Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata) Treningskurs

• Utbytte av dette kurset
Etter gjennomføring av dette kurset skal studenten være i stand til å angripe mange av de nå åpne forskningsproblemene innen kommunikasjonsteknikk, da han/hun bør ha tilegnet seg minst følgende ferdigheter:

• Kartlegge og manipulere kompliserte matematiske uttrykk som forekommer hyppig i kommunikasjonsteknisk litteratur

• Evne til å bruke programmeringsmulighetene som tilbys av MATLAB for å reprodusere simuleringsresultatene fra andre artikler eller i det minste nærme seg disse resultatene.

• Lag simuleringsmodeller av selvforslagte ideer.

• Bruk de ervervede simuleringsferdighetene effektivt i forbindelse med de kraftige MATLAB-egenskapene for å designe optimaliserte MATLAB koder når det gjelder kodens kjøretid samtidig som du sparer på minneplassen.

• Identifisere nøkkelsimuleringsparametrene til et gitt kommunikasjonssystem, trekke dem ut fra systemmodellen og studere innvirkningen av disse parameterne på ytelsen til systemet som vurderes.

• Kursstruktur

Materialet i dette kurset er ekstremt korrelert. Det anbefales ikke at en student går på et nivå med mindre han/hun deltar og forstår dets tidligere nivå for å sikre kontinuiteten til den tilegnete kunnskapen. Kurset er strukturert i tre nivåer fra en introduksjon til MATLAB programmering opp til nivået for komplett systemsimulering som følger.

Nivå 1: Communications Matematikk med MATLAB
Økter 01-06

Etter gjennomføring av denne delen vil studenten være i stand til å vurdere kompliserte matematiske uttrykk og enkelt konstruere de riktige grafene for ulike datarepresentasjoner som tids- og frekvensdomeneplott; BER plotter antennestrålingsmønstre ... osv.

Grunnleggende konsepter

1. Konseptet med simulering
2. Viktigheten av simulering i kommunikasjonsteknikk
3. MATLAB som et simuleringsmiljø
4. Om matrise- og vektorrepresentasjon av skalare signaler i kommunikasjonsmatematikk
5. Matrix og vektorrepresentasjoner av komplekse basebåndsignaler i MATLAB

MATLAB Skrivebord

6. Verktøylinje
7. Kommandovindu
8. Arbeidsplass
9. Kommandohistorikk

Variabel-, vektor- og matrisedeklarasjon

10. MATLAB forhåndsdefinerte konstanter
11. Brukerdefinerte variabler
12. Matriser, vektorer og matriser
13. Manuell matriseinntasting
14. Intervalldefinisjon
15. Lineært rom
16. Logaritmisk rom
17. Variable navneregler

Spesielle matriser

18. De matrise
19. Nullmatrisen
20. Identitetsmatrisen

Element-vis og matrise-vis manipulasjon

21. Accessing av spesifikke elementer
22. Modifisering av elementer
23. Selektiv eliminering av elementer (Matrix trunkering)
24. Legge til elementer, vektorer eller matriser (Matrix sammenkobling)
25. Finne indeksen til et element inne i en vektor eller en matrise
26. Matrix omforming
27. Matrix trunkering
28. Matrix sammenkobling
29. Venstre til høyre og høyre til venstre bla

Unære matriseoperatorer

30. Sumoperatoren
31. Forventningsoperatøren
32. Min operatør
33. Maks operatør
34. Sporingsoperatøren
35. Matrix determinant |.|
36. Matrix omvendt
37. Matrix transponere
38. Matrix Hermitian
39. …osv

Binære matriseoperasjoner

40. Aritmetiske operasjoner
41. Relasjonelle operasjoner
42. Logiske operasjoner

Komplekse tall i MATLAB

43. Kompleks basebåndrepresentasjon av passbåndsignaler og RF-oppkonvertering, en matematisk gjennomgang
44. Danne komplekse variabler, vektorer og matriser
45. Komplekse eksponentialer
46. Den virkelige deloperatøren
47. Den imaginære deloperatøren
48. Konjugert operator (.)*
49. Den absolutte operatoren |.|
50. Argumentet eller faseoperatoren

MATLAB innebygde funksjoner

51. Vektorer av vektorer og matrise av matrise
52. Kvadratrotfunksjonen
53. Tegnfunksjonen
54. "Rund til heltall"-funksjonen
55. Den "nærmeste nedre heltallsfunksjonen"
56. Den "nærmeste øvre heltallsfunksjonen"
57. Den faktorielle funksjonen
58. Logaritmiske funksjoner (exp, ln,log10,log2)
59. Trigonometriske funksjoner
60. Hyperbolske funksjoner
61. Q(.)-funksjonen
62. Erfc(.)-funksjonen
63. Bessel fungerer Jo (.)
64. Gamma-funksjonen
65. Diff, mod kommandoer

