Curso de Simulación de Sistemas de Comunicaciones Inalámbricas Utilizando MATLAB

• Resultados de este curso
Una vez finalizado este curso, el estudiante debe ser capaz de abordar muchos de los problemas de investigación actualmente abiertos en el campo de la ingeniería de comunicaciones, ya que debe haber adquirido al menos las siguientes competencias:

• Mapear y manipular expresiones matemáticas complicadas que aparecen con frecuencia en la literatura de ingeniería de comunicaciones.

• Capacidad para utilizar las capacidades de programación que ofrece MATLAB para reproducir los resultados de simulación de otros artículos o al menos aproximarse a dichos resultados.

• Crear los modelos de simulación de ideas autopropuestas.

• Utilizar las habilidades de simulación adquiridas de manera eficiente junto con las potentes capacidades de MATLAB para diseñar códigos MATLAB optimizados en términos del tiempo de ejecución del código mientras se economiza el espacio de memoria.

• Identificar los parámetros clave de simulación de un sistema de comunicación dado, extraerlos del modelo del sistema y estudiar el impacto de estos parámetros en el rendimiento del sistema considerado.

• Estructura del curso

El material proporcionado en este curso está extremadamente correlacionado. No se recomienda que un estudiante asista a un nivel a menos que asista y comprenda profundamente su nivel anterior para garantizar la continuidad de los conocimientos adquiridos. El curso está estructurado en tres niveles, desde una introducción a la programación MATLAB hasta el nivel de simulación completa de sistemas, de la siguiente manera.

Nivel 1: Communications Matemáticas con MATLAB
Sesiones 01-06

Después de completar esta parte, el estudiante podrá evaluar expresiones matemáticas complicadas y construir fácilmente los gráficos adecuados para diferentes representaciones de datos, como gráficos de dominio de tiempo y frecuencia, gráficos BER, patrones de radiación de antena, etc.

Conceptos fundamentales

1. El concepto de simulación
2. La importancia de la simulación en la ingeniería de comunicaciones
3. MATLAB como entorno de simulación
4. Acerca de la representación matricial y vectorial de señales escalares en matemáticas de comunicaciones
5. Matrix y representaciones vectoriales de señales complejas de banda base en MATLAB

MATLAB Escritorio

6. Barra de herramientas
7. Ventana de comandos
8. Espacio de trabajo
9. Historial de comandos

Declaración de variables, vectores y matrices

10. MATLAB constantes predefinidas
11. Variables definidas por el usuario
12. Matrices, vectores y matrices
13. Entrada manual de matrices
14. Definición de intervalo
15. Espacio lineal
16. Espacio logarítmico
17. Reglas de nomenclatura de variables

Matrices especiales

18. La matriz de los unos
19. La matriz de los ceros
20. La matriz identitaria

Element Manipulación sabia y matricial

21. Accessing de elementos específicos
22. Elementos modificadores
23. Eliminación selectiva de elementos (Matrix truncamiento)
24. Adición de elementos, vectores o matrices (Matrix concatenación)
25. Encontrar el índice de un elemento dentro de un vector o una matriz
26. Matrix Remodelación
27. Matrix truncamiento
28. Matrix Concatenación
29. Volteo de izquierda a derecha y de derecha a izquierda

Operadores de matriz unaria

30. El operador Sum
31. El operador de expectativas
32. Operador mínimo
33. Operador máximo
34. El operador de rastreo
35. Matrix determinante |.|
36. Matrix inverso
37. Matrix transposición
38. Matrix Hermitiano
39. …etc

Operaciones de matriz binaria

40. Operaciones aritméticas
41. Operaciones relacionales
42. Operaciones lógicas

Números complejos en MATLAB

43. Representación compleja de banda base de señales de banda de paso y conversión ascendente de RF, una revisión matemática
44. Formación de variables complejas, vectores y matrices
45. Exponenciales complejas
46. El operador de la parte real
47. El operador de la parte imaginaria
48. El operador conjugado (.)*
49. El operador absoluto |.|
50. El argumento u operador de fase

MATLAB Funciones integradas

51. Vectores de vectores y matriz de matriz
52. La función de raíz cuadrada
53. La función de signo
54. La función "redondear a entero"
55. La "función entera inferior más cercana"
56. La "función entera superior más cercana"
57. La función factorial
58. Funciones logarítmicas (exp, ln, log10, log2)
59. Funciones trigonométricas
60. Funciones hiperbólicas
61. La función Q(.)
62. La función erfc(.)
63. Funciones de Bessel Jo (.)
64. La función Gamma
65. Diff, comandos mod

