Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB Treningskurs

• Utbytte av dette emnet Etter gjennomføring av dette emnet skal studenten være i stand til å angripe mange av de nå åpne forskningsproblemene innen kommunikasjonsteknikk da han/hun bør ha tilegnet seg minst følgende ferdigheter:

• Kartlegge og manipulere kompliserte matematiske uttrykk som forekommer ofte i kommunikasjonsteknisk litteratur • Evne til å bruke programmeringsmulighetene som tilbys av MATLAB for å reprodusere simuleringsresultatene fra andre artikler eller i det minste nærme seg disse resultatene.

• Lag simuleringsmodeller av selvforslagte ideer.

• Bruk de ervervede simuleringsferdighetene effektivt i forbindelse med de kraftige MATLAB-egenskapene for å designe optimaliserte MATLAB koder når det gjelder kodens kjøretid samtidig som du sparer på minneplassen.

• Identifisere nøkkelsimuleringsparametrene til et gitt kommunikasjonssystem, trekke dem ut fra systemmodellen og studere innvirkningen av disse parameterne på ytelsen til systemet som vurderes.

• Kursstruktur

Materialet i dette kurset er ekstremt korrelert. Det anbefales ikke at en student går på et nivå med mindre han/hun deltar og forstår dets tidligere nivå for å sikre kontinuiteten til den tilegnete kunnskapen. Kurset er strukturert i tre nivåer fra en introduksjon til MATLAB programmering opp til nivået for komplett systemsimulering som følger.

Nivå 1: Kommunikasjonsmatematikk med MATLAB økter 01-06

Etter gjennomføring av denne delen vil studenten være i stand til å vurdere kompliserte matematiske uttrykk og enkelt konstruere de riktige grafene for ulike datarepresentasjoner som tids- og frekvensdomeneplott; BER plotter antennestrålingsmønstre ... osv.

Grunnleggende konsepter

1. Simuleringsbegrepet 2. Simuleringens betydning i kommunikasjonsteknikk 3. MATLAB som simuleringsmiljø 4. Om matrise- og vektorrepresentasjon av skalarsignaler i kommunikasjonsmatematikk 5. Matrix og vektorrepresentasjoner av komplekse basebåndsignaler i MATLAB

MATLAB Skrivebord

6. Verktøylinje 7. Kommandovindu 8. Arbeidsområde 9. Kommandohistorikk

Variabel-, vektor- og matrisedeklarasjon

10. MATLAB forhåndsdefinerte konstanter 11. Brukerdefinerte variabler 12. Matriser, vektorer og matriser 13. Manuell matriseinntasting 14. Intervalldefinisjon 15. Lineært rom 16. Logaritmisk rom 17. Variable navngivningsregler

Spesielle matriser

18. Enmatrisen 19. Nullmatrisen 20. Identitetsmatrisen

Element-vis og matrise-vis manipulasjon

21. Tilgang til spesifikke elementer 22. Modifisering av elementer 23. Selektiv eliminering av elementer (Matrix trunkering) 24. Legge til elementer, vektorer eller matriser (Matrix sammenkobling) 25. Finne indeksen til et element inne i en vektor eller en matrise 26 Matrix omforming 27. Matrix trunkering 28. Matrix sammenkobling 29. Venstre til høyre og høyre til venstre bla

Unære matriseoperatorer

30. Sumoperatoren 31. Forventningsoperatoren 32. Min operator 33. Maksoperator 34. Sporingsoperatoren 35. Matrix determinant |.| 36. Matrix invers 37. Matrix transponere 38. Matrix Hermitian 39. …etc

Binære matriseoperasjoner

40. Aritmetiske operasjoner 41. Relasjonelle operasjoner 42. Logiske operasjoner

Komplekse tall i MATLAB

43. Kompleks basebåndsrepresentasjon av passbåndsignaler og RF-oppkonvertering, en matematisk gjennomgang 44. Forming komplekse variabler, vektorer og matriser 45. Komplekse eksponentialer 46. Den reelle deloperatoren 47. Den imaginære deloperatoren 48. Den konjugerte operatoren (.) * 49. Den absolutte operatoren |.| 50. Argumentet eller faseoperatoren

