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

A kurzus kimenetelei

A kurzus elvégzése után a hallgatónak képesnek kell lennie megközelíteni számos jelenleg nyitott kutatási problémát a kommunikációtechnika területén, mivel legalább a következő készségeket kell elsajátítania:

• Bonyolult matematikai kifejezések leképezése és kezelése, amelyek gyakran előfordulnak a kommunikációtechnikai szakirodalomban
• A MATLAB által kínált programozási lehetőségek felhasználásának képessége más publikációk szimulációs eredményeinek reprodukálásához vagy legalább ezen eredmények megközelítéséhez.
• Saját javaslatok szimulációs modelljeinek létrehozása.
• A megszerzett szimulációs készségek hatékony alkalmazása a MATLAB erőteljes képességeivel együtt optimalizált MATLAB-kódok tervezéséhez a futási idő szempontjából, miközben a memóriaterületet is takarékosan használjuk.
• Egy adott kommunikációs rendszer kulcsfontosságú szimulációs paramétereinek azonosítása, azok kinyerése a rendszermodellből, valamint e paraméterek hatásának vizsgálata a vizsgált rendszer teljesítményére.

A kurzus felépítése

A kurzus anyaga rendkívül összefüggő. Nem ajánlott, hogy a hallgató egy szintre belépjen anélkül, hogy az azt megelőző szintet ne végezte volna el és ne értené mélyen, így biztosítva a megszerzett tudás folytonosságát. A kurzus három szintre tagolódik, a MATLAB-programozás bevezetésétől a teljes rendszerszimuláció szintjéig az alábbiak szerint.

Kommunikációs matematika MATLAB-lal
1–6. ülés

A rész elvégzése után a hallgató képes lesz bonyolult matematikai kifejezések kiértékelésére és a megfelelő grafikonok egyszerű elkészítésére különböző adatábrázolásokhoz, például idő- és frekvenciatartománybeli ábrákhoz, BER-görbékhez, antenna-sugárzási mintázatokhoz stb.

Alapfogalmak

• A szimuláció fogalma
• A szimuláció jelentősége a kommunikációtechnikában
• A MATLAB mint szimulációs környezet
• A skaláris jelek mátrix- és vektorábrázolásáról a kommunikációs matematikában
• Komplex alapssávi jelek mátrix- és vektorábrázolása MATLAB-ban

MATLAB Desktop

• Eszköztár
• Parancsablak
• Munkaterület
• Parancselőzmények

Változó-, vektor- és mátrixdeklaráció

• MATLAB előre definiált konstansok
• Felhasználó által definiált változók
• Tömbök, vektorok és mátrixok
• Kézi mátrixbevitel
• Intervallum definiálása
• Lineáris tér
• Logaritmikus tér
• Változóelnevezési szabályok

Speciális mátrixok

• Az egységmátrix
• A nullmátrix
• Az identitásmátrix

Elemenkénti és mátrixszintű manipuláció

• Adott elemek elérése
• Elemek módosítása
• Elemek szelektív eltávolítása (mátrixcsonkítás)
• Elemek, vektorok vagy mátrixok hozzáadása (mátrix-összefűzés)
• Egy elem indexének megkeresése vektorban vagy mátrixban
• Mátrix újraformázása
• Mátrixcsonkítás
• Mátrix-összefűzés
• Balról jobbra és jobbról balra tükrözés

Unáris mátrixoperátorok

• Az összeg operátor
• A várható érték operátor
• Minimum operátor
• Maximum operátor
• A nyom (trace) operátor
• Mátrix determinánsa |.|
• Mátrix inverze
• Mátrix transzponáltja
• Mátrix Hermite-adjungáltja

Bináris mátrixműveletek

• Aritmetikai műveletek
• Relációs műveletek
• Logikai műveletek

Komplex számok a MATLAB-ban

• Sáváteresztő jelek komplex alapssávi ábrázolása és RF felkeverés – matematikai áttekintés
• Komplex változók, vektorok és mátrixok képzése
• Komplex exponenciálisok
• A valós rész operátor
• A képzetes rész operátor
• A konjugálási operátor (.)*
• Az abszolút érték operátor |.|
• Az argumentum vagy fázis operátor

MATLAB beépített függvények

• Vektorok vektora és mátrixok mátrixa
•  A négyzetgyök függvény
• Az előjel függvény
• A „kerekítés egészre” függvény
• A „legközelebbi kisebb egész” függvény
• A „legközelebbi nagyobb egész” függvény
• A faktoriális függvény
• Logaritmikus függvények (exp, ln, log10, log2)
• Trigonometrikus függvények
• Hiperbolikus függvények
• A Q(.) függvény
• Az erfc(.) függvény
• Bessel-függvények J₀ (.)
• A gamma-függvény
• Diff, mod parancsok

