Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata) Träningskurs

• Kursens mål
Efter avslutad kurs ska studenten kunna angripa många av de för närvarande öppna forskningsproblemen inom kommunikationsteknik eftersom han/hon bör ha förvärvat minst följande färdigheter:

• Kartlägga och manipulera komplicerade matematiska uttryck som ofta förekommer i kommunikationsteknisk litteratur

• Förmåga att använda de programmeringsmöjligheter som erbjuds av MATLAB för att reproducera simuleringsresultaten från andra artiklar eller åtminstone närma sig dessa resultat.

• Skapa simuleringsmodeller av självföreslagna idéer.

• Använda de förvärvade simuleringsfärdigheterna effektivt i kombination med de kraftfulla MATLAB funktionerna för att designa optimerade MATLAB koder när det gäller kodens körtid samtidigt som minnesutrymmet sparas.

• Identifiera de viktigaste simuleringsparametrarna för ett givet kommunikationssystem, extrahera dem från systemmodellen och studera effekten av dessa parametrar på det aktuella systemets prestanda.

• Kursens upplägg

Materialet som ges i denna kurs är extremt korrelerat. Det rekommenderas inte att en student deltar i en nivå om han/hon inte deltar och djupt förstår dess tidigare nivå för att säkerställa kontinuiteten i den förvärvade kunskapen. Kursen är uppbyggd i tre nivåer som börjar från en introduktion till MATLAB programmering upp till nivån för fullständig systemsimulering enligt följande.

Nivå 1: Communications Matematik med MATLAB
Sessioner 01-06

Efter slutförandet av denna del kommer studenten att kunna utvärdera komplicerade matematiska uttryck och enkelt konstruera de korrekta graferna för olika datarepresentationer såsom tids- och frekvensdomändiagram; BER plottar antennstrålningsmönster... etc.

Grundläggande begrepp

1. Begreppet simulering
2. Betydelsen av simulering inom kommunikationsteknik
3. MATLAB Som en simuleringsmiljö
4. Om matris- och vektorrepresentation av skalära signaler inom kommunikationsmatematik
5. Matrix och vektorrepresentationer av komplexa basbandssignaler i MATLAB

MATLAB Skrivbord

6. Verktygsfält
7. Kommando fönster
8. Arbetsutrymme
9. Kommando historik

Variabel-, vektor- och matrisdeklaration

10. MATLAB Fördefinierade konstanter
11. Användardefinierade variabler
12. Matriser, vektorer och matriser
13. Manuell matrisinmatning
14. Definition av intervall
15. Linjärt rum
16. Logaritmiskt rum
17. Regler för namngivning av variabler

Speciella matriser

18. Ettornas matris
19. Nollställningsmatrisen
20. Matrisen för identitet

Element-vis och matrisvis manipulation

21. Accessing av specifika element
22. Ändra element
23. Selektiv eliminering av element (Matrix trunkering)
24. Lägga till element, vektorer eller matriser (Matrix sammanfogning)
25. Hitta indexet för ett element inuti en vektor eller en matris
26. Matrix Omformning
27. Matrix Trunkering
28. Matrix sammanfogning
29. Vändning från vänster till höger och från höger till vänster

Unära matrisoperatorer

30. Operatorn Summa
31. Operatorn för förväntning
32. Min operatör
33. Max operatör
34. Spåroperatorn
35. Matrix Determinant |.|
36. Matrix Omvänt
37. Matrix Införliva
38. Matrix Hermitesk
39. … etc

Operationer med binär matris

40. Aritmetiska operationer
41. Relationella operationer
42. Logiska operationer

Komplexa tal i MATLAB

43. Komplex basbandsrepresentation av passbandssignaler och RF-uppkonvertering, en matematisk genomgång
44. Bilda komplexa variabler, vektorer och matriser
45. Komplexa exponenter
46. Operatorn för den verkliga delen
47. Den imaginära deloperatören
48. Den konjugerade operatorn (.)*
49. Den absoluta operatorn |.|
50. Argumentet eller fasoperatorn

MATLAB Inbyggda funktioner

51. Vektorer av vektorer och matris av matris
52. Kvadratrotsfunktionen
53. Skyltens funktion
54. Funktionen "avrunda till heltal"
55. Den "närmaste lägre heltalsfunktionen"
56. Den "närmaste övre heltalsfunktionen"
57. Den faktoriella funktionen
58. Logaritmiska funktioner (exp, ln, log10, log2)
59. Trigonometriska funktioner
60. Hyperboliska funktioner
61. Funktionen Q(.)
62. Funktionen erfc(.)
63. Bessel funktioner Jo (.)
64. Funktionen Gamma
65. Diff, mod kommandon

