická a numerická integrace v MATLABu
83. Pomoc MATLABu a dokumentace

Soubory MATLABu

84. Skriptové soubory MATLABu
85. Funkční soubory MATLABu
86. Datové soubory MATLABu
87. Lokální a globální proměnné

Komunikace, podmíněný tok řízení a rozhodování v MATLABu

88. Petle for end
89. Petle while end
90. Podmínka if end
91. Podmínky if else end
92. Prohlášení switch case end
93. Iterace, konvergenční chyby, operátory součtu více rozměrů

Příkazy pro vstup a výstup zobrazení

94. Příkaz input(' ')
95. Příkaz disp
96. Příkaz fprintf
97. Správací okno msgbox

Úroveň 2: Signály a systémové operace (24 h)
Relace 07-14

Hlavní cíle této části jsou následující

• Generování náhodných testovacích signálů, které jsou nutný pro testování výkonu různých komunikačních systémů

• Integrace mnoha elementárních signálových operací, které mohou být integrovány pro implementaci jedné komunikační zpracování funkce, jako jsou enkódače, randomizátory, interleaveře, generátory kódu šířky pásma...apod. na vysílačové straně, stejně jako jejich protějšky na přijímači.

• Správné propojení těchto bloků za účelem dosažení komunikační funkce

• Simulace deterministických, statistických a polonáhodných modelů úzkopásmových kanálů v interiéru i exteriéru

Generování komunikačních testovacích signálů

98. Generování náhodné binární sekvence
99. Generování náhodné celočíselné sekvence
100. Import a čtení textových souborů
101. Čtení a přehrávání zvukových souborů
102. Import a export obrázků
103. Obrázek jako 3D matice
104. Transformace RGB na šedé tóny
105. Sekvenční bitový tok 2D obrázku v šedých tónech
106. Podrámování signálů obrázků a jejich obnovení

Kondicionování a manipulace signálů

107. Měření amplitudy (zvýšení, tlumení, normalizace amplitudy...apod.)
108. Posun DC úrovně
109. Měření času (kompresce času, ředění)
110. Posun času (zpoždění času, časové urychlení, kruhový posun času vlevo a vpravo)
111. Měření energie signálu
112. Normalizace energie a výkonu
113. Měření energie a výkonu
114. Přeměna z sériového na paralelní a z paralelního na sériový režim
115. Multiplexování a demultiplexování

Digitizace analogových signálů

116. Vzorování v časové doméně signálů spojitých v čase v základním pásmu v MATLABu
117. Kvantizace amplitudy analogových signálů
118. PCM kódování kvantizovaných analogových signálů
119. Přeměna desítkového na binární a binárního na desítkový
120. Formování impulzu
121. Výpočet dostatečné šířky impulzu
122. Výběr počtu vzorků na impulz

123. Konvoluce pomocí příkazů conv a filter
124. Autokorelace a křížová korelace signálů omezených v čase
125. Operace rychlé Fourierovy transformace (FFT) a IFFT
126. Zobrazení spektra signálu základního pásma
127. Dopad frekvence vzorkování a správného frekvenčního okna
128. Vztah mezi konvolucí, korelací a operací FFT
129. Filtrace v frekvenční doméně, pouze nízkopásmová filtrace

Doplnkové komunikační funkce

130. Randomizátory a de-randomizátory
131. Punktuátoři a de-punkuátoři
132. Enkódače a dekódače
133. Interleaveři a de-interleaveři

Modulátory a demodulátory

134. Schémata digitální modulace základního pásma v MATLABu
135. Vizuální reprezentace digitálně modovaných signálů

Modelování a simulace kanálů

136. Matematické modelování vlivu kanálu na vysílaný signál

• Přidání – kanály s aditivním bílým Gaussianovským šumem (AWGN)
• Násobení v časové doméně – pomalé fadingové kanály, Dopplerov posun v vozidlech
• Násobení v frekvenční doméně – frekvenčně selektivní fadingové kanály
• Konvoluce v časové doméně – impulsní odezva kanálu