Polynomer i MATLAB

66. Polynomer i MATLAB
67. Rasjonelle funksjoner
68. Polynomderivater
69. Polynomintegrasjon
70. Polynom multiplikasjon

Lineær skala plott

71. Visuelle representasjoner av kontinuerlige tidskontinuerlige amplitudesignaler
72. Visuelle representasjoner av tilnærmede signaler for trappehus
73. Visuelle representasjoner av diskret tid – diskrete amplitudesignaler

Logaritmiske skalaplott

74. dB-tiår tomter (BER)
75. tiår-dB-plott (Bode-plott, frekvensrespons, signalspektrum)
76. tiår-tiår tomter
77. dB-lineære plott

2D Polar plott
78. (plane antennestrålingsmønstre)

3D-plott

79. 3D-strålingsmønstre
80. Kartesiske parametriske plott

Valgfri seksjon (gitt etter krav fra elevene)

81. Symbolsk differensiering og numerisk differensiering i MATLAB
82. Symbolsk og numerisk integrasjon i MATLAB
83. MATLAB hjelp og dokumentasjon

MATLAB filer

84. MATLAB skriptfiler
85. MATLAB funksjonsfiler
86. MATLAB datafiler
87. Lokale og globale variabler

Loops, tilstandsflytkontroll og beslutningstaking i MATLAB

88. For endeløkken
89. The while end loop
90. Hvis sluttbetingelsen
91. Hvis annet sluttbetingelsene
92. Byttesakens sluttsetning
93. Iterasjoner, konvergerende feil, flerdimensjonale sumoperatorer

Inn- og utgangsvisningskommandoer

94. Kommandoen input(' ').
95. disp kommando
96. fprintf kommando
97. Meldingsboks msgbox

Nivå 2: Signaler og systemoperasjoner (24 timer)
Økter 07-14

Hovedmålene for denne delen er som følger

• Generer tilfeldige testsignaler som er nødvendige for å teste ytelsen til forskjellige kommunikasjonssystemer

• Integrer mange elementære signaloperasjoner kan integreres for å implementere en enkelt kommunikasjonsbehandlingsfunksjon som kodere, randomizere, interleavers, spredningskodegeneratorer …etc. på senderen så vel som deres motparter på mottaksterminalen.

• Koble disse blokkene riktig sammen for å oppnå en kommunikasjonsfunksjon

• Simulering av deterministiske, statistiske og semi-tilfeldige innendørs og utendørs smalbåndskanalmodeller

Generering av kommunikasjonstestsignaler

98. Generering av en tilfeldig binær sekvens
99. Generering av et tilfeldig heltall Sekvenser
100. Importere og lese tekstfiler
101. Lesing og avspilling av lydfiler
102. Importere og eksportere bilder
103. Bilde som en 3D-matrise
104. RGB til gråskala transformasjon
105. Seriell bitstrøm av et 2D-gråskalabilde
106. Sub-framing av bildesignaler og rekonstruksjon

Signalbehandling og manipulering

107. Amplitudeskalering (forsterkning, demping, amplitudenormalisering osv.)
108. DC-nivåforskyvning
109. Tidsskalering (tidskomprimering, sjeldnere)
110. Tidsforskyvning (tidsforsinkelse, tidsforskyvning, venstre og høyre sirkulær tidsforskyvning)
111. Måling av signalenergien
112. Energi- og kraftnormalisering
113. Energi- og kraftskalering
114. Seriell-til-parallell og parallell-til-seriell konvertering
115. Multipleksing og demultipleksing

Digitalisering av analoge signaler

116. Tidsdomene-sampling av kontinuerlige tidsbasebåndsignaler i MATLAB
117. Amplitudekvantisering av analoge signaler
118. PCM-koding av kvantiserte analoge signaler
119. Desimal-til-binær og binær-til-desimal konvertering
120. Pulsforming
121. Beregning av tilstrekkelig pulsbredde
122. Valg av antall prøver per puls

123. Konvolusjon ved hjelp av kommandoene konv og filter
124. Autokorrelasjonen og krysskorrelasjonen av tidsbegrensede signaler
125. Fast Fourier Transform (FFT) og IFFT operasjoner
126. Vise et basebåndsignalspektrum
127. Effekt av samplingsfrekvens og riktig frekvensvindu
128. Forholdet mellom konvolusjonen, korrelasjonen og FFT-operasjonene
129. Frekvensdomenefiltrering, kun lavpassfiltrering

