Курс за обучение по Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata)

• Резултати от този курс
След завършване на този курс студентът трябва да може да атакува много от текущите открити изследователски проблеми в областта на комуникационното инженерство, тъй като той/тя трябва да е придобил поне следните умения:

• Картографирайте и манипулирайте сложни математически изрази, които се появяват често в литературата по комуникационно инженерство

• Възможност за използване на възможностите за програмиране, предлагани от MATLAB, за да се възпроизведат резултатите от симулацията на други документи или поне да се доближат до тези резултати.

• Създаване на симулационни модели на самостоятелно предложени идеи.

• Използвайте придобитите симулационни умения ефективно във връзка с мощните MATLAB възможности за проектиране на оптимизирани MATLAB кодове по отношение на времето за изпълнение на кода, като същевременно спестявате пространство в паметта.

• Идентифицирайте ключовите симулационни параметри на дадена комуникационна система, извлечете ги от модела на системата и проучете въздействието на тези параметри върху работата на разглежданата система.

• Структура на курса

Материалът, предоставен в този курс, е изключително свързан. Не се препоръчва ученикът да посещава дадено ниво, освен ако не посещава и разбира задълбочено предишното си ниво, за да се осигури приемственост на придобитите знания. Курсът е структуриран в три нива, като се започне от въведение в MATLAB програмирането до нивото на пълна симулация на системата, както следва.

Ниво 1: Communications Математика с MATLAB
Сесии 01-06

След завършване на тази част, студентът ще може да оценява сложни математически изрази и лесно да конструира правилните графики за различни представяния на данни, като графики във времева и честотна област; BER чертае диаграми на излъчване на антената... и т.н.

Основни понятия

1. Концепцията за симулация
2. Значението на симулацията в комуникационното инженерство
3. MATLAB като среда за симулация
4. За матричното и векторно представяне на скаларни сигнали в комуникационната математика
5. Matrix и векторни представяния на сложни базови сигнали в MATLAB

MATLAB Работен плот

6. Лента с инструменти
7. Команден прозорец
8. Работно пространство
9. История на командите

Декларация на променлива, вектор и матрица

10. MATLAB предварително дефинирани константи
11. Дефинирани от потребителя променливи
12. Масиви, вектори и матрици
13. Ръчно въвеждане на матрица
14. Определение на интервал
15. Линейно пространство
16. Логаритмично пространство
17. Правила за именуване на променливи

Специални матрици

18. Матрицата на единиците
19. Нулевата матрица
20. Матрицата на идентичността

Element-мъдра и матрична манипулация

21. Accessопределяне на специфични елементи
22. Модифициращи елементи
23. Селективно елиминиране на елементи (Matrix съкращаване)
24. Добавяне на елементи, вектори или матрици (Matrix конкатенация)
25. Намиране на индекса на елемент във вектор или матрица
26. Matrix преоформяне
27. Matrix съкращаване
28. Matrix конкатенация
29. Обръщане отляво надясно и отдясно наляво

Унарни матрични оператори

30. Операторът Sum
31. Оператор на очакване
32. Оператор Min
33. Макс оператор
34. Операторът за проследяване
35. Matrix детерминанта |.|
36. Matrix обратна
37. Matrix транспониране
38. Matrix Ермит
39. …и т.н

Двоични матрични операции

40. Аритметични действия
41. Релационни операции
42. Логически операции

Комплексни числа в MATLAB

43. Сложно бейсбенд представяне на пропускателни сигнали и RF преобразуване нагоре, математически преглед
44. Формиране на комплексни променливи, вектори и матрици
45. Комплексни експоненти
46. Оператор за реална част
47. Операторът на имагинерната част
48. Конюгираният оператор (.)*
49. Абсолютният оператор |.|
50. Аргумент или фазов оператор

MATLAB вградени функции

51. Вектори на вектори и матрица на матрица
52. Функция квадратен корен
53. Знаковата функция
54. Функцията "закръглено до цяло число".
55. "Най-близката долна целочислена функция"
56. "Най-близката горна целочислена функция"
57. Функцията факториел
58. Логаритмични функции (exp, ln,log10,log2)
59. Тригонометрични функции
60. Хиперболични функции
61. Функцията Q(.).
62. Функцията erfc(.).
63. Функции на Бесел Jo (.)
64. Гама функцията
65. Diff, mod команди

