Vezeték nélküli kommunikációs rendszerek szimulációja MATLAB segítségével (Dr. Shehata) Képzés

• A kurzus eredményei
A kurzus elvégzése után a hallgató képes lesz számos jelenleg nyitott kutatási problémát megközelíteni a kommunikációs mérnöki területen, mivel legalább a következő készségeket sajátítja el:

• Térképezni és kezelni a kommunikációs mérnöki irodalomban gyakran előforduló bonyolult matematikai kifejezéseket

• Képes lesz a MATLAB által kínált programozási képességeket felhasználni más publikációk szimulációs eredményeinek reprodukálására vagy legalább ezekhez közelítő eredmények elérésére.

• Önállóan javasolt ötletek szimulációs modelljeinek létrehozása.

• A megszerzett szimulációs készségek hatékony alkalmazása a MATLAB hatékony képességeivel összhangban, hogy optimalizált MATLAB kódokat tervezzen a kód futási ideje szempontjából, miközben a memóriaterületet is spórolja.

• Az adott kommunikációs rendszerek kulcsfontosságú szimulációs paramétereinek azonosítása, kinyerése a rendszermodellből és ezen paraméterek hatásának tanulmányozása a vizsgált rendszer teljesítményére.

• Kurzus szerkezete

A kurzusban bemutatott anyag erősen összefügg. Nem ajánlott, hogy egy hallgató egy szintet látogasson, hacsak nem látogatta és mélyrehatóan megértette az azt megelőző szintet, hogy biztosítsa a megszerzett tudás folytonosságát. A kurzus három szintre van felépítve, kezdve a MATLAB programozás bevezetésétől egészen a teljes rendszerszimuláció szintjéig a következőképpen.

1. szint: Kommunikációs matematika MATLAB-ban
01-06. ülések

Ennek a résznek az elvégzése után a hallgató képes lesz bonyolult matematikai kifejezéseket kiértékelni és könnyen megfelelő grafikonokat készíteni különböző adatreprezentációkhoz, mint például idő- és frekvenciatartománybeli ábrák; BER ábrák, antenna sugárzási mintázatok stb.

Alapfogalmak

1. A szimuláció fogalma
2. A szimuláció jelentősége a kommunikációs mérnöki területen
3. A MATLAB mint szimulációs környezet
4. A skalárjelek mátrix- és vektorreprezentációja a kommunikációs matematikában
5. Komplex alapjelű jelek mátrix- és vektorreprezentációja MATLAB-ban

MATLAB asztal

6. Eszköztár
7. Parancsablak
8. Munkaterület
9. Parancs előzmények

Változó, vektor és mátrix deklaráció

10. MATLAB előre definiált konstansok
11. Felhasználó által definiált változók
12. Tömbök, vektorok és mátrixok
13. Kézi mátrix bevitele
14. Intervallum definiálása
15. Lineáris tér
16. Logaritmikus tér
17. Változónevezési szabályok

Speciális mátrixok

18. Az egyesek mátrixa
19. A nullák mátrixa
20. Az identitásmátrix

Elemközi és mátrixközi manipuláció

21. Egyedi elemek elérése
22. Elemek módosítása
23. Elemek szelektív eltávolítása (Mátrix csonkítás)
24. Elemek, vektorok vagy mátrixok hozzáadása (Mátrix konkatenáció)
25. Egy elem indexének megtalálása egy vektorban vagy mátrixban
26. Mátrix átalakítás
27. Mátrix csonkítás
28. Mátrix konkatenáció
29. Balról jobbra és jobbról balra történő megfordítás

Unáris mátrix operátorok

30. Az összeg operátor
31. A várható érték operátor
32. Min operátor
33. Max operátor
34. A nyom operátor
35. Mátrix determináns |.|
36. Mátrix inverz
37. Mátrix transzponált
38. Mátrix hermitikus
39. …stb

Bináris mátrix műveletek

40. Aritmetikai műveletek
41. Relációs műveletek
42. Logikai műveletek

Komplex számok MATLAB-ban

43. Komplex alapjelű jelek reprezentációja és RF felkonvertálás, matematikai áttekintés
44. Komplex változók, vektorok és mátrixok kialakítása
45. Komplex exponenciálisok
46. A valós rész operátor
47. A képzetes rész operátor
48. A konjugált operátor (.)*
49. Az abszolút érték operátor |.|
50. Az argumentum vagy fázis operátor

MATLAB beépített függvények

51. Vektorok vektora és mátrixok mátrixa
52. A négyzetgyök függvény
53. Az előjel függvény
54. Az "egészre kerekítés" függvény
55. A "legközelebbi alsó egész" függvény
56. A "legközelebbi felső egész" függvény
57. A faktoriális függvény
58. Logaritmikus függvények (exp, ln, log10, log2)
59. Trigonometrikus függvények
60. Hiperbolikus függvények
61. A Q(.) függvény
62. Az erfc(.) függvény
63. Bessel-függvények Jo (.)
64. A Gamma függvény
65. Diff, mod parancsok