Polynom i MATLAB

66. Polynom i MATLAB
67. Rationella funktioner
68. Polynomderivator
69. Polynom integration
70. Multiplikation av polynom

Linjära skaldiagram

71. Visuella representationer av kontinuerliga tidskontinuerliga amplitudsignaler
72. Visuella representationer av trapphus approximerade signaler
73. Visuella representationer av diskret tid – diskreta amplitudsignaler

Diagram på logaritmisk skala

74. dB-decennium tomter (BER)
75. decennium-dB-diagram (Bode-diagram, frekvenssvar, signalspektrum)
76. decennium-decennium tomter
77. dB-linjära diagram

Polära diagram i 2D
78. (strålningsmönster för plan antenn)

3D-diagram

79. 3D strålningsmönster
80. Kartesiska parametriska diagram

Valfritt avsnitt (ges på begäran av eleverna)

81. Symbolisk differentiering och numerisk differentiering i MATLAB
82. Symbolisk och numerisk integration i MATLAB
83. MATLAB Hjälp och dokumentation

MATLAB Filer

84. MATLAB skriptfiler
85. MATLAB Funktionsfiler
86. MATLAB Filer med uppgifter
87. Lokala och globala variabler

Loopar, villkor, flödeskontroll och beslutsfattande i MATLAB

88. För slutslingan
89. Slutet av medan
90. Villkoret om slut
91. Villkoren för om annat slut
92. Uttalandet om switchens slut
93. Iterationer, konvergerande fel, flerdimensionella summaoperatorer

Kommandon för visning av in- och utdata

94. Kommandot input(' ')
95. Disp, kommando
96. fprintf, kommando
97. Meddelanderuta msgbox

Nivå 2: Signal- och systemdrift (24 timmar)
Sessioner 07-14

De huvudsakliga målen för denna del är följande

• Generera slumpmässiga testsignaler som är nödvändiga för att testa prestanda hos olika kommunikationssystem

• Integrera många elementära signaloperationer kan integreras för att implementera en enda kommunikationsbehandlingsfunktion som kodare, randomiserare, interleavers, spridningskodgeneratorer ... etc. vid sändaren samt deras motsvarigheter vid mottagningsterminalen.

• Koppla ihop dessa block på rätt sätt för att uppnå en kommunikationsfunktion

• Simulering av deterministiska, statistiska och semi-slumpmässiga inomhus- och utomhusmodeller för smalbandskanaler

Generering av testsignaler för kommunikation

98. Generering av en slumpmässig binär sekvens
99. Generering av ett slumpmässigt heltal Sekvenser
100. Importera och läsa textfiler
101. Läsning och uppspelning av ljudfiler
102. Importera och exportera bilder
103. Bild som en 3D-matris
104. Omvandling av RGB till gråskala
105. Seriell bitström av en 2D-gråskalebild
106. Sub-framing av bildsignaler och rekonstruktion

Signalkonditionering och manipulering

107. Amplitudskalning (förstärkning, dämpning, amplitudnormalisering... och så vidare.)
108. Förskjutning av DC-nivå
109. Tidsskalning (tidskomprimering, sällsynthet)
110. Tidsförskjutning (tidsfördröjning, tidsförskott, vänster och höger cirkulär tidsförskjutning)
111. Mätning av signalenergin
112. Normalisering av energi och effekt
113. Skalering av energi och effekt
114. Seriell-till-parallell och parallell-till-seriell konvertering
115. Multiplexering och de-multiplexering

Digitalisering av analoga signaler

116. Sampling i tidsdomänen av kontinuerliga tidsbasbandssignaler i MATLAB
117. Amplitudkvantisering av analoga signaler
118. PCM-kodning av kvantiserade analoga signaler
119. Konvertering från decimal till binär och binär till decimal
120. Formning av puls
121. Beräkning av lämplig pulsbredd
122. Val av antal prover per puls

123. Faltning med hjälp av kommandona conv och filter
124. Autokorrelation och korskorrelation av tidsbegränsade signaler
125. Operationerna Fast Fourier Transform (FFT) och IFFT
126. Visa ett basbandssignalspektrum
127. Effekten av samplingsfrekvens och rätt frekvensfönster
128. Förhållandet mellan faltning, korrelation och FFT-operationerna
129. Filtrering av frekvensdomän, endast lågpassfiltrering