Полиноми в MATLAB

66. Полиноми в MATLAB
67. Рационални функции
68. Полиномни производни
69. Полиномно интегриране
70. Полиномно умножение

Графики в линейни мащаби

71. Визуално представяне на непрекъснати във времето амплитудни сигнали
72. Визуално представяне на апроксимирани сигнали за стълбищна клетка
73. Визуални изображения на дискретно време – дискретни амплитудни сигнали

Графики в логаритмичен мащаб

74. dB-десетилетни графики (BER)
75. декада-dB графики (графики на Боде, честотна характеристика, спектър на сигнала)
76. десетилетни сюжети
77. dB-линейни графики

2D полярни графики
78. (планарни диаграми на излъчване на антената)

3D графики

79. 3D диаграми на излъчване
80. Декартови параметрични диаграми

Незадължителна секция (дава се по желание на обучаемите)

81. Символна диференциация и числова диференциация в MATLAB
82. Символно и числено интегриране в MATLAB
83. MATLAB помощ и документация

MATLAB файла

84. MATLAB скриптови файлове
85. MATLAB функционални файлове
86. MATLAB файлове с данни
87. Локални и глобални променливи

Цикли, управление на потока на условията и вземане на решения в MATLAB

88. Цикълът for end
89. Цикълът while end
90. Условието if end
91. Крайните условия if else
92. Изявлението за край на превключвател
93. Итерации, конвергентни грешки, многомерни сумиращи оператори

Команди за въвеждане и извеждане на дисплея

94. Командата input(' ').
95. disp команда
96. команда fprintf
97. Кутия за съобщения msgbox

Ниво 2: Сигнали и системни операции (24 часа)
Сесии 07-14

Основните цели на тази част са следните

• Генериране на произволни тестови сигнали, които са необходими за тестване на работата на различни комуникационни системи

• Интегрирайте много елементарни сигнални операции, които могат да бъдат интегрирани за прилагане на една единствена функция за обработка на комуникация като енкодери, рандомайзери, интерливъри, генератори на разпръскващ код ... и т.н. в предавателя, както и техните двойници в приемния терминал.

• Свържете правилно тези блокове, за да постигнете комуникационна функция

• Симулация на детерминистични, статистически и полуслучайни модели на вътрешни и външни теснолентови канали

Генериране на комуникационни тестови сигнали

98. Генериране на произволна двоична последователност
99. Генериране на произволни целочислени последователности
100. Импортиране и четене на текстови файлове
101. Четене и възпроизвеждане на аудио файлове
102. Импортиране и експортиране на изображения
103. Изображение като 3D матрица
104. Трансформация от RGB към сива скала
105. Сериен битов поток на 2D изображение в сива скала
106. Подкадриране на образни сигнали и реконструкция

Кондициониране и манипулиране на сигнала

107. Мащабиране на амплитудата (усилване, затихване, нормализиране на амплитудата...и т.н.)
108. DC преместване на нивото
109. Времево мащабиране (времева компресия, разреждане)
110. Изместване на времето (закъснение във времето, напредване във времето, ляво и дясно кръгово изместване на времето)
111. Измерване на енергията на сигнала
112. Нормализация на енергията и мощността
113. Енергия и мащабиране на мощността
114. Последователно-паралелно и паралелно-последователно преобразуване
115. Мултиплексиране и де-мултиплексиране

Цифровизиране на аналогови сигнали

116. Вземане на проби във времева област на непрекъснати времеви бейсбенд сигнали в MATLAB
117. Амплитудно квантуване на аналогови сигнали
118. PCM кодиране на квантувани аналогови сигнали
119. Десетично-двоично и двоично-десетично преобразуване
120. Оформяне на импулса
121. Изчисляване на адекватната ширина на импулса
122. Избор на брой проби на импулс

123. Конволюция с помощта на командите conv и filter
124. Автокорелация и кръстосана корелация на ограничени във времето сигнали
125. Операциите за бързо преобразуване на Фурие (FFT) и IFFT
126. Преглед на спектър на бейсбенд сигнал
127. Ефект от честотата на дискретизация и подходящия честотен прозорец
128. Връзка между операциите на конволюция, корелация и FFT
129. Филтриране по честотен домейн, само нискочестотно филтриране

