Simulación de Sistemas de Comunicaciones Inalámbricas Utilizando MATLAB

Resultados de este curso

Tras la finalización de 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 debe haber adquirido al menos las siguientes habilidades:

• Mapear y manipular expresiones matemáticas complicadas que aparecen con frecuencia en la literatura de ingeniería de comunicaciones
• Capacidad para usar las capacidades de programación ofrecidas por MATLAB con el fin de reproducir los resultados de simulación de otros papers o al menos aproximarse a estos resultados.
• Crear modelos de simulación de ideas propuestas por uno mismo.
• Emplear las habilidades de simulación adquiridas eficientemente en conjunto 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 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, comenzando 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

Tras la finalización de 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 de BER (tasa de error de bit), 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
• Sobre la representación de matrices y vectores de señales escalares en matemáticas de comunicaciones
• Representaciones de matrices y vectores de señales de banda base complejas en MATLAB

Escritorio de MATLAB

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

Declaración de variables, vectores y matrices

• Constantes predefinidas de MATLAB
• Variables definidas por el usuario
• Arreglos, vectores y matrices
• Ingreso 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 elemento a elemento y de matrices

• Acceso a elementos específicos
• Modificación de elementos
• Eliminación selectiva de elementos (Truncamiento de matriz)
• Adición de elementos, vectores o matrices (Concatenación de matrices)
• Encontrar el índice de un elemento dentro de un vector o una matriz
• Reordenación de matrices
• Truncamiento de matrices
• Concatenación de matrices
• Inversión de izquierda a derecha y de derecha a izquierda

Operadores de matrices unarios

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

Operaciones de matrices binarias

• Operaciones aritméticas
• Operaciones relacionales
• Operaciones lógicas

Números complejos en MATLAB

• Representación de banda base compleja de señales de banda pasante y conversión hacia arriba de 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 matrices
• 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 escala de escalera
• Representaciones visuales de señales de tiempo discreto – amplitud discreta

Gráficos de escala logarítmica

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

Gráficos polares 2D

• (patrones de radiación de antenas planares)

Gráficos 3D

• Patrones de radiación 3D
• Gráficos paramétricos cartesianos

Sección Opcional (se ofrece según la demanda de los estudiantes)

• Diferenciación simbólica y diferenciación 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

• El bucle for end
• El bucle while end
• La condición if end
• Las condiciones if else end
• La declaración switch case end
• Iteraciones, errores convergentes, operadores de suma multidimensionales

Comandos de visualización de entrada y salida

• 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 que son necesarias para probar el rendimiento de diferentes sistemas de comunicaciones
• Integrar muchas operaciones elementales de señal 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 canales estrechos de banda, tanto interiores como exteriores, determinísticos, estadísticos y semialeatorios

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 matriz 3D
• Transformación de RGB a escala de grises
• Flujo de bits en serie de una imagen en escala de grises 2D
• Sub-marco de señales de imagen y reconstrucción

Condicionamiento y Manipulación de Señales

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

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
• Formateo de impulsos
• Cálculo del ancho de pulso adecuado
• Selección del número de muestras por pulso
• Convolución usando los comandos conv y filter
• La autocorrelación y correlación cruzada de señales limitadas en el tiempo
• Las operaciones de Transformada Rápida de Fourier (FFT) e 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 des-aleatorizadores
• Punturadores y des-punturadores
• Codificadores y decodificadores
• Entrelazadores y des-entrelazadores

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 de 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 determinísticos

• Pérdida de trayectoria en espacio libre y pérdida de trayectoria dependiente del entorno
• Canales de Bloqueo Periódico

Caracterización Estadística de Canales de Desvanecimiento Multi-trayecto Estacionarios y Cuasi-Estacionarios Comunes

• 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 Rayleigh
• Generación de una RV distribuida Ricean
• Generación de una RV distribuida Lognormal
• Generación de una RV distribuida arbitraria
• 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 de Canales por su Perfil de Retardo de Potencia

• Caracterización del canal por su perfil de retardo de potencia
• Normalización de potencia del PDP
• Extracción de la respuesta al impulso del canal desde el PDP
• Muestreo de la respuesta al impulso del canal con una tasa de muestreo arbitraria, muestreo no coincidente y retardo
• cuantización
• El problema del muestreo no coincidente de la respuesta al impulso del canal de canales de banda estrecha
• Muestreo de un PDP con una tasa de muestreo arbitraria y compensación de retardo fraccional
• Implementación de varios modelos de canal interiores y exteriores estandarizados por IEEE
• (COST – SUI - Modelos de Canal de Banda Ancha Ultra...etc.)

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

Esta parte del curso se centra en el problema más importante para estudiantes de investigación, que es, cómo reproducir los resultados de simulación de otros papers 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 exhaustivo mediante simulación para verificar expresiones teóricas); diagramas 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; diagramas de dispersión, tasa de error de bit (Estudio comparativo exhaustivo mediante simulación para verificar expresiones teóricas)
• Impacto de los canales de desplazamiento de Doppler en el rendimiento de los esquemas de modulación digital de banda base; diagramas de dispersión, tasa de error de bit
• Comunicaciones de Helicóptero a Satélite
  • Paper (1): Sistema de Voz y Datos en Tiempo Real de Bajo Costo para el Servicio Móvil Satelital Aeroespacial (AMSS) – Declaración y análisis del problema
  • Paper (2): Combinación de Diversidad Temporal Pre-Detección con AFC Preciso para Comunicaciones de Satélites de Helicóptero – La primera solución propuesta
  • Paper (3): Un Esquema de Modulación Adaptativa para Comunicaciones de 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 espectro expandido de salto de tiempo
• 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-trayecto con Desplazamiento de Doppler Cero
• Análisis de rendimiento de tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en entornos de desvanecimiento de alta movilidad
• Análisis de rendimiento de tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en presencia de interferencia de múltiples usuarios
• Transmisión de imágenes RGB sobre sistemas de espectro expandido
• Sistemas CDMA ópticos (OCDMA)
  
  • Códigos ópticos ortogonales (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

• 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 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-trayecto con Desplazamiento de Doppler Cero
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit de Sistemas OFDM en Canales de Desvanecimiento Rayleigh Lento Multi-trayecto con CFO
• Estimación de Canal en Sistemas OFDM
• Igualación en el Dominio de Frecuencia en Sistemas OFDM
  
  • Igualador de Fuerza Cero
  • Igualadores MMSE
• Otras Métricas de Rendimiento Comunes en Sistemas Basados en OFDM (Relación Pico a Promedio de Potencia, 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 papers)
  
  • Paper (1): Mitigación de interferencia entre portadoras
  • Paper (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 de simulación general. Además, el espacio de memoria y la velocidad de procesamiento también se consideran para evitar problemas de desbordamiento de memoria en sistemas con almacenamiento limitado o tiempos de ejecución largos surgidos de un procesamiento lento.

• Estructura típica de proyectos de simulación a pequeña escala
• Extracción de parámetros de simulación y mapeo de teórico 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 de GUI

Tener un código de 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 el [falta de contexto en original]. Por esta razón y otras, se da una lección adicional sobre "Programación de Interfaz Gráfica de Usuario (GUI)" para tener el control sobre varias partes de su proyecto de simulación a su alcance, en lugar de hundirse en un largo código fuente lleno de comandos. Además, tener su código de 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 declarados en cada nivel. Además, los elementos de cada lección particular están sujetos a cambio dependiendo de las necesidades de los estudiantes y sus intereses de investigación.