Simulatie van draadloze communicatiesystemen met MATLAB (Dr. Shehata) Training Cursus

Resultaten van deze cursus

Na het afronden van deze cursus moet de student in staat zijn om zich op veel van de huidige openstaande onderzoeksproblemen in het gebied van de communicatietechniek te richten, aangezien hij/zij ten minste de volgende vaardigheden heeft verworven:

• Complexe wiskundige expressies die veel voorkomen in de literatuur van de communicatietechniek, in kaart brengen en manipuleren
• Gebruik van de programmeermogelijkheden die MATLAB biedt om de simulatieresultaten van andere papers te reproduceren of ten minste naar deze resultaten toe te werken.
• Simulatiemodellen creëren van eigen voorgestelde ideeën.
• De verworven simulatievaardigheden efficiënt inzetten in combinatie met de krachtige mogelijkheden van MATLAB om MATLAB-codes te ontwerpen die geoptimaliseerd zijn in termen van de uitvoeringstijd van de code, terwijl het geheugengebruik wordt gereduceerd.
• De belangrijkste simulatieparameters van een gegeven communicatiesysteem identificeren, deze extraheren uit het systeemmodel en het effect van deze parameters op de prestaties van het overwogen systeem bestuderen.

Cursusstructuur

Het materiaal dat in deze cursus wordt aangeboden, is zeer onderling verbonden. Het wordt niet aanbevolen dat een student een niveau volgt zonder het voorgaande niveau te hebben gevolgd en diep te hebben begrepen, om de continuïteit van de verworven kennis te garanderen. De cursus is gestructureerd in drie niveaus, beginnend met een inleiding tot MATLAB-programmeren tot het niveau van volledige systeem simulatie, als volgt.

Communicatiewiskunde met MATLAB
Sessies 01-06

Na het afronden van dit deel zal de student in staat zijn om complexe wiskundige expressies te evalueren en eenvoudig de juiste grafieken te constructeren voor verschillende datavoorstellingen, zoals tijds- en frequentiedomein-plots; BER-plotjes, antenne-uitstralingpatronen… etc.

Fundamentele concepten

• Het concept van simulatie
• Het belang van simulatie in de communicatietechniek
• MATLAB als simulatieomgeving
• Over matrix- en vectorrepresentatie van scalare signalen in communicatiewiskunde
• Matrix- en vectorrepresentaties van complexe basisbandsignalen in MATLAB

MATLAB-desktop

• Werkbalk
• Commando-venster
• Werkruimte
• Commando-geschiedenis

Declaratie van variabelen, vectoren en matrices

• Voorgedefinieerde constanten in MATLAB
• Door de gebruiker gedefinieerde variabelen
• Arrays, vectoren en matrices
• Handmatige matrixinvoer
• Definitie van intervallen
• Lijnspace
• Logaritmische ruimte
• Naamgevingsregels voor variabelen

Speciale matrices

• De ones-matrix
• De zeros-matrix
• De identiteitsmatrix

Elementsgewijze en matrixgewijze manipulatie

• Toegang tot specifieke elementen
• Wijzigen van elementen
• Selectief verwijderen van elementen (matrix-truncatie)
• Toevoegen van elementen, vectoren of matrices (matrix-concatenatie)
• Vinden van de index van een element in een vector of matrix
• Matrix herformen
• Matrix-truncatie
• Matrix-concatenatie
• Linksonder-naar-rechtsboven en rechts-onder-naar-linksboven spiegelen

Unaire matrixoperatoren

• De Som-operator
• De verwachtingswaarde-operator
• Min-operator
• Max-operator
• De trace-operator
• Matrix-determinant |.|
• Matrix-inversie
• Matrix-transposities
• Matrix-Hermietisch

Binaire matrixoperaties

• Rekenkundige operaties
• Relatieve operaties
• Logische operaties

Complexe getallen in MATLAB

• Complexe basisbandrepresentatie van passbandsignalen en RF-omhoogconverteren, een wiskundige review
• Vormen van complexe variabelen, vectoren en matrices
• Complexe exponentiëlen
• De reële deel-operator
• De imaginair deel-operator
• De conjugaat-operator (.)*
• De absolute waarde-operator |.|
• De argument- of fase-operator

