Simulación de Sistemas de Comunicaciones Inalámbricas Utilizando MATLAB

Resultados de este curso

Tras la finalización de este curso, el estudiante deberá 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 complicadas que aparecen con frecuencia en la literatura de ingeniería de comunicaciones
• Capacidad para utilizar las funciones 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 junto con las potentes capacidades de MATLAB para diseñar códigos MATLAB optimizados en términos de tiempo de ejecución, ahorrando al mismo tiempo 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 está extremadamente correlacionado. No se recomienda que un estudiante asista a un nivel sin haber asistido y comprendido profundamente su nivel anterior, para asegurar 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 completos, 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 en el dominio del tiempo y de la frecuencia; gráficos 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
• 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
• Área de trabajo
• Historial de comandos

Declaración de variables, vectores y matrices

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

Matrices especiales

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

Manipulación por elementos y por matrices

• Acceso a elementos específicos
• Modificación de elementos
• Eliminación selectiva de elementos (truncamiento de matriz)
• Añadir elementos, vectores o matrices (concatenación de matrices)
• Búsqueda del índice de un elemento dentro de un vector o una matriz
• Reformateo de matrices
• Truncamiento de matrices
• Concatenación de matrices
• Inversión de izquierda a derecha y de derecha a izquierda

Operadores unarios de matriz

• El operador de suma
• El operador de expectativa
• Operador Min
• Operador Max
• El operador traza
• Determinante de matriz |.|
• Inversa de matriz
• Transpuesta de matriz
• Hermitiana de matriz

Operaciones binarias de matriz

• Operaciones aritméticas
• Operaciones relacionales
• Operaciones lógicas

Números complejos en MATLAB

• Representación de banda base compleja de señales de banda pasante y conversión hacia arriba 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 en MATLAB

• Vectores de vectores y matriz de matrices
• La función raíz cuadrada
• La función signo
• La función "redondeo 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 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 (se ofrece según la demanda de los estudiantes)

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

Archivos de MATLAB

• Archivos de guion 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 entrada y salida de visualización

• El comando input(' ')
• Comando disp
• Comando fprintf
• Caja de mensajes 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 señal que pueden integrarse para implementar una única función de procesamiento de comunicaciones, como codificadores, aleatorizadores, entrelazadores, generadores de código de dispersión, etc., tanto en el transmisor como en sus contrapartes en el terminal receptor.
• Interconectar adecuadamente estos bloques para lograr una función de comunicaciones
• Simulación de modelos de canales estrechos de banda, determinísticos, estadísticos y semialeatorios, interiores y exteriores

Generación de señales de prueba de comunicaciones

• Generación de una secuencia binaria aleatoria
• Generación de secuencias de enteros 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
• Submarcado de señales de imagen y reconstrucción

Condicionalización y Manipulación de Señal

• Escala de amplitud (ganancia, atenuación, normalización de amplitud, etc.)
• Cambio de nivel en CC
• Escala de tiempo (compresión de tiempo, rarefacción)
• Desplazamiento de tiempo (retardo de tiempo, avance de tiempo, desplazamiento circular de tiempo izquierda y derecha)
• Medición de la energía de la señal
• Normalización de energía y potencia
• Escala de energía y potencia
• Conversión de serie a paralelo y de paralelo a serie
• Multiplexado y desmultiplexado

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
• Formado de pulso
• Cálculo del ancho de pulso adecuado
• Selección del número de muestras por pulso
• Convolución utilizando los comandos conv y filter
• La autocorrelación y la correlación cruzada de señales de duración limitada en el tiempo
• Las operaciones de Transformada Rápida de Fourier (FFT) e IFFT
• Visualización de un espectro de 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 des-perforadores
• Codificadores y decodificadores
• Entrelazadores y desentrelazadores

Moduladores y desmoduladores

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

Modelado y Simulación de Canal

• 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 determinísticos

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

Caracterización Estadística de Canales de Desvanecimiento Multipath Estacionarios y Quasi-Estacionarios Comunes

• Generación de una RV distribuida uniformemente
• Generación de una RV gaussiana de valor real
• Generación de una RV gaussiana compleja
• Generación de una RV distribuida Rayleigh
• Generación de una RV distribuida Ricean
• Generación de una RV distribuida lognormalmente
• 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 de Canal 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 correspondiente y retardo
• cuantización
• El problema del muestreo no correspondiente 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 interior y exterior estandarizados por IEEE
• (Modelos de Canal de Banda Ultra Ancha COST – SUI, 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 (BER) de los Esquemas de Modulación Digital de Banda Base

• Comparación de rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en canales AWGN (Estudio comparativo integral mediante simulación para verificar expresiones teóricas); gráficos dispersos, tasa de error de bit
• Comparación de rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en diferentes canales de desvanecimiento estacionarios y quasi-estacionarios; gráficos dispersos, tasa de error de bit (Estudio comparativo integral 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 dispersos, tasa de error de bit
• Comunicaciones Helicóptero-Satélite
  • Artículo (1): Sistema de Voz y Datos en Tiempo Real de Bajo Costo para Servicio Móvil Satelital Aeronáutico (AMSS) – Enunciado y análisis del problema
  • Artículo (2): Combinación de Diversidad de Tiempo Pre-Detección con AFC Preciso para Comunicaciones Satelitales 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 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 Multipath con Cero Desplazamiento Doppler
• 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 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 asincrónicos

Sistemas SS de banda ultra ancha

Sistemas Basados en OFDM

• Implementación de sistemas OFDM utilizando 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 Multipath con Cero Desplazamiento Doppler
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit de Sistemas OFDM en Canales de Desvanecimiento Rayleigh Lento Multipath con CFO
• Estimación de Canal en Sistemas OFDM
• Ecuilibrado en el Dominio de Frecuencia en Sistemas OFDM
  
  • Ecualizador Zero Forcing
  • Ecualizadores MMSE
• Otras Métricas de Rendimiento Comunes en Sistemas Basados en OFDM (Relación Pico-Media de Potencia, Relación Portadora-Interferencia, etc.)
• Análisis de rendimiento de sistemas basados en OFDM en entornos de desvanecimiento de alta movilidad (como un proyecto de simulación que consta de tres artículos)
  
  • Artículo (1): Mitigación de la interferencia entre portadoras
  • Artículo (2): Sistemas MIMO-OFDM

Optimización de un Proyecto de Simulación en MATLAB

El objetivo de esta parte es aprender a construir y optimizar un proyecto de simulación en MATLAB para simplificar y organizar el proceso de simulación general. Además, se consideran el espacio de memoria y la velocidad de procesamiento para evitar problemas de desbordamiento de memoria en sistemas con almacenamiento limitado o largos tiempos de ejecución resultantes 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 errores de depuración 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 proceso. Por esta razón y otras, se imparte una clase adicional sobre "Programación de Interfaz Gráfica de Usuario (GUI)" para llevar el control sobre varias partes de su proyecto de simulación al alcance de la mano, en lugar de ahondar 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 combinar múltiples resultados en una ventana maestra y hace más fácil 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 establecidos 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.