Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata) 교육 과정

• 이 과정의 결과
본 과정을 완료한 후, 학생은 최소한 다음 기술을 습득하였으므로 통신공학 분야에서 현재 진행 중인 많은 연구 문제에 대응할 수 있어야 합니다.

• 통신공학 문헌에 자주 등장하는 복잡한 수학적 표현을 매핑하고 조작합니다.

• 다른 논문의 시뮬레이션 결과를 재생성하거나 적어도 이러한 결과에 접근하기 위해 MATLAB에서 제공하는 프로그래밍 기능을 사용할 수 있는 능력.

• 자체 제안된 아이디어에 대한 시뮬레이션 모델을 만듭니다.

• 강력한 MATLAB 기능과 함께 습득한 시뮬레이션 기술을 효율적으로 활용하여 메모리 공간을 절약하면서 코드 실행 시간 측면에서 최적화된 MATLAB 코드를 설계합니다.

• 주어진 통신 시스템의 주요 시뮬레이션 매개변수를 식별하고 시스템 모델에서 이를 추출한 후 이러한 매개변수가 고려된 시스템 성능에 미치는 영향을 연구합니다.

• 과정 구성

이 과정에서 제공하는 자료는 매우 상관관계가 높습니다. 학생이 습득한 지식의 연속성을 보장하기 위해 이전 수준에 참석하여 깊이 이해하지 않는 한 수준에 참석하지 않는 것이 좋습니다. 이 과정은 다음과 같이 MATLAB 프로그래밍 소개부터 완전한 시스템 시뮬레이션 수준까지 3개 수준으로 구성되어 있습니다.

레벨 1: Communication 수학 MATLAB
세션 01-06

이 부분을 완료하면 학생은 복잡한 수학적 표현식을 평가하고 시간 및 주파수 영역 플롯, BER 플롯, 안테나 방사 패턴 등과 같은 다양한 데이터 표현에 대한 적절한 그래프를 쉽게 구성할 수 있게 됩니다.

기본 개념

1. 시뮬레이션의 개념
2. 통신공학에서 시뮬레이션의 중요성
3. MATLAB 시뮬레이션 환경으로서
4. 통신수학에서 스칼라 신호의 행렬과 벡터 표현에 관하여
5. Matrix 및 MATLAB의 복소 기저대역 신호의 벡터 표현

MATLAB 데스크탑

6. 도구 모음
7. 명령창
8. 작업 공간
9. 명령 내역

변수, 벡터 및 행렬 선언

10. MATLAB 미리 정의된 상수
11. 사용자 정의 변수
12. 배열, 벡터 및 행렬
13. 수동 매트릭스 입력
14. 간격 정의
15. 선형 공간
16. 대수 공간
17. 변수 명명 규칙

특수 매트릭스

18. 1의 행렬
19. 제로 행렬
20. 단위행렬

Element-wise 및 행렬별 조작

21. Access특정 요소
22. 요소 수정
23. 요소의 선택적 제거 (Matrix 절단)
24. 요소, 벡터 또는 행렬 추가(Matrix 연결)
25. 벡터 또는 행렬 내부의 요소의 인덱스 찾기
26. Matrix 재형성
27. Matrix 잘림
28. Matrix 연결
29. 좌우 반전, 좌우 반전

단항 행렬 연산자

30. 합계 연산자
31. 기대 연산자
32. Min 연산자
33. 맥스 오퍼레이터
34. 추적 연산자
35. Matrix 행렬식 |.|
36. Matrix 역
37. Matrix 전치하다
38. Matrix 에르미트
39. …등등

이진 행렬 연산

40. 산술 연산
41. 관계 연산
42. 논리 연산

MATLAB의 복소수

43. 복소수 베이스밴드 패스밴드 신호 표현 및 RF 상향 변환, 수학적 검토
44. 복소 변수, 벡터 및 행렬 형성
45. 복소 지수
46. 실수부 연산자
47. 허수부 연산자
48. 결합 연산자 (.)*
49. 절대 연산자 |.|
50. 인수 또는 위상 연산자

MATLAB 내장 함수

51. 벡터의 벡터와 행렬의 행렬
52. 제곱근 함수
53. 부호 함수
54. "정수로 반올림" 함수
55. "가장 가까운 하위 정수 함수"
56. "가장 가까운 상위 정수 함수"
57. 팩토리얼 함수
58. 대수 함수(exp, ln, log10, log2)
59. 삼각함수
60. 쌍곡선 함수
61. Q(.) 함수
62. erfc(.) 함수
63. 베셀 함수 Jo (.)
64. 감마 함수
65. Diff, mod 명령어

