MATLAB ile Kablosuz İletişim Sistemlerinin Simülasyonu (Dr. Shehata) Eğitimi

Bu kursun kazanımları

Bu kursun sonunda, öğrenci iletişim mühendisliği alanında şu anda açık olan birçok araştırma problemine müdahale edebilecek konuma gelecektir; çünkü en azından şu becerileri edinmiş olacaktır:

• İletişim mühendisliği literatüründe sıklıkla görülen karmaşık matematiksel ifadeleri haritalama ve değiştirme
• Diğer makalelerin simülasyon sonuçlarını yeniden oluşturmak veya en azından bu sonuçlara yaklaşmak için MATLAB'ın sunduğu programlama yeteneklerini kullanabilme
• Kendi önerdiği fikirlerin simülasyon modellerini oluşturma
• Elde edilen simülasyon becerilerini, MATLAB'ın güçlü yetenekleriyle birleştirerek, kod çalışma süresini optimize ederken bellek alanını ekonomik kullanan optimize edilmiş MATLAB kodlarını tasarlama
• Bir iletişim sisteminin ana simülasyon parametrelerini tanımlama, bunları sistem modelinden çıkarma ve bu parametrelerin sistemin performansı üzerindeki etkisini çalışma

Kurs Yapısı

Bu kursda sağlanan materyaller son derece birbiriyle ilişkilidir. Elde edilen bilginin sürekliliğini sağlamak için, bir seviyeye katılmadan önce bir önceki seviyeye katılıp derinlemesine anlaşılması tavsiye edilir. Kurs, MATLAB programlamasına girişten tam sistem simülasyonuna kadar üç seviyeye yapılandırılmıştır. Aşağıdaki gibidir.

MATLAB ile İletişim Matematiksel İşlemleri
Oturumlar 01-06

Bu bölümün tamamlanmasının ardından, öğrenci karmaşık matematiksel ifadeleri değerlendirebilecek ve zaman/frekans domaini grafikleri, BER grafikleri, anten radyasyon desenleri vb. farklı veri gösterimleri için uygun grafikleri kolayca oluşturabilecek duruma gelecektir.

Temel kavramlar

• Simülasyon kavramı
• İletişim mühendisliğinde simülasyonun önemi
• Simülasyon ortamı olarak MATLAB
• İletişim matematiksel işlemlerinde skaler sinyallerin matris ve vektör gösterimi hakkında
• MATLAB'de karmaşık baz bandı sinyallerinin matris ve vektör gösterimi

MATLAB Masaüstü

• Araç çubuğu
• Komut penceresi
• Çalışma alanı
• Komut geçmişi

Değişken, vektör ve matris tanımları

• MATLAB ön tanımlı sabitleri
• Kullanıcı tanımlı değişkenler
• Diziler, vektörler ve matrisler
• Manuel matris girişi
• Aralık tanımı
• Doğrusal uzay
• Logaritmik uzay
• Değişken adlandırma kuralları

Özel matrisler

• Birim matrisler matrisi
• Sıfır matrisi
• Birim matris

Öğe bazlı ve matris bazlı işlemler

• Belirli öğelere erişme
• Öğeleri değiştirme
• Öğelerin seçici şekilde kaldırılması (Matris budama)
• Öğe, vektör veya matris ekleme (Matris birleştirme)
• Bir vektörün veya matrisin içindeki bir öğenin indeksini bulma
• Matris yeniden şekillendirme
• Matris budama
• Matris birleştirme
• Soldan sağa ve sağdan sola çevirme

Tekli matris operatörleri

• Toplam operatörü
• Beklenti operatörü
• Min operatörü
• Max operatörü
• İz (Trace) operatörü
• Matris determinanı |.|
• Matris tersi
• Matris transpozu
• Matris Hermitian

İkili matris işlemleri

• Aritmetik işlemler
• İlişkisel işlemler
• Mantıksal işlemler

MATLAB'de karmaşık sayılar

• Geçiş bandı sinyallerinin karmaşık baz bandı gösterimi ve RF yukarı çevirimi, matematiksel bir gözden geçirme
• Karmaşık değişken, vektör ve matris oluşturma
• Karmaşık üstel fonksiyonlar
• Gerçel kısım operatörü
• Sanal kısım operatörü
• Konjuge operatörü (.)*
• Mutlak değer operatörü |.|
• Argument veya faz operatörü

