Corso di formazione Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata)

• Risultati di questo corso
Al termine di questo corso, lo studente dovrebbe essere in grado di affrontare molti dei problemi di ricerca attualmente aperti nel campo dell'ingegneria delle comunicazioni in quanto dovrebbe aver acquisito almeno le seguenti competenze:

• Mappare e manipolare espressioni matematiche complicate che appaiono frequentemente nella letteratura di ingegneria delle comunicazioni

• Capacità di utilizzare le capacità di programmazione offerte da MATLAB al fine di riprodurre i risultati di simulazione di altri articoli o almeno avvicinarsi a questi risultati.

• Creare i modelli di simulazione delle idee autoproposte.

• Impiegare le competenze di simulazione acquisite in modo efficiente in combinazione con le potenti capacità MATLAB per progettare codici ottimizzati MATLAB in termini di tempo di esecuzione del codice, risparmiando allo stesso tempo lo spazio di memoria.

• Identificare i parametri chiave di simulazione di un dato sistema di comunicazione, estrarli dal modello di sistema e studiare l'impatto di questi parametri sulle prestazioni del sistema considerato.

• Struttura del corso

Il materiale fornito in questo corso è estremamente correlato. Non è consigliabile che uno studente frequenti un livello a meno che non lo frequenti e ne comprenda profondamente il livello precedente al fine di garantire la continuità delle conoscenze acquisite. Il corso è strutturato in tre livelli a partire da un'introduzione alla programmazione MATLAB fino al livello di simulazione completa del sistema come segue.

Livello 1: Matematica di Communication con MATLAB
Sessioni 01-06

Dopo il completamento di questa parte, lo studente sarà in grado di valutare espressioni matematiche complesse e di costruire facilmente i grafici appropriati per diverse rappresentazioni di dati come i grafici nel dominio del tempo e della frequenza; BER traccia i modelli di radiazione dell'antenna... and so on.

Concetti fondamentali

1. Il concetto di simulazione
2. L'importanza della simulazione nell'ingegneria delle comunicazioni
3. MATLAB Come ambiente di simulazione
4. Informazioni sulla rappresentazione matriciale e vettoriale di segnali scalari in matematica delle comunicazioni
5. Matrix e rappresentazioni vettoriali di segnali complessi in banda base in MATLAB

MATLAB Scrivania

6. Barra degli strumenti
7. Finestra di comando
8. Spazio di lavoro
9. Cronologia dei comandi

Dichiarazione di variabili, vettori e matrici

10. MATLAB Costanti predefinite
11. Variabili definite dall'utente
12. Matrici, vettori e matrici
13. Inserimento manuale della matrice
14. Definizione dell'intervallo
15. Spazio lineare
16. Spazio logaritmico
17. Regole di denominazione delle variabili

Matrici speciali

18. La matrice degli uno
19. La matrice degli zeri
20. La matrice identitaria

Element manipolazione a livello di matrice

21. AccessIng di elementi specifici
22. Modifica degli elementi
23. Eliminazione selettiva di elementi (Matrix troncamento)
24. Aggiunta di elementi, vettori o matrici (Matrix concatenazione)
25. Trovare l'indice di un elemento all'interno di un vettore o di una matrice
26. Matrix Rimodellamento
27. Matrix troncamento
28. Matrix Concatenazione
29. Capovolgimento da sinistra a destra e da destra a sinistra

Operatori di matrice unaria

30. L'operatore Somma
31. L'operatore dell'aspettativa
32. Operatore minimo
33. Operatore massimo
34. L'operatore di traccia
35. Matrix determinante |.|
36. Matrix inverso
37. Matrix Trasporre
38. Matrix Hermitiano
39. … and so on

Operazioni sulle matrici binarie

40. Operazioni aritmetiche
41. Operazioni relazionali
42. Operazioni logiche

Numeri complessi in MATLAB

43. Rappresentazione complessa in banda base dei segnali in banda passante e up-conversion RF, una revisione matematica
44. Formazione di variabili complesse, vettori e matrici
45. Esponenziali complessi
46. L'operatore della parte reale
47. L'operatore di parte immaginaria
48. L'operatore coniugato (.)*
49. L'operatore assoluto |.|
50. L'argomento o l'operatore di fase

MATLAB Funzioni integrate

51. Vettori di vettori e matrice di matrice
52. La funzione della radice quadrata
53. La funzione del segno
54. La funzione "arrotonda a intero"
55. La "funzione intera inferiore più vicina"
56. La "funzione intera superiore più vicina"
57. La funzione fattoriale
58. Funzioni logaritmiche (exp, ln, log10, log2)
59. Funzioni trigonometriche
60. Funzioni iperboliche
61. La funzione Q(.)
62. La funzione erfc(.)
63. Funzioni di Bessel Jo (.)
64. La funzione Gamma
65. Diff, comandi mod

