Simulación de Sistemas de Comunicaciones Inalámbricas Utilizando MATLAB

• Resultados de este curso
Después de completar este curso, el estudiante debería poder abordar muchos de los problemas de investigación actualmente abiertos 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 capacidades de programación ofrecidas por MATLAB para reproducir los resultados de simulación de otros artículos o, al menos, acercarse a esos resultados.

• Crear los modelos de simulación de ideas propuestas por uno mismo.

• Emplear las habilidades de simulación adquiridas eficientemente en conjunto con las poderosas capacidades de MATLAB para diseñar códigos de 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 haya asistido y comprendido profundamente su nivel anterior para garantizar la continuidad del conocimiento adquirido. El curso está estructurado en tres niveles, comenzando desde una introducción a la programación de MATLAB hasta el nivel de simulación completa del sistema, como sigue.

Nivel 1: Matemáticas de Comunicaciones con MATLAB
Sesiones 01-06

Después de completar esta parte, el estudiante podrá evaluar expresiones matemáticas complicadas y construir fácilmente los gráficos adecuados para diferentes representaciones de datos, como diagramas en el dominio del tiempo y frecuencia; diagramas de tasa de error de bits (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 matemáticas de comunicaciones
5. Representaciones matriciales y vectoriales de señales de banda base compleja en MATLAB

Escritorio de MATLAB

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

Declaración de variables, vectores y matrices

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

Matrices especiales

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

Manipulación elemento a elemento y por matriz

21. Acceso a elementos específicos
22. Modificación de elementos
23. Eliminación selectiva de elementos (recorte 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. Cambio de forma de la matriz
27. Recorte de matrices
28. Concatenación de matrices
29. Volteo de izquierda a derecha y de derecha a izquierda

Operadores matriciales unarios

30. El operador Suma
31. El operador Esperanza matemática
32. Operador Min
33. Operador Max
34. El operador Trazar
35. Determinante de la matriz |.|
36. Inversa de la matriz
37. Transpuesta de la matriz
38. Hermiteana de la matriz
39. ...etc

Operaciones matriciales binarias

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 hacia arriba de RF, una revisión matemática
44. Formación de variables, vectores y matrices complejas
45. Exponenciales complejas
46. El operador parte real
47. El operador parte imaginaria
48. El operador conjugado (.)*
49. El operador absoluto |.|
50. El operador de argumento o fase

Funciones integradas de MATLAB

51. Vectores de vectores y matrices 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 de polinomios
69. Integración de polinomios
70. Multiplicación de polinomios

Diagramas en escala lineal

71. Representaciones visuales de señales de tiempo continuo y amplitud continua
72. Representaciones visuales de señales aproximadas por escalones
73. Representaciones visuales de señales de tiempo discreto - amplitud discreta

Diagramas en escala logarítmica

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

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

Diagramas 3D

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

Sección opcional (proporcionada según la demanda de los aprendices)

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

Archivos de MATLAB

84. Archivos de script de MATLAB
85. Archivos de función de MATLAB
86. Archivos de datos de MATLAB
87. Variables locales y globales

Bucles, control de flujo condicional 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 instrucción 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 mensaje msgbox

Nivel 2: Operaciones de Señales y Sistemas (24 horas)
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 sola función de procesamiento de comunicaciones, como codificadores, aleatorizadores, entrelazadores, generadores de códigos de dispersión... etc. en el transmisor, así como sus contrapartes en el terminal receptor.

• Conectar estos bloques adecuadamente para lograr una función de comunicaciones

• Simulación de modelos de canales estrechos deterministas, estadísticos y semi-aleatorios interiores y exteriores

Generación de señales de prueba de comunicaciones

98. Generación de una secuencia binaria aleatoria
99. Generación de secuencias enteras aleatorias
100. Importar y leer archivos de texto
101. Leer y reproducir archivos de audio
102. Importar y exportar imágenes
103. Imagen como matriz 3D
104. Transformación RGB a escala de grises
105. Flujo serial de bits de una imagen gris 2D
106. Subencuadrado 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 DC
109. Escalado temporal (compresión temporal, rarefacción)
110. Desplazamiento temporal (retraso temporal, avance temporal, desplazamiento circular temporal 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 serial-a-paralelo y paralelo-a-serial
115. Multiplexación y desmultiplexación

Digitalización de señales analógicas

116. Muestreo en el dominio del tiempo de señales de banda base continuas en MATLAB
117. Cuantificación de amplitud de señales analógicas
118. Codificación PCM de señales analógicas cuantificadas
119. Conversión decimal-a-binario y binario-a-decimal
120. Moldeo 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 la convolución, correlación y las operaciones FFT
129. Filtrado en el dominio de la frecuencia, solo filtrado paso bajo

Funciones auxiliares de comunicaciones

130. Aleatorizadores y desaleatorizadores
131. Punzadores y despunzadores
132. Codificadores y decodificadores
133. Entrelazadores y desentrelazadores