Polinomios en MATLAB

66. Polinomios en MATLAB
67. Funciones racionales
68. Derivadas polinómicas
69. Integración polinómica
70. Multiplicación polinómica

Gráficos a escala lineal

71. Representaciones visuales de señales de amplitud continua en el tiempo continuo
72. Representaciones visuales de las señales aproximadas de las cajas de escalera
73. Representaciones visuales de señales de amplitud discreta y tiempo discreto

Gráficos a escala logarítmica

74. Gráficos de dB-década (BER)
75. Gráficos de década-dB (diagramas de Bode, respuesta de frecuencia, espectro de señal)
76. Tramas de década y década
77. Gráficos lineales en dB

Gráficos polares 2D
78. (diagramas de radiación de antenas planas)

Gráficos 3D

79. 3D Diagramas de radiación
80. Gráficos paramétricos cartesianos

Sección optativa (dada a petición de los alumnos)

81. Diferenciación simbólica y diferenciación numérica en MATLAB
82. Integración simbólica y numérica en MATLAB
83. MATLAB Ayuda y documentación

MATLAB Archivos

84. MATLAB archivos de script
85. MATLAB archivos de función
86. MATLAB archivos de datos
87. Variables locales y globales

Bucles, control de flujo de condiciones y toma de decisiones en MATLAB

88. El bucle final for
89. El bucle de fin while
90. La condición final if
91. Las condiciones de fin if else
92. La declaración de fin de caja del interruptor
93. Iteraciones, errores convergentes, operadores de suma multidimensional

Comandos de visualización de entrada y salida

94. El comando input(' ')
95. Comando disp
96. Comando fprintf
97. Cuadro de mensaje msgbox

Nivel 2: Señales y Operaciones de Sistemas (24 hrs)
Sesiones 07-14

Los principales objetivos de esta parte son los siguientes

• Generar señales de prueba aleatorias que son necesarias para probar el rendimiento de diferentes sistemas de comunicación.

• Se pueden integrar muchas operaciones de señales elementales para implementar una única función de procesamiento de comunicaciones, como codificadores, aleatorizadores, entrelazadores, generadores de códigos de expansión, etc. en el transmisor, así como sus contrapartes en la terminal receptora.

• Interconectar adecuadamente estos bloques para lograr una función de comunicación.

• Simulación de modelos de canales de banda estrecha de interior y exterior deterministas, estadísticos y semialeatorios

Generación de señales de prueba de comunicaciones

98. Generación de una secuencia binaria aleatoria
99. Generación de secuencias enteras aleatorias
100. Importación y lectura de archivos de texto
101. Lectura y reproducción de archivos de audio
102. Importación y exportación de imágenes
103. Imagen como matriz 3D
104. Transformación de RGB a escala de grises
105. Flujo de bits en serie de una imagen en escala de grises 2D
106. Subencuadre de señales de imagen y reconstrucción

Acondicionamiento y manipulación de señales

107. Escala de amplitud (ganancia, atenuación, normalización de amplitud…etc.)
108. Cambio de nivel de CC
109. Escalado de tiempo (compresión de tiempo, rarefacción)
110. Cambio de tiempo (retardo de tiempo, avance de tiempo, cambio de tiempo circular izquierdo y derecho)
111. Medición de la energía de la señal
112. Normalización energética y eléctrica
113. Escalado de energía y potencia
114. Conversión de serie a paralelo y de paralelo a serie
115. Multiplexación y demultiplexación

Digitalización de señales analógicas

116. Muestreo en el dominio del tiempo de señales de banda base continua en el tiempo en MATLAB
117. Cuantificación de amplitud de señales analógicas
118. Codificación PCM de señales analógicas cuantificadas
119. Conversión de decimal a binario y de binario a decimal
120. Conformación de pulso
121. Cálculo de la anchura de pulso adecuada
122. Selección del número de muestras por pulso

123. Convolución usando los comandos conv y filter
124. La autocorrelación y la correlación cruzada de las señales limitadas en el tiempo
125. La transformada rápida de Fourier (FFT) y las operaciones IFFT
126. Visualización de un espectro de señal de banda base
127. Efecto de la frecuencia de muestreo y la ventana de frecuencia adecuada
128. Relación entre la convolución, la correlación y las operaciones FFT
129. Filtrado en el dominio de la frecuencia, solo filtrado de paso bajo

Funciones auxiliares Communications

130. Aleatorizadores y desaleatorizadores
131. Pinchadores y despinchadores
132. Codificadores y decodificadores
133. Entrelazadores y desentrelazadores

