Corso di formazione Simulazione di sistemi di comunicazione wireless con MATLAB (Dr Shehata)

Esiti di apprendimento del corso

Al termine di questo corso, lo studente dovrebbe essere in grado di affrontare molti dei problemi di ricerca aperti attualmente nel campo dell'ingegneria delle telecomunicazioni, avendo acquisito almeno le seguenti competenze:

• Trasformare e manipolare espressioni matematiche complesse che compaiono frequentemente nella letteratura ingegneristica sulle telecomunicazioni
• Utilizzare le capacità di programmazione offerte da MATLAB per riprodurre i risultati di simulazione di altri articoli o, almeno, approssimarli.
• Creare modelli di simulazione per idee auto-proposte.
• Impiegare efficientemente le competenze di simulazione acquisite, sfruttando le potenti funzionalità di MATLAB, per progettare codici ottimizzati in termini di tempo di esecuzione, risparmiando al contempo lo spazio di memoria.
• Identificare i parametri chiave di simulazione di un dato sistema di comunicazione, estrarli dal modello di sistema e studiare l'impatto di tali parametri sulle prestazioni del sistema considerato.

Struttura del corso

Il materiale fornito in questo corso è estremamente correlato. Non è consigliato a uno studente di seguire un livello senza aver prima frequentato e compreso a fondo il livello precedente, al fine di garantire la continuità delle conoscenze acquisite. Il corso è strutturato in tre livelli, partendo da un'introduzione alla programmazione MATLAB fino a raggiungere il livello di simulazione completa del sistema, come segue.

Matematica per le telecomunicazioni con MATLAB
Sessioni 01-06

Dopo il completamento di questa sezione, lo studente sarà in grado di valutare espressioni matematiche complesse e costruire facilmente i grafici appropriati per diverse rappresentazioni dei dati, come grafici in dominio del tempo e della frequenza, grafici di BER, diagrammi di radiazione delle antenne, ecc.

Concepti fondamentali

• Il concetto di simulazione
• L'importanza della simulazione nell'ingegneria delle telecomunicazioni
• MATLAB come ambiente di simulazione
• Riguardo alla rappresentazione matriciale e vettoriale dei segnali scalari nella matematica delle telecomunicazioni
• Rappresentazione matriciale e vettoriale dei segnali di portante complessi in MATLAB

Desktop di MATLAB

• Barra degli strumenti
• Finestra dei comandi
• Spazio di lavoro
• Cronologia comandi

Dichiarazione di variabili, vettori e matrici

• Costanti predefinite di MATLAB
• Variabili definite dall'utente
• Array, vettori e matrici
• Inserimento manuale di matrici
• Definizione di intervalli
• Spazio lineare (linspace)
• Spazio logaritmico (logspace)
• Regole per la denominazione delle variabili

Matrici speciali

• Matrice di uni (ones)
• Matrice di zeri (zeros)
• Matrice identità (eye)

Manipolazione element-wise e matriciale

• Accesso a elementi specifici
• Modifica di elementi
• Eliminazione selettiva di elementi (troncamento di matrice)
• Aggiunta di elementi, vettori o matrici (concatenazione di matrici)
• Individuazione dell'indice di un elemento all'interno di un vettore o di una matrice
• Ricombinazione di matrici (reshaping)
• Troncamento di matrici
• Concatenazione di matrici
• Inversione da sinistra a destra e da destra a sinistra (flipping)

Operatori unari per matrici

• Operatore Somma (Sum)
• Operatore Aspettazione (Expectation)
• Operatore Min
• Operatore Max
• Operatore Traccia (Trace)
• Determinante di matrice |.|
• Inverso di matrice
• Trasposta di matrice
• Ermitiana di matrice

Operazioni binarie su matrici

• Operazioni aritmetiche
• Operazioni relazionali
• Operazioni logiche

Numeri complessi in MATLAB

• Rappresentazione di portante complessa dei segnali di banda passante e up-conversione RF, una revisione matematica
• Formazione di variabili, vettori e matrici complessi
• Esponenziali complessi
• Operatore parte reale
• Operatore parte immaginaria
• Operatore coniugato (.)*
• Operatore modulo |.|
• Operatore argomento o fase

Funzioni integrate di MATLAB

• Vettori di vettori e matrici di matrici
• Funzione radice quadrata
• Funzione segno (sign)
• Funzione "arrotondamento all'intero" (round)
• Funzione "intero inferiore più vicino" (floor)
• Funzione "intero superiore più vicino" (ceil)
• Funzione fattoriale
• Funzioni logaritmiche (exp, ln, log10, log2)
• Funzioni trigonometriche
• Funzioni iperboliche
• Funzione Q(.))
• Funzione erfc(.)
• Funzioni di Bessel Jo (.)
• Funzione Gamma
• Comandi diff, mod