MATLAB innebygde funksjoner

51. Vektorer av vektorer og matrise av matrise 52. Kvadratrotfunksjonen 53. Tegnfunksjonen 54. "Rund til heltall"-funksjonen 55. "nærmeste nedre heltallsfunksjon" 56. "nærmeste øvre heltallsfunksjon" 57. Den faktoriell funksjon 58. Logaritmiske funksjoner (exp, ln,log10,log2) 59. Trigonometriske funksjoner 60. Hyperbolske funksjoner 61. Q(.)-funksjonen 62. Erfc(.)-funksjonen 63. Bessel-funksjoner Jo (.) 64. Den Gamma funksjon 65. Diff, mod kommandoer

Polynomer i MATLAB

66. Polynomer i MATLAB 67. Rasjonelle funksjoner 68. Polynomderivater 69. Polynomintegrasjon 70. Polynommultiplikasjon

Lineære skalaplott

71. Visuelle representasjoner av kontinuerlige tidskontinuerlige amplitudesignaler 72. Visuelle representasjoner av tilnærmede signaler til trappehus 73. Visuelle representasjoner av diskret tid – diskrete amplitudesignaler

Logaritmisk skala plott 74. dB-tiår plott (BER) 75. tiår-dB plott (Bode plott, frekvensrespons, signalspektrum) 76. tiår-tiår plott 77. dB-lineære plott

2D Polar plott 78. (plane antennestrålingsmønstre)

3D-plott

79. 3D-strålingsmønstre 80. Kartesiske parametriske plott

Valgfri seksjon (gitt etter krav fra elevene)

81. Symbolsk differensiering og numerisk differensiering i MATLAB 82. Symbolsk og numerisk integrasjon i MATLAB 83. MATLAB hjelp og dokumentasjon

MATLAB filer

84. MATLAB skriptfiler 85. MATLAB funksjonsfiler 86. MATLAB datafiler 87. Lokale og globale variabler

Loops, tilstandsflytkontroll og beslutningstaking i MATLAB

88. The for end loop 89. The while end loop 90. If end condition 91. If else end condition 92. Switch case end statement 93. Iterasjoner, konvergerende feil, flerdimensjonale sumoperatorer

Inn- og utgangsvisningskommandoer

94. Input(' ')-kommandoen 95. disp-kommando 96. fprintf-kommando 97. Meldingsboks msgbox

Nivå 2: Signaler og systemoperasjoner (24 timer) økter 07-14

Hovedmålene for denne delen er som følger

• Generer tilfeldige testsignaler som er nødvendige for å teste ytelsen til forskjellige kommunikasjonssystemer

• Integrer mange elementære signaloperasjoner kan integreres for å implementere en enkelt kommunikasjonsbehandlingsfunksjon som kodere, randomizere, interleavers, spredningskodegeneratorer …etc. på senderen samt deres motparter på mottaksterminalen.

• Koble disse blokkene riktig sammen for å oppnå en kommunikasjonsfunksjon

• Simulering av deterministiske, statistiske og semi-tilfeldige innendørs og utendørs smalbåndskanalmodeller

Generering av kommunikasjonstestsignaler

98. Generering av en tilfeldig binær sekvens 99. Generering av et tilfeldig heltall Sekvenser 100. Importere og lese tekstfiler 101. Lese og spille av lydfiler 102. Importere og eksportere bilder 103. Bilde som en 3D-matrise 104. RGB til gråskala transformasjon 105. Seriell bitstrøm av et 2D-gråskalabilde 106. Sub-framing av bildesignaler og rekonstruksjon

Signalbehandling og manipulering

107. Amplitudeskalering (forsterkning, demping, amplitudenormalisering...osv.) 108. DC-nivåforskyvning 109. Tidsskalering (tidskomprimering, sjeldnere) 110. Tidsforskyvning (tidsforsinkelse, tidsforskyvning, venstre og høyre sirkulær tidsforskyvning) 111. Måling av signalenergien 112. Energi- og effektnormalisering 113. Energi- og effektskalering 114. Seriell-til-parallell og parallell-til-seriell konvertering 115. Multipleksing og demultipleksing

Digitalisering av analoge signaler

116. Tidsdomene-sampling av kontinuerlige tidsbasebåndsignaler i MATLAB 117. Amplitudekvantisering av analoge signaler 118. PCM-koding av kvantiserte analoge signaler 119. Desimal-til-binær og binær-til-desimal konvertering 120. Pulsforming 121. av tilstrekkelig pulsbredde 122. Valg av antall prøver per puls

123. Konvolusjon ved bruk av konv og filterkommandoer 124. Autokorrelasjonen og krysskorrelasjonen av tidsbegrensede signaler 125. Fast Fourier Transform (FFT) og IFFT operasjoner 126. Se på et basebåndsignalspektrum 127. Effekt av samplingshastighet og riktig frekvens vindu 128. Forholdet mellom konvolusjonen, korrelasjonen og FFT-operasjonene 129. Frekvensdomenefiltrering, kun lavpassfiltrering

