Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB Training Cursus

• Resultaten van deze cursus Na voltooiing van deze cursus zou de student in staat moeten zijn veel van de momenteel openstaande onderzoeksproblemen op het gebied van communicatietechniek aan te pakken, aangezien hij/zij ten minste de volgende vaardigheden moet hebben verworven:

• In kaart brengen en manipuleren van ingewikkelde wiskundige uitdrukkingen die vaak voorkomen in de literatuur over communicatietechniek. • Vaardigheid om de programmeermogelijkheden van MATLAB te gebruiken om de simulatieresultaten van andere artikelen te reproduceren of deze resultaten op zijn minst te benaderen.

• Creëer de simulatiemodellen van zelfvoorgestelde ideeën.

• Gebruik de verworven simulatievaardigheden efficiënt in combinatie met de krachtige MATLAB mogelijkheden om geoptimaliseerde MATLAB codes te ontwerpen in termen van de code-runtime, terwijl de geheugenruimte wordt bespaard.

• Identificeer de belangrijkste simulatieparameters van een bepaald communicatiesysteem, haal ze uit het systeemmodel en bestudeer de impact van deze parameters op de prestaties van het beschouwde systeem.

• Cursusstructuur

Het materiaal dat in deze cursus wordt aangeboden, is uiterst gecorreleerd. Het wordt niet aanbevolen dat een student een niveau volgt, tenzij hij/zij het voorgaande niveau bijwoont en diep begrijpt, om de continuïteit van de verworven kennis te garanderen. De cursus is als volgt opgebouwd in drie niveaus, beginnend bij een inleiding tot MATLAB programmeren tot het niveau van volledige systeemsimulatie.

Niveau 1: Communicatiewiskunde met MATLAB sessies 01-06

Na voltooiing van dit deel kan de student ingewikkelde wiskundige uitdrukkingen evalueren en gemakkelijk de juiste grafieken construeren voor verschillende gegevensrepresentaties, zoals tijd- en frequentiedomeinplots; BER brengt antennestralingspatronen in kaart... enz.

Fundamentele concepten

1. Het concept van simulatie 2. Het belang van simulatie in communicatietechniek 3. MATLAB als simulatieomgeving 4. Over matrix- en vectorrepresentatie van scalaire signalen in de communicatiewiskunde 5. Matrix en vectorrepresentaties van complexe basisbandsignalen in MATLAB

MATLAB Bureaublad

6. Werkbalk 7. Commandovenster 8. Werkruimte 9. Commandogeschiedenis

Variabele-, vector- en matrixdeclaratie

10. MATLAB vooraf gedefinieerde constanten 11. Door de gebruiker gedefinieerde variabelen 12. Arrays, vectoren en matrices 13. Handmatige matrixinvoer 14. Intervaldefinitie 15. Lineaire ruimte 16. Logaritmische ruimte 17. Regels voor de naamgeving van variabelen

Speciale matrixen

18. De enenmatrix 19. De nullenmatrix 20. De identiteitsmatrix

Element-gewijze en matrix-gewijze manipulatie

21. Toegang tot specifieke elementen 22. Elementen wijzigen 23. Selectieve eliminatie van elementen (Matrix truncatie) 24. Elementen, vectoren of matrices toevoegen (Matrix concatenatie) 25. De index van een element binnen een vector of een matrix vinden 26 Matrix hervormen 27. Matrix afknotting 28. Matrix aaneenschakeling 29. Van links naar rechts en van rechts naar links spiegelen

Unaire matrixoperatoren

30. De Som-operator 31. De verwachtingsoperator 32. Min-operator 33. Max-operator 34. De trace-operator 35. Matrix determinant |.| 36. Matrix omgekeerd 37. Matrix transponeren 38. Matrix Hermitisch 39. …enz.

Binaire matrixbewerkingen

40. Rekenkundige bewerkingen 41. Relationele bewerkingen 42. Logische bewerkingen

Complexe getallen in MATLAB

43. Complexe basisbandweergave van doorlaatbandsignalen en RF-opconversie, een wiskundig overzicht 44. Het vormen van complexe variabelen, vectoren en matrices 45. Complexe exponentiële waarden 46. De operator voor het reële deel 47. De operator voor het denkbeeldige deel 48. De conjugaatoperator (.) * 49. De absolute operator |.| 50. Het argument of de fase-operator

MATLAB ingebouwde functies

51. Vectoren van vectoren en matrix van matrix 52. De vierkantswortelfunctie 53. De tekenfunctie 54. De functie "afronden naar geheel getal" 55. De "dichtstbijzijnde functie van het onderste gehele getal" 56. De "dichtstbijzijnde functie van het bovenste gehele getal" 57. De faculteitsfunctie 58. Logaritmische functies (exp, ln,log10,log2) 59. Trigonometrische functies 60. Hyperbolische functies 61. De Q(.)-functie 62. De erfc(.)-functie 63. Bessel-functies Jo (.) 64. De Gamma-functie 65. Diff, mod-opdrachten