Polinomi in MATLAB

• Polinomi in MATLAB
• Funzioni razionali
• Derivate di polinomi
• Integrazione di polinomi
• Moltiplicazione di polinomi

Grafici in scala lineare

• Rappresentazioni visive di segnali a tempo continuo - ampiezza continua
• Rappresentazioni visive di segnali approssimati a gradini
• Rappresentazioni visive di segnali a tempo discreto - ampiezza discreta

Grafici in scala logaritmica

• Grafici dB-decadi (BER)
• Grafici decadi-dB (grafici di Bode, risposta in frequenza, spettro del segnale)
• Grafici decadi-decadi
• Grafici dB-lineari

Grafici polari 2D

• (diagrammi di radiazione planari delle antenne)

Grafici 3D

• Pattern di radiazione 3D
• Grafici parametrici cartesiani

Sezione Facoltativa (fornita su richiesta degli apprendisti)

• Derivazione simbolica e differenziazione numerica in MATLAB
• Integrazione simbolica e numerica in MATLAB
• Aiuto e documentazione di MATLAB

File MATLAB

• File script MATLAB
• File di funzione MATLAB
• File di dati MATLAB
• Variabili locali e globali

Cicli, controllo del flusso condizionale e presa di decisioni in MATLAB

• Ciclo for end
• Ciclo while end
• Condizione if end
• Condizioni if else end
• Istruzione switch case end
• Iterazioni, errori convergenti, operatori di somma multidimensionali

Comandi di visualizzazione input e output

• Comando input(' ')
• Comando disp
• Comando fprintf
• Box di messaggio msgbox

Operazioni su Segnali e Sistemi
Sessioni 07-14

Gli obiettivi principali di questa sezione sono i seguenti:

• Generare segnali di test casuali necessari per testare le prestazioni di diversi sistemi di comunicazione
• Integrare numerose operazioni elementari sui segnali per implementare una singola funzione di elaborazione delle comunicazioni, come encoder, randomizzatori, interleave, generatori di codici di spreading, ecc., sia sul trasmettitore che sui rispettivi moduli sul ricevitore.
• Collegare correttamente questi blocchi per ottenere una funzione di comunicazione
• Simulazione di modelli di canali narrowband interni ed esterni, deterministici, statistici e semi-casuali

Generazione di segnali di test per le telecomunicazioni

• Generazione di una sequenza binaria casuale
• Generazione di sequenze di interi casuali
• Importazione e lettura di file di testo
• Letture e riproduzione di file audio
• Importazione ed export di immagini
• Immagine come matrice 3D
• Trasformazione da RGB a scala di grigi
• Flusso di bit seriale di un'immagine a scala di grigi 2D
• Suddivisione in sottotrame di segnali immagine e ricostruzione

Condizionamento e manipolazione del segnale

• Scalatura dell'ampiezza (guadagno, attenuazione, normalizzazione dell'ampiezza, ecc.)
• Spostamento del livello DC
• Scalatura temporale (compressione temporale, rarefazione)
• Spostamento temporale (ritardo temporale, anticipo temporale, spostamento circolare temporale a sinistra e destra)
• Misura dell'energia del segnale
• Normalizzazione di energia e potenza
• Scalatura di energia e potenza
• Conversione da seriale a parallelo e da parallelo a seriale
• Multiplexing e de-multiplexing

Digitalizzazione dei segnali analogici

• Campionamento nel dominio del tempo di segnali di portante continua in MATLAB
• Quantizzazione in ampiezza dei segnali analogici
• Codifica PCM di segnali analogici quantizzati
• Conversione da decimale a binario e da binario a decimale
• Formazione dell'impulso (Pulse shaping)
• Calcolo della larghezza dell'impulso adeguata
• Selezione del numero di campioni per impulso
• Convoluzione utilizzando i comandi conv e filter
• Autocorrelazione e correlazione incrociata di segnali a tempo limitato
• Operazioni Fast Fourier Transform (FFT) e IFFT
• Visualizzazione dello spettro di un segnale di portante
• Effetto della frequenza di campionamento e della finestra di frequenza appropriata
• Relazione tra le operazioni di convoluzione, correlazione e FFT
• Filtraggio nel dominio della frequenza, solo filtraggio passa-basso

Funzioni ausiliarie per le telecomunicazioni

• Randomizzatori e de-randomizzatori
• Puncturers e de-puncturers
• Encoder e decoder
• Interleave e de-interleave

