Simulering av trådløse kommunikasjonssystemer med MATLAB (Dr. Shehata) Treningskurs

Resultater av dette kurset

Etter fullføring av dette kurset bør studenten kunne takle mange av de aktuelle åpenstående forskningsproblemene innen kommunikasjonsteknikk, da han/hun da bør ha oppnådd minst følgende ferdigheter:

• Kartlegge og manipulere kompliserte matematiske uttrykk som ofte opptrer i kommunikasjonsteknisk litteratur
• Evnene til å bruke programmeringsmulighetene som tilbys av MATLAB for å reprodusere simuleringsresultater fra andre artikler eller i det minste tilnærme disse resultatene.
• Opprette simuleringsmodeller for egenideer.
• Bruke de ervervede simuleringstegnene effektivt i kombinasjon med MATLABs kraftige funksjonalitet for å designe optimaliserte MATLAB-koder med hensyn til kjøretid for koden, samtidig som man sparer minneplass.
• Identifisere nøkkelsimuleringsparametrene i et gitt kommunikasjonssystem, ekstrahere dem fra systemmodellen og studere effekten av disse parametrene på ytelsen til det betraktede systemet.

Kursstruktur

Materialet som leveres i dette kurset er ekstremt korrelert. Det anbefales ikke at en student deltar på et nivå uten å ha deltatt på og forstått det foregående nivået dypt og grundig for å sikre kontinuitet i den ervervede kunnskapen. Kurset er strukturert i tre nivåer, fra en introduksjon til MATLAB-programmering til nivået av fullstendig systemsimulering, som følger.

Kommunikasjonsmatematikk med MATLAB
Økter 01-06

Etter fullføring av denne delen vil studenten kunne evaluere kompliserte matematiske uttrykk og enkelt konstruere egnede grafer for different datarepresentasjon som tid- og frekvensdiagram, BER-diagrammer, antennespredningsmønster ... osv.

Grunnleggende konsepter

• Konseptet med simulering
• Betydningen av simulering i kommunikasjonsteknikk
• MATLAB som et simuleringstool
• Om matrise- og vektorestilling av skalarsignaler i kommunikasjonsmatematikk
• Matrise- og vektorestilling av komplekse båndbase-signaler i MATLAB

MATLAB-skrivebord

• Verktøylinje
• Kommandovindu
• Arbeidsområde
• Kommandohistorikk

Vardele-, vektor- og matriseerklæringer

• MATLAB fordefinerte konstanter
• Brukerdefinerte variabler
• Matriser, vektorer og matriser
• Manuell matrisetastatur
• Intervalldefinisjon
• Lineært rom
• Logaritmisk rom
• Navngivningsregler for variabler

Spesielle matriser

• Enmatrisen
• Nulmatrisen
• Identitetsmatrisen

Elementvis og matrisevis manipulering

• Tilgang til spesifikke elementer
• Endring av elementer
• Selektiv eliminering av elementer (matriseklipping)
• Legge til elementer, vektorer eller matriser (matrisekonsept)
• Finn indeksen til et element i en vektor eller en matrise
• Matriserespons
• Matriseklipping
• Matrisekonsept
• Vending fra venstre til høyre og fra høyre til venstre

Unære matriseoperatorer

• Sumoperator
• Ekspektasjonsoperatøren
• Min-operator
• Max-operator
• Sporoperatøren
• Matrisedeterminant |.|
• Matriseinvers
• Matrisetransposisjon
• Matrisegjermitian

Binære matriseoperasjoner

• Arithmeticke operasjoner
• Relasjonelle operasjoner
• Logiske operasjoner

Komplekse tall i MATLAB

• Kompleks båndbase-representasjon av passband-signal og RF oppkonvertering, en matematisk gjennomgang
• Dannelsen av komplekse variabler, vektorer og matriser
• Komplekse eksponentielle
• Reell deloperatør
• Imaginær deloperatør
• Konjugatoperatør (.)*
• Absoluttoperatør |.|
• Argument eller faseoperatør

MATLAB innebygde funksjoner

• Vektorer av vektorer og matriser av matriser
• Kvadratrotfunksjonen
• Signumfunksjonen
• "Runding til heltall"-funksjonen
• "Nærmeste lavere heltallsfunksjonen"
• "Nærmeste høyere heltallsfunksjonen"
• Fakultetsfunksjonen
• Logaritmiske funksjoner (exp, ln, log10, log2)
• Trigonometriske funksjoner
• Hyperbolske funksjoner
• Q(.)-funksjonen
• erfc(.)-funksjonen
• Besselfunksjoner Jo (.)
• Gamma-funksjonen
• Diff, mod-kommandoer