Příklady deterministických modelů kanálů

137. Ztráta signálu ve volném prostoru a ztráta signálu závislá na prostředí
138. Periodické blokační kanály

Statistické charakterizace běžných stacionárních a kvazi-stacionárních multipath fading kanálů

139. Generování rovnoměrně rozděleného náhodného veličiny
140. Generování reálně hodnotové Gaussianovsky rozdělené náhodné veličiny
141. Generování komplexně hodnotové Gaussianovsky rozdělené náhodné veličiny
142. Generování Rayleighovsky rozdělené náhodné veličiny
143. Generování Riceovsky rozdělené náhodné veličiny
144. Generování lognormálně rozdělené náhodné veličiny
145. Generování libovolně rozdělené náhodné veličiny
146. Aproximace neznámé hustoty pravděpodobnosti (PDF) náhodné veličiny histogramem
147. Numerický výpočet kumulativní distribuční funkce (CDF) náhodné veličiny
148. Reálné a komplexní kanály s aditivním bílým Gaussianovským šumem (AWGN)

Karakterizace kanálu jeho výkonovou zpožděním profilem

149. Charakterizace kanálu výkonovým zpožděním profilem
150. Normalizace výkonu PDP
151. Extrakce impulsní odezvy kanálu z PDP
152. Vzorování impulsní odezvy kanálu libovolnou frekvencí, neshoda vzorkování a kvantizace zpoždění
153. Problém neshody vzorkování impulsní odezvy úzkopásmových kanálů
154. Vzorování PDP libovolnou frekvencí a kompenzace frakčního zpoždění
155. Implementace několika standardizovaných IEEE modelů kanálů v interiéru a exteriéru
156. (COST – SUI - Últrapásmové modely kanálů...apod.)

Úroveň 3: Link-level simulace praktických komunikačních systémů (30 h)
Relace 15-24

Tato část kurzu se zaměřuje na nejdůležitější otázku pro výzkumné studenty, a to, jak reprodukovat výsledky simulace z jiných publikovaných článků pomocí simulace.

Výkon bitové chyby (BER) základních digitálních modulací v základním pásmu

1. Srovnání výkonu různých digitálních modulací základního pásma v AWGN kanálech (Komplexní komparativní studie pomocí simulace k ověření teoretických výrazů); scatter grafy, bitová chyba

2. Srovnání výkonu různých digitálních modulací základního pásma v různých stacionárních a kvazi-stacionárních fadingových kanálech; scatter grafy, bitová chyba (Komplexní komparativní studie pomocí simulace k ověření teoretických výrazů)

3. Dopad Dopplerova posunu kanálu na výkon digitálních modulací základního pásma; scatter grafy, bitová chyba

Komunikace vrtulníku-satelitu

4. Článek (1): Nízkonákladový systém pro hlas a data v reálném čase pro aeronautický mobilní satelitní servis (AMSS) – Definice problému a analýza
5. Článek (2): Pre-detection časová diverzita s přesným AFC pro komunikaci vrtulníku-satlitu – První navržené řešení
6. Článek (3): Adaptivní modulací pro komunikaci vrtulníku-satlitu – Přístup k zlepšení výkonu

Simulace systémů rozšířené spektra

1. Typická architektura systémů založených na rozšířeném spektru
2. Systémy založené na přímé sekvenci rozšířeného spektra
3. Generátory pseudo náhodných binárních sekvencí (PBRS)
• Generování maximálních sekvencí
• Generování Goldových kódů
• Generování Walshových kódů

4. Systémy založené na time hopping rozšířeném spektru
5. Výkon bitové chyby systémů založených na rozšířeném spektru v AWGN kanálech
• Dopad kódu rychlosti r na výkon BER
• Dopad délky kódu na výkon BER