MATLAB yerleşik fonksiyonları

• Vektörlerin vektörü ve matrislerin matrisi
•  Karekök fonksiyonu
• İşaret fonksiyonu
• "En yakın tam sayıya yuvarlama" fonksiyonu
• "En yakın alt tam sayı fonksiyonu"
• "En yakın üst tam sayı fonksiyonu"
• Faktöriyel fonksiyonu
• Logaritmik fonksiyonlar (exp, ln,log10,log2)
• Trigonometrik fonksiyonlar
• Hiperbolik fonksiyonlar
• Q(.) fonksiyonu
• erfc(.) fonksiyonu
• Bessel fonksiyonları Jo (.)
• Gamma fonksiyonu
• Diff, mod komutları

MATLAB'de polinomlar

• MATLAB'de polinomlar
• Rasyonel fonksiyonlar
• Polinom türevleri
• Polinom integrali
• Polinom çarpımı

Doğrusal ölçekli grafikler

• Sürekli zaman-sürekli genlik sinyallerinin görsel gösterimleri
• Merdiven tipi yaklaşık sinyallerin görsel gösterimleri
• Kesikli zaman – kesikli genlik sinyallerinin görsel gösterimleri

Logaritmik ölçekli grafikler

• dB-dekad grafikleri (BER)
• dekad-dB grafikleri (Bode grafikleri, frekans yanıtı, sinyal spektrumu)
• dekad-dekad grafikleri
• dB-doğrusal grafikler

2D Kutupsal grafikler

• (Düzlemsel anten radyasyon desenleri)

3D Grafikler

• 3D radyasyon desenleri
• Kartezyen parametrik grafikler

İsteğe Bağlı Bölüm (Öğrenicilerin talebi üzerine verilir)

• MATLAB'de sembolik türevleme ve sayısal diferansiyel
• MATLAB'de sembolik ve sayısal integral
• MATLAB yardımı ve dokümantasyonu

MATLAB dosyaları

• MATLAB betik dosyaları
• MATLAB fonksiyon dosyaları
• MATLAB veri dosyaları
• Yerel ve küresel değişkenler

MATLAB'de döngüler, koşul akış kontrolü ve karar verme

• For end döngüsü
• While end döngüsü
• If end koşulu
• If else end koşulları
• Switch case end ifadesi
• İterasyonlar, yakınsayan hatalar, çok boyutlu toplam operatörleri

Giriş ve çıkış görüntüleme komutları

• The input(' ') komutu
• disp komutu
• fprintf komutu
• Message box msgbox

Sinyal ve Sistem İşlemleri
Oturumlar 07-14

Bu bölümün ana hedefleri şunlardır

• Farklı iletişim sistemlerinin performansını test etmek için gerekli olan rastgele test sinyallerini üretme
• Vericide ve alıcıda kodlayıcılar, rastgeleleştiriciler, iç içe geçirme düzenleyicileri, yayılma kodu üreteçleri vb. gibi tek bir iletişim işlevini uygulamak için birleştirilebilecek birçok temel sinyal işlemini entegre etme
• Bir iletişim işlevini gerçekleştirmek için bu blokları doğru şekilde birbirine bağlama
• Deterministik, istatistiksel ve yarı-rastgele iç ve dış dar bant kanal modellerinin simülasyonu

İletişim test sinyallerinin üretimi

• Rastgele ikili dizilerin üretimi
• Rastgele tam sayı dizilerinin üretimi
• Metin dosyalarının içe aktarılması ve okunması
• Ses dosyalarının okunması ve oynatılması
• Görsellerin içe ve dışa aktarılması
• Görsellerin 3B matris olarak temsil edilmesi
• RGB'den gri tonlamaya dönüştürme
• 2B gri tonlamalı görselin seri bit akışı
• Görsel sinyallerinin alt karelemesi ve yeniden inşası

