Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata) Training Cursus

• Resultaten van deze cursus
Na de voltooiing van deze cursus zou de student in staat moeten zijn om 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:

• Kaart en manipuleer ingewikkelde wiskundige uitdrukkingen die vaak voorkomen in de literatuur over communicatietechniek

• Mogelijkheid om de programmeermogelijkheden van MATLAB te gebruiken om de simulatieresultaten van andere papers te reproduceren of op zijn minst deze resultaten te benaderen.

• Creëer de simulatiemodellen van zelf voorgestelde ideeën.

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

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

• Opbouw van de cursus

Het materiaal dat in deze cursus wordt aangeboden, is sterk gecorreleerd. Het wordt niet aanbevolen dat een student een niveau volgt, tenzij hij/zij het eerdere niveau volgt en grondig begrijpt om de continuïteit van de verworven kennis te waarborgen. De cursus is gestructureerd in drie niveaus, beginnend met een inleiding tot MATLAB programmeren tot het niveau van volledige systeemsimulatie als volgt.

Niveau 1: Communications Wiskunde met MATLAB
Sessies 01-06

Na de voltooiing van dit deel zal de student in staat zijn om ingewikkelde wiskundige uitdrukkingen te evalueren en gemakkelijk de juiste grafieken te construeren voor verschillende gegevensrepresentaties, zoals tijd- en frequentiedomeinplots; BER zet antennestralingspatronen uit... enz.

Fundamentele concepten

1. Het concept van simulatie
2. Het belang van simulatie in de 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. Opdrachtvenster
8. Werkruimte
9. Geschiedenis van opdrachten

Variabele-, vector- en matrixverklaring

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

Speciale matrices

18. De enen matrix
19. De nullen matrix
20. De identiteitsmatrix

Element-wijze en matrix-gewijze manipulatie

21. Accessing specifieke elementen
22. Elementen wijzigen
23. Selectieve eliminatie van elementen (Matrix afkapping)
24. Elementen, vectoren of matrices optellen (Matrix aaneenschakeling)
25. Het vinden van de index van een element in een vector of een matrix
26. Matrix Opnieuw vormgeven
27. Matrix Afkapping
28. Matrix aaneenschakeling
29. Van links naar rechts en van rechts naar links flippen

Unaire matrixoperatoren

30. De Sum-operator
31. De verwachtingsoperator
32. Min operator
33. Max operator
34. De traceringsoperator
35. Matrix bepalende factor |.|
36. Matrix Omgekeerd
37. Matrix omzetten
38. Matrix Hermitisch
39. … enz

Binaire matrixbewerkingen

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

Complexe getallen in MATLAB

43. Complexe basisbandrepresentatie van passbandsignalen en RF-upconversie, een wiskundig overzicht
44. Vorming van complexe variabelen, vectoren en matrices
45. Complexe exponentiële getallen
46. De echte deelnemer,
47. De denkbeeldige deeloperator
48. De geconjugeerde operator (.)*
49. De absolute operator |.|
50. Het argument of de fase-operator

MATLAB Ingebouwde functies

51. Vectoren van vectoren en matrix van matrix
52. De vierkantswortel functie
53. De tekenfunctie
54. De functie "afronden naar gehele getallen"
55. De "dichtstbijzijnde functie voor het laagste gehele getal"
56. De "dichtstbijzijnde functie voor het bovenste gehele getal"
57. De faculteitsfunctie
58. Logaritmische functies (exp, ln, log10, log2)
59. Goniometrische functies
60. Hyperbolische functies
61. De Q(.) functie
62. De functie erfc(.)
63. Bessel functies Jo (.)
64. De Gamma-functie
65. Diff, mod commando's

Polynomen in MATLAB

66. Polynomen in MATLAB
67. Rationele functies
68. Polynomiale afgeleiden
69. Polynomiale integratie
70. Polynomiale vermenigvuldiging

Grafieken op lineaire schaal

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

Logaritmische schaaldiagrammen

74. dB-decennium grafieken (BER)
75. decennium-dB plots (Bode plots, frequentierespons, signaalspectrum)
76. Decennium-decennium plots
77. dB-lineaire grafieken

2D Polaire plots
78. (vlakke antenne stralingspatronen)

3D-percelen

79. 3D stralingspatronen
80. Cartesiaanse parametrische plots

Optioneel gedeelte (gegeven op verzoek 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 script-bestanden
85. MATLAB Functiebestanden
86. MATLAB Gegevensbestanden
87. Lokale en globale variabelen

Lussen, condities, stroomregeling en besluitvorming in MATLAB

88. De voor eindlus
89. De while-eindlus
90. De if-eindtoestand
91. De if else eindvoorwaarden
92. De verklaring voor het einde van de schakelkast
93. Iteraties, convergerende fouten, multidimensionale somoperatoren

Invoer- en uitvoerweergaveopdrachten

94. Het commando input(' ')
95. DISP-opdracht
96. fprintf-opdracht
97. Berichtbox msgbox

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

De belangrijkste doelstellingen van dit deel zijn de volgende

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

• Integreer veel elementaire signaalbewerkingen die kunnen worden geïntegreerd om een enkele communicatieverwerkingsfunctie te implementeren, zoals encoders, randomizers, interleavers, spreading code-generatoren ... enz. bij de zender, evenals hun tegenhangers bij de ontvangstterminal.