Polinomi in MATLAB

66. Polinomi in MATLAB
67. Funzioni razionali
68. Derivate polinomiali
69. Integrazione polinomiale
70. Moltiplicazione polinomiale

Grafici in scala lineare

71. Rappresentazioni visive di segnali di ampiezza continui nel tempo
72. Rappresentazioni visive dei segnali approssimati del caso della scala
73. Rappresentazioni visive del tempo discreto – segnali di ampiezza discreta

Grafici su scala logaritmica

74. Grafici della decade dB (BER)
75. grafici decade-dB (diagrammi di Bode, risposta in frequenza, spettro del segnale)
76. Trame decennio-decennio
77. Grafici lineari in dB

Grafici polari 2D
78. (Diagrammi di radiazione dell'antenna planare)

Grafici 3D

79. 3D modelli di radiazione
80. Grafici parametrici cartesiani

Sezione opzionale (fornita su richiesta degli studenti)

81. Differenziazione simbolica e differenziazione numerica in MATLAB
82. Integrazione simbolica e numerica in MATLAB
83. MATLAB Aiuto e documentazione

MATLAB file

84. MATLAB File di script
85. MATLAB file di funzione
86. MATLAB File di dati
87. Variabili locali e globali

Loop, condizioni, controllo del flusso e processo decisionale in MATLAB

88. Il ciclo di fine for
89. Il ciclo di fine while
90. La condizione finale if
91. Le condizioni finali if else
92. La dichiarazione di fine del case dell'interruttore
93. Iterazioni, errori convergenti, operatori di somma multidimensionali

Comandi di visualizzazione di input e output

94. Il comando input(' ')
95. Comando disp
96. Comando fprintf
97. Casella di messaggio msgbox

Livello 2: Operazioni di segnali e sistemi (24 ore)
Sessioni 07-14

Gli obiettivi principali di questa parte sono i seguenti

• Generare segnali di test casuali necessari per testare le prestazioni di diversi sistemi di comunicazione

- Integrare molte operazioni di segnale elementari possono essere integrate per implementare una singola funzione di elaborazione della comunicazione come encoder, randomizzatori, interleaver, generatori di codice di diffusione ... ecc. sul trasmettitore e sulle loro controparti sul terminale ricevente.

• Interconnettere correttamente questi blocchi per ottenere una funzione di comunicazione

• Simulazione di modelli deterministici, statistici e semi-casuali di canali a banda stretta indoor e outdoor

Generazione di segnali di test di comunicazione

98. Generazione di una sequenza binaria casuale
99. Generazione di sequenze intere casuali
100. Importazione e lettura di file di testo
101. Lettura e riproduzione di file audio
102. Importazione ed esportazione di immagini
103. Immagine come matrice 3D
104. Trasformazione da RGB a scala di grigi
105. Flusso di bit seriale di un'immagine in scala di grigi 2D
106. Sub-framing dei segnali di immagine e ricostruzione

Condizionamento e manipolazione del segnale

107. Scala dell'ampiezza (guadagno, attenuazione, normalizzazione dell'ampiezza... ecc.)
108. Spostamento di livello CC
109. Scala temporale (compressione temporale, rarefazione)
110. Spostamento orario (ritardo, avanzamento tempo, spostamento orario circolare sinistro e destro)
111. Misurazione dell'energia del segnale
112. Normalizzazione dell'energia e della potenza
113. Energia e scala di potenza
114. Conversione da seriale a parallelo e da parallelo a seriale
115. Multiplexing e demultiplexing

Digitalizzazione di segnali analogici

116. Campionamento nel dominio del tempo di segnali continui in banda base nel tempo in MATLAB
117. Quantizzazione dell'ampiezza di segnali analogici
118. Codifica PCM di segnali analogici quantizzati
119. Conversione da decimale a binario e da binario a decimale
120. Modellazione dell'impulso
121. Calcolo dell'ampiezza dell'impulso adeguata
122. Selezione del numero di campioni per impulso

123. Convoluzione utilizzando i comandi conv e filter
124. L'autocorrelazione e la correlazione incrociata di segnali limitati nel tempo
125. Le operazioni di trasformata di Fourier veloce (FFT) e IFFT
126. Visualizzazione di uno spettro di segnale in banda base
127. Effetto della frequenza di campionamento e della corretta finestra di frequenza
128. Relazione tra la convoluzione, la correlazione e le operazioni FFT
129. Filtraggio nel dominio della frequenza, solo filtro passa-basso