Sinyal Şartlandırma ve Manipülasyon

• Genlik ölçekleme (kazanç, zayıflatma, genlik normalizasyonu… vb.)
• DC seviye kaydırma
• Zaman ölçekleme (zaman sıkıştırması, seyreltme)
• Zaman kayması (zaman gecikmesi, zaman ileri kaydırma, dairesel sol ve sağ zaman kayması)
• Sinyal enerjisini ölçme
• Enerji ve güç normalizasyonu
• Enerji ve güç ölçekleme
• Seriden paralele ve paralelden seriye dönüşüm
• Multiplexing ve de-multiplexing

Analog Sinyallerin Dijitalleştirilmesi

• MATLAB'de sürekli zamanlı baz bandı sinyallerinin zaman domaininde örnekleme
• Analog sinyallerin genlik kuantizasyonu
• Kuantize edilmiş analog sinyallerin PCM kodlanması
• Ondalıktan ikiye ve ikiden ondalığa dönüşüm
• Impulse şekillendirme
• Uygun impuls genişliğinin hesaplanması
• Sembol başına örnek sayısının seçimi
• Conv ve filter komutları kullanılarak konvolüsyon
• Zaman sınırlı sinyallerin oto-korelasyonu ve çapraz-korelasyonu
• Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) ve IFFT işlemleri
• Baz bandı sinyal spektrumunun görüntülenmesi
• Örnekleme hızının ve uygun frekans penceresinin etkisi
• Konvolüsyon, korelasyon ve FFT işlemleri arasındaki ilişki
• Frekans domaininde filtreleme, yalnızca alçak geçiren filtreleme

Yardımcı İletişim Fonksiyonları

• Rastgeleleştiriciler ve de-rastgeleleştiriciler
•  Delikleyiciler (puncturers) ve de-delikleyiciler
• Kodlayıcılar ve çözücüleri
• İç içe geçirme düzenleyiciler (interleavers) ve de-iç içe geçirme düzenleyiciler

Modülatörler ve demodülatörler

• MATLAB'de dijital baz bandı modülasyon şemaları
• Dijital modüle edilmiş sinyallerin görsel gösterimi

Kanal Modellemesi ve Simülasyonu

• Gönderilen sinyaldeki kanal etkisinin matematiksel modellenmesi
  • Toplama – ekleyici beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) kanalları
  • Zaman domaininde çarpma – yavaş solgunlaşan kanallar, araç kanallarında Doppler kayması
  • Frekans domaininde çarpma – frekans seçici solgunlaşan kanallar
  • Zaman domaininde konvolüsyon – kanal impuls yanıtı

Deterministik kanal modellerine örnekler

• Serbest uzay yol kaybı ve ortama bağlı yol kaybı
• Periyodik Engelleme Kanalları

Yaygın Sabit ve Yarı-Sabit Çok Yollu Solgunlaşan Kanalların İstatistiksel Karakterizasyonu

• Birimsel dağılıma sahip rastgele değişkenin üretimi
• Gerçel değerli Gauss dağılımlı rastgele değişkenin üretimi
• Karmaşık Gauss dağılımlı rastgele değişkenin üretimi
• Rayleigh dağılımlı rastgele değişkenin üretimi
• Rician dağılımlı rastgele değişkenin üretimi
• Lognormal dağılımlı rastgele değişkenin üretimi
• Rastgele dağılımlı rastgele değişkenin üretimi
• Histogram ile rastgele değişkenin bilinmeyen olasılık yoğunluk fonksiyonunun (PDF) yaklaşık olarak bulunması
• Rastgele değişkenin kümülatif dağılım fonksiyonunun (CDF) sayısal hesabı
• Gerçel ve karmaşık ekleyici beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) kanalları

Güç Gecikme Profili ile Kanal Karakterizasyonu

• Güç gecikme profili ile kanal karakterizasyonu
• PDP'nin güç normalizasyonu
• PDP'den kanal impuls yanıtının çıkarılması
• Rastgele bir örnekleme hızıyla kanal impuls yanıtının örneklendirilmesi, eşleşmeyen örnekleme ve gecikme
• Kuantizasyon
• Dar bant kanalların kanal impuls yanıtının eşleşmeyen örneklenmesi sorunu
• Rastgele bir örnekleme hızı ve kesirli gecikme telafisi ile bir PDP'nin örneklenmesi
• Birçok IEEE standart içi ve dışı kanal modelinin uygulanması
• (COST – SUI - Ultra Geniş Bant Kanal Modelleri… vb.)