Polynomier i MATLAB

• Polynomier i MATLAB
• Rasjonelle funksjoner
• Polynomderivater
• Polynomintegrering
• Polynommultiplikasjon

Lineære skala-diagrammer

• Visuelle representasjoner av kontinuerlige tid-kontinuerlige amplitude-signaler
• Visuelle representasjoner av trappetrinns-nærmings-signaler
• Visuelle representasjoner av diskrete tid – diskrete amplitude-signaler

Logaritmiske skala-diagrammer

• dB-dekade-diagrammer (BER)
• Dekade-dB-diagrammer (Bode-diagrammer, frekvensrespons, signalsyklus)
• Dekade-dekade-diagrammer
• dB-lineære diagrammer

2D Polare diagrammer

• (Planære antennespredningsmønstre)

3D Diagrammer

• 3D spredningsmønstre
• Kartesiske parametriske diagrammer

Valgfri seksjon (gitt på grunnlag av kursdeltakernes behov)

• Symbolisk derivasjon og numerisk differensiering i MATLAB
• Symbolisk og numerisk integrering i MATLAB
• MATLAB hjelp og dokumentasjon

MATLAB-filer

• MATLAB skriptfiler
• MATLAB funksjonsfiler
• MATLAB datafiler
• Lokale og globale variabler

Løkker, betingelser, strømkontroll og beslutningsmaking i MATLAB

• For-slutt-løkke
• While-slutt-løkke
• If-slutt-betingelse
• If-else-slutt-betingelser
• Switch-case-slutt-setning
• Iterasjoner, konvergensfeil, flerdimensjonale sumoperatorer

Inndata- og utdata-displaykommandoer

• input(' ') kommandoen
• disp-kommandoen
• fprintf-kommandoen
• Meldingsboks msgbox

Signal- og Systemoperasjoner
Økter 07-14

Hovedmålene for denne delen er som følger

• Generere tilfeldige test-signaler som er nødvendig for å teste ytelsen til forskjellige kommunikasjonssystemer
• Integrere mange elementære signaloperasjoner kan integreres for å implementere en enkelt kommunikasjonshandteringsfunksjon som koder, randomisere, interleave, spredekode-generatorer ... osv. på sendesiden så vel som deres motparter på mottakeren.
• Interkoble disse blokkene riktig for å oppnå en kommunikasjonfunksjon
• Simulering av deterministiske, statistiske og semi-tilfeldige inndørs og utendørs smalbåndskanalmodeer

Generering av kommunikasjonstest-signaler

• Generering av en tilfeldig binær sekvens
• Generering av tilfeldige heltallssekvenser
• Importere og lese tekstfiler
• Lese og avspille lydfiler
• Importere og eksportere bilder
• Bilde som en 3D-matrise
• RGB til gråskala transformasjon
• Seriell bitstrøm av et 2D gråskala-bilde
• Underframing av bilde-signal og rekonstruksjon

Signalforberedelse og manipulering

• Amplitudeskalering (forsterkning, demping, amplitudenormalisering ... osv.)
• DC-nivåforskyvning
• Tidsskalering (tidskompresjon, spredning)
• Tidsforskyvning (tidsforsinkelse, tidsfremdrift, venstre og høyre sirkulær tidsforskyvning)
• Måling av signalenergi
• Energi- og effekt-nivånormalisering
• Energi- og effekt-skalerings
• Seriell-til-parallel og parallel-til-seriell konvertering
• Multiplexing og demultiplexing

Digitalisering av analoge signaler

• Tidsdomen-prøver av kontinuerlige tid båndbase-signal i MATLAB
• Amplitude kvantifisering av analoge signaler
• PCM-koding av kvantiserte analoge signaler
• Desimal-til-binær og binær-til-desimal konvertering
• Pulsskjæring
• Beregning av den egnede pulsbredde
• Valg av antall prøver per puls
• Konvolusjon ved bruk av conv og filter kommandoer
• Autokorrelasjon og krysskorrelasjon av tidsbegrensede signaler
• Den hurtige Fourier-transformasjonen (FFT) og IFFT operasjoner
• Visning av et båndbase-signalsyklus
• Effekten av prøvehastighet og riktig frekvensvindue
• Sammenhengen mellom konvolusjon, korrelasjon og FFT-operasjoner
• Frekvensdomenfiltering, kun lavpassfiltering