Modulatori e demodulatori

• Schema di modulazione digitale di portante in MATLAB
• Rappresentazione visiva di segnali digitalmente modulati

Modellazione e simulazione del canale

• Modellazione matematica dell'effetto del canale sul segnale trasmesso
  • Addizione – canali con rumore bianco gaussiano additivo (AWGN)
  • Moltiplicazione nel dominio del tempo – canali di fading lento, deriva di Doppler nei canali veicolari
  • Moltiplicazione nel dominio della frequenza – canali di fading selettivo in frequenza
  • Convolutuzione nel dominio del tempo – risposta impulsiva del canale

Esempi di modelli di canale deterministici

• Perdita di percorso nello spazio libero e perdita di percorso dipendente dall'ambiente
• Canali con ostruzione periodica

Caratterizzazione statistica dei comuni canali di fading multi-path stazionari e quasi-stazionari

• Generazione di una variabile casuale con distribuzione uniforme
• Generazione di una variabile casuale reale con distribuzione gaussiana
• Generazione di una variabile casuale complessa con distribuzione gaussiana
• Generazione di una variabile casuale con distribuzione di Rayleigh
• Generazione di una variabile casuale con distribuzione di Rice
• Generazione di una variabile casuale con distribuzione log-normale
• Generazione di una variabile casuale con distribuzione arbitraria
• Approssimazione di una funzione di densità di probabilità (PDF) sconosciuta di una variabile casuale tramite istogramma
• Calcolo numerico della funzione di distribuzione cumulativa (CDF) di una variabile casuale
• Canali con rumore bianco gaussiano additivo (AWGN) reali e complessi

Caratterizzazione del canale tramite il suo Profilo di Ritardo Potenza (PDP)

• Caratterizzazione del canale tramite il suo profilo di ritardo potenza
• Normalizzazione della potenza del PDP
• Estrazione della risposta impulsiva del canale dal PDP
• Campionamento della risposta impulsiva del canale con una frequenza di campionamento arbitraria, campionamento e ritardo non corrispondenti
• Quantizzazione
• Il problema del campionamento non corrispondente della risposta impulsiva del canale per canali a banda stretta
• Campionamento di un PDP con una frequenza di campionamento arbitraria e compensazione del ritardo frazionario
• Implementazione di diversi modelli di canale interni ed esterni standardizzati IEEE
• (COST – SUI - Modelli di Canale Ultra Wide Band, ecc.)

Simulazione a livello di collegamento di sistemi di com. pratici
Sessioni 15-24

Questa parte del corso si occupa della questione più importante per gli studenti della ricerca, ovvero come riprodurre i risultati di simulazione di altri articoli pubblicati tramite simulazione.

Prestazioni del Tasso di Errore di Bit (BER) degli schemi di modulazione digitale di portante

• Confronto delle prestazioni di diversi schemi di modulazione digitale di portante in canali AWGN (studio comparativo completo tramite simulazione per verificare le espressioni teoriche); scatter plot, bit error rate
• Confronto delle prestazioni di diversi schemi di modulazione digitale di portante in diversi canali di fading stazionari e quasi-stazionari; scatter plot, bit error rate (studio comparativo completo tramite simulazione per verificare le espressioni teoriche)
• Impatto dei canali con deriva di Doppler sulle prestazioni degli schemi di modulazione digitale di portante; scatter plot, bit error rate
• Comunicazioni Elicottero-Satellite
  • Articolo (1): Low-Cost Real-Time Voice and Data System for Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS) – Dichiarazione del problema e analisi
  • Articolo (2): Pre-Detection Time Diversity Combining with Accurate AFC for Helicopter Satellite Communications – La prima soluzione proposta
  • Articolo (3): An Adaptive Modulation Scheme for Helicopter-Satellite Communications – Un approccio al miglioramento delle prestazioni

Simulazione di sistemi a spettro diffuso (Spread Spectrum)

• Tipica architettura dei sistemi basati su spread spectrum
• Sistemi basati su Direct sequence spread spectrum
• Generatori di sequenze pseudo-casuali binarie (PBRS)
  
  • Generazione di sequenze di lunghezza massima
  • Generazione di codici Gold
  • Generazione di codici Walsh
• Sistemi basati su Time hopping spread spectrum
• Prestazioni del Tasso di Errore di Bit (BER) dei sistemi basati su spread spectrum in canali AWGN
  
