Курс за обучение по Симулиране на безжични комуникационни системи с MATLAB (д-р Шехата)

Резултати от курса

След завършване на курса студентът трябва да може да се справя с много от актуалните отворени изследователски проблеми в областта на комуникационното инженерство, тъй като трябва да е придобил поне следните умения:

• Преобразуване и работа със сложни математически изрази, които често се срещат в литературата по комуникационно инженерство
• Способност да използва програмните възможности, предлагани от MATLAB, за да възпроизведе резултатите от симулации в други публикации или поне да се доближи до тях.
• Създаване на симулационни модели на собствени предложени идеи.
• Ефективно прилагане на придобитите умения за симулация заедно с мощните възможности на MATLAB за проектиране на оптимизирани MATLAB кодове по отношение на времето за изпълнение, като същевременно се пести памет.
• Идентифициране на ключовите параметри на симулация на дадена комуникационна система, извличането им от модела на системата и изследване на влиянието на тези параметри върху производителността на разглежданата система.

Структура на курса

Материалът в този курс е изключително свързан. Не се препоръчва студент да посещава дадено ниво, освен ако не е посетил и не е разбрал задълбочено предходното ниво, за да се гарантира непрекъснатостта на придобитите знания. Курсът е структуриран в три нива, като започва от въведение в програмирането с MATLAB и достига до ниво на пълна системна симулация, както следва.

Комуникационна математика с MATLAB
Сесии 01-06

След завършване на тази част студентът ще може да изчислява сложни математически изрази и лесно да построява подходящи графики за различни представяния на данни, като графики във времевата и честотната област; графики на BER, диаграми на излъчване на антени и др.

Основни понятия

• Концепцията за симулация
• Значението на симулацията в комуникационното инженерство
• MATLAB като среда за симулация
• За матричното и векторното представяне на скаларни сигнали в комуникационната математика
• Матрични и векторни представяния на комплексни базови сигнали в MATLAB

Работен плот на MATLAB

• Лента с инструменти
• Команден прозорец
• Работно пространство
• История на командите

Деклариране на променливи, вектори и матрици

• Предварително дефинирани константи в MATLAB
• Променливи, дефинирани от потребителя
• Масиви, вектори и матрици
• Ръчно въвеждане на матрици
• Дефиниране на интервали
• Линейно пространство
• Логаритмично пространство
• Правила за именуване на променливи

Специални матрици

• Матрица от единици
• Нулева матрица
• Единична матрица

Поелементна и матрична обработка

• Достъп до конкретни елементи
• Промяна на елементи
• Селективно премахване на елементи (съкращаване на матрица)
• Добавяне на елементи, вектори или матрици (конкатенация на матрици)
• Намиране на индекса на елемент във вектор или матрица
• Преоформяне на матрица
• Съкращаване на матрица
• Конкатенация на матрици
• Обръщане отляво надясно и отдясно наляво

Унарни матрични оператори

• Оператор за сума
• Оператор за математическо очакване
• Оператор Min
• Оператор Max
• Оператор за следа
• Детерминанта на матрица |.|
• Обратна матрица
• Транспонирана матрица
• Ермитова матрица

Бинарни матрични операции

• Аритметични операции
• Релационни операции
• Логически операции

Комплексни числа в MATLAB

• Комплексно базово представяне на лентови сигнали и RF преобразуване нагоре – математически преглед
• Формиране на комплексни променливи, вектори и матрици
• Комплексни експоненти
• Оператор за реална част
• Оператор за имагинерна част
• Оператор за спрегнатост (.)*
• Оператор за абсолютна стойност |.|
• Оператор за аргумент или фаза

Вградени функции на MATLAB

• Вектори от вектори и матрица от матрица
• Функция за квадратен корен
• Функция за знак
• Функция "закръгляне до цяло число"
• Функция "най-близко по-малко цяло число"
• Функция "най-близко по-голямо цяло число"
• Функция за факториел
• Логаритмични функции (exp, ln, log10, log2)
• Тригонометрични функции
• Хиперболични функции
• Функцията Q(.)
• Функцията erfc(.)
• Функции на Бесел Jo(.)
• Гама функцията
• Команди diff, mod