Pratik İletişim Sistemlerinin Bağlantı Düzeyi Simülasyonu
Oturumlar 15-24

Bu kursun bu kısmı, araştırma öğrencileri için en önemli konuya odaklanmaktadır: yayımlanmış diğer makalelerin simülasyon sonuçlarının nasıl yeniden üretilacağı.

Baz Bandı Dijital Modülasyon Şemalarının Bit Hata Oranı (BER) Performansı

•  AWGN kanallarında farklı baz bandı dijital modülasyon şemalarının performans karşılaştırması (Teorik ifadeleri doğrulamak için simülasyon yoluyla kapsamlı karşılaştırmalı çalışma); saçılım grafikleri, bit hata oranı
• Farklı sabit ve yarı-sabit solgunlaşan kanallarda farklı baz bandı dijital modülasyon şemalarının performans karşılaştırması; saçılım grafikleri, bit hata oranı (Teorik ifadeleri doğrulamak için simülasyon yoluyla kapsamlı karşılaştırmalı çalışma)
• Doppler kayması kanallarının baz bandı dijital modülasyon şemalarının performansı üzerindeki etkisi; saçılım grafikleri, bit hata oranı
• Helikopterden Uyduya İletişim
  • Makale (1): Hava Mobil Uydu Servisi (AMSS) için Düşük Maliyetli Gerçek Zamanlı Ses ve Veri Sistemi – Problem ifadesi ve analizi
  • Makale (2): Helikopter Uydu İletişimi için Doğru AFC ile Ön Algılama Zaman Çeşitliliği Birleştirme – İlk önerilen çözüm
  • Makale (3): Helikopter-Uydu İletişimi için Uyarlanabilir Modülasyon Şeması – Performans iyileştirme yaklaşımı

Yayılma Spektrumlu Sistemlerin Simülasyonu

• Yayılma spektrumu tabanlı sistemlerin tipik mimarisi
• Direkt dizi yayılma spektrumu tabanlı sistemler
• Sahte rastgele ikili dizi (PRBS) üreteçleri
  
  • Maksimum uzunluklu dizilerin üretimi
  • Gold kodlarının üretimi
  • Walsh kodlarının üretimi
• Zaman zıplamalı yayılma spektrumu tabanlı sistemler
• AWGN kanallarında yayılma spektrumu tabanlı sistemlerin Bit Hata Oranı (BER) performansı
  
  • Kodlama oranı r'nin BER performansına etkisi
  • Kod uzunluğunun BER performansına etkisi
• Sıfır Doppler kaymalı çok yollu Yavaş Rayleigh Solgunlaşan Kanallarda yayılma spektrumu tabanlı sistemlerin Bit Hata Oranı (BER) performansı
• Yüksek mobilite solgunlaşan ortamlarda yayılma spektrumu tabanlı sistemlerin bit hata oranı performansı analizi
• Çoklu kullanıcı gürültüsünün varlığında yayılma spektrumu tabanlı sistemlerin bit hata oranı performansı analizi
• Yayılma spektrumu sistemleri üzerinden RGB görsel iletimi
• Optik CDMA (OCDMA) sistemleri
  
  • Optik ortogonal kodlar (OOC)
  • OCDMA sistemlerinin performans sınırları; senkron ve asenkron OCDMA sistemlerinin bit hata oranı performansı

Ultra geniş bantlı SS sistemleri

OFDM Tabanlı Sistemler

• Hızlı Fourier Dönüşümü kullanılarak OFDM sistemlerinin uygulanması
• OFDM tabanlı sistemlerin tipik mimarisi
• AWGN kanallarında OFDM Sistemlerinin Bit Hata Oranı (BER) Performansı
  
