Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB Schulung

• Ergebnisse dieses Kurses Nach Abschluss dieses Kurses sollte der Student in der Lage sein, viele der derzeit offenen Forschungsprobleme im Bereich der Nachrichtentechnik anzugehen, da er/sie mindestens die folgenden Fähigkeiten erworben haben sollte:

• Komplizierte mathematische Ausdrücke, die häufig in der Literatur zur Nachrichtentechnik vorkommen, abzubilden und zu manipulieren. • Fähigkeit, die von MATLAB angebotenen Programmiermöglichkeiten zu nutzen, um die Simulationsergebnisse anderer Arbeiten zu reproduzieren oder sich diesen Ergebnissen zumindest anzunähern.

• Erstellen Sie Simulationsmodelle für selbst vorgeschlagene Ideen.

• Nutzen Sie die erworbenen Simulationsfähigkeiten effizient in Verbindung mit den leistungsstarken MATLAB Fähigkeiten, um hinsichtlich der Codelaufzeit optimierte MATLAB Codes zu entwerfen und gleichzeitig den Speicherplatz zu sparen.

• Identifizieren Sie die wichtigsten Simulationsparameter eines bestimmten Kommunikationssystems, extrahieren Sie sie aus dem Systemmodell und untersuchen Sie die Auswirkungen dieser Parameter auf die Leistung des betrachteten Systems.

• Kursstruktur

Das in diesem Kurs bereitgestellte Material ist äußerst korreliert. Um die Kontinuität des erworbenen Wissens zu gewährleisten, wird einem Schüler nicht empfohlen, eine Stufe zu besuchen, es sei denn, er/sie besucht die vorherige Stufe und versteht sie gründlich. Der Kurs ist wie folgt in drei Stufen gegliedert, angefangen von einer Einführung in die MATLAB Programmierung bis hin zur Stufe der vollständigen Systemsimulation.

Level 1: Kommunikationsmathematik mit MATLAB Sitzungen 01-06

Nach Abschluss dieses Teils ist der Student in der Lage, komplizierte mathematische Ausdrücke auszuwerten und problemlos die richtigen Diagramme für verschiedene Datendarstellungen wie Zeit- und Frequenzbereichsdiagramme zu erstellen. BER zeichnet Antennenstrahlungsmuster usw. auf.

Grundsätzliche Konzepte

1. Das Konzept der Simulation 2. Die Bedeutung der Simulation in der Nachrichtentechnik 3. MATLAB als Simulationsumgebung 4. Über Matrix- und Vektordarstellung skalarer Signale in der Kommunikationsmathematik 5. Matrix und Vektordarstellungen komplexer Basisbandsignale in MATLAB

MATLAB Desktop

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

Variablen-, Vektor- und Matrixdeklaration

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

Spezielle Matrizen

18. Die Einsenmatrix 19. Die Nullenmatrix 20. Die Identitätsmatrix

Element-weise und Matrix-weise Manipulation

21. Zugriff auf bestimmte Elemente 22. Modifizieren von Elementen 23. Selektive Eliminierung von Elementen (Matrix-Trunkierung) 24. Hinzufügen von Elementen, Vektoren oder Matrizen (Matrix-Verkettung) 25. Ermitteln des Index eines Elements innerhalb eines Vektors oder einer Matrix 26 . Matrix Umformen 27. Matrix Kürzung 28. Matrix Verkettung 29. Spiegeln von links nach rechts und von rechts nach links

Unäre Matrixoperatoren

30. Der Summenoperator 31. Der Erwartungsoperator 32. Min-Operator 33. Max-Operator 34. Der Trace-Operator 35. Matrix Determinante |.| 36. Matrix Umkehrung 37. Matrix Transponierung 38. Matrix Hermitianisch 39. …etc

Binäre Matrixoperationen

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

Komplexe Zahlen in MATLAB

43. Komplexe Basisbanddarstellung von Passbandsignalen und HF-Aufwärtskonvertierung, eine mathematische Übersicht 44. Bildung komplexer Variablen, Vektoren und Matrizen 45. Komplexe Exponentialfunktionen 46. Der Realteiloperator 47. Der Imaginärteiloperator 48. Der konjugierte Operator (.) * 49. Der absolute Operator |.| 50. Der Argument- oder Phasenoperator

MATLAB Integrierte Funktionen

51. Vektoren von Vektoren und Matrix der Matrix 52. Die Quadratwurzelfunktion 53. Die Vorzeichenfunktion 54. Die Funktion „Auf ganze Zahl runden“ 55. Die „nächste untere Ganzzahlfunktion“ 56. Die „nächste obere Ganzzahlfunktion“ 57. Die Fakultätsfunktion 58. Logarithmische Funktionen (exp, ln,log10,log2) 59. Trigonometrische Funktionen 60. Hyperbolische Funktionen 61. Die Q(.)-Funktion 62. Die erfc(.)-Funktion 63. Bessel-Funktionen Jo (.) 64. Die Gamma-Funktion 65. Diff, Mod-Befehle