Støttende kommunikasjonstjenester

• Randomisere og de-randomisere
• Punkturere og de-punkturere
• Koder og dekoder
• Interleave og de-interleave

Modulatorer og demodulatorer

• Digital båndbase-moduleringsmetoder i MATLAB
• Visuell representasjon av digitalt modulerte signaler

Kanalmodellering og simulering

• Matematisk modellering av kanaleffekten på det sendte signalet
  • Legge til – additiv hvit gaussisk støy (AWGN) kanaler
  • Tidsdomen-multiplikasjon – langsom fadingskanaler, dopplereffekt i kjøretøyskanaler
  • Frekvensdomen-multiplikasjon – frekvensselektive fadingskanaler
  • Tidsdomen-konvolusjon – kanalimpulsrespons

Eksempler på deterministiske kanalmodeer

• Friromsbanetap og miljøavhengig banetap
• Periodiske blokker kanaler

Statistisk karakterisering av vanlige stasjonære og kvasi-stasjonære multipath fading kanaler

• Generering av en jevnt fordelt RV
• Generering av en reell verdigaußisk fordelt RV
• Generering av en kompleks Gaussisk fordelt RV
• Generering av en Rayleigh fordelt RV
• Generering av en Ricean fordelt RV
• Generering av en Lognormalt fordelt RV
• Generering av en vilkårlig fordelt RV
• Nærmestverdi av en ukjent sannsynlighetstetthetsfunksjon (PDF) for en RV ved en histogram
• Numerisk beregning av den kumulative fordelingsfunksjonen (CDF) for en RV
• Reell og kompleks additiv hvit gaussisk støy (AWGN) kanaler

Kanalkarakterisering ved dens kraftforsinkelsesprofil

• Kanalkarakterisering ved dens kraftforsinkelsesprofil
• Kraft-normalisering av PDP
• Ekstraksjon av kanalimpulsrespons fra PDP
• Prøve av kanalimpulsrespons ved en vilkårlig prøvehastighet, mismatchet prøving og forsinkelse
• Kvantifisering
• Problem med mismatchet prøving av kanalimpulsrespons for smalbånd kanaler
• Prøve av en PDP ved en vilkårlig prøvehastighet og fraksjonell forsinkelseskompensasjon
• Implementasjon av flere IEEE standardiserte inndørs og utendørs kanalmodeer
• (COST – SUI - Ultrabredbånd kanalmodeer ... osv.)

Lenkenivå simulering av praktiske komm. systemer
Økter 15-24

Denne delen av kurset handler om det viktigste spørsmålet for forskningsstudenter, nemlig hvordan man reproduserer simuleringstegningene fra andre publiserte artikler ved simulering.

Bitfeilrate ytelse av båndbase digitale moduleringsmetoder

• Ytelsesammenligning av forskjellige båndbase digitale moduleringsmetoder i AWGN kanaler (Omfattende sammenligningsstudie via simulering for å bekrefte teoretiske uttrykk); spredningsdiagrammer, bitfeilrate
• Ytelsesammenligning av forskjellige båndbase digitale moduleringsmetoder i forskjellige stasjonære og kvasi-stasjonære fading kanaler; spredningsdiagrammer, bitfeilrate (Omfattende sammenligningsstudie via simulering for å bekrefte teoretiske uttrykk)
• Effekten av Doppler skift kanaler på ytelsen til båndbase digitale moduleringsmetoder; spredningsdiagrammer, bitfeilrate
• Helikoptertil-satellitt kommunikasjon
  • Artikkel (1): Lavkostnad reeltidstemme og datatystem for luftfarts mobil satellitttjeneste (AMSS) – Problemstilling og analyse
  • Artikkel (2): Predeteksjonstids-diversitet-kombinasjon med nøyaktig AFC for helikopter-satellittkommunikasjon – Den første foreslåtte løsningen
  • Artikkel (3): En adaptiv moduleringsmetode for helikopter-satellittkommunikasjon – En ytelsesforbedring tilnærming

Simulering av bredbåndssystemer

• Typisk arkitektur for bredbånd baserte systemer
• Rekkefølge bredbånd baserte systemer
• Pseudotilfeldige binære sekvens (PBRS) generatorer
  
  • Generering av maksimallengde sekvenser
  • Generering av gullkoder
  • Generering av Walsh-koder
• Tid hopping bredbånd baserte systemer
• Bitfeilrate ytelse av bredbånd baserte systemer i AWGN kanaler
  