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

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

Genereren van communicatietestsignalen

98. Genereren van een willekeurige binaire sequentie
99. Genereren van een willekeurig geheel getal Reeksen
100. Tekstbestanden importeren en lezen
101. Lezen en afspelen van audiobestanden
102. Afbeeldingen importeren en exporteren
103. Afbeelding als 3D-matrix
104. Transformatie van RGB naar grijstinten
105. Seriële bitstream van een 2D-afbeelding in grijstinten
106. Sub-framing van beeldsignalen en reconstructie

Signaalconditionering en -manipulatie

107. Amplitudeschaling (versterking, verzwakking, amplitudenormalisatie... enz.)
108. Gelijkstroom-niveauverschuiving
109. Tijdschaling (tijdcompressie, verdunning)
110. Tijdverschuiving (tijdvertraging, tijdvervroeging, linkse en rechtse cirkelvormige tijdverschuiving)
111. Meten van de signaalenergie
112. Normalisatie van energie en vermogen
113. Energie en vermogensschaalvergroting
114. Conversie van serieel naar parallel en parallel naar serieel
115. Multiplexeren en de-multiplexen

Digitalisering van analoge signalen

116. Bemonstering van het tijddomein van continue tijdbasisbandsignalen in MATLAB
117. Kwantisatie van de amplitude van analoge signalen
118. PCM-codering van gekwantiseerde analoge signalen
119. Decimaal naar binair en binair naar decimaal conversie
120. Puls vormgeven
121. Berekening van de juiste pulsbreedte
122. Selectie van het aantal monsters per puls

123. Convolutie met behulp van de conv- en filtercommando's
124. De autocorrelatie en kruiscorrelatie van in de tijd beperkte signalen
125. De snelle Fouriertransformatie (FFT) en IFFT-bewerkingen
126. Het spectrum van een basisbandsignaal weergeven
127. Effect van de bemonsteringsfrequentie en het juiste frequentievenster
128. Relatie tussen de convolutie, correlatie en de FFT-operaties
129. Filteren van frequentiedomeinen, alleen filtering door lage doorlaatbaarheid

Functies van Auxiliary Communication s

130. Randomizers en de-randomizers
131. Punctureers en de-punctureers
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 uitgezonden signaal

• Additie – additieve witte Gaussiaanse ruis (AWGN) kanalen
• Vermenigvuldiging van het tijddomein – langzaam vervagende kanalen, Dopplerverschuiving in voertuigkanalen
• Frequentiedomeinvermenigvuldiging – frequentieselectieve fadingkanalen
• Convolutie van het tijddomein – impulsrespons via kanaal

Voorbeelden van deterministische kanaalmodellen

137. Verlies van vrije ruimte en verlies van omgevingsafhankelijk pad
138. Periodieke blokkadekanalen

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

139. Genereren van een gelijkmatig verdeelde RV
140. Genereren van een werkelijk gewaardeerde Gaussiaanse gedistribueerde RV
141. Genereren van een complexe Gaussiaanse gedistribueerde RV
142. Generatie van een Rayleigh gedistribueerde RV
143. Generatie van een Ricean gedistribueerde RV
144. Genereren van een normaal verdeelde RV
145. Genereren van een willekeurig gedistribueerde RV
146. Benadering van een onbekende kansdichtheidsfunctie (PDF) van een RV door een histogram
147. Numerieke berekening van de cumulatieve verdelingsfunctie (CDF) van een RV
148. Echte en complexe additieve witte Gaussiaanse ruis (AWGN) kanalen

Kanaalkarakterisering door het Power Delay Profile

149. Kanaalkarakterisering aan de hand van het vermogensvertragingsprofiel
150. Vermogensnormalisatie van de PDP
151. Extractie van de kanaalimpulsrespons uit de PDP
152. Bemonstering van de impulsrespons van het kanaal door middel van een willekeurige bemonsteringsfrequentie, niet-overeenkomende bemonstering en vertragingskwantisatie
153. Het probleem van de niet-overeenkomende bemonstering van de kanaalimpulsrespons van smalbandkanalen
154. Bemonstering van een PDP door middel van een willekeurige bemonsteringsfrequentie en fractionele vertragingscompensatie
155. Implementatie van verschillende IEEE gestandaardiseerde binnen- en buitenkanaalmodellen
156. (KOSTEN - SUI - Ultra Wide Band Channel-modellen... enz.)