MATLAB의 다항식

66. MATLAB의 다항식
67. 유리 함수
68. 다항식 미분
69. 다항식 적분
70. 다항식 곱셈

선형 스케일 플롯

71. 연속시간-연속진폭신호의 시각적 표현
72. 계단 케이스 근사 신호의 시각적 표현
73. 이산 시간 - 이산 진폭 신호의 시각적 표현

대수적 스케일 플롯

74. dB-10년 플롯(BER)
75. 10년-dB 플롯(보드 플롯, 주파수 응답, 신호 스펙트럼)
76. 10년-10년 플롯
77. dB-선형 플롯

2D 극좌표 플롯
78. (평면 안테나 방사 패턴)

3D 플롯

79. 3D 복사 패턴
80. 데카르트 매개변수 플롯

선택 섹션(학습자의 요구에 따라 제공됨)

81. MATLAB에서의 기호적 미분과 수치적 차이
82. MATLAB의 기호적 및 수치적 적분
83. MATLAB 도움말 및 문서

MATLAB개의 파일

84. MATLAB 스크립트 파일
85. MATLAB 함수 파일
86. MATLAB 데이터 파일
87. 지역변수와 전역변수

루프, 조건 흐름 제어 및 의사 결정 MATLAB

88. for end 루프
89. while 종료 루프
90. if 종료 조건
91. if else 종료 조건
92. switch case 종료 문
93. 반복, 수렴 오류, 다차원 합 연산자

입력 및 출력 표시 명령

94. input(' ') 명령
95. disp 명령어
96. fprintf 명령어
97. 메시지 상자 msgbox

레벨 2: 신호 및 시스템 운영(24시간)
세션 07-14

이 부분의 주요 목적은 다음과 같습니다.

• 다양한 통신 시스템의 성능을 테스트하는 데 필요한 무작위 테스트 신호를 생성합니다.

• 인코더, 랜덤화기, 인터리버, 스프레딩 코드 생성기 등과 같은 많은 기본 신호 작업을 통합하여 송신기와 수신 단말의 대응 기능 모두에서 단일 통신 처리 기능을 구현할 수 있습니다.

• 통신 기능을 달성하기 위해 이러한 블록을 적절히 상호 연결합니다.

• 결정론적, 통계적 및 반무작위적 실내 및 실외 협대역 채널 모델 시뮬레이션

통신 테스트 신호 생성

98. 랜덤 이진 시퀀스 생성
99. 난수 정수 생성 시퀀스
100. 텍스트 파일 가져오기 및 읽기
101. 오디오 파일의 읽기 및 재생
102. 이미지 가져오기 및 내보내기
103. 3차원 행렬로서의 이미지
104. RGB에서 회색조로 변환
105. 2D 회색조 이미지의 직렬 비트 스트림
106. 영상신호의 서브프레임화 및 재구성

신호 조절 및 조작

107. 진폭 스케일링(이득, 감쇠, 진폭 정규화 등)
108. DC 레벨 변환
109. 시간 스케일링(시간 압축, 희소화)
110. 타임 시프트(시간 지연, 시간 진행, 좌우 원형 타임 시프트)
111. 신호 에너지 측정
112. 에너지 및 전력 정규화
113. 에너지 및 전력 스케일링
114. 직렬-병렬 및 병렬-직렬 변환
115. 멀티플렉싱 및 디멀티플렉싱

아날로그 신호의 디지털화

116. MATLAB의 연속 시간 기저대역 신호의 시간 영역 샘플링
117. 아날로그 신호의 진폭 양자화
118. 양자화된 아날로그 신호의 PCM 인코딩
119. 10진수에서 2진수로, 2진수에서 10진수로 변환
120. 펄스 셰이핑
121. 적정 펄스 폭의 계산
122. 펄스당 샘플 수 선택

123. conv 및 filter 명령을 사용한 합성곱
124. 시간 제한 신호의 자기 상관 관계와 교차 상관 관계
125. 고속 푸리에 변환(FFT) 및 IFFT 연산
126. 베이스밴드 신호 스펙트럼 보기
127. 샘플링 레이트와 적절한 주파수 창의 효과
128. 합성곱 연산, 상관 연산 및 FFT 연산 간의 관계
129. 주파수 영역 필터링, 저역 통과 필터링만