Moduladores y demoduladores

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

Modelado y simulación de canales

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

• Adición – canales de ruido gaussiano blanco aditivo (AWGN)
• Multiplicación en el dominio del tiempo – canales desvanecedores lentos, 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 canales deterministas

137. Pérdida de trayectoria en espacio libre y pérdida de trayectoria dependiente del entorno
138. Canales de Bloqueo Periódico

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

139. Generación de una Variable Aleatoria (RV) distribuida uniformemente
140. Generación de una RV con valor real distribuida gaussianamente
141. Generación de una RV compleja distribuida gaussianamente
142. Generación de una RV distribuida Rayleigh
143. Generación de una RV distribuida Riceana
144. Generación de una RV distribuida Lognormalmente
145. Generación de una RV con distribución arbitraria
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 N Gaussiano Blanco 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 a partir del PDP
152. Muestreo de la respuesta al impulso del canal por una tasa de muestreo arbitraria, muestreo no coincidente y cuantificación de retardo
153. El problema del muestreo no coincidente de la respuesta al impulso del canal de canales de banda estrecha
154. Muestreo de un PDP por una tasa de muestreo arbitraria y compensación de retardo fraccionario
155. Implementación de varios modelos de canales interiores y exteriores estandarizados por IEEE
156. (Modelos de Canal COST - SUI - Ultra Banda Ancha... etc.)

Nivel 3: Simulación a Nivel de Enlace de Sistemas de Comunicaciones Prácticos (30 horas)
Sesiones 15-24

Esta parte del curso se ocupa del asunto más importante para los investigadores, es decir, cómo reproducir los resultados de simulación de otros artículos publicados mediante simulación.

Rendimiento de Tasa de Error de Bits (BER) de Esquemas de Modulación Digital de Banda Base

1. Comparación del 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 bits

2. Comparación del 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 bits (estudio comparativo exhaustivo mediante simulación para verificar expresiones teóricas)

3. Impacto de los canales con desplazamiento Doppler en el rendimiento de esquemas de modulación digital de banda base; diagramas de dispersión, tasa de error de bits

Comunicaciones Helicóptero-Satélite

4. Artículo (1): Sistema de Voz y Datos en Tiempo Real de Bajo Costo para el Servicio Móvil Satelital Aeronáutico (AMSS) – Enunciado del problema y análisis
5. Artículo (2): Combinación de Diversidad Temporal antes de la detección con AFC preciso para comunicaciones helicóptero-satélite – La primera solución propuesta
6. Artículo (3): Un Esquema de Modulación Adaptativo para Comunicaciones Helicóptero-Satélite – Un enfoque de mejora del 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 por salto de tiempo
5. Rendimiento de Tasa de Error de Bits (BER) 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 Bits (BER) 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 bits de sistemas basados en espectro expandido en entornos de desvanecimiento de alta movilidad
8. Análisis del rendimiento de tasa de error de bits de sistemas basados en espectro expandido en presencia de interferencia multiusuario
9. Transmisión de imágenes RGB sobre sistemas de espectro expandido
10. Sistemas OCDMA ópticos (OCDMA)
• Códigos ortogonales ópticos (OOC)
• Límites de rendimiento de sistemas OCDMA; rendimiento de tasa de error de bits de sistemas OCDMA síncronos y asíncronos

Sistemas SS de ultra banda ancha

Sistemas Basados en OFDM

11. Implementación de sistemas OFDM utilizando la Transformada Rápida de Fourier
12. Arquitectura típica de sistemas basados en OFDM
13. Rendimiento de Tasa de Error de Bits (BER) 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 FFT y espaciado de subportadora en el rendimiento BER

14. Rendimiento de Tasa de Error de Bits (BER) de sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento multipath con desplazamiento Doppler cero
15. Rendimiento de Tasa de Error de Bits (BER) de sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento multipath con CFO
16. Estimación del canal en sistemas OFDM
17. Ecualización en el dominio de la frecuencia en sistemas OFDM
• Ecualizador de Fuerza Cero
• 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 MATLAB

El objetivo de esta parte es aprender cómo construir y optimizar un proyecto de simulación 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 desbordamiento de memoria en sistemas de almacenamiento limitado o tiempos de ejecución largos debido a 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 de 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
• Banda Base vs. Banda Pasante en Simulación
• 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 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 [el rendimiento]. Por esta razón y más, se imparte una conferencia extra sobre "Programación de Interfaz Gráfica de Usuario (GUI)" para poner el control sobre varias partes de su proyecto de simulación al alcance de su mano en lugar de sumergirse en largos códigos fuente llenos de comandos. Además, tener su código MATLAB cubierto 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 MATLAB
2. Estructura del archivo de función GUI MATLAB
3. Componentes principales de la 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 declarados en cada nivel. Además, los elementos de cada conferencia particular están sujetos a cambios dependiendo de las necesidades de los aprendices y sus intereses de investigación.