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

- Ergebnisse dieses Kurses
Nach Abschluss dieses Kurses sollte der Student in der Lage sein, viele der derzeit offenen Forschungsprobleme auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik anzugehen, da er/sie zumindest die folgenden Fähigkeiten erworben haben sollte:

- Abbildung und Manipulation komplizierter mathematischer Ausdrücke, die in der nachrichtentechnischen Literatur häufig vorkommen

- Fähigkeit, die von MATLAB angebotenen Programmiermöglichkeiten zu nutzen, um die Simulationsergebnisse anderer Arbeiten zu reproduzieren oder sich diesen Ergebnissen zumindest anzunähern.

- Erstellung von Simulationsmodellen für eigene Ideen.

- Effizienter Einsatz der erworbenen Simulationsfähigkeiten in Verbindung mit den leistungsstarken MATLAB-Fähigkeiten, um optimierte MATLAB-Codes im Hinblick auf die Code-Laufzeit zu entwerfen und gleichzeitig den Speicherplatz zu sparen.

- die wichtigsten Simulationsparameter eines gegebenen Kommunikationssystems zu identifizieren, sie aus dem Systemmodell zu extrahieren und die Auswirkungen dieser Parameter auf die Leistung des betrachteten Systems zu untersuchen.

- Aufbau des Kurses

Das in diesem Kurs vermittelte Material ist extrem korreliert. Es wird nicht empfohlen, eine Stufe zu besuchen, ohne die vorhergehende Stufe besucht und verstanden zu haben, um die Kontinuität des erworbenen Wissens zu gewährleisten. Der Kurs ist in drei Stufen gegliedert, beginnend mit einer Einführung in die MATLAB-Programmierung bis hin zu einer vollständigen Systemsimulation.

Stufe 1: Communications Mathematik mit MATLAB
Unterrichtseinheiten 01-06

Nach Abschluss dieses Teils sind die Teilnehmer in der Lage, komplizierte mathematische Ausdrücke auszuwerten und die richtigen Diagramme für verschiedene Datendarstellungen wie Zeit- und Frequenzbereichsdiagramme, BER-Diagramme, Antennenabstrahlungsmuster usw. zu erstellen.

Grundlegende Konzepte

1. Das Konzept der Simulation
2. Die Bedeutung der Simulation in der Nachrichtentechnik
3. MATLAB als Simulationsumgebung
4. Über Matrix- und Vektordarstellung von skalaren Signalen in der Kommunikationsmathematik
5. Matrix und Vektordarstellungen von komplexen Basisbandsignalen in MATLAB

MATLAB Desktop

6. Symbolleiste
7. Befehlsfenster
8. Arbeitsbereich
9. Befehlshistorie

Deklaration von Variablen, Vektoren und Matrizen

10. MATLAB vordefinierte Konstanten
11. Benutzerdefinierte Variablen
12. Arrays, Vektoren und Matrizen
13. Manuelle Matrixeingabe
14. Definition von Intervallen
15. Linearer Raum
16. Logarithmischer Raum
17. Regeln für die Benennung von Variablen

Spezielle Matrizen

18. Die Einser-Matrix
19. Die Nullenmatrix
20. Die Identitätsmatrix

Element-mäßige und matrixmäßige Manipulation

21. Accessing bestimmter Elemente
22. Ändern von Elementen
23. Selektive Eliminierung von Elementen (Matrix-Trunkierung)
24. Addieren von Elementen, Vektoren oder Matrizen (Matrix Verkettung)
25. Ermittlung des Index eines Elements innerhalb eines Vektors oder einer Matrix
26. Matrix Umformung
27. Matrix Trunkierung
28. Matrix Verkettung
29. Links nach rechts und rechts nach links spiegeln

Unäre Matrixoperatoren

30. Der Summenoperator
31. Der Erwartungswert-Operator
32. Min-Operator
33. Max-Operator
34. Der Trace-Operator
35. Matrix Determinante |.|
36. Matrix Umkehrung
37. Matrix Transponieren
38. Matrix hermitesch
39. ...usw.

