Simulation of Wireless Communication Systems using MATLABのトレーニングコース

• このコースの成果 このコースを完了すると、学生は少なくとも次のスキルを習得しているため、通信工学の分野で現在未解決の研究課題の多くに取り組むことができるようになります。

• 通信工学の文献に頻繁に登場する複雑な数式をマッピングして操作する。 • 他の論文のシミュレーション結果を再現する、または少なくともこれらの結果に近づくために、MATLAB が提供するプログラミング機能を使用する能力。

• 自己提案のアイデアのシミュレーションモデルを作成します。

• 獲得したシミュレーション スキルを強力な MATLAB 機能と組み合わせて効率的に活用し、メモリ スペースを節約しながら、コード実行時間の観点から最適化された MATLAB コードを設計します。

• 特定の通信システムの主要なシミュレーション パラメータを特定し、システム モデルから抽出し、対象システムのパフォーマンスに対するこれらのパラメータの影響を調査します。

• コースの構造

このコースで提供される内容は非常に密接に関連しています。取得した知識の継続性を確保するために、前のレベルに参加して深く理解していない限り、学生がそのレベルに参加することはお勧めできません。このコースは、MATLAB プログラミングの入門から始まり、完全なシステム シミュレーションのレベルまで、次の 3 つのレベルで構成されています。

レベル 1: MATLAB セッション 01 ～ 06 によるコミュニケーション数学

このパートを完了すると、学生は複雑な数式を評価し、時間領域や周波数領域のプロットなど、さまざまなデータ表現に適したグラフを簡単に構築できるようになります。 BER はアンテナ放射パターンなどをプロットします。

基本的な概念

1. シミュレーションの概念 2. 通信工学におけるシミュレーションの重要性 3. シミュレーション環境としての MATLAB 4. 通信数学におけるスカラー信号の行列表現とベクトル表現について 5. Matrix と MATLAB における複素ベースバンド信号のベクトル表現

MATLABデスクトップ

6. ツールバー 7. コマンドウィンドウ 8. ワークスペース 9. コマンド履歴

変数、ベクトル、行列の宣言

10. MATLAB 事前定義定数 11. ユーザー定義変数 12. 配列、ベクトル、行列 13. 行列の手動入力 14. 区間定義 15. 線形空間 16. 対数空間 17. 変数の命名規則

特殊な行列

18. 1 の行列 19. 0 の行列 20. 単位行列

Element 方向および行列方向の操作

21. 特定の要素へのアクセス 22. 要素の変更 23. 要素の選択的削除 (Matrix 切り捨て) 24. 要素、ベクトルまたは行列の追加 (Matrix 連結) 25. ベクトルまたは行列内の要素のインデックスの検索 26 . Matrix 整形 27. Matrix 切り捨て 28. Matrix 連結 29. 左から右および右から左の反転

単項行列演算子

30. Sum 演算子 31. Expectation 演算子 32. Min 演算子 33. Max 演算子 34. トレース演算子 35. Matrix 行列式 |.| 36. Matrix 逆行列 37. Matrix 転置 38. Matrix エルミート行列 39. …など

バイナリ行列演算

40. 算術演算 41. 関係演算 42. 論理演算

MATLAB の複素数

43. 通過帯域信号の複素ベースバンド表現と RF アップコンバート、数学的レビュー 44. 複素変数、ベクトル、行列の形成 45. 複素指数関数 46. 実数部演算子 47. 虚数部演算子 48. 共役演算子 (.) * 49. 絶対演算子 |.| 50. 引数または位相演算子

MATLAB 組み込み関数

51. ベクトルのベクトルと行列の行列 52. 平方根関数 53. 符号関数 54. 「整数への丸め」関数 55. 「最も近い下位整数関数」 56. 「最も近い上位整数関数」 57.階乗関数 58. 対数関数 (exp、ln、log10、log2) 59. 三角関数 60. 双曲線関数 61. Q(.) 関数 62. erfc(.) 関数 63. ベッセル関数 Jo (.) 64.ガンマ関数 65. Diff、mod コマンド