Funzioni ausiliarie Communication

130. Randomizzatori e de-randomizzatori
131. Punatrici e deforatrici
132. Codificatori e decodificatori
133. Interfoliatori e deinterfogliatori

Modulatori e demodulatori

134. Schemi di modulazione digitale in banda base in MATLAB
135. Rappresentazione visiva di segnali modulati digitalmente

Modellazione e simulazione dei canali

136. Mathematical Modellazione dell'effetto del canale sul segnale trasmesso

• Addizione: canali di rumore gaussiano bianco additivo (AWGN)
• Moltiplicazione nel dominio del tempo – canali a dissolvenza lenta, spostamento Doppler nei canali veicolari
• Moltiplicazione nel dominio della frequenza – canali di dissolvenza selettivi in frequenza
• Convoluzione nel dominio del tempo – risposta all'impulso del canale

Esempi di modelli di canale deterministici

137. Perdita di percorso nello spazio libero e perdita di percorso dipendente dall'ambiente
138. Canali di blocco periodico

Caratterizzazione statistica dei canali di fading multipath stazionari e quasi-stazionari comuni

139. Generazione di un RV uniformemente distribuito
140. Generazione di un RV distribuito gaussiano di valore reale
141. Generazione di una RV distribuita gaussiana complessa
142. Generazione di un camper distribuito Rayleigh
143. Generazione di un camper distribuito Ricean
144. Generazione di un RV distribuito in modo normale
145. Generazione di un RV distribuito arbitrariamente
146. Approssimazione di una funzione di densità di probabilità incognita (PDF) di un RV mediante un istogramma
147. Calcolo numerico della funzione di distribuzione cumulativa (CDF) di una RV
148. Canali di rumore gaussiano bianco additivo reale e complesso (AWGN)

Caratterizzazione del canale in base al suo profilo di ritardo di potenza

149. Caratterizzazione del canale in base al suo profilo di ritardo di potenza
150. Normalizzazione della potenza del PDP
151. Estrazione della risposta all'impulso del canale dal PDP
152. Campionamento della risposta all'impulso del canale mediante una frequenza di campionamento arbitraria, campionamento non corrispondente e quantizzazione del ritardo
153. Il problema del campionamento non corrispondente della risposta all'impulso del canale dei canali a banda stretta
154. Campionamento di una PDP mediante una frequenza di campionamento arbitraria e una compensazione del ritardo frazionario
155. Implementazione di diversi modelli di canali IEEE standardizzati per interni ed esterni
156. (COST - SUI - Modelli con canali a banda ultra larga... ecc.)

Livello 3: Simulazione a livello di collegamento di sistemi di comunicazione pratici (30 ore)
Sessioni 15-24

Questa parte del corso riguarda la questione più importante per gli studenti di ricerca, ovvero come riprodurre i risultati della simulazione di altri articoli pubblicati mediante simulazione.

Prestazioni del tasso di errore di bit degli schemi di modulazione digitale in banda base

1. Confronto delle prestazioni di diversi schemi di modulazione digitale in banda base nei canali AWGN (Studio comparativo completo tramite simulazione per verificare le espressioni teoriche); grafici a dispersione, tasso di errore di bit

2. Confronto delle prestazioni di diversi schemi di modulazione digitale in banda base in diversi canali di fading stazionari e quasi stazionari; grafici a dispersione, tasso di errore di bit (studio comparativo completo tramite simulazione per verificare le espressioni teoriche)

3. Impatto dei canali di spostamento Doppler sulle prestazioni degli schemi di modulazione digitale in banda base; grafici a dispersione, tasso di errore di bit

Elicottero-satellite Communications

4. Documento (1): Sistema voce e dati in tempo reale a basso costo per il servizio satellitare mobile aeronautico (AMSS) - Dichiarazione e analisi del problema
5. Documento (2): Diversità del tempo di pre-rilevamento che si combina con un AFC accurato per i satelliti dell'elicottero Communication - La prima soluzione proposta
6. Documento (3): Uno schema di modulazione adattiva per elicotteri-satelliti Communication - Un approccio per il miglioramento delle prestazioni

Simulazione di sistemi a spettro diffuso

1. Architettura tipica dei sistemi basati su spettro esteso
2. Sistemi basati su spettro diffuso a sequenza diretta
3. Generatori di sequenze binarie pseudo casuali (PBRS)
• Generazione di sequenze di lunghezza massima
• Generazione di codici oro
• Generazione di codici Walsh

4. Sistemi basati su spettro diffuso a salto temporale
5. Prestazioni del tasso di errore di bit dei sistemi basati su spettro diffuso nei canali AWGN
• Impatto della velocità di codifica r sulle prestazioni del BER
• Impatto della lunghezza del codice sulle prestazioni del BER