Moduladores y demoduladores

134. Esquemas de modulación de banda de base digital en MATLAB
135. Representación visual de señales moduladas digitalmente

Modelado y simulación de canales

136. Mathematical Modelado del efecto del canal en la señal transmitida

• Adición: canales de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN)
• Multiplicación del dominio del tiempo: canales de desvanecimiento lento, desplazamiento Doppler en canales vehiculares
• Multiplicación del dominio de frecuencia: canales de desvanecimiento selectivo de frecuencia
• Convolución del dominio del tiempo: respuesta al impulso del canal

Ejemplos de modelos de canal deterministas

137. Pérdidas de trayecto en el espacio libre y pérdidas de trayecto en función del entorno
138. Canales de bloqueo periódico

Caracterización estadística de canales de desvanecimiento por trayectos múltiples, estacionarios y cuasiestacionarios, comunes

139. Generación de un RV distribuido uniformemente
140. Generación de un RV distribuido gaussiano de valor real
141. Generación de un RV distribuido gaussiano complejo
142. Generación de un RV distribuido por Rayleigh
143. Generación de un RV distribuido por Ricean
144. Generación de un RV de distribución logarítmica normalmente
145. Generación de un RV distribuido arbitrariamente
146. Aproximación de una función de densidad de probabilidad desconocida (PDF) de un RV mediante un histograma
147. Cálculo numérico de la función de distribución acumulativa (CDF) de un RV
148. Canales de ruido gaussiano blanco aditivo real y complejo (AWGN)

Caracterización de Canales por su Perfil de Retardo de Potencia

149. Caracterización del canal por su perfil de retardo de potencia
150. Normalización del poder del PPD
151. Extracción de la respuesta al impulso del canal del PDP
152. Muestreo de la respuesta al impulso del canal mediante una frecuencia de muestreo arbitraria, muestreo no coincidente y cuantificación retardada
153. El problema del muestreo no coincidente de la respuesta al impulso del canal de los canales de banda estrecha
154. Muestreo de un PDP mediante una frecuencia de muestreo arbitraria y una compensación de retardo fraccional
155. Implementación de varios modelos de canales interiores y exteriores estandarizados por IEEE
156. (COST – SUI – Modelos de canales de banda ultra ancha…etc.)

Nivel 3: Simulación de Nivel de Enlace de Sistemas Prácticos de Comunicaciones (30 hrs)
Sesiones 15-24

Esta parte del curso se ocupa de la cuestión más importante para los estudiantes de investigación, es decir, cómo reproducir los resultados de simulación de otros trabajos publicados mediante simulación.

Característica de la tasa de bits erróneos de los esquemas de modulación digital de banda de base

1. Comparación de la calidad de funcionamiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en canales AWGN (estudio comparativo exhaustivo mediante simulación para verificar las expresiones teóricas); Diagramas de dispersión, tasa de error de bits

2. Comparación de la calidad de funcionamiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda de base en diferentes canales de desvanecimiento estacionarios y cuasiestacionarios; diagramas de dispersión, tasa de error de bits (estudio comparativo exhaustivo mediante simulación para verificar expresiones teóricas)

3. Impacto de los canales de desplazamiento Doppler en la calidad de funcionamiento de los esquemas de modulación digital de banda de base; Diagramas de dispersión, tasa de error de bits

De helicóptero a satélite Communications

4. Documento (1): Sistema de voz y datos en tiempo real de bajo costo para el servicio satelital móvil aeronáutico (AMSS): planteamiento y análisis del problema
5. Documento (2): Combinación de diversidad temporal de predetección con AFC preciso para comunicaciones satelitales con helicópteros: la primera solución propuesta
6. Documento (3): Un esquema de modulación adaptativa para comunicaciones entre helicópteros y satélites: un enfoque de mejora del rendimiento

Simulación de sistemas de espectro ensanchado

1. Arquitectura típica de los sistemas basados en espectro ensanchado
2. Sistemas basados en espectro ensanchado de secuencia directa
3. Generadores de secuencias binarias pseudoaleatorias (PBRS)
• Generación de secuencias de longitud máxima
• Generación de códigos de oro
• Generación de códigos Walsh

4. Sistemas basados en espectro ensanchado por salto en el tiempo
5. Tasa de error de bits Calidad de funcionamiento de los sistemas basados en espectro ensanchado en canales AWGN
• Impacto de la tasa de codificación r en el rendimiento de BER
• Impacto de la longitud del código en el rendimiento de BER