Polynome in MATLAB

66. Polynome in MATLAB 67. Rationale Funktionen 68. Polynomableitungen 69. Polynomintegration 70. Polynommultiplikation

Diagramme im linearen Maßstab

71. Visuelle Darstellungen von kontinuierlichen zeitkontinuierlichen Amplitudensignalen 72. Visuelle Darstellungen von treppenförmig angenäherten Signalen 73. Visuelle Darstellungen von diskreten Zeitsignalen – diskrete Amplitudensignale

Diagramme im logarithmischen Maßstab 74. dB-Dekaden-Diagramme (BER) 75. Dekaden-dB-Diagramme (Bode-Diagramme, Frequenzgang, Signalspektrum) 76. Dekaden-Dekaden-Diagramme 77. dB-lineare Diagramme

2D-Polardiagramme 78. (planare Antennenstrahlungsmuster)

3D-Plots

79. 3D-Strahlungsmuster 80. Kartesische parametrische Diagramme

Optionaler Abschnitt (wird auf Wunsch der Lernenden bereitgestellt)

81. Symbolische Differentiation und numerische Differenzierung in MATLAB 82. Symbolische und numerische Integration in MATLAB 83. MATLAB Hilfe und Dokumentation

MATLAB Dateien

84. MATLAB Skriptdateien 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-End-Schleife 90. Die if-Endbedingung 91. Die if-else-Endbedingungen 92. Die Switch-Case-Endanweisung 93. Iterationen, konvergierende Fehler, mehrdimensionale Summenoperatoren

Eingabe- und Ausgabe-Anzeigebefehle

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

Ebene 2: Signale und Systembetrieb (24 Stunden) Sitzungen 07-14

Die Hauptziele dieses Teils sind wie folgt

• Generieren Sie zufällige Testsignale, die zum Testen der Leistung verschiedener Kommunikationssysteme erforderlich sind

• Viele elementare Signaloperationen können integriert werden, um eine einzelne Kommunikationsverarbeitungsfunktion zu implementieren, wie z. B. Encoder, Randomizer, Interleaver, Spreading-Code-Generatoren usw. am Sender sowie ihre Gegenstücke am Empfangsterminal.

• Verbinden Sie diese Blöcke ordnungsgemäß miteinander, um eine Kommunikationsfunktion zu erreichen

• Simulation deterministischer, statistischer und halbzufälliger Schmalbandkanalmodelle für den Innen- und Außenbereich

Erzeugung von Kommunikationstestsignalen

98. Generierung einer zufälligen Binärsequenz 99. Generierung einer zufälligen Ganzzahlsequenzen 100. Importieren und Lesen von Textdateien 101. Lesen und Abspielen von Audiodateien 102. Importieren und Exportieren von Bildern 103. Bild als 3D-Matrix 104. RGB in Graustufen Transformation 105. Serieller Bitstrom eines 2D-Graustufenbildes 106. Subframing von Bildsignalen und Rekonstruktion

Signalkonditionierung und -manipulation

107. Amplitudenskalierung (Verstärkung, Dämpfung, Amplitudennormalisierung usw.) 108. DC-Pegelverschiebung 109. Zeitskalierung (Zeitkomprimierung, Verdünnung) 110. Zeitverschiebung (Zeitverzögerung, Zeitvorlauf, kreisförmige Zeitverschiebung nach links und rechts) 111. Messung der Signalenergie 112. Energie- und Leistungsnormalisierung 113. Energie- und Leistungsskalierung 114. Seriell-Parallel- und Parallel-Seriell-Umwandlung 115. Multiplexing und Demultiplexing

Digitalisierung analoger Signale

116. Zeitbereichsabtastung kontinuierlicher Zeitbasisbandsignale in MATLAB 117. Amplitudenquantisierung analoger Signale 118. PCM-Kodierung quantisierter analoger Signale 119. Dezimal-zu-Binär- und Binär-zu-Dezimal-Umwandlung 120. Impulsformung 121. Berechnung der passenden Pulsbreite 122. Auswahl der Anzahl der Samples pro Puls

123. Faltung mit den Befehlen „conv“ und „filter“ 124. Die Autokorrelation und Kreuzkorrelation zeitlich begrenzter Signale 125. Die Fast-Fourier-Transformation (FFT) und IFFT-Operationen 126. Betrachten eines Basisbandsignalspektrums 127. Einfluss der Abtastrate und der richtigen Frequenz Fenster 128. Beziehung zwischen Faltung, Korrelation und FFT-Operationen 129. Frequenzbereichsfilterung, nur Tiefpassfilterung

