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

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

• Картографиране и манипулиране на сложни математически изрази, които се появяват често в литературата по комуникационно инженерство

• Способност да използва програмните възможности, предлагани от MATLAB, за да възпроизвежда симулационните резултати на други публикации или поне да се доближава до тези резултати.

• Създаване на симулационни модели на собствени предложени идеи.

• Ефективно прилагане на придобитите симулационни умения в съчетание с мощните възможности на MATLAB за проектиране на оптимизирани кодове на MATLAB по отношение на времето за изпълнение на кода, като същевременно се икономисва паметово пространство.

• Идентифициране на ключовите симулационни параметри на дадена комуникационна система, извличането им от системния модел и изучаване на въздействието на тези параметри върху производителността на разглежданата система.

• Структура на курса

Материалът, предоставен в този курс, е изключително взаимосвързан. Не се препоръчва студент да посещава дадено ниво, освен ако не е посетил и разбрал задълбочено предходното ниво, за да се осигури непрекъснатост на придобитите знания. Курсът е структуриран в три нива, започвайки от въведение в програмирането на MATLAB до нивото на пълна системна симулация, както следва.

Ниво 1: Комуникационна математика с MATLAB
Сесии 01-06

След завършване на тази част, студентът ще може да оценява сложни математически изрази и лесно да конструира подходящите графики за различно представяне на данни като графики във времевата и честотната област; BER графики, диаграми на излъчване на антена и т.н.

Фундаментални концепции

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. Матрично и векторно представяне на комплексни базови сигнали в MATLAB

Работен плот на MATLAB

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

Деклариране на променлива, вектор и матрица

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

Специални матрици

18. Матрица от единици
19. Нулева матрица
20. Единична матрица

Манипулация по елементи и по матрици

21. Достъп до специфични елементи
22. Модифициране на елементи
23. Селективно елиминиране на елементи (Съкращаване на матрица)
24. Добавяне на елементи, вектори или матрици (Конкатенация на матрици)
25. Намиране на индекса на елемент във вектор или матрица
26. Преоформяне на матрица
27. Съкращаване на матрица
28. Конкатенация на матрици
29. Обръщане отляво надясно и отдясно наляво

Унарни матрични оператори

30. Оператор за сума
31. Оператор за математическо очакване
32. Оператор за минимум
33. Оператор за максимум
34. Оператор за следа
35. Детерминанта на матрица |.|
36. Обратна матрица
37. Транспонирана матрица
38. Ермитово спрегната матрица
39. …и т.н.

Бинарни матрични операции

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

Комплексни числа в MATLAB

43. Комплексно базово представяне на лентови сигнали и RF преобразуване нагоре, математически преглед
44. Формиране на комплексни променливи, вектори и матрици
45. Комплексни експоненти
46. Оператор за реална част
47. Оператор за имагинерна част
48. Оператор за комплексно спрягане (.)*
49. Оператор за абсолютна стойност |.|
50. Оператор за аргумент или фаза

Вградени функции в MATLAB

51. Вектори от вектори и матрица от матрици
52. Функция за квадратен корен
53. Функция за знак
54. Функция "закръгляне до цяло число"
55. Функция "най-близко по-малко цяло число"
56. Функция "най-близко по-голямо цяло число"
57. Функция за факториел
58. Логаритмични функции (exp, ln, log10, log2)
59. Тригонометрични функции
60. Хиперболични функции
61. Q(.) функция
62. erfc(.) функция
63. Функции на Бесел Jo (.)
64. Гама функция
65. Команди diff, mod

Полиноми в MATLAB

66. Полиноми в MATLAB
67. Рационални функции
68. Производни на полиноми
69. Интегриране на полиноми
70. Умножение на полиноми

Графики в линеен мащаб

71. Визуални представяния на сигнали с непрекъснато време и непрекъсната амплитуда
72. Визуални представяния на стъпаловидно апроксимирани сигнали
73. Визуални представяния на сигнали с дискретно време – дискретна амплитуда

Графики в логаритмичен мащаб

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

2D Полярни графики
78. (равнинни диаграми на излъчване на антена)

3D Графики

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

Незадължителен раздел (представя се при поискване от обучаемите)

81. Символно диференциране и числено диференциране в MATLAB
82. Символно и числено интегриране в MATLAB
83. Помощ и документация на MATLAB

MATLAB файлове

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

Цикли, условия за управление на потока и вземане на решения в MATLAB

88. Цикъл for end
89. Цикъл while end
90. Условие if end
91. Условия if else end
92. Израз switch case end
93. Итерации, сходящи грешки, многомерни оператори за сума

Команди за вход и изходен дисплей

94. Команда input(' ')
95. Команда disp
96. Команда fprintf
97. Прозорец за съобщения msgbox

Ниво 2: Операции със сигнали и системи (24 часа)
Сесии 07-14

Основните цели на тази част са както следва

• Генериране на случайни тестови сигнали, които са необходими за тестване на производителността на различни комуникационни системи

• Интегриране на много елементарни сигнални операции, които могат да бъдат интегрирани за изпълнение на една комуникационна обработваща функция като енкодери, рандомизатори, интерливъри, генератори на разширяващи кодове и т.н. в предавателя, както и техните аналози в приемния терминал.