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

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

Prestaties van bitfoutpercentages van digitale modulatieschema's in de basisband

1. Prestatievergelijking van verschillende digitale modulatieschema's van de basisband in AWGN-kanalen (uitgebreide vergelijkende studie via simulatie om theoretische uitdrukkingen te verifiëren); Spreidingsdiagrammen, bitfoutpercentage

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

3. Impact van Doppler-verschuivingskanalen op de prestaties van digitale modulatieschema's in de basisband; Spreidingsdiagrammen, bitfoutpercentage

Helikopter-naar-satelliet Communications

4. Paper (1): Low-Cost Real-Time Voice and Data System for Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS) – Probleemstelling en analyse
5. Paper (2): Pre-Detection Time Diversity Combineren met Accurate AFC for Helicopter Satellite Communications – De eerste voorgestelde oplossing
6. Paper (3): Een adaptief modulatieschema voor helikopter-satellieten Communication – Een aanpak voor prestatieverbetering

Simulatie van Spread Spectrum Systemen

1. Typische architectuur van op spread spectrum gebaseerde systemen
2. Systemen op basis van direct sequentiespreidingsspectrum
3. Pseudo willekeurige binaire sequentie (PBRS) generatoren
• Genereren van maximale lengtesequenties
• Genereren van gouden codes
• Genereren van Walsh-codes

4. Tijdhoppen, gespreid spectrum, gebaseerd op systemen
5. Bit Error Rate Prestaties van op spread spectrum gebaseerde systemen in AWGN-kanalen
• Impact van de codeersnelheid r op de BER-prestaties
• Impact van de codelengte op de BER-prestaties

6. De Prestaties van het Tarief van de beetjefout van op spread spectrum gebaseerde Systemen in multipath Langzame Rayleigh Fading Kanalen met Zero Doppler Shift
7. Analyse van de prestaties van bitfoutenpercentages van systemen op basis van gespreid spectrum in omgevingen met hoge mobiliteit die vervagen
8. Analyse van de prestaties van het bitfoutenpercentage van systemen op basis van gespreid spectrum in aanwezigheid van interferentie door meerdere gebruikers
9. RGB-beeldoverdracht via systemen met een gespreid spectrum
10. Optische CDMA (OCDMA) systemen
• Optische orthogonale codes (OOC)
• Prestatielimieten van OCDMA-systemen; bitfoutpercentageprestaties 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 op OFDM gebaseerde systemen
13. Prestaties van bitfoutpercentages van OFDM-systemen in AWGN-kanalen
• Impact van de codeersnelheid r op de BER-prestaties
• Impact van het cyclische voorvoegsel op de BER-prestaties
• Impact van de FFT-grootte en de afstand tussen de subcarriers op de BER-prestaties

14. Prestaties van het bitfoutenpercentage van OFDM-systemen in multipath langzame Rayleigh-vervagende kanalen zonder Doppler-verschuiving
15. De Prestaties van het Tarief van de Beetjefout van OFDM-Systemen in multipath Langzame Rayleigh Fading Kanalen met CFO
16. Kanaalschatting in OFDM-systemen
17. Frequentiedomeinegalisatie in OFDM-systemen
• Nul forcerende equalizer
• MMSE-equalizers
18. Andere veelgebruikte prestatiemaatstaven in op OFDM gebaseerde systemen (piek – tot – gemiddelde vermogensverhouding, draaggolf – tot – interferentieverhouding... enz.)
19. Prestatieanalyse van op OFDM gebaseerde systemen in omgevingen met veel mobiliteitsfading (als een simulatieproject bestaande uit drie papers)
20. Paper (1): Beperking van interferentie tussen vervoerders
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 problemen met geheugenoverloop in beperkte opslagsystemen of lange looptijden als gevolg van trage verwerking te voorkomen.

1. Typische structuur van kleinschalige simulatieprojecten
2. Extractie van simulatieparameters en theoretisch in kaart brengen van simulatie
3. Een simulatieproject bouwen
4. Monte Carlo-simulatietechniek
5. Een typische procedure voor het testen van een simulatieproject
6. Geheugenruimte Management en technieken voor het verminderen van de simulatietijd
• Baseband vs. Passband Simulatie
• Berekening van de juiste pulsbreedte voor afgekapte willekeurige pulsvormen
• Berekening van het juiste aantal monsters per symbool
• Berekening van het benodigde en voldoende aantal bits om een systeem te testen

GUI programmeren

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 echter een extra lezing gegeven over "Graphical User Interface (GUI) Programming" om de controle over verschillende onderdelen van uw simulatieproject binnen handbereik te hebben in plaats van in een lange broncode vol commando's 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 het 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 in elk niveau worden vermeld. Bovendien kunnen de items van elk specifiek college veranderen, afhankelijk van de behoeften van de studenten en hun onderzoeksinteresses.