Polinomok MATLAB-ban

66. Polinomok MATLAB-ban
67. Racionális függvények
68. Polinom deriváltak
69. Polinom integrálás
70. Polinom szorzás

Lineáris skálázású ábrák

71. Folyamatos idő-folyamatos amplitúdójú jelek vizuális reprezentációja
72. Lépcsős közelítésű jelek vizuális reprezentációja
73. Diszkrét idő – diszkrét amplitúdójú jelek vizuális reprezentációja

Logaritmikus skálázású ábrák

74. dB-decád ábrák (BER)
75. decád-dB ábrák (Bode ábrák, frekvenciaválasz, jel spektrum)
76. decád-decád ábrák
77. dB-lineáris ábrák

2D poláris ábrák
78. (síkbeli antenna sugárzási mintázatok)

3D ábrák

79. 3D sugárzási mintázatok
80. Karteziánus paraméteres ábrák

Opcionális szakasz (a tanulók igénye alapján)

81. Szimbolikus differenciálás és numerikus differenciálás MATLAB-ban
82. Szimbolikus és numerikus integrálás MATLAB-ban
83. MATLAB súgó és dokumentáció

MATLAB fájlok

84. MATLAB szkript fájlok
85. MATLAB függvény fájlok
86. MATLAB adatfájjlok
87. Lokális és globális változók

Ciklusok, feltételek, folyamatvezérlés és döntéshozatal MATLAB-ban

88. A for end ciklus
89. A while end ciklus
90. Az if end feltétel
91. Az if else end feltételek
92. A switch case end állítás
93. Iterációk, konvergáló hibák, többdimenziós összeg operátorok

Bemenet és kimenet megjelenítési parancsok

94. Az input(' ') parancs
95. A disp parancs
96. Az fprintf parancs
97. Üzenetdoboz msgbox

2. szint: Jelek és rendszerek műveletei (24 óra)
07-14. ülések

Ennek a résznek a fő céljai a következők

• Véletlenszerű tesztjelek generálása, amelyek szükségesek a különböző kommunikációs rendszerek teljesítményének teszteléséhez

• Számos elemi jelművelet integrálása egyetlen kommunikációs feldolgozási függvény megvalósításához, mint például kódolók, randomizálók, interleaverek, terjedési kód generátorok stb. a vevőoldalon is.

• Ezek a blokkok megfelelő összekapcsolása egy kommunikációs funkció eléréséhez

• Determinisztikus, statisztikai és félig véletlenszerű beltéri és kültéri szűk sávú csatornamodellek szimulációja

Kommunikációs tesztjelek generálása

98. Véletlenszerű bináris sorozat generálása
99. Véletlenszerű egész számú sorozatok generálása
100. Szöveges fájlok importálása és olvasása
101. Hangfájlok olvasása és lejátszása
102. Képek importálása és exportálása
103. Kép mint 3D mátrix
104. RGB-ből szürkeárnyalatos átalakítás
105. 2D szürkeárnyalatos kép soros bitfolyama
106. Képjelek alkeretezése és rekonstrukció

Jelfeldolgozás és manipuláció

107. Amplitúdó skálázás (erősítés, csillapítás, amplitúdó normalizálás stb.)
108. DC szinteltolás
109. Idő skálázás (időtömörítés, ritkítás)
110. Időeltolás (időkésleltetés, időelőrehozás, bal és jobb körkörös időeltolás)
111. A jel energia mérése
112. Energia és teljesítmény normalizálása
113. Energia és teljesítmény skálázása
114. Soros-párhuzamos és párhuzamos-soros átalakítás
115. Multiplexelés és demultiplexelés

Analóg jelek digitalizálása

116. Folyamatos idejű alapjel időtartománybeli mintavétele MATLAB-ban
117. Analóg jelek amplitúdó kvantálása
118. Kvantált analóg jelek PCM kódolása
119. Decimális-bináris és bináris-decimális átalakítás
120. Impulzusformálás
121. A megfelelő impulzusszélesség kiszámítása
122. Az impulzusonkénti minták számának kiválasztása

123. Konvolúció a conv és filter parancsok használatával
124. Az időkorlátos jelek autokorrelációja és keresztkorrelációja
125. A Gyors Fourier Transzformáció (FFT) és IFFT műveletek
126. Alapjel spektrumának megtekintése
127. A mintavételi ráta és a megfelelő frekvenciaablak hatása
128. A konvolúció, korreláció és FFT műveletek közötti kapcsolat
129. Frekvenciatartománybeli szűrés, csak aluláteresztő szűrés