• Правилно взаимно свързване на тези блокове за постигане на комуникационна функция

• Симулация на детерминистични, статистически и полу-случайни модели на теснолентови канали за закрити и открити пространства

Генериране на комуникационни тестови сигнали

98. Генериране на случайна двоична последователност
99. Генериране на случайни 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 в скала на сивото
105. Сериен битов поток от 2D изображение в скала на сивото
106. Подкадриране на сигнали от изображения и реконструкция

Обработка и манипулация на сигнали

107. Амплитудно мащабиране (усилване, затихване, амплитудна нормализация и т.н.)
108. Отместване на постояннотоково ниво
109. Времево мащабиране (времева компресия, разреждане)
110. Времево отместване (времево закъснение, времево изпреварване, ляво и дясно циклично времево отместване)
111. Измерване на енергията на сигнала
112. Нормализация на енергия и мощност
113. Мащабиране на енергия и мощност
114. Преобразуване от серийно в паралелно и от паралелно в серийно
115. Мултиплексиране и демултиплексиране

Цифровизация на аналогови сигнали

116. Семплиране във времевата област на непрекъснати във времето базови сигнали в MATLAB
117. Амплитудно квантуване на аналогови сигнали
118. PCM кодиране на квантувани аналогови сигнали
119. Преобразуване от десетичен в двоичен и от двоичен в десетичен код
120. Формиране на импулси
121. Изчисляване на адекватната ширина на импулса
122. Избор на броя семпли на импулс

123. Конволюция с използване на командите conv и filter
124. Автокорелация и кръстосана корелация на ограничени във времето сигнали
125. Операции Бърза трансформация на Фурие (FFT) и IFFT
126. Преглед на спектъра на базов сигнал
127. Ефект от честотата на дискретизация и подходящия честотен прозорец
128. Връзка между конволюцията, корелацията и FFT операциите
129. Филтриране в честотната област, само нискочестотно филтриране

Спомагателни комуникационни функции

130. Рандомизатори и де-рандомизатори
131. Пънкчъри и де-пънкчъри
132. Енкодери и декодери
133. Интерливъри и де-интерливъри

Модулатори и демодулатори

134. Цифрови модулационни схеми в основната лента в MATLAB
135. Визуално представяне на цифрово модулирани сигнали

Моделиране и симулация на канал

136. Математическо моделиране на ефекта на канала върху предавания сигнал

• Адитивен бял гаусов шум (AWGN) канали
• Умножение във времевата област – канали с бавно замиране, Доплерово отместване в канали за превозни средства
• Умножение в честотната област – честотно селективни канали със замиране
• Конволюция във времевата област – импулсна характеристика на канала

Примери за детерминистични модели на канали

137. Загуби при разпространение в свободно пространство и зависими от средата загуби при разпространение
138. Канали с периодично блокиране

Статистическа характеристика на обичайни стационарни и квазистационарни канали с многолъчево замиране

139. Генериране на равномерно разпределена случайна величина (СВ)
140. Генериране на реална гаусово разпределена СВ
141. Генериране на комплексна гаусово разпределена СВ
142. Генериране на Релей разпределена СВ
143. Генериране на Райс разпределена СВ
144. Генериране на логаритмично нормално разпределена СВ
145. Генериране на произволно разпределена СВ
146. Апроксимация на неизвестна плътност на вероятността (PDF) на СВ чрез хистограма
147. Числено изчисляване на кумулативната функция на разпределение (CDF) на СВ
148. Реални и комплексни канали с адитивен бял гаусов шум (AWGN)

Характеризиране на канала чрез неговия профил на закъснение на мощността

149. Характеризиране на канала чрез неговия профил на закъснение на мощността
150. Нормализация на мощността на PDP
151. Извличане на импулсната характеристика на канала от PDP
152. Семплиране на импулсната характеристика на канала с произволна честота на дискретизация, несъответстващо семплиране и квантуване на закъснението
153. Проблемът с несъответстващото семплиране на импулсната характеристика на теснолентови канали
154. Семплиране на PDP с произволна честота на дискретизация и компенсация на дробно закъснение
155. Имплементация на няколко IEEE стандартизирани модели на канали за закрити и открити пространства
156. (COST – SUI - Ultra Wide Band модели на канали и т.н.)

Ниво 3: Симулация на ниво връзка на практични комуникационни системи (30 часа)
Сесии 15-24

Тази част от курса се занимава с най-важния въпрос за изследователите, а именно – как да се възпроизведат симулационните резултати от други публикувани статии чрез симулация.