Hjälpfunktioner Communications

130. Randomiserare och avrandomiserare
131. Punktörer och punkterare
132. Kodare och avkodare
133. Mellanläggare och avförmedlare

Modulatorer och demodulatorer

134. Moduleringsscheman för digitalt basband i MATLAB
135. Visuell representation av digitalt modulerade signaler

Kanalmodellering och simulering

136. Mathematical Modellering av kanaleffekten på den överförda signalen

• Tillägg – additiva vita Gaussiska bruskanaler (AWGN)
• Multiplikation i tidsdomänen – långsamma blekande kanaler, Dopplerförskjutning i fordonskanaler
• Multiplikation av frekvensdomänen – frekvensselektiva blekningskanaler
• Faltning i tidsdomänen – kanalimpulssvar

Exempel på deterministiska kanalmodeller

137. Förlust av ledigt utrymme, sökväg och miljöberoende sökväg
138. Periodiska blockeringskanaler

Statistisk karakterisering av vanliga stationära och kvasistationära flervägsfädningskanaler

139. Generering av en jämnt fördelad RV
140. Generering av en reellt värderad Gaussisk distribuerad RV
141. Generering av en komplex Gaussisk distribuerad RV
142. Generering av en Rayleigh distribuerad RV
143. Generering av en Ricean distribuerad RV
144. Generering av en lognormalt distribuerad RV
145. Generering av en godtyckligt distribuerad RV
146. Approximation av en okänd sannolikhetstäthetsfunktion (PDF) för en RV med ett histogram
147. Numerisk beräkning av den kumulativa fördelningsfunktionen (CDF) för en RV
148. Verkliga och komplexa additiva kanaler för vitt gaussiskt brus (AWGN)

Kanalkarakterisering genom dess effektfördröjningsprofil

149. Kanalkarakterisering genom dess effektfördröjningsprofil
150. Effektnormalisering av PDP
151. Extrahera kanalimpulssvaret från PDP
152. Provtagning av kanalens impulssvar genom en godtycklig samplingsfrekvens, felmatchad sampling och fördröjd kvantisering
153. Problemet med missanpassad sampling av kanalimpulssvaret för smalbandskanaler
154. Provtagning av en PDP genom en godtycklig samplingsfrekvens och kompensation för fraktionerad fördröjning.
155. Implementering av flera IEEE standardiserade inomhus- och utomhuskanalmodeller
156. (KOSTNAD - SUI - Ultra Wide Band Channel Modeller... och så vidare.)

Nivå 3: Simulering på länknivå av praktiska kommunikationssystem (30 timmar)
Sessioner 15-24

Denna del av kursen behandlar den viktigaste frågan för forskarstuderande, det vill säga hur man reproducerar simuleringsresultaten från andra publicerade artiklar genom simulering.

Bitfelsfrekvensprestanda för digitala moduleringsscheman för basband

1. Prestandajämförelse av olika basbands digitala modulationsscheman i AWGN-kanaler (Omfattande jämförande studie via simulering för att verifiera teoretiska uttryck); spridningsdiagram, bitfelsfrekvens

2. Prestandajämförelse av olika basbands digitala modulationsscheman i olika stationära och kvasistationära fadingkanaler; spridningsdiagram, bitfelsfrekvens (Omfattande jämförande studie via simulering för att verifiera teoretiska uttryck)

3. Inverkan av dopplerskiftkanaler på prestandan för basbands digitala moduleringsscheman; spridningsdiagram, bitfelsfrekvens

Helikopter-till-satellit Communications

4. Artikel (1): Lågkostnadssystem för röst- och datasystem i realtid för flygtekniska mobila satellittjänster (AMSS) – Problemformulering och analys
5. Artikel (2): Pre-Detection Time Diversity Combined with Accurate AFC for Helicopter Satellite Communication – Den första föreslagna lösningen
6. Artikel (3): An Adaptive Modulation Scheme for Helicopter-Satellite Communications – A performance improvement approach

Simulering av spridningsspektrumsystem

1. Typisk arkitektur för spridningsspektrumbaserade system
2. System baserade på direktsekvensspridning av spektrum
3. Pseudo-slumpmässiga binära sekvensgeneratorer (PBRS)
• Generering av sekvenser med maximal längd
• Generering av guldkoder
• Generering av Walsh-koder