Segéd kommunikációs függvények

130. Randomizálók és de-randomizálók
131. Puncturer és de-puncturer
132. Kódolók és dekódolók
133. Interleaver és de-interleaver

Modulátorok és demodulátorok

134. Digitális alapjelű modulációs sémák MATLAB-ban
135. Digitálisan modulált jelek vizuális reprezentációja

Csatornamodellezés és szimuláció

136. A csatorna hatásának matematikai modellezése a továbbított jelre

• Összeadás – additív fehér Gauss-zaj (AWGN) csatornák
• Időtartománybeli szorzás – lassú csillapítású csatornák, Doppler-effektus járműcsatornákban
• Frekvenciatartománybeli szorzás – frekvencia szelektív csillapítású csatornák
• Időtartománybeli konvolúció – csatorna impulzusválasz

Determinisztikus csatornamodellek példái

137. Szabad térbeli úthozam és környezetfüggő úthozam
138. Periodikus blokkolási csatornák

Gyakori stacionárius és kvázistacionárius többutas csillapítású csatornák statisztikai jellemzése

139. Egyenletes eloszlású valószínűségi változó generálása
140. Valós értékű Gauss-eloszlású valószínűségi változó generálása
141. Komplex Gauss-eloszlású valószínűségi változó generálása
142. Rayleigh-eloszlású valószínűségi változó generálása
143. Rice-eloszlású valószínűségi változó generálása
144. Lognormális eloszlású valószínűségi változó generálása
145. Tetszőleges eloszlású valószínűségi változó generálása
146. Egy ismeretlen valószínűségi sűrűségfüggvény (PDF) közelítése hisztogrammal
147. Egy valószínűségi változó kumulatív eloszlásfüggvényének (CDF) numerikus számítása
148. Valós és komplex additív fehér Gauss-zaj (AWGN) csatornák

Csatorna jellemzése a teljesítménykésleltetési profilja alapján

149. Csatorna jellemzése a teljesítménykésleltetési profilja alapján
150. A PDP teljesítmény normalizálása
151. A csatorna impulzusválaszának kinyerése a PDP-ből
152. A csatorna impulzusválaszának mintavétele tetszőleges mintavételi rátával, nem illeszkedő mintavétel és késleltetés kvantálása
153. A szűk sávú csatornák impulzusválaszának nem illeszkedő mintavételének problémája
154. Egy PDP mintavétele tetszőleges mintavételi rátával és törtrészes késleltetés kompenzálása
155. Több IEEE szabványos beltéri és kültéri csatornamodell implementálása
156. (COST – SUI – Ultra Szélessávú Csatornamodellek stb.)

3. szint: Gyakorlati kommunikációs rendszerek link szintű szimulációja (30 óra)
15-24. ülések

A kurzusnak ez a része a kutatási hallgatók számára legfontosabb kérdéssel foglalkozik, nevezetesen, hogyan lehet más publikációk szimulációs eredményeit reprodukálni szimulációval.

Alapjelű digitális modulációs sémák bit hibaráta teljesítménye

1. Különböző alapjelű digitális modulációs sémák teljesítményének összehasonlítása AWGN csatornákban (Átfogó összehasonlító tanulmány szimulációval a teóriai kifejezések ellenőrzése érdekében); szórási ábrák, bit hibaráta

2. Különböző alapjelű digitális modulációs sémák teljesítményének összehasonlítása különböző stacionárius és kvázistacionárius csillapítású csatornákban; szórási ábrák, bit hibaráta (Átfogó összehasonlító tanulmány szimulációval a teóriai kifejezések ellenőrzése érdekében)

3. A Doppler-effektus csatornák hatása az alapjelű digitális modulációs sémák teljesítményére; szórási ábrák, bit hibaráta

Helikopter-műholdas kommunikáció

4. Cikk (1): Low-Cost Real-Time Voice and Data System for Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS) – Problémafelvetés és elemzés
5. Cikk (2): Pre-Detection Time Diversity Combining with Accurate AFC for Helicopter Satellite Communications – Az első javasolt megoldás
6. Cikk (3): An Adaptive Modulation Scheme for Helicopter-Satellite Communications – Egy teljesítményjavító megközelítés

Terjedési spektrumú rendszerek szimulációja

1. A terjedési spektrumú rendszerek tipikus architektúrája
2. Közvetlen sorozatú terjedési spektrumú rendszerek
3. Pszeudo véletlenszerű bináris sorozat (PBRS) generátorok
• Maximális hosszúságú sorozatok generálása
• Gold kódok generálása
• Walsh kódok generálása