Спомагателни Communication функции

130. Рандомизатори и дерандомизатори
131. Пунктуратори и депунктури
132. Кодери и декодери
133. Интерливъри и де-интерливъри

Модулатори и демодулатори

134. Схеми за цифрова бейсбенд модулация в MATLAB
135. Визуално представяне на цифрово модулирани сигнали

Моделиране и симулация на канали

136. Mathematical моделиране на ефекта на канала върху предавания сигнал

• Добавяне – допълнителен бял гаусов шум (AWGN) канали
• Умножение във времева област – канали с бавно затихване, доплерово изместване в каналите на превозните средства
• Умножение на честотен домейн – честотно селективни затихващи канали
• Конволюция във времевата област – импулсна характеристика на канала

Примери за детерминирани канални модели

137. Загуба на пътя на свободното пространство и загуба на път, зависеща от околната среда
138. Периодично запушване на канали

Статистическа характеристика на обикновени стационарни и квазистационарни канали с многолъчево затихване

139. Генериране на равномерно разпределена RV
140. Генериране на разпределен RV с реална стойност по Гаус
141. Генериране на сложна Гаусова разпределена RV
142. Генериране на Rayleigh разпределен RV
143. Генериране на Ricean разпределен RV
144. Генериране на логнормално разпределен RV
145. Генериране на произволна разпределена RV
146. Апроксимация на неизвестна функция на плътност на вероятността (PDF) на RV чрез хистограма
147. Числено изчисляване на кумулативната функция на разпределение (CDF) на RV
148. Канали с реален и комплексен адитивен бял шум на Гаус (AWGN).

Характеризиране на канала чрез неговия профил на забавяне на мощността

149. Характеризиране на канала чрез неговия профил на забавяне на мощността
150. Нормализация на мощността на PDP
151. Извличане на импулсната характеристика на канала от PDP
152. Семплиране на импулсната характеристика на канала чрез произволна честота на семплиране, несъответстващо семплиране и квантуване на закъснение
153. Проблемът с несъответстващо вземане на проби от импулсната характеристика на канала на теснолентови канали
154. Семплиране на PDP чрез произволна честота на дискретизация и частично компенсиране на забавянето
155. Внедряване на няколко IEEE стандартизирани вътрешни и външни модели канали
156. (COST – SUI – Ultra Wide Band Channel Models… etc.)

Ниво 3: Симулация на ниво връзка на практическа комуникация Системи (30 часа)
Сесии 15-24

Тази част от курса се занимава с най-важния въпрос за студентите-изследователи, а именно как да възпроизведат резултатите от симулацията на други публикувани статии чрез симулация.

Производителност на честотата на грешка при битове на схеми за цифрова модулация на основната лента

1. Сравнение на производителността на различни схеми за цифрова модулация на основната лента в AWGN канали (цялостно сравнително изследване чрез симулация за проверка на теоретичните изрази); диаграми на разсейване, процент на грешка при битове

2. Сравнение на производителността на различни схеми за цифрова модулация на основната лента в различни стационарни и квазистационарни канали с затихване; диаграми на разсейване, процент битови грешки (цялостно сравнително изследване чрез симулация за проверка на теоретични изрази)

3. Въздействие на каналите с доплерово изместване върху работата на схемите за цифрова модулация на основната лента; диаграми на разсейване, процент на грешка при битове

Хеликоптер-сателит Communications

4. Доклад (1): Евтина система за глас и данни в реално време за аеронавигационна мобилна сателитна услуга (AMSS) – Постановка на проблема и анализ
5. Документ (2): Разнообразие на времето преди откриване, комбинирано с точен AFC за хеликоптерни спътници Communication – Първото предложено решение
6. Документ (3): Адаптивна модулационна схема за хеликоптер-сателит Communication – подход за подобряване на производителността

Симулация на системи с разширен спектър

1. Типична архитектура на системи, базирани на разширен спектър
2. Системи, базирани на разширен спектър с директна последователност
3. Генератори на псевдослучайна двоична последователност (PBRS).
• Генериране на последователности с максимална дължина
• Генериране на златни кодове
• Генериране на кодове на Walsh