Ingebouwde functies in MATLAB

• Vectoren van vectoren en matrix van matrix
•  De wortelfunctie
• De tekenfunctie
• De "afrommen naar heel getal"-functie
• De "niet-afgeronde lagere heel getal"-functie
• De "niet-afgeronde hogere heel getal"-functie
• De faculteitsfunctie
• Logaritmische functies (exp, ln, log10, log2)
• Goniometrische functies
• Hyperbolische functies
• De Q(.)-functie
• De erfc(.)-functie
• Besselfuncties Jo (.)
• De Gamma-functie
• Diff, mod commando's

Polynomen in MATLAB

• Polynomen in MATLAB
• Redelijke functies
• Afgeleiden van polynomen
• Integratie van polynomen
• Vermenigvuldiging van polynomen

Liniërische schaal-plots

• Visuele weergave van continue tijd - continue amplitude signalen
• Visuele weergave van trapvormige geschatte signalen
• Visuele weergave van discrete tijd - discrete amplitude signalen

Logaritmische schaal-plots

• dB-decade plots (BER)
• decade-dB plots (Bode-plots, frequentierespons, signaal spectrum)
• decade-decade plots
• dB-lineaire plots

2D polaire plots

• (Platte antenne-uitstralingpatronen)

3D-plots

• 3D-uitstralingpatronen
• Cartesiaanse parametrische plots

Optioneel deel (op aanvraag van de cursisten)

• Symbolische differentiële en numerieke differencing in MATLAB
• Symbolische en numerieke integratie in MATLAB
• MATLAB hulp en documentatie

MATLAB-bestanden

• MATLAB scriptbestanden
• MATLAB functiebestanden
• MATLAB databestanden
• Lokale en globale variabelen

Loops, condities, stroombesturing en besluitvorming in MATLAB

• De for-end lus
• De while-end lus
• De if-end conditie
• De if-else-end condities
• De switch-case-end statement
• Iteraties, convergerende fouten, multidimensionele sommatie-operatoren

Invoer en uitvoer weergave commando's

• De input(' ') commando
• disp commando
• fprintf commando
• Berichtvak msgbox

Signalen en systemen operaties
Sessies 07-14

De belangrijkste doelen van dit deel zijn als volgt

• Genereren van willekeurige testsignalen die nodig zijn om de prestaties van verschillende communicatiesystemen te testen
• Integratie van vele elementaire signaaloperaties die kunnen worden geïntegreerd om een enkele communicatieverwerkingsfunctie te implementeren, zoals encoders, randomizers, interleavers, spreidingcode-generatoren… etc. zowel aan de zenderkant als hun tegenhangers aan de ontvangerkant.
• Deze blokken correct met elkaar verbinden om een communicatiefunctie te bereiken
• Simulatie van deterministische, statistische en semi-willekeurige binnenlandse en buitelandse smalbandkanaalmodellen

Generatie van communicatietestsignalen

• Generatie van een willekeurige binaire reeks
• Generatie van willekeurige geheeltallige reeksen
• Importeren en lezen van tekstbestanden
• Lezen en afspelen van audiobestanden
• Importeren en exporteren van afbeeldingen
• Beeld als een 3D-matrix
• RGB naar grijstint transformatie
• Seriële bitstroom van een 2D grijstintbeeld
• Subframing van beeldsignalen en reconstructie

Signaalbewerking en manipulatie

• Amplitudeschaling (versterking, demping, amplitude-normering… etc.)
• DC-niveau verschuiving
• Tijd schaling (tijdcompressie, verdunning)
• Tijd verschuiving (tijdvertraging, tijdversnelling, linker en rechter cirkelvormige tijdverschuiving)
• Meten van de signaalenergie
• Normering van energie en vermogen
• Schaling van energie en vermogen
• Seriële-naar-parallele en parallelle-naar-seriële conversie
• Multiplexen en demultiplexen

Digitale conversie van analoge signalen

• Tijdsdomein sampling van continue tijd basisbandsignalen in MATLAB
• Amplitude kwantisatie van analoge signalen
• PCM-codering van gekwantiseerde analoge signalen
• Decimaal-naar-binair en binair-naar-decimaal conversie
• Impulsvorming
• Berekening van de geschikte impulsbreedte
• Selectie van het aantal samples per impuls
• Convolutie met behulp van de conv en filter commando's
• De autocorrelatie en kruis-correlatie van tijdsbegrensde signalen
• De Snelle Fouriertransformatie (FFT) en IFFT operaties
• Weergave van een basisbandsignaal spectrum
• Effect van de samplefrequentie en het juiste frequentievenster
• Relatie tussen convolutie, correlatie en FFT-operaties
• Frequentiedomein filtering, alleen laagdoorlatend filtering