4. Időugrásos terjedési spektrumú rendszerek
5. A terjedési spektrumú rendszerek bit hibaráta teljesítménye AWGN csatornákban
• A kódolási ráta r hatása a BER teljesítményre
• A kód hosszának hatása a BER teljesítményre

6. A terjedési spektrumú rendszerek bit hibaráta teljesítménye többutas lassú Rayleigh-csillapítású csatornákban nulla Doppler-effektussal
7. A terjedési spektrumú rendszerek bit hibaráta teljesítményének elemzése nagy mobilitású csillapítású környezetben
8. A terjedési spektrumú rendszerek bit hibaráta teljesítményének elemzése többfelhasználós interferencia jelenlétében
9. RGB képátvitel terjedési spektrumú rendszereken keresztül
10. Optikai CDMA (OCDMA) rendszerek
• Optikai ortogonális kódok (OOC)
• OCDMA rendszerek teljesítménykorlátai; szinkron és aszinkron OCDMA rendszerek bit hibaráta teljesítménye

Ultra szélessávú SS rendszerek

OFDM alapú rendszerek

11. OFDM rendszerek implementálása a Gyors Fourier Transzformáció segítségével
12. OFDM alapú rendszerek tipikus architektúrája
13. OFDM rendszerek bit hibaráta teljesítménye AWGN csatornákban
• A kódolási ráta r hatása a BER teljesítményre
• A ciklikus prefix hatása a BER teljesítményre
• Az FFT méretének és a alvivőközi távolság hatása a BER teljesítményre

14. OFDM rendszerek bit hibaráta teljesítménye többutas lassú Rayleigh-csillapítású csatornákban nulla Doppler-effektussal
15. OFDM rendszerek bit hibaráta teljesítménye többutas lassú Rayleigh-csillapítású csatornákban CFO-val
16. Csatornabecslés OFDM rendszerekben
17. Frekvenciatartománybeli kiegyenlítés OFDM rendszerekben
• Zero Forcing kiegyenlítő
• MMSE kiegyenlítők
18. Egyéb gyakori teljesítménymutatók OFDM alapú rendszerekben (Csúcs – átlag teljesítmény arány, Vivő – interferencia arány stb.)
19. OFDM alapú rendszerek teljesítményelemzése nagy mobilitású csillapítású környezetben (szimulációs projekt három cikkből)
20. Cikk (1): Intervivő interferencia csökkentése
21. Cikk (2): MIMO-OFDM rendszerek

MATLAB szimulációs projekt optimalizálása

Ennek a résznek a célja, hogy megtanuljuk, hogyan kell felépíteni és optimalizálni egy MATLAB szimulációs projektet, hogy egyszerűsítsük és szervezzük az összes szimulációs folyamatot. Ezenkívül a memóriaterület és a feldolgozási sebesség is figyelembe van véve, hogy elkerüljük a memóriatúlcsordulási problémákat korlátozott tárolórendszerekben vagy a lassú feldolgozásból eredő hosszú futási idők miatt.

1. Egy kis méretű szimulációs projekt tipikus szerkezete
2. Szimulációs paraméterek kinyerése és elméleti-szimulációs leképezés
3. Szimulációs projekt felépítése
4. Monte Carlo szimulációs technika
5. Egy szimulációs projekt tesztelésének tipikus eljárása
6. Memóriaterület kezelése és szimulációs idő csökkentési technikák
• Alapjel vs. passzív sáv szimuláció
• Az adott impulzusformákhoz szükséges impulzusszélesség kiszámítása
• A szimbólumonkénti minták számának kiszámítása
• A rendszer teszteléséhez szükséges és elegendő bitek számának kiszámítása

GUI programozás

Egy hibamentes és helyesen működő MATLAB kód, amely helyes eredményeket produkál, nagy teljesítmény. Azonban egy szimulációs projektben számos kulcsfontosságú paraméter szabályozza a folyamatokat. Emiatt és más okokból kifolyólag egy extra előadás a "Grafikus Felhasználói Felület (GUI) Programozás" témakörben készül, hogy a szimulációs projekt különböző részeinek vezérlése a kezeinkben legyen, ahelyett, hogy hosszú parancsokkal teli forráskódokba merülnénk. Ezenkívül a MATLAB kód GUI-val való ellátása megkönnyíti a munkájuk bemutatását, lehetővé téve több eredmény összevonását egy fő ablakban, és megkönnyítve az adatok összehasonlítását.

1. Mi az a MATLAB GUI
2. A MATLAB GUI függvényfájl szerkezete
3. Fő GUI komponensek (fontos tulajdonságok és értékek)
4. Lokális és globális változók

Megjegyzés: A kurzus minden szintjén tárgyalt témák nem kimerítőek, és az egyes előadások tételei változhatnak a tanulók igényei és kutatási érdeklődése szerint.