Полиноми в MATLAB

• Полиноми в MATLAB
• Рационални функции
• Производни на полиноми
• Интегриране на полиноми
• Умножение на полиноми

Графики в линеен мащаб

• Визуални представяния на сигнали с непрекъснато време и непрекъсната амплитуда
• Визуални представяния на стъпаловидно апроксимирани сигнали
• Визуални представяния на сигнали с дискретно време и дискретна амплитуда

Графики в логаритмичен мащаб

• Графики dB-декада (BER)
• Графики декада-dB (диаграми на Боде, честотна характеристика, спектър на сигнала)
• Графики декада-декада
• Графики dB-линейни

2D полярни графики

• (равнинни диаграми на излъчване на антени)

3D графики

• 3D диаграми на излъчване
• Декартови параметрични графики

Допълнителен раздел (предоставя се при заявка от обучаемите)

• Символно диференциране и числено диференциране в MATLAB
• Символно и числено интегриране в MATLAB
• Помощ и документация на MATLAB

Файлове на MATLAB

• Скриптови файлове на MATLAB
• Функционални файлове на MATLAB
• Файлове с данни на MATLAB
• Локални и глобални променливи

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

• Цикъл for end
• Цикъл while end
• Условие if end
• Условия if else end
• Конструкция switch case end
• Итерации, сходящи грешки, многомерни оператори за сума

Команди за вход и изход за показване

• Команда input(' ')
• Команда disp
• Команда fprintf
• Диалогов прозорец msgbox

Операции със сигнали и системи
Сесии 07-14

Основните цели на тази част са следните:

• Генериране на произволни тестови сигнали, необходими за тестване на производителността на различни комуникационни системи
• Интегриране на много елементарни операции върху сигнали, които могат да се комбинират за реализиране на една комуникационна обработваща функция, като енкодери, рандомизатори, интерливъри, генератори на разширяващи кодове и т.н. в предавателя, както и на съответните им аналози в приемния терминал.
• Правилно свързване на тези блокове, за да се постигне комуникационна функция
• Симулиране на детерминистични, статистически и полуслучайни модели на теснолентови канали за закрити и външни среди

Генериране на комуникационни тестови сигнали

• Генериране на произволна двоична последователност
• Генериране на произволни целочислени последователности
• Импортиране и четене на текстови файлове
• Четене и възпроизвеждане на аудио файлове
• Импортиране и експортиране на изображения
• Изображение като 3D матрица
• Трансформация от RGB към сива скала
• Сериен битов поток от 2D изображение в сива скала
• Разделяне на изображения на подкадри и реконструкция

Кондициониране и обработка на сигнали

• Мащабиране на амплитудата (усилване, затихване, нормализиране на амплитудата и др.)
• Изместване на постояннотоковото ниво
• Мащабиране на времето (компресия на времето, разреждане)
• Времево изместване (закъснение, изпреварване, ляво и дясно циклично времево изместване)
• Измерване на енергията на сигнала
• Нормализиране на енергията и мощността
• Мащабиране на енергията и мощността
• Преобразуване от сериен в паралелен и от паралелен в сериен поток
• Мултиплексиране и демултиплексиране

Цифровизация на аналогови сигнали

• Семплиране във времевата област на непрекъснати базови сигнали в MATLAB
• Квантуване на амплитудата на аналогови сигнали
• PCM кодиране на квантувани аналогови сигнали
• Преобразуване от десетична в двоична система и обратно
• Оформяне на импулсите
• Изчисляване на подходящата ширина на импулса
• Избор на броя на пробите на импулс
• Конволюция чрез командите conv и filter
• Автокорелация и кръстосана корелация на времево ограничени сигнали
• Бързо преобразуване на Фурие (FFT) и IFFT операции
• Преглед на спектъра на базов сигнал
• Влияние на честотата на семплиране и подходящия честотен прозорец
• Връзка между конволюцията, корелацията и FFT операциите
• Филтриране в честотната област, само нискочестотно филтриране