4. Tidshoppande spridningsspektrumbaserade system
5. Bitfelsfrekvens: Prestanda för spridningsspektrumbaserade system i AWGN-kanaler
• Inverkan av kodningshastigheten r på BER-prestanda
• Inverkan av kodlängden på BER-prestanda

6. Bitfelsfrekvens: Prestanda för spridningsspektrumbaserade system i flervägs långsamma Rayleigh-fadingkanaler med noll dopplerskift
7. Prestandaanalys av bitfelsfrekvens för spridningsspektrumbaserade system i miljöer med hög mobilitet
8. Analys av bitfelsfrekvensprestanda för spridningsspektrumbaserade system i närvaro av störningar från flera användare
9. RGB-bildöverföring över spridningsspektrumsystem
10. Optiska CDMA-system (OCDMA)
• Optiska ortogonala koder (OOC)
• Prestandagränser för OCDMA-system; bitfelsfrekvensprestanda för synkrona och asynkrona OCDMA-system

SS-system med ultrabrett band

OFDM-baserade system

11. Implementering av OFDM-system med hjälp av Fast Fourier Transform
12. Typisk arkitektur för OFDM-baserade system
13. Bitfelsfrekvensprestanda för OFDM-system i AWGN-kanaler
• Inverkan av kodningshastigheten r på BER-prestanda
• Inverkan av det cykliska prefixet på BER-prestanda
• Inverkan av FFT-storleken och mellanbandet mellan bärvågorna på BER-prestandan

14. Bitfelsfrekvensprestanda för OFDM-system i flervägs långsamma Rayleigh-fadingkanaler med noll dopplerskift
15. Bitfelsfrekvensprestanda för OFDM-system i flervägs långsamma Rayleigh-blekningskanaler med CFO
16. Kanaluppskattning i OFDM-system
17. Utjämning av frekvensdomäner i OFDM-system
• Noll tvingande equalizer
• MMSE-utjämnare
18. Andra vanliga prestandamått i OFDM-baserade system (topp-till-genomsnittligt effektförhållande, bärvågs-till-interferensförhållande... och så vidare.)
19. Prestandaanalys av OFDM-baserade system i fädningsmiljöer med hög mobilitet (som ett simuleringsprojekt bestående av tre artiklar)
20. Papper (1): Störningsbegränsning mellan bärvågor
21. Papper (2): MIMO-OFDM-system

Optimering av ett MATLAB simuleringsprojekt

Syftet med denna del är att lära sig hur man bygger och optimerar ett MATLAB simuleringsprojekt för att förenkla och organisera den övergripande simuleringsprocessen. Dessutom beaktas minnesutrymme och bearbetningshastighet för att undvika problem med minnesspill i begränsade lagringssystem eller långa körtider som uppstår på grund av långsam bearbetning.

1. Typisk struktur för ett simuleringsprojekt i liten skala
2. Extrahering av simuleringsparametrar och teoretisk till simuleringsmappning
3. Att bygga ett simuleringsprojekt
4. Monte Carlo Simuleringsteknik
5. En typisk procedur för att testa ett simuleringsprojekt
6. Tekniker för minnesutrymme Management och simuleringstidsreduktion
• Simulering av basband kontra passband
• Beräkning av tillräcklig pulsbredd för trunkerade godtyckliga pulsformer
• Beräkning av tillräckligt antal prover per symbol
• Beräkning av nödvändigt och tillräckligt antal bitar för att testa ett system

GUI-programmering

Att ha en MATLAB kod fri från felsökningar och arbeta korrekt för att ge korrekta resultat är en stor prestation. Av denna anledning och mer därtill ges en extra föreläsning om "Graphical User Interface (GUI) Programming" för att få kontroll över olika delar av ditt simuleringsprojekt till hands snarare än att dyka ner i en lång källkod full av kommandon. Att ha din MATLAB kod maskerad med ett GUI hjälper dessutom till att presentera ditt arbete på ett sätt som underlättar att kombinera flera resultat i ett huvudfönster och gör det lättare att jämföra data.

1. Vad är ett MATLAB GUI
2. Struktur för MATLAB GUI-funktionsfil
3. Huvudsakliga GUI-komponenter (viktiga egenskaper och värden)
4. Lokala och globala variabler

Notera: Ämnena som behandlas på varje nivå i denna kurs inkluderar, men är inte begränsade till, de som anges på varje nivå. Dessutom kan objekten för varje enskild föreläsning ändras beroende på elevernas behov och deras forskningsintressen.