Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB Träningskurs

• Resultat av denna kurs Efter avslutad kurs ska studenten kunna angripa många av de för närvarande öppna forskningsproblemen inom området kommunikationsteknik då han/hon bör ha förvärvat åtminstone följande färdigheter:

• Kartlägga och manipulera komplicerade matematiska uttryck som förekommer ofta i kommunikationsteknisk litteratur • Förmåga att använda programmeringsmöjligheterna som erbjuds av MATLAB för att reproducera simuleringsresultaten från andra artiklar eller åtminstone närma sig dessa resultat.

• Skapa simuleringsmodeller av självförslagna idéer.

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

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

• Kursens struktur

Materialet som ges i denna kurs är extremt korrelerat. Det rekommenderas inte att en student går på en nivå såvida han/hon inte går och djupt förstår dess tidigare nivå för att säkerställa kontinuiteten i de förvärvade kunskaperna. Kursen är uppbyggd i tre nivåer från en introduktion till MATLAB programmering upp till nivån för komplett systemsimulering enligt följande.

Nivå 1: Kommunikationsmatematik med MATLAB pass 01-06

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

Fundamentala koncept

1. Simuleringsbegreppet 2. Simuleringens betydelse inom kommunikationsteknik 3. MATLAB som simuleringsmiljö 4. Om matris- och vektorrepresentation av skalära signaler i kommunikationsmatematik 5. Matrix och vektorrepresentationer av komplexa basbandssignaler i MATLAB

MATLAB Desktop

6. Verktygsfält 7. Kommandofönster 8. Arbetsyta 9. Kommandohistorik

Variabel-, vektor- och matrisdeklaration

10. MATLAB fördefinierade konstanter 11. Användardefinierade variabler 12. Matriser, vektorer och matriser 13. Manuell matrisinmatning 14. Intervalldefinition 15. Linjärt utrymme 16. Logaritmiskt utrymme 17. Variablenamnsregler

Specialmatriser

18. Etalmatrisen 19. Nollmatrisen 20. Identitetsmatrisen

Element-vis och matris-vis manipulation

21. Åtkomst till specifika element 22. Modifiera element 23. Selektiv eliminering av element (Matrix trunkering) 24. Lägga till element, vektorer eller matriser (Matrix sammanlänkning) 25. Hitta indexet för ett element inuti en vektor eller en matris 26 Matrix omformning 27. Matrix trunkering 28. Matrix sammanlänkning 29. Vänster till höger och höger till vänster vändning

Unära matrisoperatorer

30. Summaoperatorn 31. Förväntningsoperatorn 32. Minoperator 33. Maxoperator 34. Spårningsoperatorn 35. Matrix determinant |.| 36. Matrix invers 37. Matrix transponera 38. Matrix Hermitian 39. …etc

Binära matrisoperationer

40. Aritmetiska operationer 41. Relationsoperationer 42. Logiska operationer

Komplexa tal i MATLAB

43. Komplex basbandsrepresentation av passbandssignaler och RF-uppkonvertering, en matematisk översikt 44. Formning av komplexa variabler, vektorer och matriser 45. Komplexa exponentialer 46. Den reella deloperatorn 47. Den imaginära deloperatorn 48. Den konjugerade operatorn (.) * 49. Den absoluta operatorn |.| 50. Argumentet eller fasoperatorn

MATLAB inbyggda funktioner

51. Vektorer av vektorer och matris matris 52. Kvadratrotsfunktionen 53. Teckenfunktionen 54. Funktionen "runda till heltal" 55. "närmaste nedre heltalsfunktionen" 56. "närmaste övre heltalsfunktionen" 57. Den faktoriell funktion 58. Logaritmiska funktioner (exp, ln,log10,log2) 59. Trigonometriska funktioner 60. Hyperboliska funktioner 61. Q(.)-funktionen 62. Erfc(.)-funktionen 63. Bessel-funktioner Jo (.) 64. Den Gammafunktion 65. Diff, mod-kommandon

Polynom i MATLAB

66. Polynom i MATLAB 67. Rationella funktioner 68. Polynomderivator 69. Polynomintegration 70. Polynommultiplikation

Linjär skala plots

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

Logaritmisk skala plots 74. dB-dekad plots (BER) 75. decade-dB plots (Bode plots, frekvenssvar, signalspektrum) 76. decade-decade plots 77. dB-linjära plots

2D Polar plots 78. (planära antennstrålningsmönster)

3D-plottar

79. 3D-strålningsmönster 80. Kartesiska parametriska diagram

Valfritt avsnitt (givet på begäran av eleverna)

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

MATLAB filer

84. MATLAB skriptfiler 85. MATLAB funktionsfiler 86. MATLAB datafiler 87. Lokala och globala variabler

Slingor, villkorsflödeskontroll och beslutsfattande 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. Iterationer, konvergerande fel, multidimensionella summaoperatorer

In- och utmatningskommandon

94. Kommandot input(' ') 95. disp-kommando 96. fprintf-kommando 97. Meddelandefält msgbox

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

Huvudmålen 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 kommunikationsbearbetningsfunktion såsom kodare, randomiserare, interfolierare, spridningskodgeneratorer ... etc. vid sändaren samt deras motsvarigheter vid den mottagande terminalen.