Polinomok a MATLAB-ban

• Polinomok a MATLAB-ban
• Racionális függvények
• Polinom deriváltak
• Polinom integrálás
• Polinom szorzás

Lineáris skálájú ábrák

• Folytonos idejű – folytonos amplitúdójú jelek vizuális ábrázolása
• Lépcsősen közelített jelek vizuális ábrázolása
• Diszkrét idejű – diszkrét amplitúdójú jelek vizuális ábrázolása

Logaritmikus skálájú ábrák

• dB–dekád ábrák (BER)
• Dekád–dB ábrák (Bode-diagramok, frekvenciamenet, jelspektrum)
• Dekád–dekád ábrák
• dB–lineáris ábrák

2D polárkoordinátás ábrák

• (síkbeli antenna-sugárzási mintázatok)

3D ábrák

• 3D sugárzási mintázatok
• Descartes-féle paraméteres ábrák

Választható rész (a tanulók igénye szerint)

• Szimbolikus differenciálás és numerikus differenciálás MATLAB-ban
• Szimbolikus és numerikus integrálás MATLAB-ban
• MATLAB súgó és dokumentáció

MATLAB fájlok

• MATLAB szkriptfájlok
• MATLAB függvényfájlok
• MATLAB adatfájlok
• Lokális és globális változók

Ciklusok, feltételek, vezérlési szerkezetek és döntéshozatal MATLAB-ban

• A for end ciklus
• A while end ciklus
• Az if end feltétel
• Az if else end feltételek
• A switch case end utasítás
• Iterációk, konvergáló hibák, többdimenziós összeg operátorok

Bemeneti és kimeneti megjelenítő parancsok

• Az input(' ') parancs
• disp parancs
• fprintf parancs
• Üzenetdoboz msgbox

Jelek és rendszerek műveletei
7–14. ülés

A rész fő célkitűzései a következők

• Véletlen tesztjelek generálása, amelyek a különböző kommunikációs rendszerek teljesítményének teszteléséhez szükségesek
• Számos elemi jelművelet integrálása egyetlen kommunikációs feldolgozó funkció megvalósításához, például kódolók, véletlenítők, átfésülők, szórókód-generátorok stb. az adónál, valamint ezek megfelelői a vevő oldalon.
• Ezen blokkok megfelelő összekapcsolása egy kommunikációs funkció megvalósításához
• Determinisztikus, statisztikai és félvéletlen beltéri és kültéri keskenysávú csatornamodellek szimulációja

Kommunikációs tesztjelek generálása

• Véletlen bináris sorozat generálása
• Véletlen egész számú sorozatok generálása
• Szövegfájlok importálása és olvasása
• Hangfájlok olvasása és lejátszása
• Képek importálása és exportálása
• Kép mint 3D mátrix
• RGB–szürkeárnyalatos átalakítás
• 2D szürkeárnyalatos kép soros bitfolyama
• Képjelek alképekre bontása és rekonstrukció

Jelkondicionálás és -manipuláció

• Amplitúdóskálázás (erősítés, csillapítás, amplitúdónormalizálás stb.)
• DC-szint eltolás
• Időskálázás (időkompresszió, ritkítás)
• Időeltolás (késleltetés, előrehozás, balra és jobbra történő cirkuláris időeltolás)
• A jelenergia mérése
• Energia- és teljesítménynormalizálás
• Energia- és teljesítményskálázás
• Soros-párhuzamos és párhuzamos-soros átalakítás
• Multiplexelés és demultiplexelés

Analóg jelek digitalizálása

• Folytonos idejű alapssávi jelek időtartománybeli mintavételezése MATLAB-ban
• Analóg jelek amplitúdókvantálása
• Kvantált analóg jelek PCM-kódolása
• Decimális-bináris és bináris-decimális átalakítás
• Impulzusformálás
• A megfelelő impulzusszélesség kiszámítása
• Az impulzusonkénti minták számának megválasztása
• Konvolúció a conv és filter parancsokkal
• Időben korlátozott jelek autokorrelációja és keresztkorrelációja
• Gyors Fourier-transzformáció (FFT) és IFFT műveletek
• Alapssávi jelspektrum megjelenítése
• A mintavételi frekvencia hatása és a megfelelő frekvenciaablak
• A konvolúció, a korreláció és az FFT-műveletek közötti kapcsolat
• Frekvenciatartománybeli szűrés, csak aluláteresztő szűrés

Segéd kommunikációs funkciók

• Véletlenítők és visszavéletlenítők
•  Lyukasztók és visszalyukasztók
• Kódolók és dekódolók
• Átfésülők és visszaátfésülők