Veeltermen in MATLAB

66. Veeltermen in MATLAB 67. Rationele functies 68. Veeltermderivaten 69. Veeltermintegratie 70. Veeltermvermenigvuldiging

Lineaire schaalplots

71. Visuele representaties van continue tijd-continue amplitudesignalen 72. Visuele representaties van trappenhuis benaderde signalen 73. Visuele representaties van discrete tijd – discrete amplitudesignalen

Logaritmische schaalgrafieken 74. dB-decade-grafieken (BER) 75. Decennium-dB-grafieken (Bode-grafieken, frequentierespons, signaalspectrum) 76. Decennium-grafieken 77. dB-lineaire grafieken

2D Polaire plots 78. (vlakke antennestralingspatronen)

3D-plots

79. 3D-stralingspatronen 80. Cartesiaanse parametrische plots

Optioneel gedeelte (gegeven op vraag van de leerlingen)

81. Symbolische differentiatie en numerieke differentiatie in MATLAB 82. Symbolische en numerieke integratie in MATLAB 83. MATLAB hulp en documentatie

MATLAB bestanden

84. MATLAB scriptbestanden 85. MATLAB functiebestanden 86. MATLAB gegevensbestanden 87. Lokale en globale variabelen

Loops, voorwaarden voor stroomcontrole en besluitvorming in MATLAB

88. De for-eindlus 89. De while-eindlus 90. De if-eindvoorwaarde 91. De if else-eindvoorwaarden 92. De switch case-eindinstructie 93. Iteraties, convergerende fouten, multidimensionale somoperatoren

Invoer- en uitvoerweergaveopdrachten

94. De opdracht input(' ') 95. opdracht disp 96. opdracht fprintf 97. Berichtenvak msgbox

Niveau 2: Signalen en systeemoperaties (24 uur) Sessies 07-14

De belangrijkste doelstellingen van dit deel zijn als volgt

• Genereer willekeurige testsignalen die nodig zijn om de prestaties van verschillende communicatiesystemen te testen

• Integratie Er kunnen veel elementaire signaalbewerkingen worden geïntegreerd om een enkele communicatieverwerkingsfunctie te implementeren, zoals encoders, randomizers, interleavers, spreidingscodegeneratoren ... enz. bij de zender en hun tegenhangers bij de ontvangende terminal.

• Verbind deze blokken op de juiste manier met elkaar om een communicatiefunctie te realiseren

• Simulatie van deterministische, statistische en semi-willekeurige smalbandkanaalmodellen voor binnen en buiten

Genereren van communicatietestsignalen

98. Generatie van een willekeurige binaire reeks 99. Generatie van een willekeurig geheel getal Reeksen 100. Importeren en lezen van tekstbestanden 101. Lezen en afspelen van audiobestanden 102. Importeren en exporteren van afbeeldingen 103. Afbeelding als 3D-matrix 104. RGB naar grijstinten transformatie 105. Seriële bitstroom van een 2D grijswaardenbeeld 106. Subframen van beeldsignalen en reconstructie

Signaalconditionering en manipulatie

107. Amplitudeschaling (versterking, verzwakking, amplitudenormalisatie…enz.) 108. DC-niveauverschuiving 109. Tijdschaling (tijdcompressie, verdunning) 110. Tijdverschuiving (tijdvertraging, tijdvoortgang, cirkelvormige tijdverschuiving naar links en rechts) 111. Meten van de signaalenergie 112. Normalisatie van energie en vermogen 113. Schalen van energie en vermogen 114. Serieel-naar-parallel en parallel-naar-serieel conversie 115. Multiplexen en de-multiplexen

Digitalisering van analoge signalen

116. Tijddomeinbemonstering van continue tijdbasisbandsignalen in MATLAB 117. Amplitudekwantisering van analoge signalen 118. PCM-codering van gekwantiseerde analoge signalen 119. Decimaal-naar-binair en binair-naar-decimaal conversie 120. Pulsvorming 121. Berekening van de adequate pulsbreedte 122. Selectie van het aantal monsters per puls

123. Convolutie met behulp van de conv- en filteropdrachten 124. De autocorrelatie en kruiscorrelatie van in de tijd beperkte signalen 125. De Fast Fourier Transform (FFT) en IFFT-bewerkingen 126. Bekijken van een basisbandsignaalspectrum 127. Effect van bemonsteringssnelheid en de juiste frequentie venster 128. Relatie tussen de convolutie, correlatie en de FFT-bewerkingen 129. Frequentiedomeinfiltering, alleen laagdoorlaatfiltering