Допълнителни комуникационни функции

• Рандомизатори и дерандомизатори
• Пънктьори и депънктьори
• Енкодери и декодери
• Интерливъри и деинтерливъри

Модулатори и демодулатори

• Схеми за цифрова базова модулация в MATLAB
• Визуално представяне на цифрово модулирани сигнали

Моделиране и симулиране на канали

• Математическо моделиране на влиянието на канала върху предавания сигнал
  • Адитивност – канали с адитивен бял гаусов шум (AWGN)
  • Умножение във времевата област – канали с бавно затихване, доплерово изместване в канали за превозни средства
  • Умножение в честотната област – честотно селективни затихващи канали
  • Конволюция във времевата област – импулсна характеристика на канала

Примери за детерминистични модели на канали

• Загуби на пътя в свободно пространство и зависещи от средата загуби на пътя
• Канали с периодично блокиране

Статистическо характеризиране на често срещани стационарни и квазистационарни многопътни затихващи канали

• Генериране на равномерно разпределена случайна величина
• Генериране на реална гаусово разпределена случайна величина
• Генериране на комплексна гаусово разпределена случайна величина
• Генериране на случайна величина с разпределение на Рейли
• Генериране на случайна величина с разпределение на Райс
• Генериране на логнормално разпределена случайна величина
• Генериране на случайна величина с произволно разпределение
• Апроксимиране на неизвестна функция на плътност на вероятността (PDF) на случайна величина чрез хистограма
• Числено изчисляване на кумулативната функция на разпределение (CDF) на случайна величина
• Реални и комплексни канали с адитивен бял гаусов шум (AWGN)

Характеризиране на канала чрез неговия профил на закъснението на мощността

• Характеризиране на канала чрез неговия профил на закъснението на мощността
• Нормализиране на мощността на PDP
• Извличане на импулсната характеристика на канала от PDP
• Семплиране на импулсната характеристика на канала с произволна честота на семплиране, несъответстващо семплиране и закъснение
• квантуване
• Проблемът с несъответстващото семплиране на импулсната характеристика на теснолентови канали
• Семплиране на PDP с произволна честота на семплиране и компенсиране на дробно закъснение
• Реализация на няколко стандартизирани от IEEE модели на закрити и външни канали
• (COST – SUI – модели на свръхшироколентови канали и др.)

Симулация на ниво линия на практически комуникационни системи
Сесии 15-24

Тази част от курса е посветена на най-важния въпрос за изследователите, а именно как да възпроизведат чрез симулация резултатите от други публикувани статии.

Производителност по отношение на процента на грешните битове на схеми за цифрова базова модулация

• Сравнение на производителността на различни схеми за цифрова базова модулация в AWGN канали (цялостно сравнително изследване чрез симулация за проверка на теоретичните изрази); точкови диаграми, процент на грешните битове
• Сравнение на производителността на различни схеми за цифрова базова модулация в различни стационарни и квазистационарни затихващи канали; точкови диаграми, процент на грешните битове (цялостно сравнително изследване чрез симулация за проверка на теоретичните изрази)
• Влияние на каналите с доплерово изместване върху производителността на схемите за цифрова базова модулация; точкови диаграми, процент на грешните битове
• Комуникации хеликоптер-сателит
  • Статия (1): Нискобюджетна система за глас и данни в реално време за авиационна мобилна сателитна услуга (AMSS) – Постановка на проблема и анализ
  • Статия (2): Комбиниране с времево разнообразяване преди детекция с точна AFC за сателитни комуникации с хеликоптер – Първото предложено решение
  • Статия (3): Адаптивна модулационна схема за комуникации хеликоптер-сателит – Подход за подобряване на производителността

Симулация на системи с разширен спектър

• Типична архитектура на системи, базирани на разширен спектър
• Системи, базирани на разширен спектър с директна последователност
• Генератори на псевдослучайни двоични последователности (PBRS)
  
  • Генериране на последователности с максимална дължина
  • Генериране на златни кодове
  • Генериране на кодове на Уолш
• Системи, базирани на разширен спектър с времеви скокове
• Производителност по отношение на процента на грешните битове на системи с разширен спектър в AWGN канали
  