Modulátorok és demodulátorok

• Digitális alapssávi modulációs sémák MATLAB-ban
• Digitálisan modulált jelek vizuális ábrázolása

Csatornamodellezés és szimuláció

• A csatorna hatásának matematikai modellezése az átvitt jelre
  • Összeadás – additív fehér Gauss-zajos (AWGN) csatornák
  • Időtartománybeli szorzás – lassú fading csatornák, Doppler-eltolódás járműves csatornákban
  • Frekvenciatartománybeli szorzás – frekvenciaszelektív fading csatornák
  • Időtartománybeli konvolúció – csatorna impulzusválasz

Példák determinisztikus csatornamodellekre

• Szabadtéri útvonalveszteség és környezetfüggő útvonalveszteség
• Periodikus blokkolású csatornák

Gyakori stacionárius és kvázistacionárius többutas fading csatornák statisztikai jellemzése

• Egyenletes eloszlású valószínűségi változó generálása
• Valós értékű Gauss-eloszlású valószínűségi változó generálása
• Komplex Gauss-eloszlású valószínűségi változó generálása
• Rayleigh-eloszlású valószínűségi változó generálása
• Rice-eloszlású valószínűségi változó generálása
• Lognormális eloszlású valószínűségi változó generálása
• Tetszőleges eloszlású valószínűségi változó generálása
• Ismeretlen valószínűségi sűrűségfüggvény (PDF) közelítése hisztogrammal
• Egy valószínűségi változó kumulatív eloszlásfüggvényének (CDF) numerikus kiszámítása
• Valós és komplex additív fehér Gauss-zajos (AWGN) csatornák

Csatornajellemzés teljesítmény-késleltetés profil alapján

• Csatornajellemzés teljesítmény-késleltetés profil (PDP) alapján
• A PDP teljesítménynormalizálása
• A csatorna impulzusválasz kinyerése a PDP-ből
• A csatorna impulzusválasz mintavételezése tetszőleges mintavételi frekvenciával, nem illesztett mintavételezés és késleltetés
• kvantálás
• A keskenysávú csatornák impulzusválaszának nem illesztett mintavételezéséből adódó probléma
• PDP mintavételezése tetszőleges mintavételi frekvenciával és tört késleltetés kompenzálása
• Számos szabványosított IEEE beltéri és kültéri csatornamodell megvalósítása
• (COST – SUI – ultraszéles sávú csatornamodellek stb.)

Gyakorlati kommunikációs rendszerek kapcsolati szintű szimulációja
15–24. ülés

A kurzus ezen része a kutatóhallgatók számára legfontosabb kérdéssel foglalkozik: hogyan lehet reprodukálni más publikált cikkek szimulációs eredményeit szimulációval.

Alapssávi digitális modulációs sémák bithiba-arány teljesítménye

•  Különböző alapssávi digitális modulációs sémák teljesítmény-összehasonlítása AWGN-csatornákban (átfogó összehasonlító vizsgálat szimulációval az elméleti kifejezések ellenőrzésére); szóródási diagramok, bithiba-arány
• Különböző alapssávi digitális modulációs sémák teljesítmény-összehasonlítása különböző stacionárius és kvázistacionárius fading csatornákban; szóródási diagramok, bithiba-arány (átfogó összehasonlító vizsgálat szimulációval az elméleti kifejezések ellenőrzésére)
• A Doppler-eltolásos csatornák hatása az alapssávi digitális modulációs sémák teljesítményére; szóródási diagramok, bithiba-arány
• Helikopter-műhold kommunikáció
  • 1. cikk: Alacsony költségű valós idejű hang- és adatrendszer repülési mobil műholdas szolgáltatáshoz (AMSS) – Problémafelvetés és elemzés
  • 2. cikk: Detektálás előtti idődiverziti egyesítés pontos AFC-vel helikopteres műholdas kommunikációhoz – Az első javasolt megoldás
  • 3. cikk: Adaptív modulációs séma helikopter-műhold kommunikációhoz – Teljesítményjavító megközelítés

Szórt spektrumú rendszerek szimulációja

• Szórt spektrumon alapuló rendszerek tipikus architektúrája
• Közvetlen sorozatú szórt spektrumon alapuló rendszerek
• Álvéletlen bináris sorozat (PRBS) generátorok
  
  • Maximális hosszúságú sorozatok generálása
  • Gold-kódok generálása
  • Walsh-kódok generálása
• Időugrásos szórt spektrumon alapuló rendszerek
• Szórt spektrumon alapuló rendszerek bithiba-arány teljesítménye AWGN-csatornákban
  