Hjelpe Communications funksjoner

130. Randomizers og de-randomizers
131. Punktører og de-punkterer
132. Kodere og dekodere
133. Interleavers og de-interleavers

Modulatorer og demodulatorer

134. Digitale basebåndmodulasjonsskjemaer i MATLAB
135. Visuell representasjon av digitalt modulerte signaler

Kanalmodellering og simulering

136. Mathematical modellering av kanaleffekten på det overførte signalet

• Tillegg – additiv hvit Gaussisk støy (AWGN) kanaler
• Tidsdomenemultiplikasjon – sakte fading kanaler, dopplerskifte i kjøretøykanaler
• Frekvensdomenemultiplikasjon – frekvensselektive fadingkanaler
• Tidsdomenekonvolusjon – kanalimpulsrespons

Eksempler på deterministiske kanalmodeller

137. Tap av ledig plass og miljøavhengig veitap
138. Periodiske blokkeringskanaler

Statistisk karakterisering av vanlige stasjonære og kvasi-stasjonære flerveisfadingkanaler

139. Generering av en jevnt fordelt bobil
140. Generering av en virkelig verdsatt Gaussisk distribuert RV
141. Generering av en kompleks Gaussisk distribuert RV
142. Generering av en Rayleigh-distribuert RV
143. Generering av en RV-distribuert RV
144. Generering av en Lognormalfordelt RV
145. Generering av en vilkårlig distribuert RV
146. Tilnærming av en ukjent sannsynlighetstetthetsfunksjon (PDF) til en RV ved hjelp av et histogram
147. Numerisk beregning av den kumulative distribusjonsfunksjonen (CDF) til en RV
148. Ekte og kompleks additiv hvit Gaussisk støy (AWGN) kanaler

Kanalkarakterisering etter Power Delay-profilen

149. Kanalkarakterisering etter dens effektforsinkelsesprofil
150. Strømnormalisering av PDP
151. Trekke ut kanalimpulsresponsen fra PDP
152. Sampling av kanalimpulsresponsen ved hjelp av en vilkårlig samplingshastighet, feiltilpasset sampling og forsinkelseskvantisering
153. Problemet med uoverensstemmende sampling av kanalimpulsresponsen til smalbåndskanaler
154. Sampling av en PDP med en vilkårlig samplingsfrekvens og kompensasjon for brøkforsinkelser
155. Implementering av flere IEEE standardiserte innendørs og utendørs kanalmodeller
156. (KOSTNAD – SUI – Ultra Wide Band Channel Models…osv.)

Nivå 3: Link Level Simulering av praktisk komm. Systemer (30 timer)
Økt 15-24

Denne delen av kurset er opptatt av det viktigste temaet for forskerstudenter, det vil si hvordan man kan reprodusere simuleringsresultatene fra andre publiserte artikler ved simulering.

Bitfeilfrekvensytelse for basebånds digitale moduleringsskjemaer

1. Ytelsessammenligning av forskjellige basebånds digitale modulasjonsskjemaer i AWGN-kanaler (Omfattende komparativ studie via simulering for å verifisere teoretiske uttrykk); spredningsplott, bitfeilrate

2. Ytelsessammenligning av forskjellige digitale basebåndsmodulasjonsskjemaer i forskjellige stasjonære og kvasistasjonære fadingkanaler; spredningsplott, bitfeilrate (Omfattende komparativ studie via simulering for å bekrefte teoretiske uttrykk)

3. Innvirkning av Doppler-skiftkanaler på ytelsen til digitale basebåndsmodulasjonssystemer; spredningsplott, bitfeilrate

Helikopter-til-satellitt Communications

4. Paper (1): Lavpris sanntidstale- og datasystem for Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS) – Problemstilling og analyse
5. Papir (2): Forhåndsdeteksjonstidsdiversitet kombinert med nøyaktig AFC for helikoptersatellitter Communication – Den første foreslåtte løsningen
6. Paper (3): An Adaptive Modulation Scheme for Helikopter-Satellitt Communications – En ytelsesforbedrende tilnærming

Simulering av spredt spektrum systemer

1. Typisk arkitektur for spredt spektrum baserte systemer
2. Direkte sekvens spredt spektrum baserte systemer
3. Pseudo random binær sekvens (PBRS) generatorer
• Generering av sekvenser med maksimal lengde
• Generering av gullkoder
• Generering av Walsh-koder