Hjelpefunksjoner Communication

130. Randomizers and de-randomizers 131. Puncturere and de-puncturere 132. Enkodere og dekodere 133. Interleavers and de-interleavers

Modulatorer og demodulatorer

134. Digitale basebåndmodulasjonsskjemaer i MATLAB 135. Visuell representasjon av digitalt modulerte signaler

Kanalmodellering og simulering

136. Mathematical modellering av kanaleffekten på det overførte signalet

• Addisjon – additiv hvit gaussisk støy (AWGN)-kanaler • Tidsdomenemultiplikasjon – sakte fadingkanaler, dopplerskifte i kjøretøykanaler • Frekvensdomenemultiplikasjon – frekvensselektive fadingkanaler • Tidsdomenekonvolusjon – kanalimpulsrespons

Eksempler på deterministiske kanalmodeller

137. Banetap for ledig plass og miljøavhengig veitap 138. Periodiske blokkeringskanaler

Statistisk karakterisering av vanlige stasjonære og kvasi-stasjonære flerveis fadingkanaler

139. Generering av en jevnt fordelt RV 140. Generering av en reelt verdsatt Gaussisk distribuert RV 141. Generering av en kompleks Gaussisk distribuert RV 142. Generering av en Rayleigh distribuert RV 143. Generering av en Ricean distribuert RV 144. Generering av en Lognormalt distribuert RV 145. Generering av en vilkårlig distribuert RV 146. Approksimasjon av en ukjent sannsynlighetstetthetsfunksjon (PDF) for en RV ved et histogram 147. Numerisk beregning av den kumulative distribusjonsfunksjonen (CDF) til en RV 148. Reell og kompleks additiv hvit Gaussian støy (AWGN) kanaler

Kanalkarakterisering etter Power Delay-profilen

149. Kanalkarakterisering ved dens effektforsinkelsesprofil 150. Effektnormalisering av PDP 151. Ekstrahering av kanalimpulsresponsen fra PDP 152. Sampling av kanalimpulsresponsen med en vilkårlig samplingshastighet, feiltilpasset sampling og forsinkelseskvantisering 153. Problemet med feiltilpasning sampling av kanalimpulsresponsen til smalbåndskanaler 154. Sampling av en PDP med en vilkårlig samplingsfrekvens og fraksjonell forsinkelseskompensasjon 155. Implementering av flere IEEE standardiserte innendørs og utendørs kanalmodeller 156. (COST – SUI - Ultra Wide Band Channel Models...osv .)

Nivå 3: Link Level Simulering av praktisk komm. Systemer (30 timer) økter 15.-24

Denne delen av kurset er opptatt av det viktigste spørsmålet for forskerstudenter, det vil si hvordan man kan reprodusere simuleringsresultatene fra andre publiserte artikler ved simulering.

Bit Feilfrekvens Ytelse for basebånds digitale moduleringsskjemaer

1. Ytelsessammenligning av forskjellige basebånds digitale modulasjonsskjemaer i AWGN-kanaler (Omfattende komparativ studie via simulering for å verifisere teoretiske uttrykk); spredningsplott, bitfeilrate

2. Ytelsessammenligning av forskjellige digitale basebåndsmodulasjonsskjemaer i forskjellige stasjonære og kvasistasjonære fadingkanaler; spredningsplott, bitfeilrate (Omfattende komparativ studie via simulering for å bekrefte teoretiske uttrykk)

3. Innvirkning av Doppler-skiftkanaler på ytelsen til digitale basebåndsmodulasjonssystemer; spredningsplott, bitfeilrate

Helikopter-til-satellitt Communications

4. Papir (1): Lavpris sanntidstale- og datasystem for Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS) – Problemstilling og analyse 5. Paper (2): Forhåndsdeteksjonstidsdiversitet kombinere med nøyaktig AFC for helikoptersatellitt [ 1]s – Den første foreslåtte løsningen 6. Paper (3): An Adaptive Modulation Scheme for Helikopter-Satellite Communications – En ytelsesforbedrende tilnærming

Simulering av spredt spektrum systemer

1. Typisk arkitektur for spredt spektrum baserte systemer 2. Direkte sekvens spredt spektrum baserte systemer 3. Pseudo random binary sequence (PBRS) generatorer • Generering av maksimal lengde sekvenser • Generering av gullkoder • Generering av Walsh koder