MATLAB の多項式

66. MATLAB の多項式 67. 有理関数 68. 多項式の微分 69. 多項式の積分 70. 多項式の乗算

線形スケールプロット

71. 連続時間-連続振幅信号の視覚的表現 72. 階段状近似信号の視覚的表現 73. 離散時間 – 離散振幅信号の視覚的表現

対数スケール プロット 74. dB ディケード プロット (BER) 75. ディケード dB プロット (ボード線図、周波数応答、信号スペクトル) 76. ディケイド ディケード プロット 77. dB 線形プロット

2D 極性プロット 78. (平面アンテナの放射パターン)

3D プロット

79. 3D 放射パターン 80. デカルトパラメトリックプロット

オプションセクション（学習者の要求に応じて提供されます）

81. MATLAB の記号微分と数値微分 82. MATLAB の記号積分と数値積分 83. MATLAB ヘルプとドキュメント

MATLABファイル

84. MATLAB スクリプト ファイル 85. MATLAB 関数ファイル 86. MATLAB データ ファイル 87. ローカル変数とグローバル変数

MATLAB のループ、条件フロー制御および意思決定

88. for 終了ループ 89. while 終了ループ 90. if 終了条件 91. if else 終了条件 92. switch case 終了ステートメント 93. 反復、収束誤差、多次元合計演算子

表示コマンドの入出力

94. input(' ') コマンド 95. disp コマンド 96. fprintf コマンド 97. メッセージボックス msgbox

レベル 2: 信号およびシステム操作 (24 時間) セッション 07 ～ 14

このパートの主な目的は次のとおりです。

• さまざまな通信システムのパフォーマンスをテストするために必要なランダムなテスト信号を生成します。

• エンコーダ、ランダマイザ、インターリーバ、拡散符号ジェネレータなどの単一の通信処理機能を実装するために、多くの基本的な信号操作を統合できます。送信機と受信端末の対応するもの。

• 通信機能を実現するには、これらのブロックを適切に相互接続します。

• 決定論的、統計的、半ランダムな屋内および屋外の狭帯域チャネル モデルのシミュレーション

通信テスト信号の生成

98. ランダムなバイナリ シーケンスの生成 99. ランダムな整数シーケンスの生成 100. テキスト ファイルのインポートと読み取り 101. オーディオ ファイルの読み取りと再生 102. 画像のインポートとエクスポート 103. 3D マトリックスとしての画像 104. RGB からグレー スケールへ変換 105. 2D グレースケール画像のシリアル ビット ストリーム 106. 画像信号のサブフレーミングと再構成

信号の調整と操作

107. 振幅スケーリング (ゲイン、減衰、振幅正規化など) 108. DC レベルシフト 109. 時間スケーリング (時間圧縮、希薄化) 110. 時間シフト (時間遅延、時間進み、左右の循環時間シフト) 111.信号エネルギーの測定 112. エネルギーと電力の正規化 113. エネルギーと電力のスケーリング 114. シリアル-パラレルおよびパラレル-シリアル変換 115. 多重化と逆多重化

アナログ信号のデジタル化

116. MATLAB の連続時間ベースバンド信号の時間領域サンプリング 117. アナログ信号の振幅量子化 118. 量子化アナログ信号の PCM エンコード 119. 10 進数から 2 進数へ、および 2 進数から 10 進数への変換 120. パルス整形 121. 計算122. パルス当たりのサンプル数の選択

123. conv コマンドと filter コマンドを使用した畳み込み 124. 時間制限のある信号の自己相関と相互相関 125. 高速フーリエ変換 (FFT) と IFFT 演算 126. ベースバンド信号スペクトルの表示 127. サンプリング レートと適切な周波数の影響ウィンドウ 128. 畳み込み、相関および FFT 演算の関係 129. 周波数領域フィルタリング、ローパス フィルタリングのみ

Communication の補助機能

130. ランダマイザーとデランダマイザー 131. パンクチャラーとデパンクチャラー 132. エンコーダーとデコーダー 133. インターリーバーとデインターリーバー

変調器と復調器

134. MATLAB のデジタル ベースバンド変調方式 135. デジタル変調信号の視覚的表現

チャネルのモデリングとシミュレーション

136. 送信信号に対するチャネル効果の Mathematica1 モデリング

• 加算 – 加法性白色ガウス ノイズ（AWGN）チャネル • 時間領域の乗算 – 低速フェージング チャネル、車両チャネルのドップラー シフト • 周波数領域の乗算 – 周波数選択性フェージング チャネル • 時間領域の畳み込み – チャネル インパルス応答