6. Výkon bitové chyby systémů založených na rozšířeném spektru v multipath pomalých Rayleigh fading kanálech s nulovým Dopplerov posunem
7. Analýza výkonu bitové chyby systémů založených na rozšířeném spektru v vysoce pohyblivých fadingových prostředí
8. Analýza výkonu bitové chyby systémů založených na rozšířeném spektru v přítomnosti multi-user interference
9. Přenos RGB obrázků přes systémy rozšířeného spektra
10. Optické CDMA (OCDMA) systémy
• Optické ortogonální kódy (OOC)
• Výkonové limity OCDMA systémů ; výkon bitové chyby synchronních a asynchronních OCDMA systémů

Últrapásmové SS systémy

Systémy založené na OFDM

11. Implementace OFDM systémů pomocí Rychlé Fourierovy Transformace
12. Typická architektura OFDM systémů
13. Výkon bitové chyby OFDM systémů v AWGN kanálech
• Dopad kódu rychlosti r na výkon BER
• Dopad cyklické předpony na výkon BER
• Dopad velikosti FFT a mezerování podnosů na výkon BER

14. Výkon bitové chyby OFDM systémů v multipath pomalých Rayleigh fading kanálech s nulovým Dopplerov posunem
15. Výkon bitové chyby OFDM systémů v multipath pomalých Rayleigh fading kanálech s CFO
16. Odhad kanálu v OFDM systémech
17. Rovnání v frekvenční doméně v OFDM systémech
• Zero Forcing Equalizer
• MMSE Equalizer
18. Jiné běžné výkonové metriky v OFDM systémech (Poměr špičky – – Průměrného výkonu, Poměr Nosníku – – Rušení...apod.)
19. Analýza výkonu OFDM systémů v vysoce pohyblivých fadingových prostředí (jako simulační projekt složený ze tří článků)
20. Článek (1): Mitigace inter-karrier interference
21. Článek (2): MIMO-OFDM systémy

Optimalizace MATLAB simulačního projektu

Cílem této části je naučit se, jak budovat a optimalizovat MATLAB simulační projekt, aby se zjednodušil a uspořádal celý simulační proces. Navíc se zvažuje i prostor paměti a rychlost zpracování, aby se předešlo problémům s přetečením paměti v systémech s omezeným úložištěm nebo dlouhým časem běhu způsobeným pomalým zpracováním.

1. Typická struktura malého simulačního projektu
2. Extrakce simulačních parametrů a mapování z teoretického na simulační
3. Budování simulačního projektu
4. Technika Monte Carlo simulace
5. Typický postup pro testování simulačního projektu
6. Techniky pro správu prostoru paměti a snížení času simulace
• Simulace základního pásma vs. prostupného pásma
• Výpočet dostatečné šířky impulzu pro zkrácené libovolné formy impulzů
• Výpočet dostatečného počtu vzorků na symbol
• Výpočet nutného a dostatečného počtu bitů pro testování systému

GUI programování

Mít MATLAB kód bez chyb a fungující správně pro produkci správných výsledků je velký úspěch. Nicméně sada klíčových parametrů v simulačním projektu řídí. Z tohoto důvodu a dalšího, je poskytována další přednáška na téma "Programování grafického uživatelského rozhraní (GUI)" , aby se kontrola nad různými částmi simulačního projektu dostala do vaší ruky místo ponoření se do dlouhého zdrojového kódu plného příkazů. Navíc, mít váš MATLAB kód zakrytý GUI pomáhá prezentovat vaši práci způsobem, který usnadňuje kombinaci mnoha výsledků v jednom hlavním okně a usnadňuje porovnávání dat.

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

Poznámka: Témata pokrytá v každé úrovni tohoto kurzu zahrnují, ale ne omezují se na ta, která jsou uvedena v každé úrovni. Navíc, položky každé zvláštní přednášky jsou předmětem změny v závislosti na potřebách studentů a jejich výzkumných zájmech.