  • Kodlama oranı r'nin BER performansına etkisi
  • Siklik önentin BER performansına etkisi
  • FFT boyutunun ve alt taşıyıcı aralığının BER performansına etkisi
• Sıfır Doppler kaymalı çok yollu Yavaş Rayleigh Solgunlaşan Kanallarda OFDM Sistemlerinin Bit Hata Oranı (BER) Performansı
• CFO'lu çok yollu Yavaş Rayleigh Solgunlaşan Kanallarda OFDM Sistemlerinin Bit Hata Oranı (BER) Performansı
• OFDM Sistemlerinde Kanal Tahmini
• OFDM Sistemlerinde Frekans Domaini Denklemesi
  
  • Sıfır Zorlama Denkleyici (Zero Forcing Equalizer)
  • MMSE Denkleyicileri
• OFDM Tabanlı Sistemlerde Diğer Yaygın Performans Metrikleri (Tepe – Orta Güç Oranı, Taşıyıcı – Girişim Oranı… vb.)
• Yüksek mobilite solgunlaşan ortamlarda OFDM tabanlı sistemlerin performans analizi (üç makaleden oluşan bir simülasyon projesi olarak)
  
  • Makale (1): Taşıyıcı arası girişimin azaltılması
  • Makale (2): MIMO-OFDM Sistemleri

MATLAB Simülasyon Projesinin Optimize Edilmesi

Bu bölümün amacı, genel simülasyon sürecini basitleştirmek ve organize etmek için bir MATLAB simülasyon projesinin nasıl oluşturulacağını ve optimize edileceğini öğrenmektir. Ayrıca, sınırlı depolama sistemlerinde veya yavaş işlemeden kaynaklanan uzun çalışma sürelerinde bellek taşması sorunlarını önlemek için bellek alanı ve işlem hızı da dikkate alınır.

• Küçük ölçekli simülasyon projelerinin tipik yapısı
• Simülasyon parametrelerinin çıkarılması ve teoriden simülasyona haritalama
• Bir Simülasyon Projesi Oluşturma
• Monte Carlo Simülasyon Tekniği
• Bir Simülasyon Projesini Test Etme İçin Tipik Bir Prosedür
• Bellek Alanı Yönetimi ve Simülasyon Süresini Azaltma Teknikleri
  
  • Baz bandı vs. Geçiş bandı Simülasyonu
  • Budalanmış keyfi impuls şekilleri için uygun impuls genişliğinin hesaplanması
  • Sembol başına yeterli örnek sayısının hesaplanması
  • Bir Sistemleri Test Etmek İçin Gerekli ve Yeterli Bit Sayısının Hesaplanması

GUI programlama

Hata ayıklamalarından arınmış ve doğru sonuçları üreten düzgün çalışan bir MATLAB koduna sahip olmak büyük bir başarıdır. Bununla birlikte, bir simülasyon projesinde belirli bir dizi anahtar parametreyi kontrol eder. Bu ve diğer nedenlerle, simülasyon projenizin çeşitli kısımlarını kontrolü parmak uçlarınızın ucuna getirmek ve komutlarla dolu uzun kaynak kodlarında boğulmak yerine, "Grafiksel Kullanıcı Arayüzü (GUI) Programlama" üzerine ek bir ders verilir. Ayrıca, MATLAB kodunuzun bir GUI ile maskelenmesi, çoklu sonuçları tek bir ana pencerede birleştirmeyi kolaylaştıran ve veri karşılaştırmayı daha kolay hale getiren bir şekilde işinizi sunmanıza yardımcı olur.

• MATLAB GUI nedir
• MATLAB GUI fonksiyon dosyasının yapısı
• Ana GUI bileşenleri (önemli özellikler ve değerler)
• Yerel ve küresel değişkenler

Not: Bu kursun her seviyesinde kapsanan konular, her seviyede belirtilenlerle sınırlı olmakla birlikte bunlarla sınırlı değildir. Ayrıca, her dersin maddeleri, öğrenicilerin ihtiyaçlarına ve araştırma ilgi alanlarına göre değişebilir.