• Sammankoppla dessa block ordentligt för att uppnå en kommunikationsfunktion

• Simulering av deterministiska, statistiska och semislumpmässiga smalbandskanalmodeller inomhus och utomhus

Generering av kommunikationstestsignaler

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

Signalkonditionering och manipulation

107. Amplitudskalning (förstärkning, dämpning, amplitudnormalisering...etc.) 108. DC-nivåförskjutning 109. Tidsskalning (tidskompression, sällsynthet) 110. Tidsförskjutning (tidsfördröjning, tidsförskjutning, vänster och höger cirkulär tidsförskjutning) 111. Mätning av signalenergin 112. Energi- och effektnormalisering 113. Energi- och effektskalning 114. Seriell-till-parallell och parallell-till-seriell omvandling 115. Multiplexering och demultiplexering

Digitalisering av analoga signaler

116. Tidsdomänsampling av kontinuerliga tidsbasbandssignaler i MATLAB 117. Amplitudkvantisering av analoga signaler 118. PCM-kodning av kvantiserade analoga signaler 119. Decimal-till-binär och binär-till-decimal omvandling 120. Pulsformning 121. av den adekvata pulsbredden 122. Val av antalet sampel per puls

123. Konvolution med användning av konv och filterkommandon 124. Autokorrelationen och korskorrelationen av tidsbegränsade signaler 125. Fast Fourier Transform (FFT) och IFFT operationer 126. Titta på ett basbandssignalspektrum 127. Effekt av samplingshastighet och rätt frekvens fönster 128. Relation mellan faltningen, korrelationen och FFT-operationerna 129. Frekvensdomänfiltrering, endast lågpassfiltrering

Hjälpfunktioner Communication

130. Randomizers and de-randomizers 131. Puncturers and de-puncturers 132. Encoders and decoders 133. Interleavers and de-interleavers

Modulatorer och demodulatorer

134. Digitala basbandsmodulationsscheman i MATLAB 135. Visuell representation av digitalt modulerade signaler

Kanalmodellering och simulering

136. Mathematical modellering av kanaleffekten på den sända signalen

• Addition – additiv vit Gaussisk brus (AWGN)-kanaler • Tidsdomänmultiplikation – långsam fädningskanaler, dopplerförskjutning i fordonskanaler • Frekvensdomänmultiplikation – frekvensselektiva fädningskanaler • Tidsdomänfalsning – kanalimpulssvar

Exempel på deterministiska kanalmodeller

137. Vägförlust för fritt utrymme och miljöberoende vägförlust 138. Periodiska blockeringskanaler

Statistisk karaktärisering av vanliga stationära och kvasistationära flervägsfadingkanaler

139. Generering av en enhetligt 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 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. Verklig och komplex additiv vit Gaussian brus (AWGN) kanaler

Kanalkarakterisering av dess Power Delay-profil

149. Kanalkarakterisering genom dess effektfördröjningsprofil 150. Effektnormalisering av PDP:n 151. Extrahera kanalimpulssvaret från PDP:n 152. Sampling av kanalimpulssvaret med en godtycklig samplingshastighet, felaktig sampling och fördröjningskvantisering 153. Problemet med felmatchning sampling av kanalimpulssvaret för smalbandskanaler 154. Sampling av en PDP med en godtycklig samplingsfrekvens och fraktionerad fördröjningskompensation 155. Implementering av flera IEEE-standardiserade inomhus- och utomhuskanalmodeller 156. (COST – SUI - Ultra Wide Band Channel Models...etc .)

Nivå 3: Länknivåsimulering av praktisk komm. System (30 timmar) Sessioner 15-24

Denna del av kursen handlar om den viktigaste frågan för forskarstuderande, det vill säga hur man genom simulering kan återproducera simuleringsresultaten från andra publicerade artiklar.