보조Communication기능

130. 랜덤화기와 랜덤화 해제기
131. 펀처와 펀처 제거자
132. 인코더와 디코더
133. 인터리버와 디인터리버

변조기와 복조기

134. MATLAB의 디지털 기저대역 변조 방식
135. 디지털 변조 신호의 시각적 표현

채널 모델링 및 시뮬레이션

136. Mathematica 전송 신호에 대한 채널 효과의 모델링

• 추가 – 가산 백색 가우시안 노이즈(AWGN) 채널
• 시간 영역 곱셈 – 느린 페이딩 채널, 차량 채널의 도플러 이동
• 주파수 영역 곱셈 - 주파수 선택 페이딩 채널
• 시간 영역 합성 – 채널 임펄스 응답

결정론적 채널 모델의 예

137. 자유 공간 경로 손실 및 환경 종속 경로 손실
138. 주기적 막힘 채널

공통 고정 및 준 고정 다중 경로 페이딩 채널의 통계적 특성화

139. 균일하게 분포된 RV의 생성
140. 실수값 가우시안 분포 RV 생성
141. 복소 가우시안 분포 RV 생성
142. 레이리 분포 RV 생성
143. Ricean 분산 RV 생성
144. Lognormally 분포된 RV 생성
145. 임의의 분산 RV 생성
146. 히스토그램을 이용한 RV의 알려지지 않은 확률 밀도 함수(PDF) 근사
147. RV의 누적 분포 함수(CDF)의 수치 계산
148. 실수 및 복소수 가산 백색 가우시안 노이즈(AWGN) 채널

전력 지연 프로필에 따른 채널 특성화

149. 전력 지연 프로파일에 의한 채널 특성화
150. PDP의 전력 정규화
151. PDP에서 채널 임펄스 응답 추출
152. 임의의 샘플링 속도, 불일치 샘플링 및 지연 양자화에 의한 채널 임펄스 응답 샘플링
153. 협대역 채널의 채널 임펄스 응답 샘플링 불일치 문제
154. 임의의 샘플링 속도와 분수 지연 보상에 의한 PDP 샘플링
155. IEEE 표준화 실내 및 실외 채널 모델 여러 개 구현
156. (비용 – SUI - 초광대역 채널 모델 등)

레벨 3: 실제 통신 시스템의 링크 레벨 시뮬레이션(30시간)
세션 15-24

이 과정의 이 부분은 연구자들에게 가장 중요한 문제, 즉 다른 출판된 논문의 시뮬레이션 결과를 시뮬레이션을 통해 재생성하는 방법을 다룬다.

베이스밴드 디지털 변조 방식의 비트 오류율 성능

1. AWGN 채널에서 다양한 기저대역 디지털 변조 방식의 성능 비교 (이론적 표현을 검증하기 위한 시뮬레이션을 통한 종합적 비교 연구); 산점도, 비트 오류율

2. 다양한 정상 및 준정상 페이딩 채널에서의 다양한 기저대역 디지털 변조 방식의 성능 비교; 산점도, 비트 오류율(이론적 표현을 검증하기 위한 시뮬레이션을 통한 포괄적 비교 연구)

3. 베이스밴드 디지털 변조 방식의 성능에 대한 도플러 이동 채널의 영향; 산점도, 비트 오류율

헬리콥터-위성Communication

4. 논문 (1): 항공 이동 위성 서비스(AMSS)를 위한 저비용 실시간 음성 및 데이터 시스템 - 문제 설명 및 분석
5. 논문 (2): 헬리콥터 위성 Communication에 대한 정확한 AFC와 결합된 사전 감지 시간 다이버시티 - 제안된 첫 번째 솔루션
6. 논문 (3): 헬리콥터 위성 Communication에 대한 적응 변조 방식 - 성능 개선 접근 방식

스프레드 스펙트럼 시스템 시뮬레이션

1. 스프레드 스펙트럼 기반 시스템의 일반적인 아키텍처
2. 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 기반 시스템
3. PBRS(Pseudo Random Binary Sequence) 생성기
• 최대 길이 시퀀스 생성
• 골드 코드 생성
• Walsh 코드 생성

4. 시간 호핑 스프레드 스펙트럼 기반 시스템
5. AWGN 채널에서 스프레드 스펙트럼 기반 시스템의 비트 오류율 성능
• 코딩율 r이 BER 성능에 미치는 영향
• BER 성능에 대한 코드 길이의 영향