Operationen der binären Matrix

40. Arithmetische Operationen
41. Relationale Operationen
42. Logische Operationen

Komplexe Zahlen in MATLAB

43. Komplexe Basisbanddarstellung von Durchlassbandsignalen und RF-Aufwärtskonvertierung, ein mathematischer Überblick
44. Bildung von komplexen Variablen, Vektoren und Matrizen
45. Komplexe Exponentiale
46. Der Realteiloperator
47. Der Imaginärteiloperator
48. Der konjugierte Operator (.)*
49. Der Absolutwertoperator |.|
50. Der Argument- oder Phasenoperator

MATLAB eingebaute Funktionen

51. Vektoren von Vektoren und Matrix von Matrix
52. Die Quadratwurzelfunktion
53. Die Vorzeichenfunktion
54. Die Funktion "Runden auf Ganzzahl".
55. Die Funktion "Nächstkleinere ganze Zahl".
56. Die Funktion "Nächste obere ganze Zahl"
57. Die Faktorielle Funktion
58. Logarithmische Funktionen (exp, ln,log10,log2)
59. Trigonometrische Funktionen
60. Hyperbolische Funktionen
61. Die Q(.)-Funktion
62. Die erfc(.)-Funktion
63. Die Bessel-Funktionen Jo (.)
64. Die Gamma-Funktion
65. Diff, mod Befehle

Polynome in MATLAB

66. Polynome in MATLAB
67. Rationale Funktionen
68. Polynomiale Ableitungen
69. Polynomiale Integration
70. Polynomielle Multiplikation

Lineare Skalendiagramme

71. Visuelle Darstellungen von Signalen mit kontinuierlicher Zeit und kontinuierlicher Amplitude
72. Visuelle Darstellungen von treppenförmig approximierten Signalen
73. Visuelle Darstellung von Signalen mit diskreter Zeit und diskreter Amplitude

Logarithmische Skalendiagramme

74. dB-Dekaden-Diagramme (BER)
75. Dekaden-DB-Diagramme (Bode-Diagramme, Frequenzgang, Signalspektrum)
76. Dekaden-Dekaden-Diagramme
77. dB-lineare Darstellungen

2D-Polar-Diagramme
78. (Strahlungsdiagramme planarer Antennen)

3D-Diagramme

79. 3D-Strahlungsdiagramme
80. Kartesische parametrische Diagramme

Optionaler Teil (wird auf Wunsch der Lernenden angeboten)

81. Symbolisches Differenzieren und numerisches Differenzieren in MATLAB
82. Symbolische und numerische Integration in MATLAB
83. MATLAB Hilfe und Dokumentation

MATLAB-Dateien

84. MATLAB Skript-Dateien
85. MATLAB Funktionsdateien
86. MATLAB Datendateien
87. Lokale und globale Variablen

Schleifen, Bedingungen, Flusskontrolle und Entscheidungsfindung in MATLAB

88. Die for-End-Schleife
89. Die while-Endeschleife
90. Die if-Endbedingung
91. Die if else-Endbedingungen
92. Die switch case Endanweisung
93. Iterationen, Konvergenzfehler, mehrdimensionale Summenoperatoren

Befehle zur Anzeige von Eingaben und Ausgaben

94. Der Befehl input(' ')
95. disp-Befehl
96. fprintf-Befehl
97. Nachrichtenfeld msgbox

Stufe 2: Signale und Systemoperationen (24 Stunden)
Lektionen 07-14

Die Hauptziele dieses Teils sind wie folgt

- Generierung von zufälligen Testsignalen, die zum Testen der Leistung verschiedener Kommunikationssysteme erforderlich sind

- Integration zahlreicher elementarer Signaloperationen zur Implementierung einer einzigen Kommunikationsverarbeitungsfunktion, wie z. B. Kodierer, Zufallsgeneratoren, Interleaver, Spreizcodegeneratoren ... usw. beim Sender sowie deren Gegenstücke beim Empfangsgerät.

- Diese Blöcke müssen richtig zusammengeschaltet werden, um eine Kommunikationsfunktion zu erreichen.