  • Impatto del rapporto di codifica r sulle prestazioni BER
  • Impatto della lunghezza del codice sulle prestazioni BER
• Prestazioni del Tasso di Errore di Bit (BER) dei sistemi basati su spread spectrum in canali di fading lento di Rayleigh multipath con deriva di Doppler nulla
• Analisi delle prestazioni del tasso di errore di bit dei sistemi basati su spread spectrum in ambienti di fading ad alta mobilità
• Analisi delle prestazioni del tasso di errore di bit dei sistemi basati su spread spectrum in presenza di interferenza multi-utente
• Trasmissione di immagini RGB tramite sistemi a spettro diffuso
• Sistemi CDMA Ottici (OCDMA)
  
  • Codici ortogonali ottici (OOC)
  • Limiti delle prestazioni dei sistemi OCDMA; prestazioni del tasso di errore di bit dei sistemi OCDMA sincroni e asincroni

Sistemi SS a banda ultra larga

Sistemi basati su OFDM

• Implementazione di sistemi OFDM utilizzando la Fast Fourier Transform
• Tipica architettura dei sistemi basati su OFDM
• Prestazioni del Tasso di Errore di Bit (BER) dei sistemi OFDM in canali AWGN
  
  • Impatto del rapporto di codifica r sulle prestazioni BER
  • Impatto del prefisso ciclico sulle prestazioni BER
  • Impatto della dimensione della FFT e dell'intervallo tra i sottoportanti sulle prestazioni BER
• Prestazioni del Tasso di Errore di Bit (BER) dei sistemi OFDM in canali di fading lento di Rayleigh multipath con deriva di Doppler nulla
• Prestazioni del Tasso di Errore di Bit (BER) dei sistemi OFDM in canali di fading lento di Rayleigh multipath con CFO
• Stima del Canale nei sistemi OFDM
• Equalizzazione nel dominio della frequenza nei sistemi OFDM
  
  • Equalizzatore Zero Forcing
  • Equalizzatori MMSE
• Altre metriche di prestazione comuni nei sistemi basati su OFDM (Rapporto di Potenza di Picco – Media, Rapporto Portante – Interferenza, ecc.)
• Analisi delle prestazioni dei sistemi basati su OFDM in ambienti di fading ad alta mobilità (come progetto di simulazione composto da tre articoli)
  
  • Articolo (1): Mitigazione dell'interferenza tra sottoportanti
  • Articolo (2): Sistemi MIMO-OFDM

Ottimizzazione di un progetto di simulazione MATLAB

L'obiettivo di questa parte è imparare come costruire e ottimizzare un progetto di simulazione MATLAB per semplificare e organizzare l'intero processo di simulazione. Inoltre, lo spazio di memoria e la velocità di elaborazione sono considerati per evitare problemi di esaurimento della memoria in sistemi con archiviazione limitata o lunghi tempi di esecuzione dovuti a elaborazioni lenti.

• Tipica struttura di progetti di simulazione su piccola scala
• Estrazione dei parametri di simulazione e mappatura da teorico a simulazione
• Costruzione di un Progetto di Simulazione
• Tecnica di simulazione Monte Carlo
• Una procedura tipica per il test di un progetto di simulazione
• Tecniche per la gestione dello spazio di memoria e la riduzione del tempo di simulazione
  
  • Simulazione di portante vs. di banda passante
  • Calcolo della larghezza dell'impulso adeguata per forme d'onda arbitrarie troncate
  • Calcolo del numero adeguato di campioni per simbolo
  • Calcolo del numero di bit necessario e sufficiente per testare un sistema

Programmazione GUI

Avere un codice MATLAB privo di bug e funzionante correttamente per produrre risultati corretti è un grande traguardo. Tuttavia, un insieme di parametri chiave in un progetto di simulazione controlla i processi di elaborazione. Per questo motivo e altri, viene offerta una lezione extra sulla "Programmazione dell'Interfaccia Utente Grafica (GUI)" per avere il controllo su varie parti del progetto di simulazione a portata di mano, invece di scavare in lunghi codici sorgene pieni di comandi. Inoltre, mascherare il codice MATLAB con una GUI aiuta a presentare il lavoro in modo da facilitare la combinazione di più risultati in una finestra master e rende più facile il confronto dei dati.

• Cosa è una GUI MATLAB
• Struttura del file di funzione della GUI MATLAB
• Componenti principali della GUI (proprietà e valori importanti)
• Variabili locali e globali

Nota: Gli argomenti coperti in ogni livello di questo corso includono, ma non sono limitati a, quelli elencati in ciascun livello. Inoltre, gli argomenti di ciascuna lezione specifica sono soggetti a modifiche a seconda delle esigenze degli apprendisti e dei loro interessi di ricerca.