Hulpfuncties voor communicatie

• Randomizers en derandomizers
•  Puncturers en depuncturers
• Encoders en decoders
• Interleavers en deinterleavers

Modulatoren en demodulatoren

• Digitale basisbandschema's in MATLAB
• Visuele representatie van digitaal gemoduleerde signalen

Kanaalmodelering en simulatie

• Wiskundige modelering van het kanaaleffect op het verzonden signaal
  • Optellen – additive witte Gaussische ruis (AWGN) kanalen
  • Tijdsdomein vermenigvuldiging – traag fade kanalen, Doppler-verschuiving in voertuigkanalen
  • Frequentiedomein vermenigvuldiging – frequentie-selectief fade kanalen
  • Tijdsdomein convolutie – kanaal impulsrespons

Voorbeelden van deterministische kanaalmodellen

• Vrije ruimte padverlies en omgevingsafhankelijk padverlies
• Periodieke blokkade kanalen

Statistische karakterisering van algemene stationaire en quasi-stationaire multipath fade kanalen

• Generatie van een uniform verdeelde RV
• Generatie van een reële Gaussisch verdeelde RV
• Generatie van een complex Gaussisch verdeelde RV
• Generatie van een Rayleigh verdeelde RV
• Generatie van een Ricean verdeelde RV
• Generatie van een Log-normaal verdeelde RV
• Generatie van een willekeurig verdeelde RV
• Benadering van een onbekende kansdichtheidsfunctie (PDF) van een RV door een histogram
• Numerieke berekening van de cumulatiekansfunctie (CDF) van een RV
• Reële en complexe additive witte Gaussische ruis (AWGN) kanalen

Kanaalkarakterisering door haar Vermogen-Tijdprofiele

• Kanaalkarakterisering door haar vermogen-tijdprofiel
• Vermogen-normering van het PDP
• Extraheren van de kanaalimpulsrespons uit het PDP
• Sampling van de kanaalimpulsrespons met een willekeurige samplefrequentie, mismatched sampling en vertraging
• kwantisatie
• Het probleem van mismatched sampling van de kanaalimpulsrespons van smalband kanalen
• Sampling van een PDP met een willekeurige samplefrequentie en fractionele vertragingcompensatie
• Implementatie van verscheidene IEEE-gestandaardiseerde binnenlandse en buitelandse kanaalmodellen
• (COST – SUI - Ultra Breedband Kanaalmodellen… etc.)

Koppelvlak-simulatie van praktische communicatiesystemen
Sessies 15-24

Dit deel van de cursus gaat over het belangrijkste probleem voor onderzoekers, namelijk, hoe de simulatieresultaten van andere gepubliceerde papers te reproduceren door simulatie.

Bitfouttarief Prestaties van Basisband Digitale Modulatie Schema's

•  Prestatievergelijking van verschillende basisband digitale modulatieschema's in AWGN-kanalen (Uitgebreide vergelijkend onderzoek via simulatie om theoretische expressies te verifiëren); scatter plots, bitfouttarief
• Prestatievergelijking van verschillende basisband digitale modulatieschema's in verschillende stationaire en quasi-stationaire fade kanalen; scatter plots, bitfouttarief (Uitgebreide vergelijkend onderzoek via simulatie om theoretische expressies te verifiëren)
• Impact van Doppler-verschuiving kanalen op de prestaties van basisband digitale modulatieschema's; scatter plots, bitfouttarief
• Helikopter-tot-Satelliet Communicatie
  • Paper (1): Low-Cost Real-Time Voice and Data System for Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS) – Problembeschrijving en analyse
  • Paper (2): Pre-Detection Time Diversity Combining with Accurate AFC for Helicopter Satellite Communications – De eerst voorgestelde oplossing
  • Paper (3): An Adaptive Modulation Scheme for Helicopter-Satellite Communications – Een aanpak voor prestatieverbetering

Simulatie van Spread Spectrum Systemen

• Typische Architectuur van spread spectrum gebaseerde systemen
• Direct sequence spread spectrum gebaseerde systemen
• Pseudo random binary sequence (PBRS) generators
  
  • Generatie van Maximale lengte reeksen
  • Generatie van Gold codes
  • Generatie van Walsh codes
• Time hopping spread spectrum gebaseerde systemen
• Bitfouttarief Prestaties van spread spectrum gebaseerde systemen in AWGN-kanalen
  
