Simulación de Sistemas de Comunicaciones Inalámbricas Utilizando MATLAB

• Resultados de este curso
Al finalizar este curso, el estudiante debería ser capaz de abordar muchos de los problemas de investigación abiertos actualmente en el campo de la ingeniería de comunicaciones, ya que debería haber adquirido al menos las siguientes habilidades:

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

• Habilidad para utilizar las capacidades de programación ofrecidas por MATLAB con el fin de reproducir los resultados de simulación de otros artículos o, al menos, aproximarse a dichos resultados.

• Crear modelos de simulación para ideas propias.

• Emplear eficientemente las habilidades de simulación adquiridas en conjunción con las poderosas 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 de simulación clave 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 es extremadamente correlacionado. No se recomienda que un estudiante asista a un nivel a menos que asista y comprenda a fondo su nivel anterior para garantizar la continuidad del conocimiento adquirido. El curso está estructurado en tres niveles, comenzando desde una introducción a la programación en MATLAB hasta el nivel de simulación de sistemas completos, de la siguiente manera.

Nivel 1: Matemática de comunicaciones con MATLAB
Sesiones 01-06

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

Conceptos fundamentales

1. El concepto de simulación
2. La importancia de la simulación en ingeniería de comunicaciones
3. MATLAB como entorno de simulación
4. Sobre la representación matricial y vectorial de señales escalares en matemática de comunicaciones
5. Representaciones matriciales y vectoriales de señales de banda base complejas en MATLAB

Escritorio de MATLAB

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

Declaración de variables, vectores y matrices

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

Matrices especiales

18. La matriz unos
19. La matriz ceros
20. La matriz identidad

Manipulación elemento a elemento y matriz a matriz

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

Operadores unarios de matrices

30. El operador Suma
31. El operador de esperanza
32. Operador Min
33. Operador Max
34. El operador traza
35. Determinante de matriz |.|
36. Inversa de matriz
37. Transpuesta de matriz
38. Adyunta (Hermitiana) de matriz
39. …etc

Operaciones binarias de matrices

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

Números complejos en MATLAB

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

Funciones incorporadas de MATLAB

51. Vectores de vectores y matriz de matrices
52. La función raíz cuadrada
53. La función signo
54. La función "redondear al entero"
55. La función "entero inferior más cercano"
56. La función "entero superior más cercano"
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. Comandos Diff, mod

Polinomios en MATLAB

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

Gráficos en escala lineal

71. Representaciones visuales de señales continuas en tiempo y amplitud
72. Representaciones visuales de señales aproximadas en escalera
73. Representaciones visuales de señales discretas en tiempo y amplitud

Gráficos en escala logarítmica

74. Gráficos dB-década (BER)
75. Gráficos década-dB (gráficos de Bode, respuesta en frecuencia, espectro de señal)
76. Gráficos década-década
77. Gráficos dB-lineal

Gráficos polares 2D
78. (patrones de radiación de antenas planares)

Gráficos 3D

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

Sección opcional (proporcionada según la demanda de los estudiantes)

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

Archivos de MATLAB

84. Archivos de guion de MATLAB
85. Archivos de funciones de MATLAB
86. Archivos de datos de MATLAB
87. Variables locales y globales

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

88. El bucle for end
89. El bucle while end
90. La condición if end
91. Las condiciones if else end
92. La declaración switch case end
93. Iteraciones, errores de convergencia, operadores de suma multidimensionales

Comandos de entrada y salida de visualización

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

Nivel 2: Operaciones de señales y sistemas (24 hrs)
Sesiones 07-14

Los principales objetivos 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 combinarse para implementar una única función de procesamiento de comunicaciones, como codificadores, randomizers, entrelazadores, generadores de códigos de expansión…etc., tanto en el transmisor como en sus contrapartes en el receptor.

• Interconectar estos bloques adecuadamente para lograr una función de comunicaciones

• Simulación de modelos de canal de banda estrecha, deterministas, estadísticos y semialeatorios, tanto en interiores como en exteriores

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 serial de una imagen en escala de grises 2D
106. Sub-marco de señales de imagen y reconstrucción

Condicionamiento y manipulación de señales

107. Escalado de amplitud (ganancia, atenuación, normalización de amplitud…etc.)
108. Desplazamiento del nivel de CC
109. Escalado temporal (compresión temporal, rarefacción)
110. Desplazamiento temporal (retraso temporal, anticipación temporal, desplazamiento temporal circular a izquierda y derecha)
111. Medición de la energía de la señal
112. Normalización de energía y potencia
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 continuas en MATLAB
117. Cuantización de amplitud de señales analógicas
118. Codificación PCM de señales analógicas cuantizadas
119. Conversión de decimal a binario y de binario a decimal
120. Formulación de pulsos
121. Cálculo del ancho de pulso adecuado
122. Selección del número de muestras por pulso

123. Convolución usando los comandos conv y filter
124. La autocorrelación y la correlación cruzada de señales de duración limitada
125. Las operaciones de Transformada Rápida de Fourier (FFT) e IFFT
126. Visualización del espectro de una señal de banda base
127. Efecto de la tasa de muestreo y la ventana de frecuencia adecuada
128. Relación entre las operaciones de convolución, correlación y FFT
129. Filtrado en el dominio de la frecuencia, solo filtrado pasa-bajos