Hulpfuncties Communications

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

Modulatoren en demodulatoren

134. Digitale basisbandmodulatieschema's in MATLAB 135. Visuele weergave van digitaal gemoduleerde signalen

Kanaalmodellering en simulatie

136. Mathematical Modellering van het kanaaleffect op het verzonden signaal

• Optelling – kanalen met additieve witte Gaussische ruis (AWGN) • Vermenigvuldiging in het tijddomein – langzame fadingkanalen, Dopplerverschuiving in voertuigkanalen • Vermenigvuldiging in het frequentiedomein – frequentieselectieve fadingkanalen • Convolutie in het tijddomein – impulsrespons van het kanaal

Voorbeelden van deterministische kanaalmodellen

137. Verlies van vrije ruimtepaden en omgevingsafhankelijk padverlies. 138. Periodieke blokkeringskanalen

Statistische karakterisering van gewone stationaire en quasi-stationaire multipath-fadingkanalen

139. Genereren van een uniform verdeelde RV 140. Genereren van een reëel gewaardeerde Gauss-gedistribueerde RV 141. Genereren van een complexe Gauss-gedistribueerde RV 142. Genereren van een Rayleigh-gedistribueerde RV 143. Genereren van een Ricean-gedistribueerde RV 144. Genereren van een lognormaal verdeelde RV RV 145. Generatie van een willekeurig verdeelde RV 146. Benadering van een onbekende waarschijnlijkheidsdichtheidsfunctie (PDF) van een RV door een histogram 147. Numerieke berekening van de cumulatieve verdelingsfunctie (CDF) van een RV 148. Reële en complexe additieve witte Gaussiaans ruis (AWGN) kanalen

Kanaalkarakterisering door zijn Power Delay-profiel

149. Kanaalkarakterisering door zijn vermogensvertragingsprofiel 150. Vermogensnormalisatie van de PDP 151. Extraheren van de kanaalimpulsrespons uit de PDP 152. Bemonstering van de kanaalimpulsrespons met een willekeurige bemonsteringssnelheid, niet-overeenkomende bemonstering en vertragingskwantisering 153. Het probleem van niet-overeenkomende bemonstering van de kanaalimpulsrespons van smalbandkanalen 154. Bemonstering van een PDP met een willekeurige bemonsteringsfrequentie en fractionele vertragingscompensatie 155. Implementatie van verschillende IEEE-gestandaardiseerde binnen- en buitenkanaalmodellen 156. (COST – SUI - Ultra Wide Band Channel Models…enz. .)

Niveau 3: Simulatie op linkniveau van praktische comm. Systemen (30 uur) Sessies 15-24

Dit deel van de cursus houdt zich bezig met de belangrijkste kwestie voor onderzoeksstudenten, namelijk hoe de simulatieresultaten van andere gepubliceerde artikelen door middel van simulatie kunnen worden gereproduceerd.

Bitfoutpercentageprestaties van digitale basisbandmodulatieschema's

1. Prestatievergelijking van verschillende basisband digitale modulatieschema's in AWGN-kanalen (uitgebreid vergelijkend onderzoek via simulatie om theoretische uitdrukkingen te verifiëren); spreidingsdiagrammen, bitfoutpercentage

2. Prestatievergelijking van verschillende digitale modulatieschema's voor de basisband in verschillende stationaire en quasi-stationaire fadingkanalen; spreidingsdiagrammen, bitfoutpercentage (uitgebreid vergelijkend onderzoek via simulatie om theoretische uitdrukkingen te verifiëren)

3. Impact van Doppler-shiftkanalen op de prestaties van digitale basisbandmodulatieschema's; spreidingsdiagrammen, bitfoutpercentage

Helikopter-naar-satelliet Communications

4. Paper (1): Goedkoop real-time spraak- en datasysteem voor luchtvaart mobiele satellietdiensten (AMSS) – Probleemstelling en analyse 5. Paper (2): Pre-detectie tijdsdiversiteit gecombineerd met nauwkeurige AFC voor helikoptersatellieten [ 1]s – De eerste voorgestelde oplossing 6. Paper (3): Een adaptief modulatieschema voor helikopter-satelliet Communications – Een benadering voor prestatieverbetering

Simulatie van Spread Spectrum-systemen

1. Typische architectuur van systemen op basis van gespreid spectrum 2. Systemen op basis van directe sequentie, gespreid spectrum 3. Pseudo willekeurige binaire sequentie (PBRS) generatoren • Generatie van sequenties met maximale lengte • Generatie van goudcodes • Generatie van Walsh-codes