  • Impact van coderingsratio r op de BER-prestaties
  • Impact van de code-lengte op de BER-prestaties
• Bitfouttarief Prestaties van spread spectrum gebaseerde systemen in multipath Traag Rayleigh Fade Kanalen met Nul Doppler Verschuiving
• Bitfouttarief prestatieanalyse van spread spectrum gebaseerde systemen in hoge mobiliteit fade omgevingen
• Bitfouttarief prestatieanalyse van spread spectrum gebaseerde systemen in aanwezigheid van multi-user interferentie
• RGB beeldtransmissie over spread spectrum systemen
• Optical CDMA (OCDMA) systemen
  
  • Optical orthogonal codes (OOC)
  • Prestatie limieten van OCDMA systemen; bitfouttarief prestaties van synchrone en asynchrone OCDMA systemen

Ultra breedband SS systemen

OFDM gebaseerde systemen

• Implementatie van OFDM systemen met behulp van de Snelle Fouriertransformatie
• Typische Architectuur van OFDM gebaseerde systemen
• Bitfouttarief Prestaties van OFDM systemen in AWGN-kanalen
  
  • Impact van coderingsratio r op de BER-prestaties
  • Impact van de cyclische prefix op de BER-prestaties
  • Impact van de FFT-grootte en subcarrier-afstand op de BER-prestaties
• Bitfouttarief Prestaties van OFDM systemen in multipath Traag Rayleigh Fade Kanalen met Nul Doppler Verschuiving
• Bitfouttarief Prestaties van OFDM systemen in multipath Traag Rayleigh Fade Kanalen met CFO
• Kanaalschatting in OFDM systemen
• Frequentiedomein Equalization in OFDM systemen
  
  • Zero Forcing Equalizer
  • MMSE Equalizers
• Andere algemene prestatiemetrics in OFDM gebaseerde systemen (Peak – to – Average Power Ratio, Carrier – to – Interference Ratio… etc.)
• Prestatieanalyse van OFDM gebaseerde systemen in hoge mobiliteit fade omgevingen (als een simulatieproject bestaande uit drie papers)
  
  • Paper (1): Inter carrier interferentie mitigatie
  • Paper (2): MIMO-OFDM Systemen

Optimalisatie van een MATLAB Simulatieproject

Het doel van dit deel is om te leren hoe je een MATLAB-simulatieproject bouwt en optimaliseert om het algehele simulatieproces te vereenvoudigen en te organiseren. Bovendien worden ook geheugenspatie en verwerkingssnelheid in aanmerking genomen om geheugenoverloopproblemen te voorkomen in beperkte opslagsystemen of lange uitvoeringstijden die ontstaan door trage verwerking.

• Typische Structuur van kleine schaal simulatieprojecten
• Extractie van simulatieparameters en theoretische-naar-simulatie mapping
• Bouwen van een Simulatieproject
• Monte Carlo Simulatie Techniek
• Een Typische Procedure voor het Testen van een Simulatieproject
• Geheugenruimtebeheer en Technieken voor het Verlagen van Simulatie-tijd
  
  • Basisband vs. Passband Simulatie
  • Berekening van de geschikte impulsbreedte voor afgetronken willekeurige impulsvormen
  • Berekening van het geschikte aantal samples per symbool
  • Berekening van het Nodige en Voldoende aantal bits om een systeem te testen

GUI-programmeren

Heb je een MATLAB-code vrij van debugs en goed werkend om juiste resultaten te produceren, is een grote prestatie. Echter, een set van sleutelparameters in een simulatieproject bestuurt de Dit is de reden en meer, een extra lezing over "Graphical User Interface (GUI) Programming" wordt gegeven om de controle over verschillende delen van uw simulatieproject in uw handen te hebben in plaats van diep te duiken in lange broncodes vol commando's. Bovendien helpt het als uw MATLAB-code wordt gemaskeerd met een GUI om uw werk op een manier te presenteren die het combineren van meerdere resultaten in één hoofdvenster vergemakkelijkt en het makkelijker maakt om data te vergelijken.

• Wat is een MATLAB GUI
• Structuur van MATLAB GUI functiebestand
• Hoofd GUI componenten (belangrijke eigenschappen en waarden)
• Lokale en globale variabelen

Let op: De onderwerpen die in elk niveau van deze cursus worden behandeld, omvatten, maar zijn niet beperkt tot, die die in elk niveau worden aangegeven. Bovendien zijn de items van elke specifieke lezing onderworpen aan verandering afhankelijk van de behoeften van de cursisten en hun onderzoeksinteresse.