Производителност по отношение на честота на битовите грешки на цифрови модулационни схеми в основната лента

1. Сравнение на производителността на различни цифрови модулационни схеми в основната лента в AWGN канали (Цялостно сравнително изследване чрез симулация за проверка на теоретичните изрази); точкови диаграми, честота на битовите грешки

2. Сравнение на производителността на различни цифрови модулационни схеми в основната лента в различни стационарни и квазистационарни канали със замиране; точкови диаграми, честота на битовите грешки (Цялостно сравнително изследване чрез симулация за проверка на теоретичните изрази)

3. Въздействие на канали с Доплерово отместване върху производителността на цифрови модулационни схеми в основната лента; точкови диаграми, честота на битовите грешки

Комуникации хеликоптер-спътник

4. Статия (1): Нискобюджетна система за глас и данни в реално време за авиационна мобилна спътникова услуга (AMSS) – Постановка и анализ на проблема
5. Статия (2): Комбиниране на времево разнесение преди детекция с точна AFC за спътникови комуникации с хеликоптер – Първото предложено решение
6. Статия (3): Адаптивна модулационна схема за комуникации хеликоптер-спътник – Подход за подобряване на производителността

Симулация на системи с разширен спектър

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

4. Системи с времеви скокове и разширен спектър
5. Производителност по отношение на честотата на битовите грешки на системи с разширен спектър в AWGN канали
• Въздействие на скоростта на кодиране r върху BER производителността
• Въздействие на дължината на кода върху BER производителността

6. Производителност по отношение на честотата на битовите грешки на системи с разширен спектър в канали с многолъчево бавно Релей замиране с нулево Доплерово отместване
7. Анализ на производителността по отношение на честотата на битовите грешки на системи с разширен спектър в среди с висока мобилност и замиране
8. Анализ на производителността по отношение на честотата на битовите грешки на системи с разширен спектър в присъствието на многопотребителска интерференция
9. Предаване на RGB изображения чрез системи с разширен спектър
10. Оптични CDMA (OCDMA) системи
• Оптични ортогонални кодове (OOC)
• Граници на производителността на OCDMA системи; производителност по отношение на честотата на битовите грешки на синхронни и асинхронни OCDMA системи

Ултра широколентови SS системи

Системи базирани на OFDM

11. Имплементация на OFDM системи използвайки Бързата трансформация на Фурие
12. Типична архитектура на системи, базирани на OFDM
13. Производителност по отношение на честотата на битовите грешки на OFDM системи в AWGN канали
• Въздействие на скоростта на кодиране r върху BER производителността
• Въздействие на цикличния префикс върху BER производителността
• Въздействие на размера на FFT и разстоянието между подносещите върху BER производителността

14. Производителност по отношение на честотата на битовите грешки на OFDM системи в канали с многолъчево бавно Релей замиране с нулево Доплерово отместване
15. Производителност по отношение на честотата на битовите грешки на OFDM системи в канали с многолъчево бавно Релей замиране с CFO
16. Оценка на канала в OFDM системи
17. Изравняване в честотната област в OFDM системи
• Zero Forcing екулайзери
• MMSE екулайзери
18. Други общи показатели за производителност в системи, базирани на OFDM (Съотношение пикова към средна мощност, Съотношение носеща към интерференция и т.н.)
19. Анализ на производителността на системи, базирани на OFDM, в среди с висока мобилност и замиране (като симулационен проект, състоящ се от три статии)
20. Статия (1): Подтискане на интерференцията между носещите
21. Статия (2): MIMO-OFDM системи

Оптимизация на MATLAB симулационен проект

Целта на тази част е да се научи как да се изгради и оптимизира MATLAB симулационен проект, за да се опрости и организира целия симулационен процес. Освен това се разглеждат паметовото пространство и скоростта на обработка, за да се избегнат проблеми с препълване на паметта в системи с ограничено хранилище или дълго време за изпълнение, произтичащо от бавна обработка.

1. Типична структура на малки симулационни проекти
2. Извличане на симулационни параметри и картографиране на теоретични към симулационни
3. Изграждане на симулационен проект
4. Симулационна техника Монте Карло
5. Типична процедура за тестване на симулационен проект
6. Техники за управление на паметовото пространство и намаляване на времето за симулация
• Симулация в основна лента спрямо симулация в лентов канал
• Изчисляване на адекватната ширина на импулса за пресечени произволни импулсни форми
• Изчисляване на адекватния брой семпли на символ
• Изчисляване на необходимия и достатъчен брой битове за тестване на система

Програмиране на графичен потребителски интерфейс (GUI)

Наличието на MATLAB код без грешки, който работи правилно и дава коректни резултати, е голямо постижение. Въпреки това, набор от ключови параметри в един симулационен проект контролира... Поради тази причина и още, се дава допълнителна лекция за "Програмиране на графичен потребителски интерфейс (GUI)", за да се постави контролът 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 вашия MATLAB код, маскиран с GUI, помага за представянето на вашата работа по начин, който улеснява комбинирането на множество резултати в един главен прозорец и улеснява сравнението на данни.

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