Cursos de Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata)

- Resultados deste curso
Após a conclusão deste curso, o aluno deverá ser capaz de atacar muitos dos problemas de investigação atualmente em aberto na área da engenharia de comunicações, uma vez que deverá ter adquirido pelo menos as seguintes competências

- Mapear e manipular expressões matemáticas complicadas que aparecem frequentemente na literatura de engenharia de comunicações

- Capacidade de utilizar as capacidades de programação oferecidas por MATLAB para reproduzir os resultados de simulação de outros trabalhos ou, pelo menos, aproximar-se desses resultados.

- Criar os modelos de simulação de ideias auto-propostas.

- Utilizar as competências de simulação adquiridas de forma eficiente em conjunto com as poderosas capacidades do MATLAB para conceber códigos MATLAB optimizados em termos de tempo de execução do código, economizando o espaço de memória.

- Identificar os principais parâmetros de simulação de um dado sistema de comunicações, extraí-los do modelo do sistema e estudar o impacto desses parâmetros no desempenho do sistema considerado.

- Estrutura do curso

O material fornecido neste curso é extremamente correlacionado. Não se recomenda que um aluno frequente um nível sem que tenha frequentado e compreendido profundamente o nível anterior, de forma a garantir a continuidade dos conhecimentos adquiridos. O curso está estruturado em três níveis, partindo de uma introdução à programação MATLAB até o nível de simulação completa de sistemas, como segue.

Nível 1: Communications Matemática com MATLAB
Sessões 01-06

Após a conclusão desta parte, o aluno será capaz de avaliar expressões matemáticas complicadas e construir facilmente os gráficos adequados para diferentes representações de dados, tais como gráficos no domínio do tempo e da frequência; gráficos BER; padrões de radiação de antena... etc.

Conceitos fundamentais

1. O conceito de simulação
2. A importância da simulação na engenharia das comunicações
3. MATLAB como ambiente de simulação
4. Sobre a representação matricial e vetorial de sinais escalares em matemática das comunicações
5. Matrix e representações vectoriais de sinais complexos de banda base em MATLAB

MATLAB Computador

6. Barra de ferramentas
7. Janela de comandos
8. Espaço de trabalho
9. Histórico de comandos

Declaração de variáveis, vectores e matrizes

10. MATLAB constantes predefinidas
11. Variáveis definidas pelo utilizador
12. Matrizes, vectores e matrizes
13. Entrada manual de matrizes
14. Definição de intervalos
15. Espaço linear
16. Espaço logarítmico
17. Regras de nomeação de variáveis

Matrizes especiais

18. A matriz das unidades
19. A matriz dos zeros
20. A matriz identidade

Manipulação Element-wise e matrix-wise

21. Elementos específicos da matriz Access
22. Modificar elementos
23. Eliminação selectiva de elementos (Matrix truncagem)
24. Adição de elementos, vectores ou matrizes (Matrix concatenação)
25. Encontrar o índice de um elemento num vetor ou numa matriz
26. Matrix remodelação
27. Matrix truncagem
28. Matrix concatenação
29. Inversão da esquerda para a direita e da direita para a esquerda

Operadores de matrizes unárias

30. O operador de soma
31. O operador de expetativa
32. O operador Mínimo
33. Operador máximo
34. O operador de traço
35. Matrix determinante |.|
36. Matrix inverso
37. Matrix transposição
38. Matrix Hermitiano
39. ...etc

Operações com matrizes binárias

40. Operações aritméticas
41. Operações relacionais
42. Operações lógicas

Números complexos em MATLAB

43. Representação complexa em banda base de sinais de banda passante e conversão ascendente de RF, uma revisão matemática
44. Formação de variáveis complexas, vectores e matrizes
45. Exponenciais complexas
46. O operador da parte real
47. O operador da parte imaginária
48. O operador conjugado (.)*
49. O operador absoluto |.|
50. O argumento ou operador de fase

MATLAB Funções incorporadas

51. Vectores de vectores e matrizes de matrizes
52. A função raiz quadrada
53. A função sinal
54. A função "arredondar para número inteiro
55. A função "arredondar para número inteiro inferior mais próximo"
56. A função "arredondar para inteiro superior mais próximo"
57. A função fatorial
58. Funções logarítmicas (exp, ln,log10,log2)
59. Funções trigonométricas
60. Funções hiperbólicas
61. A função Q(.)
62. A função erfc(.)
63. Funções de Bessel Jo (.)
64. A função Gamma
65. Dif, comandos mod