  • Влияние на кодовата скорост r върху BER производителността
  • Влияние на дължината на кода върху BER производителността
• Производителност по отношение на процента на грешните битове на системи с разширен спектър в многопътни бавни затихващи канали на Рейли с нулево доплерово изместване
• Анализ на производителността по отношение на процента на грешните битове на системи с разширен спектър в среди със силно затихване при висока мобилност
• Анализ на производителността по отношение на процента на грешните битове на системи с разширен спектър при наличие на многопотребителска интерференция
• Предаване на RGB изображения през системи с разширен спектър
• Оптични CDMA (OCDMA) системи
  
  • Оптични ортогонални кодове (OOC)
  • Граници на производителността на OCDMA системите; производителност по отношение на процента на грешните битове на синхронни и асинхронни OCDMA системи

Свръхшироколентови системи с разширен спектър

Системи, базирани на OFDM

• Реализация на OFDM системи чрез бързо преобразуване на Фурие
• Типична архитектура на системи, базирани на OFDM
• Производителност по отношение на процента на грешните битове на OFDM системи в AWGN канали
  
  • Влияние на кодовата скорост r върху BER производителността
  • Влияние на цикличния префикс върху BER производителността
  • Влияние на размера на FFT и разстоянието между подносещите върху BER производителността
• Производителност по отношение на процента на грешните битове на OFDM системи в многопътни бавни затихващи канали на Рейли с нулево доплерово изместване
• Производителност по отношение на процента на грешните битове на OFDM системи в многопътни бавни затихващи канали на Рейли с CFO
• Оценка на канала в OFDM системи
• Изравняване в честотната област в OFDM системи
  
  • Изравнител с нулево принуждаване
  • MMSE изравнители
• Други често срещани показатели за производителност в системи, базирани на OFDM (съотношение пикова към средна мощност, съотношение носеща към интерференция и др.)
• Анализ на производителността на системи, базирани на OFDM, в среди със силно затихване при висока мобилност (като симулационен проект, състоящ се от три статии)
  
  • Статия (1): Намаляване на междуподносeщата интерференция
  • Статия (2): MIMO-OFDM системи

Оптимизиране на MATLAB симулационен проект

Целта на тази част е да научите как да изграждате и оптимизирате MATLAB симулационен проект, за да опростите и организирате целия процес на симулация. Освен това се вземат предвид паметта и скоростта на обработка, за да се избегнат проблеми с препълване на паметта в системи с ограничено съхранение или дълги времена на изпълнение поради бавна обработка.

• Типична структура на малки симулационни проекти
• Извличане на параметрите на симулацията и съответствие между теория и симулация
• Изграждане на симулационен проект
• Техника на симулацията по Монте Карло
• Типична процедура за тестване на симулационен проект
• Техники за управление на паметта и намаляване на времето за симулация
  
  • Симулация в базова лента спрямо симулация в лентова честота
  • Изчисляване на подходящата ширина на импулса за съкратени произволни форми на импулсите
  • Изчисляване на подходящия брой проби на символ
  • Изчисляване на необходимия и достатъчен брой битове за тестване на система

Програмиране на GUI

Да имаш MATLAB код без грешки, който работи правилно и дава коректни резултати, е голямо постижение. Въпреки това, набор от ключови параметри в симулационния проект контролира... Поради тази и други причини се предоставя допълнителна лекция за "програмиране на графичен потребителски интерфейс (GUI)", за да поставите контрола върху различните части на вашия симулационен проект на върха на пръстите ви, вместо да се гмуркате в дълги изходни кодове, пълни с команди. Освен това наличието на MATLAB код, маскиран с GUI, помага да представите работата си по начин, който улеснява комбинирането на множество резултати в един основен прозорец и улеснява сравняването на данни.

• Какво е MATLAB GUI
• Структура на функционалния файл на MATLAB GUI
• Основни компоненти на GUI (важни свойства и стойности)
• Локални и глобални променливи

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