  • Effekten av kodingsrate r på BER ytelsen
  • Effekten av kodlengden på BER ytelsen
• Bitfeilrate ytelse av bredbånd baserte systemer i multipath langsom Rayleigh fading kanaler med null dopplerskift
• Bitfeilrate ytelsesanalyse av bredbånd baserte systemer i høy mobilitet fading miljø
• Bitfeilrate ytelsesanalyse av bredbånd baserte systemer i tilstedeværelse av multi-brukerstøy
• RGB bildeoverføring over bredbåndssystemer
• Optisk CDMA (OCDMA) systemer
  
  • Optiske ortogonale koder (OOC)
  • Ytelsesgrenser for OCDMA systemer ;bitfeilrate ytelse av synkron og asynkron OCDMA systemer

Ultrabredbånd SS systemer

OFDM baserte systemer

• Implementasjon av OFDM systemer ved bruk av Den Hurtige Fourier Transformasjon
• Typisk arkitektur for OFDM baserte systemer
• Bitfeilrate ytelse av OFDM systemer i AWGN kanaler
  
  • Effekten av kodingsrate r på BER ytelsen
  • Effekten av den sykliske prefiksen på BER ytelsen
  • Effekten av FFT-størrelsen og subcarriertavstand på BER ytelsen
• Bitfeilrate ytelse av OFDM systemer i multipath langsom Rayleigh fading kanaler med null dopplerskift
• Bitfeilrate ytelse av OFDM systemer i multipath langsom Rayleigh fading kanaler med CFO
• Kanalestimering i OFDM systemer
• Frekvensdomenlig i OFDM systemer
  
  • Nulltvangsligner
  • MMSE lignere
• Andre vanlige ytelsesindikatorer i OFDM baserte systemer (Topp – til – Gjennomsnittlig kraft-forhold, Bærer – til – Støy-forhold ... osv.)
• Ytelsesanalyse av OFDM baserte systemer i høy mobilitet fading miljø (som et simuleringprosjekt bestående av tre artikler)
  
  • Artikkel (1): Mistanter støy-mitigering
  • Artikkel (2): MIMO-OFDM systemer

Optimalisering av et MATLAB Simuleringsprosjekt

Målet med denne delen er å lære hvordan man bygger og optimaliserer et MATLAB simuleringsprosjekt for å forenkle og organisere hele simuleringeprosessen. I tillegg vurderes minneplass og prosesseringshastighet for å unngå minneoverflowsproblemer i begrenset lagerromssystemer eller lang kjøre tid forårsaket av langsom prosessering.

• Typisk struktur for småskala simulering prosjekter
• Ekstraksjon av simuleringsparametre og teoretisk til simulering kartlegging
• Bygge et Simuleringsprosjekt
• Monte Carlo Simuleringsmetode
• En typisk prosedyre for testing av et Simuleringsprosjekt
• Minneplasshåndtering og Simuleringstid reduksjonsteknikker
  
  • Båndbase vs. Passband Simulering
  • Beregning av den egnede pulsbredde for kappede vilkårlige pulsformer
  • Beregning av den egnede antall prøver per symbol
  • Beregning av Det Nødvendige og Tilstrekkelige Antall Bit for å teste et System

GUI programmering

Å ha en MATLAB kode fri fra feilsøkning og fungerer korrekt til å produsere korrekte resultater er en stor prestasjon. Men et sett nøkkelsimuleringsparametre i et simuleringsprosjekt kontrollerer Av denne grunnen og mer, gis en ekstra forelesning om "Grafisk Brukergrenseflate (GUI) Programmering" for å bringe kontrollen over ulike deler av ditt simuleringsprosjekt ved fingertipsene dine i stedet for å dykke ned i lange kildekode fylt av kommandoer. I tillegg hjelper det å ha MATLAB-koden din dekket med en GUI til å presentere ditt arbeid på en måte som letter for kombinasjon av multiple resultater i ett hovedvindue og gjør det lettere å sammenligne data.

• Hva er en MATLAB GUI
• Strukturen til MATLAB GUI funksjonsfil
• Hoved GUI komponenter (viktige egenskaper og verdier)
• Lokale og globale variabler

Merk: Emnene som dekkes i hvert nivå av dette kurset inkluderer, men er ikke begrenset til, de som er oppført i hvert nivå. I tillegg er punktene i hver spesifikke forelesning underlegget endring avhengig av behovene til kursdeltakerne og deres forskningsinteresser.