Funciones auxiliares de comunicaciones

130. Randomizers y derandomizers
131. Puncturers y depuncturers
132. Codificadores y decodificadores
133. Entrelazadores y desentrelazadores

Moduladores y desmoduladores

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

Modelado y simulación de canal

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

• Adición – canales de ruido blanco gaussiano 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

137. Pérdida de ruta en espacio libre y pérdida de ruta dependiente del entorno
138. Canales de bloqueo periódico

Caracterización estadística de canales comunes de desvanecimiento multipath estacionarios y cuasi-estacionarios

139. Generación de una RV distribuida uniformemente
140. Generación de una RV gaussiana distribuida con valor real
141. Generación de una RV gaussiana distribuida compleja
142. Generación de una RV distribuida de Rayleigh
143. Generación de una RV distribuida de Rice
144. Generación de una RV distribuida lognormalmente
145. Generación de una RV distribuida arbitrariamente
146. Aproximación de una función de densidad de probabilidad (PDF) desconocida de una RV mediante un histograma
147. Cálculo numérico de la función de distribución acumulada (CDF) de una RV
148. Canales de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN) reales y complejos

Caracterización del canal por su perfil de retardo de potencia

149. Caracterización del canal por su perfil de retardo de potencia
150. Normalización de potencia del PDP
151. Extracción de la respuesta al impulso del canal desde el PDP
152. Muestreo de la respuesta al impulso del canal a una tasa de muestreo arbitraria, muestreo desajustado y cuantización de retardo
153. El problema del muestreo desajustado de la respuesta al impulso del canal de canales de banda estrecha
154. Muestreo de un PDP a una tasa de muestreo arbitraria y compensación de retardo fraccional
155. Implementación de varios modelos de canal interiores y exteriores estandarizados por IEEE
156. (COST – SUI - Modelos de canal de banda ultra ancha…etc.)

Nivel 3: Simulación a nivel de enlace de sistemas de com. prácticos (30 hrs)
Sesiones 15-24

Esta parte del curso se centra en el tema más importante para estudiantes de investigación, es decir, 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

1. Comparación de rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en canales AWGN (Estudio comparativo exhaustivo mediante simulación para verificar expresiones teóricas); gráficos de dispersión, tasa de error de bit

2. 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 exhaustivo mediante simulación para verificar expresiones teóricas)

3. 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

4. Artículo (1): Sistema de voz y datos en tiempo real de bajo costo para Servicio Móvil Satelital Aeroespacial (AMSS) – Enunciado y análisis del problema
5. Artículo (2): Combinación de diversidad temporal de pre-detección con AFC preciso para comunicaciones satelitales de helicópteros – La primera solución propuesta
6. Artículo (3): Un esquema de modulación adaptativa para comunicaciones helicóptero-satélite – Un enfoque de mejora de rendimiento

Simulación de sistemas de espectro expandido

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

4. Sistemas basados en espectro expandido de salto en tiempo
5. 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 BER
• Impacto de la longitud del código en el rendimiento BER

6. Rendimiento de tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en canales de desvanecimiento Rayleigh lento multipath con desplazamiento Doppler cero
7. Análisis del rendimiento de tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en entornos de desvanecimiento de alta movilidad
8. Análisis del rendimiento de tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en presencia de interferencia de multiusuario
9. Transmisión de imágenes RGB sobre sistemas de espectro expandido
10. Sistemas de CDMA óptico (OCDMA)
• Códigos ortogonales ópticos (OOC)
• Límites de rendimiento de sistemas OCDMA ; rendimiento de tasa de error de bit de sistemas OCDMA síncronos y asíncronos

Sistemas SS de banda ultra ancha

Sistemas basados en OFDM

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

14. Rendimiento de tasa de error de bit de sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento multipath con desplazamiento Doppler cero
15. Rendimiento de tasa de error de bit de sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento multipath con CFO
16. Estimación de canal en sistemas OFDM
17. Ecualización en el dominio de la frecuencia en sistemas OFDM
• Ecualizador de forzamiento cero (Zero Forcing)
• Ecualizadores MMSE
18. Otras métricas de rendimiento comunes en sistemas basados en OFDM (Relación pico-promedio de potencia, Relación portadora-interferencia…etc.)
19. Análisis de rendimiento de sistemas basados en OFDM en entornos de desvanecimiento de alta movilidad (como un proyecto de simulación consistente en tres artículos)
20. Artículo (1): Mitigación de interferencia entre portadoras
21. Artículo (2): Sistemas MIMO-OFDM

Optimización de un proyecto de simulación en MATLAB

El objetivo de esta parte es aprender cómo construir y optimizar un proyecto de simulación en MATLAB para simplificar y organizar el proceso de simulación general. Además, también 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.

1. Estructura típica de proyectos de simulación a pequeña escala
2. Extracción de parámetros de simulación y mapeo de teórico a simulación
3. Construcción de un proyecto de simulación
4. Técnica de simulación Monte Carlo
5. Un procedimiento típico para probar un proyecto de simulación
6. Técnicas de gestión del espacio de memoria y 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 de GUI

Contar con un código de 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 la. Por esta razón y otras, se da una lección adicional sobre "Programación de Interfaz Gráfica de Usuario (GUI)" para llevar el control sobre varias partes de su proyecto de simulación a la punta de los dedos, en lugar de sumergirse en largos códigos fuente llenos de comandos. Además, tener su código de 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 más fácil comparar datos.

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

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