Simulación de Sistemas de Comunicaciones Inalámbricas Utilizando MATLAB

Resultados de este curso

Al completar este curso, el estudiante debe ser capaz de abordar muchos de los problemas de investigación abiertos actualmente en el campo de la ingeniería de comunicaciones, ya que habrá adquirido al menos las siguientes habilidades:

• Mapear y manipular expresiones matemáticas complejas que aparecen con frecuencia en la literatura de ingeniería de comunicaciones
• Capacidad de utilizar las capacidades de programación ofrecidas por MATLAB para reproducir los resultados de simulación de otros artículos o al menos acercarse a estos resultados.
• Crear modelos de simulación de ideas propuestas por uno mismo.
• Utilizar eficientemente las habilidades de simulación adquiridas en conjunción con las potentes capacidades de MATLAB para diseñar códigos de MATLAB optimizados en términos de tiempo de ejecución mientras se economiza el espacio de memoria.
• Identificar los parámetros clave de simulación de un sistema de comunicaciones 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, a fin de garantizar la continuidad del conocimiento adquirido. El curso está estructurado en tres niveles, desde una introducción a la programación en MATLAB hasta el nivel de simulación de sistemas completa, de la siguiente manera.

Matemáticas de Comunicaciones con MATLAB
Sesiones 01-06

Al completar esta parte, el estudiante será capaz de evaluar expresiones matemáticas complicadas y construir fácilmente los gráficos adecuados para diferentes representaciones de datos, como representaciones en el dominio del tiempo y la frecuencia; diagramas de BER, patrones de radiación de antenas, etc.

Conceptos fundamentales

• El concepto de simulación
• La importancia de la simulación en la ingeniería de comunicaciones
• MATLAB como entorno de simulación
• Acerca de la representación de matrices y vectores de señales escalares en las matemáticas de las comunicaciones
• Representaciones de matrices y vectores de señales de banda base complejas en MATLAB

Escritorio de MATLAB

• Barra de herramientas
• Ventana de comandos
• Área de trabajo
• Historial de comandos

Declaración de variables, vectores y matrices

• Constantes predefinidas en MATLAB
• Variables definidas por el usuario
• Arreglos, vectores y matrices
• Entrada manual de matrices
• Definición de intervalos
• Espacio lineal
• Espacio logarítmico
• Reglas de nombramiento de variables

Matrices especiales

• La matriz de unos
• La matriz de ceros
• La matriz identidad

Manipulación por elemento y por matriz

• Acceso a elementos específicos
• Modificación de elementos
• Eliminación selectiva de elementos (Truncamiento de matrices)
• Añadir elementos, vectores o matrices (Concatenación de matrices)
• Busca el índice de un elemento dentro de un vector o matriz
• Cambio de forma de matriz
• Truncamiento de matrices
• Concatenación de matrices
• Inversión de izquierda a derecha y de derecha a izquierda

Operadores unarios de matrices

• El operador Suma
• El operador de esperanza
• Operador Min
• Operador Max
• El operador traza
• Deteminante de matriz |.|
• Inversa de matriz
• Transpuesta de matriz
• Hermitiana de matriz

Operaciones binarias de matrices

• Operaciones aritméticas
• Operaciones relacionales
• Operaciones lógicas

Números complejos en MATLAB

• Representación de banda base compleja de señales de banda pasante y conversión a RF, una revisión matemática
• Formación de variables, vectores y matrices complejas
• Exponenciales complejas
• El operador parte real
• El operador parte imaginaria
• El operador conjugado (.)*
• El operador absoluto |.|
• El operador argumento o fase

Funciones integradas de MATLAB

• Vectores de vectores y matriz de matriz
•  La función raíz cuadrada
• La función signo
• La función "redondear a entero"
• La función "entero inferior más cercano"
• La función "entero superior más cercano"
• La función factorial
• Funciones logarítmicas (exp, ln, log10, log2)
• Funciones trigonométricas
• Funciones hiperbólicas
• La función Q(.)
• La función erfc(.)
• Funciones de Bessel Jo (.)
• La función Gamma
• Comandos Diff, mod