Polinómios em MATLAB

66. Polinómios em MATLAB
67. Funções racionais
68. Derivadas de polinómios
69. Integração polinomial
70. Multiplicação de polinómios

Gráficos de escalas lineares

71. Representações visuais de sinais contínuos de amplitude contínua no tempo
72. Representações visuais de sinais aproximados em escada
73. Representações visuais de sinais em tempo discreto - amplitude discreta

Gráficos em escala logarítmica

74. Gráficos dB-década (BER)
75. Gráficos de década-dB (gráficos de Bode, resposta em frequência, espetro do sinal)
76. Gráficos década-década
77. Gráficos dB-lineares

Gráficos polares 2D
78. (padrões de radiação de antenas planas)

Gráficos 3D

79. Padrões de radiação 3D
80. Gráficos cartesianos paramétricos

Secção opcional (dada a pedido dos alunos)

81. Diferenciação simbólica e diferenciação numérica em MATLAB
82. Integração simbólica e numérica em MATLAB
83. MATLAB ajuda e documentação

MATLAB ficheiros

84. MATLAB ficheiros de script
85. MATLAB ficheiros de funções
86. MATLAB ficheiros de dados
87. Variáveis locais e globais

Laços, condições, controlo do fluxo e tomada de decisões em MATLAB

88. O ciclo for end
89. O ciclo final while
90. A condição final if
91. A condição final if else
92. A instrução final switch case
93. Iterações, erros de convergência, operadores de soma multidimensional

Comandos de visualização de entrada e saída

94. O comando input(' ')
95. Comando disp
96. Comando fprintf
97. Caixa de mensagens msgbox

Nível 2: Sinais e operações de sistemas (24 horas)
Sessões 07-14

Os principais objectivos desta parte são os seguintes

- Gerar sinais de teste aleatórios que são necessários para testar o desempenho de diferentes sistemas de comunicação

- Integrar muitas operações elementares de sinal que podem ser integradas para implementar uma única função de processamento de comunicação, como codificadores, randomizadores, intercaladores, geradores de código de espalhamento ... etc. no transmissor, bem como suas contrapartes no terminal recetor.

- Interligar corretamente estes blocos de modo a obter uma função de comunicação

- Simulação de modelos determinísticos, estatísticos e semi-aleatórios de canais interiores e exteriores em banda estreita

Geração de sinais de teste de comunicações

98. Geração de uma sequência binária aleatória
99. Geração de uma sequência aleatória de números inteiros
100. Importar e ler ficheiros de texto
101. Leitura e reprodução de ficheiros áudio
102. Importar e exportar imagens
103. Imagem como uma matriz 3D
104. Transformação de RGB para escala de cinzentos
105. Fluxo de bits em série de uma imagem 2D em escala de cinzentos
106. Subenquadramento de sinais de imagem e reconstrução

Condicionamento e manipulação de sinais

107. Escalonamento da amplitude (ganho, atenuação, normalização da amplitude... etc.)
108. Deslocação do nível DC
109. Escalonamento do tempo (compressão do tempo, rarefação)
110. Deslocação temporal (atraso temporal, avanço temporal, deslocação temporal circular à esquerda e à direita)
111. Medição da energia do sinal
112. Normalização da energia e da potência
113. Escalonamento da energia e da potência
114. Conversão série-paralelo e paralelo-para-série
115. Multiplexagem e de-multiplexagem

Digitalização de sinais analógicos

116. Amostragem no domínio do tempo de sinais de banda base em tempo contínuo em MATLAB
117. Quantização da amplitude de sinais analógicos
118. Codificação PCM de sinais analógicos quantizados
119. Conversão decimal-para-binário e binário-para-decimal
120. Modelação de impulsos
121. Cálculo da largura de impulso adequada
122. Seleção do número de amostras por impulso

123. Convolução utilizando os comandos conv e filter
124. Autocorrelação e correlação cruzada de sinais limitados no tempo
125. Operações de transformada rápida de Fourier (FFT) e IFFT
126. Visualizar o espetro de um sinal de banda base
127. Efeito da taxa de amostragem e da janela de frequência adequada
128. Relação entre as operações de convolução, correlação e FFT
129. Filtragem no domínio da frequência, apenas filtragem passa-baixo