4. Tijdverspringende systemen op basis van gespreid spectrum 5. Bit Error Rate Prestaties van systemen op basis van gespreid spectrum in AWGN-kanalen • Impact van coderingssnelheid r op de BER-prestaties • Impact van de codelengte op de BER-prestaties

6. Prestaties van bitfoutpercentages van systemen op basis van gespreid spectrum in multipath Slow Rayleigh Fading Channels met Zero Doppler Shift 7. Analyse van prestaties van bitfoutpercentages van systemen op basis van gespreid spectrum in fadingomgevingen met hoge mobiliteit 8. Analyse van prestatieanalyses van bitfoutpercentages van systemen op basis van gespreid spectrum in aanwezigheid van interferentie door meerdere gebruikers 9. RGB-beeldoverdracht via spread-spectrumsystemen 10. Optische CDMA (OCDMA)-systemen • Optische orthogonale codes (OOC) • Prestatielimieten van OCDMA-systemen; bitfoutsnelheid van synchrone en asynchrone OCDMA-systemen

Ultra breedband SS-systemen

OFDM-gebaseerde systemen

11. Implementatie van OFDM-systemen met behulp van de Fast Fourier Transform 12. Typische architectuur van OFDM-gebaseerde systemen 13. Bit Error Rate-prestaties van OFDM-systemen in AWGN-kanalen • Impact van coderingssnelheid r op de BER-prestaties • Impact van het cyclische voorvoegsel op de BER prestatie • Impact van de FFT-grootte en de afstand tussen de subdragers op de BER-prestaties

14. Prestaties van bitfoutpercentages van OFDM-systemen in langzame Rayleigh-fadingkanalen met meerdere paden en Zero Doppler Shift 15. Prestaties van bitfoutpercentages van OFDM-systemen in multipath-langzame Rayleigh-fadingkanalen met CFO 16. Kanaalschatting in OFDM-systemen 17. Egalisatie van frequentiedomeinen in OFDM Systemen • Zero Forcing Equalizer • MMSE Equalizers 18. Andere algemene prestatiestatistieken in OFDM-gebaseerde systemen (Peak – to – Average Power Ratio, Carrier – to – Interference Ratio…enz.) 19. Prestatieanalyse van OFDM-gebaseerde systemen in omgevingen met hoge mobiliteit (als een simulatieproject bestaande uit drie artikelen) 20. Papier (1): Mitigatie van interferentie tussen luchtvaartmaatschappijen 21. Papier (2): MIMO-OFDM-systemen

Optimalisatie van een MATLAB simulatieproject

Het doel van dit deel is om te leren hoe je een MATLAB simulatieproject kunt bouwen en optimaliseren om het algehele simulatieproces te vereenvoudigen en te organiseren. Bovendien wordt ook rekening gehouden met geheugenruimte en verwerkingssnelheid om geheugenoverloopproblemen in beperkte opslagsystemen of lange looptijden als gevolg van langzame verwerking te voorkomen.

1. Typische structuur van kleinschalige simulatieprojecten 2. Extractie van simulatieparameters en theoretische simulatiemapping 3. Bouwen van een simulatieproject 4. Monte Carlo-simulatietechniek 5. Een typische procedure voor het testen van een simulatieproject 6. Geheugenruimte Management en simulatietijdreductietechnieken • Basisband versus doorlaatbandsimulatie • Berekening van de adequate pulsbreedte voor afgeknotte willekeurige pulsvormen • Berekening van het adequate aantal samples per symbool • Berekening van het noodzakelijke en voldoende aantal bits om een systeem te testen

GUI-programmering

Het is een geweldige prestatie om een MATLAB-code te hebben die vrij is van debugs en goed werkt om correcte resultaten te produceren. Om deze reden en meer wordt er een extra lezing over "Grafische gebruikersinterface (GUI) Programming" gegeven om de controle over verschillende delen van uw simulatieproject op een bepaald niveau te brengen. uw handtips in plaats van in een lange broncode vol opdrachten te duiken. Bovendien helpt het maskeren van uw MATLAB-code met een GUI om uw werk te presenteren op een manier die het combineren van meerdere resultaten in één hoofdvenster vergemakkelijkt en het gemakkelijker maakt om gegevens te vergelijken.

1. Wat is een MATLAB GUI 2. Structuur van MATLAB GUI-functiebestand 3. Belangrijkste GUI-componenten (belangrijke eigenschappen en waarden) 4. Lokale en globale variabelen

Opmerking: De onderwerpen die in elk niveau van deze cursus worden behandeld, omvatten, maar zijn niet beperkt tot, de onderwerpen die op elk niveau worden vermeld. Bovendien zijn de onderwerpen van elke specifieke lezing onderhevig aan verandering, afhankelijk van de behoeften van de leerlingen en hun onderzoeksinteresses.