Polinomios en MATLAB

• Polinomios en MATLAB
• Funciones racionales
• Derivadas de polinomios
• Integración de polinomios
• Multiplicación de polinomios

Gráficos de escala lineal

• Representaciones visuales de señales de tiempo continuo - amplitud continua
• Representaciones visuales de señales aproximadas en forma de escalera
• Representaciones visuales de señales de tiempo discreto - amplitud discreta

Gráficos de escala logarítmica

• Gráficos dB-década (BER)
• Gráficos década-dB (gráficos de Bode, respuesta en frecuencia, espectro de señal)
• Gráficos década-década
• Gráficos dB-lineal

Gráficos polares 2D

• (Patrones de radiación de antenas planares)

Gráficos 3D

• Patrones de radiación 3D
• Gráficos paramétricos cartesianos

Sección Opcional (dada según la demanda de los aprendices)

• Diferenciación simbólica y numérica en MATLAB
• Integración simbólica y numérica en MATLAB
• Ayuda y documentación de MATLAB

Archivos de MATLAB

• Archivos de script de MATLAB
• Archivos de función de MATLAB
• Archivos de datos de MATLAB
• Variables locales y globales

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

• Bucle for end
• Bucle while end
• Condición if end
• Condiciones if else end
• Enunciado switch case end
• Iteraciones, errores convergentes, operadores de suma multidimensionales

Comandos de entrada y salida de visualización

• El comando input(' ')
• Comando disp
• Comando fprintf
• Caja de mensaje msgbox

Operaciones de Señales y Sistemas
Sesiones 07-14

Los objetivos principales de esta parte son los siguientes

• Generar señales de prueba aleatorias necesarias para probar el rendimiento de diferentes sistemas de comunicaciones
• Integrar muchas operaciones elementales de señales que pueden integrarse para implementar una única función de procesamiento de comunicaciones, como codificadores, aleatorizadores, entrelazadores, generadores de códigos de dispersión, etc., tanto en el transmisor como en sus contrapartes en el terminal receptor.
• Interconectar estos bloques adecuadamente para lograr una función de comunicaciones
• Simulación de modelos de canal estrecho de banda interior y exterior deterministas, estadísticos y semi-aleatorios

Generación de señales de prueba de comunicaciones

• Generación de una secuencia binaria aleatoria
• Generación de secuencias enteras aleatorias
• Importación y lectura de archivos de texto
• Lectura y reproducción de archivos de audio
• Importación y exportación de imágenes
• Imagen como una matriz 3D
• Transformación de RGB a escala de grises
• Flujo de bits serial de una imagen en escala de grises 2D
• Subencuadrado de señales de imagen y reconstrucción

Condicionamiento y manipulación de señales

• Escala de amplitud (ganancia, atenuación, normalización de amplitud, etc.)
• Desplazamiento de nivel CC
• Escala de tiempo (compresión temporal, rarefacción)
• Desplazamiento de tiempo (retraso de tiempo, adelanto de tiempo, desplazamiento circular de tiempo a izquierda y derecha)
• Medición de la energía de la señal
• Normalización de energía y potencia
• Escala de energía y potencia
• Conversión serie a paralelo y paralelo a serie
• Multiplexación y desmultiplexación

Digitalización de señales analógicas

• Muestreo en el dominio del tiempo de señales de banda base de tiempo continuo en MATLAB
• Cuantización de amplitud de señales analógicas
• Codificación PCM de señales analógicas cuantizadas
• Conversión de decimal a binario y de binario a decimal
• Formación de pulsos
• Cálculo del ancho de pulso adecuado
• Selección del número de muestras por pulso
• Convolución usando los comandos conv y filter
• La autocorrelación y la correlación cruzada de señales de duración limitada
• Las operaciones de Transformada Rápida de Fourier (FFT) y IFFT
• Visualización del espectro de una señal de banda base
• Efecto de la tasa de muestreo y la ventana de frecuencia adecuada
• Relación entre las operaciones de convolución, correlación y FFT
• Filtrado en el dominio de la frecuencia, solo filtrado de paso bajo

Funciones auxiliares de comunicaciones

• Aleatorizadores y desaleatorizadores
•  Perforadores y desperforadores
• Codificadores y decodificadores
• Entrelazadores y desentrelazadores