Funções Communications auxiliares

130. Aleatorizadores e desaleatorizadores
131. Punctores e de-punctores
132. Codificadores e descodificadores
133. Interleavers e desinterleavers

Moduladores e desmoduladores

134. Esquemas de modulação digital em banda de base em MATLAB
135. Representação visual de sinais modulados digitalmente

Modelação e simulação de canais

136. Modelação do efeito do canal no sinal transmitido em Mathematica 136.

- Adição - canais com ruído branco Gaussiano aditivo (AWGN)
- Multiplicação no domínio do tempo - canais de desvanecimento lento, desvio Doppler em canais veiculares
- Multiplicação no domínio da frequência - canais com desvanecimento seletivo da frequência
- Convolução no domínio do tempo - resposta ao impulso do canal

Exemplos de modelos de canais determinísticos

137. Perda de trajetória em espaço livre e perda de trajetória dependente do ambiente
138. Canais de bloqueio periódico

Caracterização estatística de canais de desvanecimento multipercurso comuns estacionários e quase estacionários

139. Geração de um RV uniformemente distribuído
140. Geração de um RV com distribuição gaussiana de valor real
141. Geração de uma VR distribuída gaussiana complexa
142. Geração de um RV distribuído Rayleigh
143. Geração de um RV distribuído de Ricean
144. Geração de um RV com distribuição log-normal
145. Geração de um RV distribuído arbitrário
146. Aproximação de uma função de densidade de probabilidade (PDF) desconhecida de um RV por um histograma
147. Cálculo numérico da função de distribuição cumulativa (CDF) de um RV
148. Canais reais e complexos com ruído branco gaussiano aditivo (AWGN)

Caracterização de canais pelo seu perfil de atraso de potência

149. Caracterização de canais pelo seu perfil de atraso de potência
150. Normalização da potência do PDP
151. Extração da resposta ao impulso do canal a partir do PDP
152. Amostragem da resposta ao impulso do canal através de uma taxa de amostragem arbitrária, amostragem desfasada e quantização do atraso
153. O problema da amostragem desfasada da resposta ao impulso do canal em canais de banda estreita
154. Amostragem de um PDP por uma taxa de amostragem arbitrária e compensação do atraso fraccionado
155. Implementação de vários modelos de canais interiores e exteriores normalizados pelo IEEE
156. (COST - SUI - Modelos de canais de banda ultra larga... etc.)

Nível 3: Simulação ao nível da ligação de sistemas práticos de comunicações (30 h) Práticos (30 horas)
Sessões 15-24

Esta parte do curso trata da questão mais importante para os estudantes de investigação, ou seja, como reproduzir por simulação os resultados de simulação de outros trabalhos publicados.

Desempenho da taxa de erro de bit de esquemas de modulação digital de banda base

1. Comparação do desempenho de diferentes esquemas de modulação digital em banda base em canais AWGN (estudo comparativo exaustivo através de simulação para verificar expressões teóricas); gráficos de dispersão, taxa de erro de bit

2. Comparação do desempenho de diferentes esquemas de modulação digital em banda de base em diferentes canais de desvanecimento estacionários e quase estacionários; gráficos de dispersão, taxa de erro de bits (estudo comparativo exaustivo através de simulação para verificar as expressões teóricas)

3. Impacto dos canais de desvio Doppler no desempenho dos esquemas de modulação digital de banda base; gráficos de dispersão, taxa de erro de bits

Helicóptero para satélite Communications

4. Documento (1): Sistema de voz e dados em tempo real de baixo custo para o Serviço Móvel Aeronáutico por Satélite (AMSS) - Declaração e análise do problema
5. Documento (2): Diversidade de tempo de pré-deteção combinada com AFC exato para satélites de helicópteros Communications - A primeira solução proposta
6. Artigo (3): Um esquema de modulação adaptativa para helicópteros-satélite Communications - Uma abordagem para melhorar o desempenho

Simulação de sistemas de espetro alargado

1. Arquitetura típica dos sistemas baseados no espetro alargado
2. Sistemas baseados no espetro de propagação de sequência direta
3. Geradores de sequências binárias pseudo-aleatórias (PBRS)
- Geração de sequências de comprimento máximo
- Geração de códigos de ouro
- Geração de códigos Walsh

4. Sistemas baseados no espetro de espalhamento por salto temporal
5. Desempenho da taxa de erro de bits de sistemas baseados em espetro alargado em canais AWGN
- Impacto da taxa de codificação r no desempenho da BER
- Impacto do comprimento do código no desempenho da BER