6. Tasa de error de bits Calidad de funcionamiento de los sistemas basados en espectro ensanchado en canales de desvanecimiento lento de Rayleigh multitrayecto con desplazamiento Doppler cero
7. Análisis de la calidad de funcionamiento de la tasa de bits erróneos de los sistemas basados en espectro ensanchado en entornos de desvanecimiento de alta movilidad
8. Análisis de la calidad de funcionamiento de la tasa de error de bits de sistemas basados en espectro ensanchado en presencia de interferencia multiusuario
9. Transmisión de imágenes RGB a través de sistemas de espectro ensanchado
10. Sistemas ópticos CDMA (OCDMA)
• Códigos ortogonales ópticos (OOC)
• Límites de rendimiento de los sistemas OCDMA; rendimiento de la tasa de error de bits de los sistemas OCDMA sincrónicos y asincrónicos

Sistemas SS de banda ultra ancha

Sistemas basados en OFDM

11. Implementación de sistemas OFDM utilizando la Transformada Rápida de Fourier
12. Arquitectura típica de los sistemas basados en OFDM
13. Rendimiento de la tasa de error de bits de los sistemas OFDM en canales AWGN
• Impacto de la tasa de codificación r en el rendimiento de BER
• Impacto del prefijo cíclico en el rendimiento de la BER
• Impacto del tamaño de la FFT y el espaciado de las subportadoras en el rendimiento de la BER

14. Tasa de errores de bits Calidad de funcionamiento de los sistemas OFDM en canales de desvanecimiento lento de Rayleigh multitrayecto con desplazamiento Doppler cero
15. Rendimiento de la tasa de errores de bits de los sistemas OFDM en canales de desvanecimiento lento de Rayleigh multitrayecto con CFO
16. Estimación de canales en sistemas OFDM
17. Ecualización en el dominio de la frecuencia en sistemas OFDM
• Ecualizador de fuerza cero
• Ecualizadores MMSE
18. Otras métricas de rendimiento comunes en sistemas basados en OFDM (relación potencia pico/potencia promedio, relación portadora/interferencia, etc.)
19. Análisis de la calidad de funcionamiento de sistemas basados en MDFO en entornos de desvanecimiento de alta movilidad (como proyecto de simulación que consta de tres documentos)
20. Documento (1): Reducción de la interferencia entre portadoras
21. Documento (2): Sistemas MIMO-OFDM

Optimización de un MATLAB proyecto de simulación

El objetivo de esta parte es aprender a construir y optimizar un proyecto de simulación MATLAB con el fin de simplificar y organizar el proceso general de simulación. Además, el espacio de memoria y la velocidad de procesamiento también se tienen en cuenta para evitar problemas de desbordamiento de memoria en sistemas de almacenamiento limitados o tiempos de ejecución prolongados derivados de un procesamiento lento.

1. Estructura típica de un proyecto de simulación a pequeña escala
2. Extracción de parámetros de simulación y mapeo teórico a simulación
3. Construcción de un proyecto de simulación
4. Técnica de simulación de Monte Carlo
5. Un procedimiento típico para probar un proyecto de simulación
6. Espacio de memoria Management y técnicas de reducción del tiempo de simulación
• Simulación de banda base frente a banda de paso
• Cálculo del ancho de pulso adecuado para formas de pulso arbitrarias truncadas
• Cálculo del número adecuado de muestras por símbolo
• Cálculo del número de bits necesario y suficiente para probar un sistema

Programación GUI

Tener un código MATLAB libre de errores y que funcione correctamente para producir resultados correctos es un gran logro. Sin embargo, un conjunto de parámetros clave en un proyecto de simulación controla el Por esta razón y más, se brinda una lección adicional sobre "Programación de interfaz gráfica de usuario (GUI)" para que el control sobre varias partes de su proyecto de simulación esté al alcance de su mano en lugar de sumergirse en un largo código fuente lleno de comandos. Además, tener su código MATLAB enmascarado con una GUI ayuda a presentar su trabajo de una manera que facilita la combinación de múltiples resultados en una ventana maestra y hace que sea más fácil comparar datos.

1. ¿Qué es una GUI MATLAB
2. Estructura del archivo de función GUI MATLAB
3. Componentes principales de la GUI (propiedades y valores importantes)
4. Variables locales y globales

Nota: Los temas tratados en cada nivel de este curso incluyen, entre otros, los indicados en cada nivel. Además, los elementos de cada clase en particular están sujetos a cambios en función de las necesidades de los alumnos y sus intereses de investigación.