Bitfelfrekvensprestanda för basbands digitala moduleringsscheman

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

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

3. Inverkan av Doppler-skiftkanaler på prestandan hos digitala basbandsmodulationsscheman; spridningsdiagram, bitfelsfrekvens

Helikopter-till-satellit Communications

4. Papper (1): Lågkostnad realtidsröst- och datasystem för Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS) – Problembeskrivning och analys 5. Papper (2): Pre-detection Time Diversity Combinate with Excurate AFC for Helikopter Satellite [ 1]s – Den första föreslagna lösningen 6. Paper (3): An Adaptive Modulation Scheme for Helicopter-Satelite Communications – A performance improvement approach

Simulering av spridningsspektrumsystem

1. Typisk arkitektur för bandspridningsbaserade system 2. Direktsekvens-bandspridningsbaserade system 3. Pseudo-slumpmässiga binära sekvenser (PBRS)-generatorer • Generering av sekvenser med maximal längd • Generering av guldkoder • Generering av Walsh-koder

4. Tidshoppande bandspridningsbaserade system 5. Bitfelfrekvens Prestanda för bandspridningsbaserade system i AWGN-kanaler • Inverkan av kodningshastighet r på BER-prestandan • Kodens inverkan på BER-prestandan

6. Bitfelfrekvensprestanda för spridningsspektrumbaserade system i flervägs långsamma Rayleigh-fadingkanaler med noll dopplerskifte 7. Bitfelfrekvensprestandaanalys av spridningsspektrumbaserade system i fädningsmiljöer med hög mobilitet 8. Bitfelfrekvensprestandaanalys av spridningsspektrumbaserade system i närvaro av fleranvändarstörningar 9. RGB-bildöverföring över spridningsspektrumsystem 10. Optiska CDMA-system (OCDMA) • Optiska ortogonala koder (OOC) • Prestandagränser för OCDMA-system; prestanda för bitfelsfrekvens för synkrona och asynkrona OCDMA-system

Ultrabredband SS-system

OFDM-baserade system

11. Implementering av OFDM-system med snabb Fourier-transform 12. Typisk arkitektur för OFDM-baserade system 13. Bitfelhastighetsprestanda för OFDM-system i AWGN-kanaler • Inverkan av kodningshastighet r på BER-prestandan • Inverkan av det cykliska prefixet på BER prestanda • Inverkan av FFT-storleken och underbärvågsavståndet på BER-prestandan

14. Bitfelhastighetsprestanda för OFDM-system i långsamma Rayleigh-fadingkanaler med flera vägar med noll dopplerskifte 15. Bitfelfrekvensprestanda för OFDM-system i långsamma Rayleigh-fadingkanaler med flera vägar med CFO 16. Kanaluppskattning i OFDM-system 17. Frekvensdomänutjämning i OFDM System • Zero Forcing Equalizer • MMSE Equalizers 18. Andra vanliga prestandamått i OFDM-baserade system (Peak – to – Average Power Ratio, Carrier – to – Interference Ratio... etc.) 19. Prestandaanalys av OFDM-baserade system i högmobilitetsfading-miljöer (som ett simuleringsprojekt bestående av tre papper) 20. Papper (1): Interferensreducering mellan bärare 21. Papper (2): MIMO-OFDM Systems

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 även 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 småskaliga simuleringsprojekt 2. Extraktion av simuleringsparametrar och teoretisk till simuleringsmappning 3. Bygga ett simuleringsprojekt 4. Monte Carlo-simuleringsteknik 5. En typisk procedur för att testa ett simuleringsprojekt 6. Minnesutrymme Management och simuleringstidsreduktionstekniker • Basband vs. passbandsimulering • Beräkning av den adekvata pulsbredden för trunkerade godtyckliga pulsformer • Beräkning av det adekvata antalet sampel per symbol • Beräkning av det nödvändiga och tillräckliga antalet bitar för att testa ett system

GUI-programmering

Att ha en MATLAB-kod fri från felsökningar och fungera korrekt för att producera korrekta resultat är en stor prestation. En uppsättning nyckelparametrar i ett simuleringsprojekt styr dock. Av denna anledning och mer ges en extra föreläsning om "Graphical User Interface (GUI) Programming" för att få kontrollen över olika delar av ditt simuleringsprojekt på dina hand tips snarare än att dyka i en lång källkoder full av kommandon. Dessutom, att ha din MATLAB-kod maskerad med ett GUI hjälper till att presentera ditt arbete på ett sätt som underlättar 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. Huvudkomponenter för GUI (viktiga egenskaper och värden) 4. Lokala och globala variabler

Obs: Ämnena som tas upp på varje nivå i denna kurs inkluderar, men inte begränsat till, de som anges på varje nivå. Dessutom kan föremålen för varje enskild föreläsning ändras beroende på elevernas behov och deras forskningsintressen.