- Simulation von deterministischen, statistischen und semi-zufälligen Innen- und Außenkanalmodellen im Schmalbandbereich

Erzeugung von Kommunikationstestsignalen

98. Generierung einer binären Zufallsfolge
99. Generierung einer zufälligen ganzzahligen Sequenz
100. Importieren und Lesen von Textdateien
101. Lesen und Wiedergeben von Audiodateien
102. Importieren und Exportieren von Bildern
103. Bild als 3D-Matrix
104. Umwandlung von RGB in Graustufen
105. Serieller Bitstrom eines 2D-Graustufenbildes
106. Sub-Framing von Bildsignalen und Rekonstruktion

Signalaufbereitung und -manipulation

107. Amplitudenskalierung (Verstärkung, Dämpfung, Amplitudennormalisierung usw.)
108. DC-Pegelverschiebung
109. Zeitskalierung (Zeitkompression, Verdünnung)
110. Zeitverschiebung (Zeitverzögerung, Zeitvorlauf, zirkuläre Zeitverschiebung nach links und rechts)
111. Messung der Signalenergie
112. Energie- und Leistungsnormierung
113. Energie- und Leistungsskalierung
114. Seriell-Parallel- und Parallel-Seriell-Wandlung
115. Multiplexing und De-Multiplexing

Digitalisierung von Analogsignalen

116. Zeitbereichsabtastung von zeitkontinuierlichen Basisbandsignalen in MATLAB
117. Amplitudenquantisierung von Analogsignalen
118. PCM-Kodierung von quantisierten Analogsignalen
119. Umwandlung von Dezimal- in Binär- und Binär- in Dezimalwerte
120. Formung von Impulsen
121. Berechnung der geeigneten Impulsbreite
122. Auswahl der Anzahl der Samples pro Puls

123. Faltung mit den Befehlen conv und filter
124. Autokorrelation und Kreuzkorrelation von zeitlich begrenzten Signalen
125. Die Operationen Fast Fourier Transform (FFT) und IFFT
126. Betrachten eines Basisbandsignalspektrums
127. Auswirkung der Abtastrate und des richtigen Frequenzfensters
128. Beziehung zwischen der Faltung, der Korrelation und den FFT-Operationen
129. Filterung im Frequenzbereich, nur Tiefpassfilterung

Hilfsfunktionen Communications

130. Zufallsgeneratoren und De-Zufallsgeneratoren
131. Punzierer und De-Punzierer
132. Kodierer und Dekodierer
133. Interleaver und De-Interleaver

Modulatoren und Demodulatoren

134. Digitale Basisband-Modulationsverfahren in MATLAB
135. Visuelle Darstellung von digital modulierten Signalen

Kanalmodellierung und -simulation

136. Mathematical Modellierung des Kanaleffekts auf das übertragene Signal

- Addition - Kanäle mit additivem weißen Gaußschen Rauschen (AWGN)
- Multiplikation im Zeitbereich - Kanäle mit langsamem Fading, Dopplerverschiebung in Fahrzeugkanälen
- Multiplikation im Frequenzbereich - frequenzselektive Fading-Kanäle
- Faltung im Zeitbereich - Kanalimpulsantwort

Beispiele für deterministische Kanalmodelle

137. Freiraum-Pfaddämpfung und umgebungsabhängige Pfaddämpfung
138. Periodische Blockierungskanäle

Statistische Charakterisierung üblicher stationärer und quasistationärer Mehrwege-Schwundkanäle

139. Erzeugung eines gleichmäßig verteilten RV
140. Erzeugung einer reellwertigen gaußverteilten RV
141. Erzeugung einer komplexen gaußverteilten RV
142. Erzeugung einer Rayleigh-verteilten RV
143. Erzeugung einer Ricean-verteilten RV
144. Erzeugung einer lognormalverteilten RV
145. Generierung einer beliebig verteilten RV
146. Approximation einer unbekannten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) eines RV durch ein Histogramm
147. Numerische Berechnung der kumulativen Verteilungsfunktion (CDF) einer RV
148. Reale und komplexe Kanäle mit additivem weißen Gaußschen Rauschen (AWGN)