4. Tidshoppende spredt spektrum baserte systemer
5. Bit Error Rate Ytelse av spredt spektrum baserte systemer i AWGN-kanaler
• Innvirkning av kodingshastighet r på BER-ytelsen
• Innvirkning av kodelengden på BER-ytelsen

6. Bit Feil Rate Ytelse av spredt spektrum baserte systemer i flerveis sakte Rayleigh Fading kanaler med null Doppler Shift
7. Bitfeilrate ytelsesanalyse av spredt spektrum baserte systemer i høymobilitet fading miljøer
8. Bitfeilrate ytelsesanalyse av spredt spektrum baserte systemer i nærvær av multi-bruker interferens
9. RGB bildeoverføring over spredt spektrum systemer
10. Optiske CDMA (OCDMA) systemer
• Optiske ortogonale koder (OOC)
• Ytelsesgrenser for OCDMA-systemer; ytelse for bitfeilfrekvens for synkrone og asynkrone OCDMA-systemer

Ultrabredbånd SS-systemer

OFDM-baserte systemer

11. Implementering av OFDM-systemer ved bruk av Fast Fourier Transform
12. Typisk arkitektur for OFDM-baserte systemer
13. Bitfeilfrekvensytelse for OFDM-systemer i AWGN-kanaler
• Innvirkning av kodingshastighet r på BER-ytelsen
• Virkningen av det sykliske prefikset på BER-ytelsen
• Innvirkning av FFT-størrelsen og underbæreravstanden på BER-ytelsen

14. Bit-feilhastighetsytelse for OFDM-systemer i langsomme Rayleigh-fadingkanaler med flere veier med null dopplerskift
15. Bitfeilfrekvensytelse for OFDM-systemer i langsomme Rayleigh-fading-kanaler med flere veier med finansdirektør
16. Kanalestimering i OFDM-systemer
17. Frekvensdomeneutjevning i OFDM-systemer
• Zero Forcing Equalizer
• MMSE Equalizers
18. Andre vanlige ytelsesmålinger i OFDM-baserte systemer (Peak – to – Average Power Ratio, Carrier – to – Interference Ratio … etc.)
19. Ytelsesanalyse av OFDM-baserte systemer i høymobilitetsfading-miljøer (som et simuleringsprosjekt bestående av tre artikler)
20. Papir (1): Redusering av inter carrier interferens
21. Papir (2): MIMO-OFDM-systemer

Optimalisering av et MATLAB simuleringsprosjekt

Målet med denne delen er å lære hvordan man bygger og optimaliserer et MATLAB simuleringsprosjekt for å forenkle og organisere den overordnede simuleringsprosessen. Dessuten vurderes minneplass og prosesseringshastighet også for å unngå problemer med minneoverløp i begrensede lagringssystemer eller lange driftstider som følge av langsom prosessering.

1. Typisk struktur for småskala simuleringsprosjekter
2. Uttrekk av simuleringsparametere og teoretisk til simuleringskartlegging
3. Bygge et simuleringsprosjekt
4. Monte Carlo Simuleringsteknikk
5. En typisk prosedyre for testing av et simuleringsprosjekt
6. Minneplass Management og simuleringstidsreduksjonsteknikker
• Baseband vs. Passband Simulering
• Beregning av tilstrekkelig pulsbredde for trunkerte vilkårlige pulsformer
• Beregning av tilstrekkelig antall prøver per symbol
• Beregning av nødvendig og tilstrekkelig antall bits for å teste et system

GUI-programmering

Å ha en MATLAB kode fri for feilsøking og fungere riktig for å produsere korrekte resultater er en stor prestasjon. Et sett med nøkkelparametere i et simuleringsprosjekt kontrollerer imidlertid. Av denne grunn og mer gis det en ekstra forelesning om "Graphical User Interface (GUI) Programming" for å bringe kontrollen over ulike deler av simuleringsprosjektet ditt på hånden din tipser i stedet for å dykke i en lang kildekode full av kommandoer. I tillegg hjelper det å ha MATLAB-koden maskert med et GUI å presentere arbeidet ditt på en måte som gjør det lettere å kombinere flere resultater i ett hovedvindu og gjør det enklere å sammenligne data.

1. Hva er en MATLAB GUI
2. Struktur av MATLAB GUI-funksjonsfil
3. Hoved GUI-komponenter (viktige egenskaper og verdier)
4. Lokale og globale variabler

Merk: Emnene som dekkes på hvert nivå i dette kurset inkluderer, men ikke begrenset til, de som er oppgitt på hvert nivå. Dessuten kan elementene i hver enkelt forelesning endres avhengig av elevenes behov og deres forskningsinteresser.