Moduladores y demoduladores

• Esquemas de modulación digital de banda base en MATLAB
• Representación visual de señales moduladas digitalmente

Modelado y simulación de canales

• Modelado matemático del efecto del canal en la señal transmitida
  • Adición - canales de ruido gaussiano blanco aditivo (AWGN)
  • Multiplicación en el dominio del tiempo - canales de desvanecimiento lento, desplazamiento Doppler en canales vehiculares
  • Multiplicación en el dominio de la frecuencia - canales de desvanecimiento selectivo en frecuencia
  • Convolución en el dominio del tiempo - respuesta al impulso del canal

Ejemplos de modelos de canal deterministas

• Pérdida de ruta en espacio libre y pérdida de ruta dependiente del entorno
• Canales de bloqueo periódico

Caracterización estadística de canales comunes de desvanecimiento multi-haz estacionarios y cuasi-estacionarios

• Generación de una RV distribuida uniformemente
• Generación de una RV gaussiana distribuida con valor real
• Generación de una RV gaussiana distribuida compleja
• Generación de una RV distribuida de Rayleigh
• Generación de una RV distribuida de Ricean
• Generación de una RV distribuida log-normalmente
• Generación de una RV distribuida arbitrariamente
• Aproximación de una función de densidad de probabilidad (PDF) desconocida de una RV mediante un histograma
• Cálculo numérico de la función de distribución acumulada (CDF) de una RV
• Canales de ruido gaussiano blanco aditivo (AWGN) reales y complejos

Caracterización del canal por su Perfil de Potencia contra Retardo

• Caracterización del canal por su perfil de potencia contra retardo
• Normalización de potencia del PDP
• Extracción de la respuesta al impulso del canal del PDP
• Muestreo de la respuesta al impulso del canal a una tasa de muestreo arbitraria, muestreo y retraso no coincidentes
• cuantización
• El problema del muestreo no coincidente de la respuesta al impulso del canal de canales de banda estrecha
• Muestreo de un PDP a una tasa de muestreo arbitraria y compensación de retraso fraccionario
• Implementación de varios modelos de canal interior y exterior estandarizados por IEEE
• (COST - SUI - Modelos de canal de banda ultra ancha, etc.)

Simulación a Nivel de Enlace de Sistemas de Com. Prácticos
Sesiones 15-24

Esta parte del curso se ocupa del problema más importante para los estudiantes de investigación, a saber, cómo reproducir los resultados de simulación de otros artículos publicados mediante simulación.

Rendimiento de Tasa de Error de Bit de Esquemas de Modulación Digital de Banda Base

•  Comparación de rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en canales AWGN (Estudio comparativo comprehensivo mediante simulación para verificar expresiones teóricas); gráficos de dispersión, tasa de error de bit
• Comparación de rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en diferentes canales de desvanecimiento estacionarios y cuasi-estacionarios; gráficos de dispersión, tasa de error de bit (Estudio comparativo comprehensivo mediante simulación para verificar expresiones teóricas)
• Impacto de los canales de desplazamiento Doppler en el rendimiento de los esquemas de modulación digital de banda base; gráficos de dispersión, tasa de error de bit
• Comunicaciones Helicóptero-Satélite
  • Artículo (1): Sistema de Voz y Datos en Tiempo Real de Bajo Costo para el Servicio Móvil Satelital Aeronáutico (AMSS) - Planteamiento y análisis del problema
  • Artículo (2): Combinación de Diversidad Temporal Pre-Detección con AFC Preciso para Comunicaciones Satelíticas de Helicópteros - La primera solución propuesta
  • Artículo (3): Un Esquema de Modulación Adaptativa para Comunicaciones Helicóptero-Satélite - Un enfoque de mejora de rendimiento

Simulación de Sistemas de Espectro Expandido

• Arquitectura típica de sistemas basados en espectro expandido
• Sistemas basados en espectro expandido de secuencia directa
• Generadores de secuencia binaria pseudoaleatoria (PBRS)
  