4. Tidshopping spredt spektrum baserte systemer 5. Bit Feil Rate Ytelse av spredt spektrum baserte systemer i AWGN kanaler • Påvirkning av koding rate r på BER ytelsen • Påvirkning av kodelengden på BER ytelsen

6. Bitfeilfrekvensytelse av spredt spektrum baserte systemer i langsomme Rayleigh-fadingkanaler med null Doppler Shift 7. Bitfeilfrekvensytelsesanalyse av spredtspektrumbaserte systemer i fadingmiljøer med høy mobilitet 8. Bitfeilfrekvensytelsesanalyse av spredtspektrumbaserte systemer i nærvær av multi-bruker interferens 9. RGB-bildeoverføring over spredt spektrum systemer 10. Optiske CDMA (OCDMA) systemer • Optiske ortogonale koder (OOC) • Ytelsesgrenser for OCDMA systemer ; bitfeilrate ytelse for synkrone og asynkrone OCDMA systemer

Ultra bredbånd SS-systemer

OFDM-baserte systemer

11. Implementering av OFDM-systemer ved bruk av Fast Fourier-transformasjonen 12. Typisk arkitektur for OFDM-baserte systemer 13. Bitfeilfrekvensytelse av OFDM-systemer i AWGN-kanaler • Innvirkning av kodingshastighet r på BER-ytelsen • Virkningen av det sykliske prefikset på BER ytelse • Innvirkning av FFT-størrelsen og underbæreravstanden på BER-ytelsen

14. Bitfeilhastighetsytelse for OFDM-systemer i langsomme Rayleigh-fading-kanaler med null Doppler-skift 15. Bitfeilhastighetsytelse for OFDM-systemer i langsomme Rayleigh-fading-kanaler med flere veier med CFO 16. Kanalestimering i OFDM-systemer 17. Frekvensdomeneutjevning i OFDM Systemer • Zero Forcing Equalizer • MMSE Equalizers 18. Andre vanlige ytelsesmålinger i OFDM-baserte systemer (Peak – to – Average Power Ratio, Carrier – to – Interference Ratio … etc.) 19. Ytelsesanalyse av OFDM-baserte systemer i høymobilitetsfading-miljøer (som et simuleringsprosjekt bestående av tre papirer) 20. Papir (1): Intercarrier interferensredusering 21. Paper (2): MIMO-OFDM Systems

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 den overordnede simuleringsprosessen. Dessuten vurderes minneplass og prosesseringshastighet også for å unngå problemer med minneoverløp i begrensede lagringssystemer eller lange driftstider som følge av langsom prosessering.

1. Typisk struktur for småskala simuleringsprosjekter 2. Utvinning av simuleringsparametere og teoretisk til simuleringskartlegging 3. Bygge et simuleringsprosjekt 4. Monte Carlo simuleringsteknikk 5. En typisk prosedyre for å teste et simuleringsprosjekt 6. Minneplass Management og simuleringstidsreduksjonsteknikker • Basebånd vs. passbåndsimulering • Beregning av tilstrekkelig pulsbredde for trunkerte vilkårlige pulsformer • Beregning av tilstrekkelig antall prøver per symbol • Beregning av nødvendig og tilstrekkelig antall biter for å teste et system

GUI programmering

Å ha en MATLAB-kode fri for feilsøking og fungere riktig for å produsere korrekte resultater er en stor prestasjon. Et sett med nøkkelparametere i et simuleringsprosjekt styrer imidlertid. Av denne grunn og mer gis det en ekstra forelesning om "Graphical User Interface (GUI) Programming" for å bringe kontrollen over ulike deler av simuleringsprosjektet ditt på hånden din tipser i stedet for å dykke i en lang kildekode full av kommandoer. I tillegg hjelper det å ha MATLAB-koden maskert med en GUI å presentere arbeidet ditt på en måte som gjør det lettere å kombinere flere resultater i ett hovedvindu og gjør det enklere å sammenligne data.

1. Hva er en MATLAB GUI 2. Struktur av MATLAB GUI-funksjonsfil 3. Hoved GUI-komponenter (viktige egenskaper og verdier) 4. Lokale og globale variabler

Merk: Emnene som dekkes på hvert nivå i dette kurset inkluderer, men ikke begrenset til, de som er oppgitt på hvert nivå. Dessuten kan elementene i hver enkelt forelesning endres avhengig av elevenes behov og deres forskningsinteresser.