6. 제로 도플러 이동을 갖는 다중 경로 느린 레이리 페이딩 채널에서 스프레드 스펙트럼 기반 시스템의 비트 오류율 성능
7. 높은 이동성 페이딩 환경에서 스프레드 스펙트럼 기반 시스템의 비트 오류율 성능 분석
8. 다중 사용자 간섭이 있는 스프레드 스펙트럼 기반 시스템의 비트 오류율 성능 분석
9. 확산 스펙트럼 시스템을 통한 RGB 이미지 전송
10. 광 CDMA (OCDMA) 시스템
• 광학 직교 코드(OOC)
• OCDMA 시스템의 성능 한계; 동기 및 비동기 OCDMA 시스템의 비트 오류율 성능

초광대역 SS 시스템

OFDM 기반 시스템

11. 고속 푸리에 변환을 이용한 OFDM 시스템의 구현
12. OFDM 기반 시스템의 일반적인 아키텍처
13. AWGN 채널에서 OFDM 시스템의 비트 오류율 성능
• 코딩율 r이 BER 성능에 미치는 영향
• BER 성능에 대한 순환 접두사의 영향
• FFT 크기와 부반송파 간격이 BER 성능에 미치는 영향

14. 제로 도플러 편이를 갖는 다중 경로 느린 레이리 페이딩 채널에서 OFDM 시스템의 비트 오류율 성능
15. CFO를 사용한 다중 경로 느린 레이리 페이딩 채널에서 OFDM 시스템의 비트 오류율 성능
16. OFDM 시스템의 채널 추정
17. OFDM 시스템의 주파수 영역 등화
• 제로 포싱 이퀄라이저
• MMSE 이퀄라이저
18. OFDM 기반 시스템의 기타 일반적인 성능 지표(피크 대 평균 전력 비율, 캐리어 대 간섭 비율 등)
19. 높은 이동성 페이딩 환경에서 OFDM 기반 시스템의 성능 분석(3개 논문으로 구성된 시뮬레이션 프로젝트)
20. 논문 (1): 캐리어 간 간섭 완화
21. 논문(2): MIMO-OFDM 시스템

MATLAB 시뮬레이션 프로젝트의 최적화

이 부분의 목적은 전체 시뮬레이션 프로세스를 단순화하고 구성하기 위해 MATLAB 시뮬레이션 프로젝트를 빌드하고 최적화하는 방법을 배우는 것입니다. 또한 제한된 저장 시스템에서 메모리 오버플로 문제나 느린 처리로 인해 발생하는 긴 실행 시간을 피하기 위해 메모리 공간과 처리 속도도 고려됩니다.

1. 소규모 시뮬레이션 프로젝트의 일반적인 구조
2. 시뮬레이션 매개변수 추출 및 이론을 시뮬레이션에 매핑
3. 시뮬레이션 프로젝트 구축
4. 몬테카를로 시뮬레이션 기법
5. 시뮬레이션 프로젝트 테스트를 위한 일반적인 절차
6. 메모리 공간Management 및 시뮬레이션 시간 단축 기술
• 베이스밴드 대 패스밴드 시뮬레이션
• 절단된 임의 펄스 모양에 대한 적절한 펄스 폭 계산
• 심볼당 적절한 샘플 수 계산
• 시스템 테스트를 위한 필요 및 충분한 비트 수 계산

GUI 프로그래밍

디버그가 없고 올바른 결과를 생성하기 위해 제대로 작동하는 MATLAB 코드를 갖는 것은 큰 성과입니다.그러나 시뮬레이션 프로젝트의 핵심 매개변수 집합은 시뮬레이션 프로젝트의 다양한 부분을 명령으로 가득 찬 긴 소스 코드에 뛰어드는 대신 손끝에서 제어할 수 있도록 "그래픽 사용자 인터페이스(GUI) Programming"에 대한 추가 강의가 제공됩니다.또한 GUI로 MATLAB 코드를 마스크하면 여러 결과를 하나의 마스터 창에 결합하는 것을 용이하게 하고 데이터를 비교하기 쉽게 만드는 방식으로 작업을 표시하는 데 도움이 됩니다.

1. MATLAB GUI란 무엇인가
2. MATLAB GUI 함수 파일의 구조
3. 주요 GUI 구성 요소(중요 속성 및 값)
4. 지역변수와 전역변수

참고: 이 과정의 각 레벨에서 다루는 주제는 각 레벨에 명시된 주제를 포함하되 이에 국한되지 않습니다. 게다가, 각 특정 강의의 항목은 학습자의 필요와 연구 관심사에 따라 변경될 수 있습니다.