6. Desempenho da taxa de erro de bits de sistemas baseados em espetro alargado em canais multipercurso de desvanecimento lento de Rayleigh com desvio de Doppler nulo
7. Análise do desempenho da taxa de erro de bit de sistemas baseados em espetro espalhado em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade
8. Análise do desempenho da taxa de erro de bits de sistemas baseados no espetro de espalhamento na presença de interferência multi-utilizador
9. Transmissão de imagens RGB em sistemas de espetro alargado
10. Sistemas CDMA ópticos (OCDMA)
- Códigos ortogonais ópticos (OOC)
- Limites de desempenho dos sistemas OCDMA; desempenho da taxa de erro de bits dos sistemas OCDMA síncronos e assíncronos

Sistemas SS de banda ultra larga

Sistemas baseados em OFDM

11. Implementação de sistemas OFDM utilizando a transformada rápida de Fourier
12. Arquitetura típica de sistemas baseados em OFDM
13. Desempenho da taxa de erro de bits de sistemas OFDM em canais AWGN
- Impacto da taxa de codificação r no desempenho da BER
- Impacto do prefixo cíclico no desempenho da BER
- Impacto do tamanho da FFT e do espaçamento entre subportadoras no desempenho da BER

14. Desempenho da taxa de erro de bits de sistemas OFDM em canais multipercurso de desvanecimento lento de Rayleigh com desvio de Doppler nulo
15. Desempenho da taxa de erro de bits dos sistemas OFDM em canais multipercurso de desvanecimento lento de Rayleigh com CFO
16. Estimação de canal em sistemas OFDM
17. Equalização no Domínio da Frequência em Sistemas OFDM
- Equalizador de Forçamento Zero
- Equalizadores MMSE
18. Outras métricas de desempenho comuns em sistemas baseados em OFDM (rácio entre a potência de pico e a potência média, rácio entre a portadora e a interferência, etc.)
19. Análise do desempenho de sistemas baseados em OFDM em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade (como um projeto de simulação composto por três artigos)
20. Artigo (1): Mitigação da interferência entre portadoras
21. Artigo (2): Sistemas MIMO-OFDM

Otimização de um projeto de simulação MATLAB

O objetivo desta parte é aprender a construir e otimizar um projeto de simulação MATLAB para simplificar e organizar todo o processo de simulação. Além disso, o espaço de memória e a velocidade de processamento também são considerados, a fim de evitar problemas de excesso de memória em sistemas de armazenamento limitados ou longos tempos de execução decorrentes de um processamento lento.

1. Estrutura típica de um projeto de simulação de pequena escala
2. Extração de parâmetros de simulação e mapeamento teórico para simulação
3. Construção de um projeto de simulação
4. Técnica de Simulação de Monte Carlo
5. Um Procedimento Típico para Testar um Projeto de Simulação
6. Espaço de Memória Management e Técnicas de Redução do Tempo de Simulação
- Simulação de banda base vs. banda passante
- Cálculo da largura de impulso adequada para formas de impulso arbitrárias truncadas
- Cálculo do número adequado de amostras por símbolo
- Cálculo do número necessário e suficiente de bits para testar um sistema

Programação GUI

Ter um código MATLAB livre de erros e a funcionar corretamente para produzir resultados corretos é um grande feito. No entanto, um conjunto de parâmetros-chave num projeto de simulação controla a Por esta razão e mais, é dada uma aula extra sobre "Interface Gráfica do Utilizador (GUI) Programming", a fim de trazer o controlo sobre várias partes do seu projeto de simulação às suas mãos, em vez de mergulhar num longo código fonte cheio de comandos. Além disso, ter o seu código MATLAB mascarado com uma GUI ajuda a apresentar o seu trabalho de uma forma que facilita a combinação de vários resultados numa janela principal e torna mais fácil a comparação de dados.

1. O que é uma GUI MATLAB?
2. Estrutura do ficheiro de funções da GUI MATLAB
3. Principais componentes da GUI (propriedades e valores importantes)
4. Variáveis locais e globais

Nota: Os tópicos abordados em cada nível deste curso incluem, mas não se limitam a, os tópicos indicados em cada nível. Além disso, os tópicos de cada aula estão sujeitos a alterações, dependendo das necessidades dos alunos e dos seus interesses de investigação.