Kanalcharakterisierung durch sein Leistungsverzögerungsprofil

149. Kanalcharakterisierung durch sein Leistungsverzögerungsprofil
150. Leistungsnormierung des PDP
151. Extraktion der Kanalimpulsantwort aus dem PDP
152. Abtastung der Kanalimpulsantwort mit einer beliebigen Abtastrate, nicht angepasster Abtastung und Verzögerungsquantisierung
153. Das Problem der unangepassten Abtastung der Kanalimpulsantwort von Schmalbandkanälen
154. Abtastung eines PDP mit beliebiger Abtastrate und fraktionale Verzögerungskompensation
155. Implementierung verschiedener IEEE-genormter Innen- und Außenkanalmodelle
156. (COST - SUI - Ultra Wide Band Kanalmodelle...etc.)

Stufe 3: Simulation auf Verbindungsebene von praktischen Comm. Systeme (30 Stunden)
Unterrichtseinheiten 15-24

Dieser Teil des Kurses befasst sich mit dem wichtigsten Thema für Forschungsstudenten, nämlich wie man die Simulationsergebnisse anderer veröffentlichter Arbeiten durch Simulation reproduzieren kann.

Bitfehlerraten-Leistung von digitalen Basisband-Modulationsschemata

1. Leistungsvergleich verschiedener digitaler Basisband-Modulationsverfahren in AWGN-Kanälen (Umfassende vergleichende Studie mittels Simulation zur Überprüfung theoretischer Aussagen); Streudiagramme, Bitfehlerrate

2. Leistungsvergleich verschiedener digitaler Basisband-Modulationsverfahren in verschiedenen stationären und quasistationären Fading-Kanälen; Streudiagramme, Bitfehlerrate (umfassende vergleichende Studie mittels Simulation zur Verifizierung der theoretischen Ausdrücke)

3. Auswirkung von Dopplerverschiebungskanälen auf die Leistung von digitalen Basisbandmodulationsverfahren; Streudiagramme, Bitfehlerrate

Hubschrauber-zu-Satellit Communications

4. Papier (1): Kostengünstiges Echtzeit-Sprach- und Datensystem für den mobilen aeronautischen Satellitendienst (AMSS) - Problemstellung und Analyse
5. Beitrag (2): Pre-Detection Time Diversity Combining with Accurate AFC for Helicopter Satellite Communications - Der erste Lösungsvorschlag
6. Beitrag (3): Ein adaptives Modulationsschema für Hubschrauber-Satelliten Communications - Ein Ansatz zur Leistungssteigerung

Simulation von Spreizspektrumsystemen

1. Typische Architektur von Spreizspektrums-basierten Systemen
2. Direktsequenz-Spreizspektrum-Systeme
3. Pseudozufallsbinärsequenz-Generatoren (PBRS)
- Erzeugung von Sequenzen maximaler Länge
- Generierung von Gold-Codes
- Generierung von Walsh-Codes

4. Auf Zeitsprung-Spreizspektrum basierende Systeme
5. Bitfehlerratenleistung von spreizspektrumbasierten Systemen in AWGN-Kanälen
- Einfluss der Kodierrate r auf die BER-Leistung
- Auswirkung der Codelänge auf die BER-Leistung

6. Bitfehlerratenleistung von Spreizspektrumsystemen in Mehrwegkanälen mit langsamem Rayleigh-Fading und Dopplerverschiebung Null
7. Analyse der Bitfehlerratenleistung von Spread-Spectrum-basierten Systemen in Fading-Umgebungen mit hoher Mobilität
8. Analyse der Bitfehlerrate von Spreizspektrumsystemen bei Vorhandensein von Mehrbenutzerinterferenzen
9. RGB-Bildübertragung über Spreizspektrumsysteme
10. Optische CDMA (OCDMA)-Systeme
- Optische orthogonale Codes (OOC)
- Leistungsgrenzen von OCDMA-Systemen; Bitfehlerratenleistung von synchronen und asynchronen OCDMA-Systemen