Hilfsfunktionen

130. Randomisierer und De-Randomisierer 131. Punktierer und De-Punktierer 132. Encoder und Decoder 133. Interleaver und De-Interleaver

Modulatoren und Demodulatoren

134. Digitale Basisbandmodulationsschemata in MATLAB 135. Visuelle Darstellung digital modulierter Signale

Kanalmodellierung und Simulation

136. Mathematical Modellierung des Kanaleffekts auf das übertragene Signal

• Addition – Kanäle für additives weißes Gaußsches Rauschen (AWGN) • Zeitbereichsmultiplikation – Kanäle mit langsamem Fading, Dopplerverschiebung in Fahrzeugkanälen • Frequenzbereichsmultiplikation – Kanäle mit frequenzselektivem Fading • Zeitbereichsfaltung – Kanalimpulsantwort

Beispiele für deterministische Kanalmodelle

137. Pfadverlust im freien Speicherplatz und umgebungsabhängiger Pfadverlust 138. Periodische Blockierungskanäle

Statistische Charakterisierung üblicher stationärer und quasistationärer Multipath-Fading-Kanäle

139. Erzeugung einer gleichmäßig verteilten RV 140. Erzeugung einer reellwertigen Gauß-verteilten RV 141. Erzeugung einer komplexen Gauß-verteilten RV 142. Erzeugung einer Rayleigh-verteilten RV 143. Erzeugung einer Ricean-verteilten RV 144. Erzeugung einer Lognormalverteilten RV 145. Erzeugung eines willkürlich verteilten RV 146. Approximation einer unbekannten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) eines RV durch ein Histogramm 147. Numerische Berechnung der kumulativen Verteilungsfunktion (CDF) eines RV 148. Reelle und komplexe additive weiße Gaußsche Funktion Rauschen (AWGN) Kanäle

Kanalcharakterisierung durch sein Leistungsverzögerungsprofil

149. Kanalcharakterisierung anhand seines Leistungsverzögerungsprofils 150. Leistungsnormalisierung des PDP 151. Extrahieren der Kanalimpulsantwort aus dem PDP 152. Abtasten der Kanalimpulsantwort mit einer beliebigen Abtastrate, fehlangepasster Abtastung und Verzögerungsquantisierung 153. Das Problem der Fehlanpassung Abtasten der Kanalimpulsantwort von Schmalbandkanälen 154. Abtasten eines PDP mit einer beliebigen Abtastrate und fraktionierter Verzögerungskompensation 155. Implementierung mehrerer IEEE-standardisierter Innen- und Außenkanalmodelle 156. (COST – SUI – Ultra Wide Band Channel Models … usw .)

Level 3: Link-Level-Simulation der praktischen Kommunikation. Systeme (30 Std.) Sitzungen 15–24

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

Bitfehlerratenleistung von Basisband-Digitalmodulationsschemata

1. Leistungsvergleich verschiedener digitaler Basisbandmodulationsschemata in AWGN-Kanälen (umfassende Vergleichsstudie mittels Simulation zur Überprüfung theoretischer Ausdrücke); Streudiagramme, Bitfehlerrate

2. Leistungsvergleich verschiedener digitaler Basisbandmodulationsschemata in verschiedenen stationären und quasistationären Fading-Kanälen; Streudiagramme, Bitfehlerrate (Umfassende Vergleichsstudie mittels Simulation zur Überprüfung theoretischer Ausdrücke)

3. Einfluss von Doppler-Verschiebungskanälen auf die Leistung digitaler Basisbandmodulationsschemata; Streudiagramme, Bitfehlerrate

Hubschrauber-zu-Satellit Communications

4. Artikel (1): Kostengünstiges Echtzeit-Sprach- und Datensystem für den mobilen Satellitendienst in der Luftfahrt (AMSS) – Problemstellung und Analyse 5. Artikel (2): Zeitdiversität vor der Erkennung in Kombination mit genauer AFC für Hubschraubersatelliten [ 1]s – Die erste vorgeschlagene Lösung 6. Papier (3): Ein adaptives Modulationsschema für Hubschrauber-Satelliten Communications – Ein Ansatz zur Leistungsverbesserung

Simulation von Spread-Spectrum-Systemen

1. Typische Architektur von Spread-Spectrum-basierten Systemen 2. Direct-Sequence-Spread-Spectrum-basierte Systeme 3. Pseudozufalls-Binärsequenz-Generatoren (PBRS) • Erzeugung von Sequenzen mit maximaler Länge • Erzeugung von Goldcodes • Erzeugung von Walsh-Codes