4. Системи, базирани на разширен спектър със скокове във времето
5. Процент на грешки при битове на системи, базирани на разширен спектър в AWGN канали
• Въздействие на скоростта на кодиране r върху ефективността на BER
• Влияние на дължината на кода върху ефективността на BER

6. Производителност на честотата на грешка при битове на системи, базирани на разширен спектър, в канали с бавно затихване на Rayleigh с нулево доплерово изместване
7. Анализ на ефективността на честотата на грешка при битове на системи, базирани на разширен спектър в среди с висока мобилност и затихване
8. Анализ на производителността на честотата на битовите грешки на системи, базирани на разширен спектър, при наличие на смущения от множество потребители
9. RGB предаване на изображение през системи с разширен спектър
10. Оптични CDMA (OCDMA) системи
• Оптични ортогонални кодове (OOC)
• Ограничения на производителността на OCDMA системите; производителност на скоростта на грешка при битове на синхронни и асинхронни OCDMA системи

Свръхшироколентови SS системи

OFDM базирани системи

11. Внедряване на OFDM системи, използващи бързото преобразуване на Фурие
12. Типична архитектура на OFDM базирани системи
13. Процент на битови грешки на OFDM системи в AWGN канали
• Въздействие на скоростта на кодиране r върху ефективността на BER
• Въздействие на цикличния префикс върху ефективността на BER
• Въздействие на размера на FFT и разстоянието на подносещите върху ефективността на BER

14. Процент на битови грешки на OFDM системи в канали с бавно затихване на Rayleigh с нулево доплерово изместване
15. Производителност на честотата на грешка при битове на OFDM системи в многопътни канали с бавно затихване на Rayleigh с CFO
16. Оценка на канала в OFDM системи
17. Изравняване на честотен домейн в OFDM системи
• Нулев еквалайзер
• MMSE еквалайзери
18. Други общи показатели за производителност в базирани на OFDM системи (съотношение пикова към средна мощност, съотношение носеща към смущения… и т.н.)
19. Анализ на производителността на системи, базирани на OFDM, в среди с висока мобилност и затихване (като симулационен проект, състоящ се от три документа)
20. Документ (1): Намаляване на смущенията между носителите
21. Документ (2): MIMO-OFDM системи

Оптимизиране на MATLAB симулационен проект

Целта на тази част е да научите как да изградите и оптимизирате MATLAB симулационен проект, за да опростите и организирате цялостния симулационен процес. Освен това, пространството в паметта и скоростта на обработка също се вземат предвид, за да се избегнат проблеми с препълване на паметта в ограничени системи за съхранение или дълги времена на работа, произтичащи от бавна обработка.

1. Типична структура на проекти за симулация в малък мащаб
2. Извличане на симулационни параметри и теоретично съпоставяне към симулация
3. Изграждане на симулационен проект
4. Техника за симулация Монте Карло
5. Типична процедура за тестване на симулационен проект
6. Пространство на паметта Management и техники за намаляване на времето за симулация
• Симулация на базова лента срещу лента на пропускане
• Изчисляване на адекватната ширина на импулса за пресечени произволни форми на импулса
• Изчисляване на подходящия брой проби на символ
• Изчисляване на необходимия и достатъчен брой битове за тестване на система

GUI програмиране

Наличието на MATLAB код без грешки и работещ правилно за получаване на правилни резултати е голямо постижение. Въпреки това, набор от ключови параметри в симулационен проект контролира. Поради тази причина и повече се дава допълнителна лекция на тема „Графичен потребителски интерфейс (GUI) Programming“, за да се пренесе контролът върху различни части от вашия симулационен проект на вашите съвети, вместо да се гмуркате в дълги изходни кодове, пълни с команди. Освен това наличието на вашия MATLAB код, маскиран с GUI, помага да представите работата си по начин, който улеснява комбинирането на множество резултати в един главен прозорец и улеснява сравняването на данни.

1. Какво е MATLAB GUI
2. Структура на MATLAB GUI функционален файл
3. Основни GUI компоненти (важни свойства и стойности)
4. Локални и глобални променливи

Забележка: Темите, обхванати във всяко ниво на този курс, включват, но не се ограничават до тези, посочени във всяко ниво. Освен това елементите на всяка отделна лекция подлежат на промяна в зависимост от нуждите на обучаемите и техните научни интереси.