  • A kódolási arány (r) hatása a BER-teljesítményre
  • A kódhossz hatása a BER-teljesítményre
• Szórt spektrumon alapuló rendszerek bithiba-arány teljesítménye többutas lassú Rayleigh-fading csatornákban nulla Doppler-eltolódással
• Szórt spektrumon alapuló rendszerek bithiba-arány teljesítményelemzése nagy mobilitású fading környezetekben
• Szórt spektrumon alapuló rendszerek bithiba-arány teljesítményelemzése többfelhasználós interferencia jelenlétében
• RGB-képátvitel szórt spektrumú rendszereken keresztül
• Optikai CDMA (OCDMA) rendszerek
  
  • Optikai ortogonális kódok (OOC)
  • Az OCDMA-rendszerek teljesítményhatárai; szinkron és aszinkron OCDMA-rendszerek bithiba-arány teljesítménye

Ultraszéles sávú SS-rendszerek

OFDM-alapú rendszerek

• OFDM-rendszerek megvalósítása gyors Fourier-transzformációval
• OFDM-alapú rendszerek tipikus architektúrája
• OFDM-rendszerek bithiba-arány teljesítménye AWGN-csatornákban
  
  • A kódolási arány (r) hatása a BER-teljesítményre
  • A ciklikus előtag hatása a BER-teljesítményre
  • Az FFT-méret és a vivőtávolság hatása a BER-teljesítményre
• OFDM-rendszerek bithiba-arány teljesítménye többutas lassú Rayleigh-fading csatornákban nulla Doppler-eltolódással
• OFDM-rendszerek bithiba-arány teljesítménye többutas lassú Rayleigh-fading csatornákban vivőfrekvencia-eltolással (CFO)
• Csatornabecslés OFDM-rendszerekben
• Frekvenciatartománybeli kiegyenlítés OFDM-rendszerekben
  
  • Nullára kényszerítő kiegyenlítő
  • MMSE kiegyenlítők
• Egyéb gyakori teljesítménymutatók OFDM-alapú rendszerekben (csúcs-átlag teljesítményarány, vivő-interferencia arány stb.)
• OFDM-alapú rendszerek teljesítményelemzése nagy mobilitású fading környezetekben (szimulációs projektként, amely három cikkből áll)
  
  • 1. cikk: Vivők közötti interferencia csökkentése
  • 2. cikk: MIMO-OFDM rendszerek

MATLAB szimulációs projekt optimalizálása

A rész célja, hogy megtanuljuk, hogyan lehet felépíteni és optimalizálni egy MATLAB szimulációs projektet a teljes szimulációs folyamat egyszerűsítése és rendszerezése érdekében. Emellett a memóriaterület és a feldolgozási sebesség is figyelembe van véve, hogy elkerüljük a memória-túlcsordulási problémákat korlátozott tárolású rendszerekben vagy a lassú feldolgozásból adódó hosszú futási időket.

• Kisméretű szimulációs projektek tipikus felépítése
• Szimulációs paraméterek kinyerése és elmélet-szimuláció leképezés
• Szimulációs projekt felépítése
• Monte Carlo szimulációs technika
• Tipikus eljárás szimulációs projekt tesztelésére
• Memóriaterület-kezelés és szimulációsidő-csökkentési technikák
  
  • Alapsávi vs. sáváteresztő szimuláció
  • A megfelelő impulzusszélesség kiszámítása csonkított tetszőleges impulzusalakokhoz
  • A szimbólumonkénti minták megfelelő számának kiszámítása
  • A rendszer teszteléséhez szükséges és elégséges bitszám kiszámítása

GUI programozás

Egy hibamentes, megfelelően működő és helyes eredményeket produkáló MATLAB-kód nagy eredmény. Azonban a szimulációs projekt kulcsparamétereinek halmaza vezérli a folyamatot. Ezért és más okokból egy extra előadás hangzik el a „grafikus felhasználói felület (GUI) programozásáról”, hogy a szimulációs projekt különböző részei feletti irányítást a keze ügyébe helyezzük ahelyett, hogy hosszú, parancsokkal teli forráskódokban kellene elmélyedni. Továbbá, ha a MATLAB-kódot GUI-val fedjük le, az segít a munka olyan bemutatásában, amely megkönnyíti több eredmény egy főablakban történő egyesítését, és egyszerűbbé teszi az adatok összehasonlítását.

• Mi az a MATLAB GUI
• A MATLAB GUI függvényfájl szerkezete
• Fő GUI-összetevők (fontos tulajdonságok és értékek)
• Lokális és globális változók

Megjegyzés: A kurzus egyes szintjein tárgyalt témakörök magukban foglalják, de nem korlátozódnak az adott szinten felsoroltakra. Továbbá az egyes előadások elemei a tanulók igényeitől és kutatási érdeklődésétől függően változhatnak.