Ultrabreitband-SS-Systeme

OFDM-basierte Systeme

11. Implementierung von OFDM-Systemen unter Verwendung der schnellen Fourier-Transformation
12. Typische Architektur von OFDM-basierten Systemen
13. Bitfehlerratenleistung von OFDM-Systemen in AWGN-Kanälen
- Einfluss der Kodierrate r auf die BER-Leistung
- Auswirkung des zyklischen Präfixes auf die BER-Leistung
- Auswirkung der FFT-Größe und des Unterträgerabstands auf die BER-Leistung

14. Bitfehlerratenleistung von OFDM-Systemen in langsamen Mehrweg-Rayleigh-Fading-Kanälen mit Dopplerverschiebung Null
15. Bitfehlerratenleistung von OFDM-Systemen in Mehrwege-Slow-Rayleigh-Fading-Kanälen mit CFO
16. Kanalabschätzung in OFDM-Systemen
17. Frequenzbereichs-Entzerrung in OFDM-Systemen
- Null-Forcing-Entzerrer
- MMSE-Entzerrer
18. Andere übliche Leistungsmetriken in OFDM-basierten Systemen (Verhältnis von Spitzen- zu mittlerer Leistung, Verhältnis von Träger zu Interferenz...usw.)
19. Leistungsanalyse von OFDM-basierten Systemen in Fading-Umgebungen mit hoher Mobilität (als Simulationsprojekt, bestehend aus drei Arbeiten)
20. Beitrag (1): Abschwächung von Interferenz zwischen Trägern
21. Beitrag (2): MIMO-OFDM-Systeme

Optimierung eines MATLAB-Simulationsprojekts

Ziel dieses Teils ist es, zu lernen, wie man ein MATLAB-Simulationsprojekt erstellt und optimiert, um den gesamten Simulationsprozess zu vereinfachen und zu organisieren. Darüber hinaus werden auch der Speicherplatz und die Verarbeitungsgeschwindigkeit berücksichtigt, um Speicherüberlaufprobleme in Systemen mit begrenztem Speicherplatz oder lange Laufzeiten aufgrund einer langsamen Verarbeitung zu vermeiden.

1. Typische Struktur eines kleinen Simulationsprojekts
2. Extraktion von Simulationsparametern und Abbildung von Theorie auf Simulation
3. Aufbau eines Simulationsprojekts
4. Monte-Carlo-Simulationstechnik
5. Ein typisches Verfahren zum Testen eines Simulationsprojekts
6. Speicherplatz Management und Techniken zur Reduzierung der Simulationszeit
- Basisband- vs. Durchlassband-Simulation
- Berechnung der adäquaten Pulsbreite für abgeschnittene beliebige Pulsformen
- Berechnung der angemessenen Anzahl von Abtastwerten pro Symbol
- Berechnung der notwendigen und ausreichenden Anzahl von Bits zum Testen eines Systems

GUI-Programmierung

Einen MATLAB Code zu haben, der frei von Fehlern ist und ordnungsgemäß funktioniert und korrekte Ergebnisse liefert, ist eine große Leistung. Aus diesem Grund und aus weiteren Gründen wird eine zusätzliche Vorlesung über "Graphical User Interface (GUI) Programming" gehalten, um Ihnen die Kontrolle über verschiedene Teile Ihres Simulationsprojekts an die Hand zu geben, anstatt sich in einen langen Quellcode voller Befehle zu vertiefen. Darüber hinaus hilft eine grafische Benutzeroberfläche MATLAB dabei, Ihre Arbeit so zu präsentieren, dass Sie mehrere Ergebnisse in einem Hauptfenster zusammenfassen und die Daten leichter vergleichen können.

1. Was ist ein MATLAB GUI
2. Aufbau einer MATLAB GUI-Funktionsdatei
3. Die wichtigsten GUI-Komponenten (wichtige Eigenschaften und Werte)
4. Lokale und globale Variablen

Hinweis: Die Themen, die in den einzelnen Stufen dieses Kurses behandelt werden, umfassen die in den einzelnen Stufen angegebenen Themen, sind aber nicht auf diese beschränkt. Darüber hinaus können die Themen der einzelnen Vorlesungen je nach den Bedürfnissen der Lernenden und ihren Forschungsinteressen geändert werden.