  • Generación de secuencias de longitud máxima
  • Generación de códigos gold
  • Generación de códigos Walsh
• Sistemas basados en salto de tiempo de espectro expandido
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit de sistemas basados en espectro expandido 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
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit de sistemas basados en espectro expandido en Canales de Desvanecimiento Rayleigh Lento Multi-haz con Desplazamiento Doppler Cero
• Análisis del rendimiento de tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en entornos de desvanecimiento de alta movilidad
• Análisis del rendimiento de tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en presencia de interferencia multiusuario
• Transmisión de imágenes RGB a través de sistemas de espectro expandido
• Sistemas CDMA ópticos (OCDMA)
  
  • Códigos ortogonales ópticos (OOC)
  • Limites de rendimiento de sistemas OCDMA; rendimiento de tasa de error de bit de sistemas OCDMA síncronos y asincrónicos

Sistemas SS de banda ultra ancha

Sistemas Basados en OFDM

• Implementación de sistemas OFDM usando la Transformada Rápida de Fourier
• Arquitectura típica de sistemas basados en OFDM
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit de 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 BER
  • Impacto del tamaño de la FFT y el espaciado de subportadoras en el rendimiento de BER
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit de Sistemas OFDM en Canales de Desvanecimiento Rayleigh Lento Multi-haz con Desplazamiento Doppler Cero
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit de Sistemas OFDM en Canales de Desvanecimiento Rayleigh Lento Multi-haz con CFO
• Estimación del Canal en Sistemas OFDM
• Ecualización en el Dominio de la Frecuencia en Sistemas OFDM
  
  • Ecualizador de Forzamiento Cero
  • Ecualizadores MMSE
• Otras Métricas Comunes de Rendimiento en Sistemas Basados en OFDM (Relación Pico a Potencia Promedio, Relación Portadora a Interferencia, etc.)
• Análisis de rendimiento de sistemas basados en OFDM en entornos de desvanecimiento de alta movilidad (como un proyecto de simulación que consiste en tres artículos)
  
  • Artículo (1): Mitigación de interferencia inter-portadora
  • Artículo (2): Sistemas MIMO-OFDM

Optimización de un Proyecto de Simulación de MATLAB

El objetivo de esta parte es aprender cómo construir y optimizar un proyecto de simulación de MATLAB para simplificar y organizar el proceso general de simulación. Además, se consideran el espacio de memoria y la velocidad de procesamiento para evitar problemas de desbordamiento de memoria en sistemas de almacenamiento limitado o tiempos de ejecución largos derivados de un procesamiento lento.

• Estructura típica de proyectos de simulación de pequeña escala
• Extracción de parámetros de simulación y mapeo de teoría a simulación
• Construcción de un Proyecto de Simulación
• Técnica de Simulación Monte Carlo
• Un Procedimiento Típico para Probar un Proyecto de Simulación
• Gestión del Espacio de Memoria y Técnicas de Reducción del Tiempo de Simulación
  
  • Simulación de Banda Base vs. Banda Pasante
  • Cálculo del ancho de pulso adecuado para formas de pulso arbitrarias truncadas
  • Cálculo del número adecuado de muestras por símbolo
  • Cálculo del Número Necesario y Suficiente de Bits para Probar un Sistema

Programación GUI

Tener un código MATLAB libre de depuraciones 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 las condiciones de simulación. Por esta razón y otras, se imparte una lección adicional sobre "Programación de Interfaz Gráfica de Usuario (GUI)" para llevar el control sobre las diversas partes de su proyecto de simulación a la punta de los dedos, en lugar de sumergirse en códigos fuente largos llenos de comandos. Además, tener su código MATLAB enmascarado con una GUI ayuda a presentar su trabajo de una manera que facilita combinar múltiples resultados en una ventana maestra y lo hace más fácil de comparar datos.

• ¿Qué es una GUI de MATLAB?
• Estructura del archivo de función de GUI de MATLAB
• Componentes principales de GUI (propiedades y valores importantes)
• Variables locales y globales

Nota: Los temas cubiertos en cada nivel de este curso incluyen, pero no se limitan a, aquellos enumerados en cada nivel. Además, los elementos de cada lección particular están sujetos a cambio dependiendo de las necesidades de los aprendices y sus intereses de investigación.