4. Time-Hopping-Spread-Spectrum-basierte Systeme 5. Bitfehlerratenleistung von Spread-Spectrum-basierten Systemen in AWGN-Kanälen • Einfluss der Codierungsrate r auf die BER-Leistung • Einfluss der Codelänge auf die BER-Leistung

6. Bitfehlerratenleistung von Spread-Spectrum-basierten Systemen in langsamen Rayleigh-Fading-Mehrwegkanälen mit Null-Doppler-Verschiebung 7. Bitfehlerraten-Leistungsanalyse von Spread-Spectrum-basierten Systemen in High-Mobility-Fading-Umgebungen 8. Bitfehlerraten-Leistungsanalyse von Spread-Spectrum-basierten Systemen bei Vorhandensein von Mehrbenutzerinterferenzen 9. RGB-Bildübertragung über Spread-Spectrum-Systeme 10. Optische CDMA-Systeme (OCDMA) • 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 Fast-Fourier-Transformation 12. Typische Architektur OFDM-basierter Systeme 13. Bitfehlerratenleistung von OFDM-Systemen in AWGN-Kanälen • Einfluss der Codierungsrate r auf die BER-Leistung • Einfluss des zyklischen Präfixes auf die BER Leistung • Einfluss der FFT-Größe und des Unterträgerabstands auf die BER-Leistung

14. Bitfehlerratenleistung von OFDM-Systemen in langsamen Rayleigh-Fading-Mehrwegekanälen mit Null-Doppler-Verschiebung 15. Bitfehlerratenleistung von OFDM-Systemen in langsamen Rayleigh-Fading-Mehrwegekanälen mit CFO 16. Kanalschätzung in OFDM-Systemen 17. Frequenzbereichsausgleich in OFDM Systeme • Zero-Forcing-Entzerrer • MMSE-Entzerrer 18. Andere gängige Leistungsmetriken in OFDM-basierten Systemen (Spitzen-zu-Durchschnittsleistungsverhältnis, Träger-zu-Interferenz-Verhältnis usw.) 19. Leistungsanalyse von OFDM-basierten Systemen in Umgebungen mit hohem Mobilitätsschwund (als Simulationsprojekt bestehend aus drei Aufsätzen) 20. Aufsatz (1): Inter Carrier Interference Mitigation 21. Aufsatz (2): MIMO-OFDM Systems

Optimierung eines MATLAB Simulationsprojekts

Ziel dieses Teils ist es, zu lernen, wie man ein MATLAB Simulationsprojekt aufbaut und optimiert, um den gesamten Simulationsprozess zu vereinfachen und zu organisieren. Darüber hinaus werden auch Speicherplatz und Verarbeitungsgeschwindigkeit berücksichtigt, um Speicherüberlaufprobleme bei begrenzten Speichersystemen oder lange Laufzeiten aufgrund langsamer Verarbeitung zu vermeiden.

1. Typische Struktur eines kleinen Simulationsprojekts 2. Extraktion von Simulationsparametern und Zuordnung von Theorie zu 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. Passband-Simulation • Berechnung der geeigneten Impulsbreite für abgeschnittene beliebige Impulsformen • Berechnung der angemessenen Anzahl von Abtastwerten pro Symbol • Berechnung der erforderlichen und ausreichenden Anzahl von Bits zum Testen eines Systems

GUI-Programmierung

Es ist eine große Errungenschaft, über einen MATLAB-Code zu verfügen, der frei von Fehlern ist und ordnungsgemäß funktioniert, um korrekte Ergebnisse zu erzielen. Allerdings steuert eine Reihe von Schlüsselparametern in einem Simulationsprojekt die Kontrolle. Aus diesem und weiteren Gründen wird ein zusätzlicher Vortrag zum Thema „Grafische Benutzeroberfläche (GUI) Programming“ gegeben, um die Kontrolle über verschiedene Teile Ihres Simulationsprojekts zu ermöglichen Ihre Handtipps, anstatt in lange Quellcodes voller Befehle einzutauchen. Darüber hinaus hilft die Maskierung Ihres MATLAB-Codes mit einer GUI dabei, Ihre Arbeit auf eine Weise zu präsentieren, die die Kombination mehrerer Ergebnisse in einem Hauptfenster erleichtert und den Vergleich von Daten erleichtert.

1. Was ist eine MATLAB GUI? 2. Struktur der MATLAB GUI-Funktionsdatei. 3. Hauptkomponenten der GUI (wichtige Eigenschaften und Werte). 4. Lokale und globale Variablen

Hinweis: Die in den einzelnen Stufen dieses Kurses behandelten Themen umfassen unter anderem die in den jeweiligen Stufen genannten Themen. Darüber hinaus können sich die Inhalte der einzelnen Vorlesungen je nach den Bedürfnissen der Lernenden und ihren Forschungsinteressen ändern.