6. Prestazioni del tasso di errore di bit di sistemi basati su spettro diffuso in canali di dissolvenza di Rayleigh lenti multipath con spostamento Doppler zero
7. Analisi delle prestazioni del tasso di errore di bit di sistemi basati su spettro diffuso in ambienti ad alta mobilità fading
8. Analisi delle prestazioni del tasso di errore di bit di sistemi basati su spettro diffuso in presenza di interferenze multiutente
9. Trasmissione di immagini RGB su sistemi a spettro esteso
10. Sistemi ottici CDMA (OCDMA)
• Codici ortogonali ottici (OOC)
• Limiti di prestazione dei sistemi OCDMA; prestazioni del tasso di errore di bit dei sistemi OCDMA sincroni e asincroni

Sistemi SS a banda ultra larga

Sistemi basati su OFDM

11. Implementazione di sistemi OFDM utilizzando la trasformata veloce di Fourier
12. Architettura tipica dei sistemi basati su OFDM
13. Prestazioni del tasso di errore di bit dei sistemi OFDM nei canali AWGN
• Impatto della velocità di codifica r sulle prestazioni del BER
• Impatto del prefisso ciclico sulle prestazioni del BER
• Impatto delle dimensioni FFT e della spaziatura della sottoportante sulle prestazioni del BER

14. Prestazioni del tasso di errore di bit dei sistemi OFDM nei canali di dissolvenza di Rayleigh lenti multipath con spostamento Doppler zero
15. Prestazioni del tasso di errore di bit dei sistemi OFDM nei canali di dissolvenza Rayleigh lenti multipath con CFO
16. Stima dei canali nei sistemi OFDM
17. Equalizzazione nel dominio della frequenza nei sistemi OFDM
• Equalizzatore a forzatura zero
• Equalizzatori MMSE
18. Altre metriche comuni delle prestazioni nei sistemi basati su OFDM (rapporto di potenza picco/media, rapporto tra portante e interferenza... ecc.)
19. Analisi delle prestazioni di sistemi basati su OFDM in ambienti ad alta mobilità (come progetto di simulazione composto da tre articoli)
20. Carta (1): Mitigazione delle interferenze tra vettori
21. Fascicolo (2): Sistemi MIMO-OFDM

Ottimizzazione di un progetto di simulazione MATLAB

Lo scopo di questa parte è quello di imparare a costruire e ottimizzare un progetto di simulazione MATLAB al fine di semplificare e organizzare il processo di simulazione complessivo. Inoltre, vengono presi in considerazione anche lo spazio di memoria e la velocità di elaborazione per evitare problemi di overflow della memoria in sistemi di archiviazione limitati o lunghi tempi di esecuzione derivanti da un'elaborazione lenta.

1. Struttura tipica di un progetto di simulazione su piccola scala
2. Estrazione dei parametri di simulazione e mappatura teorica e simulativa
3. Costruire un progetto di simulazione
4. Tecnica di simulazione Monte Carlo
5. Una procedura tipica per testare un progetto di simulazione
6. Spazio di memoria Management e tecniche di riduzione del tempo di simulazione
• Simulazione banda base vs. banda passante
• Calcolo dell'ampiezza dell'impulso adeguata per forme di impulso arbitrarie troncate
• Calcolo del numero adeguato di campioni per simbolo
• Calcolo del numero di bit necessario e sufficiente per testare un sistema

Programmazione GUI

Avere un codice MATLAB libero da debug e lavorare correttamente per produrre risultati corretti è un grande risultato. Tuttavia, un insieme di parametri chiave in un progetto di simulazione controlla il Per questo motivo e altro, viene data una lezione extra su "Graphical User Interface (GUI) Programming" per portare il controllo su varie parti del tuo progetto di simulazione a portata di mano piuttosto che immergerti in un lungo codice sorgente pieno di comandi. Inoltre, avere il tuo codice MATLAB mascherato con una GUI aiuta a presentare il tuo lavoro in un modo che facilita la combinazione di più risultati in una finestra master e rende più facile confrontare i dati.

1. Che cos'è una GUI MATLAB
2. Struttura del file della funzione GUI MATLAB
3. Componenti principali dell'interfaccia grafica (proprietà e valori importanti)
4. Variabili locali e globali

Nota: Gli argomenti trattati in ogni livello di questo corso includono, ma non solo, quelli indicati in ogni livello. Inoltre, gli elementi di ogni particolare lezione sono soggetti a modifiche a seconda delle esigenze degli studenti e dei loro interessi di ricerca.