決定論的チャネルモデルの例

137. 空きスペースのパス損失と環境依存のパス損失 138. 定期的なチャネルの遮断

一般的な定常および準定常マルチパス フェージング チャネルの統計的特徴付け

139. 一様分布 RV の生成 140. 実数値ガウス分布 RV の生成 141. 複素ガウス分布 RV の生成 142. レイリー分布 RV の生成 143. ライス分布 RV の生成 144. 対数正規分布の生成RV 145. 任意の分布 RV の生成 146. ヒストグラムによる RV の未知の確率密度関数 (PDF) の近似 147. RV の累積分布関数 (CDF) の数値計算 148. 実数および複素加法ホワイト ガウスノイズ (AWGN) チャネル

電力遅延プロファイルによるチャネルの特性評価

149. 電力遅延プロファイルによるチャネルの特性評価 150. PDP の電力正規化 151. PDP からのチャネルインパルス応答の抽出 152. 任意のサンプリングレートによるチャネルインパルス応答のサンプリング、不整合サンプリングおよび遅延量子化 153. 不整合の問題狭帯域チャネルのチャネルインパルス応答のサンプリング 154. 任意のサンプリングレートと部分遅延補償による PDP のサンプリング 155. いくつかの IEEE 標準化された屋内および屋外チャネルモデルの実装 156. (COST – SUI – 超広帯域チャネルモデルなど) 。）

レベル 3: 実用的な通信のリンク レベル シミュレーションシステム (30 時間) セッション 15 ～ 24

この部分では、研究生にとって最も重要な問題、つまり、他の論文のシミュレーション結果をシミュレーションで再現する方法について学びます。

ベースバンドデジタル変調方式のビット誤り率性能

1. AWGN チャネルにおけるさまざまなベースバンド デジタル変調方式の性能比較 (理論式を検証するためのシミュレーションによる包括的な比較研究)。散布図、ビット誤り率

2. 異なる固定および準固定フェージング チャネルにおける異なるベースバンド デジタル変調方式の性能比較。散布図、ビット誤り率（理論式を検証するシミュレーションによる総合的な比較検討）

3. ベースバンドデジタル変調方式のパフォーマンスに対するドップラーシフトチャネルの影響。散布図、ビット誤り率

ヘリコプターから衛星まで Communication

4. 論文 (1): 航空移動衛星サービス (AMSS) のための低コストのリアルタイム音声およびデータ システム – 問題の記述と分析 5. 論文 (2): ヘリコプター衛星のための正確な AFC と組み合わせた事前検出時間ダイバーシティ [ 1]s – 最初に提案されたソリューション 6. 論文 (3): ヘリコプター衛星用の適応変調方式 Communications – パフォーマンス向上アプローチ

スペクトル拡散システムのシミュレーション

1. スペクトル拡散ベースのシステムの典型的なアーキテクチャ 2. 直接シーケンス スペクトル拡散ベースのシステム 3. 擬似ランダム バイナリ シーケンス (PBRS) 発生器 • 最大長シーケンスの生成 • ゴールド コードの生成 • ウォルシュ コードの生成

4. 時間ホッピングスペクトル拡散ベースのシステム 5. AWGN チャネルにおけるスペクトル拡散ベースのシステムのビット誤り率パフォーマンス • BER パフォーマンスに対する符号化率 r の影響 • BER パフォーマンスに対するコード長の影響

6. ドップラー シフトがゼロのマルチパス低速レイリー フェージング チャネルにおけるスペクトル拡散ベースのシステムのビット誤り率パフォーマンス 7. 高モビリティ フェージング環境におけるスペクトル拡散ベースのシステムのビット誤り率パフォーマンス分析 8. スペクトル拡散ベースのシステムのビット誤り率パフォーマンス分析マルチユーザー干渉が存在する場合 9. スペクトル拡散システムでの RGB 画像伝送 10. 光 CDMA (OCDMA) システム • 光直交符号 (OOC) • OCDMA システムの性能限界、同期および非同期 OCDMA システムのビット誤り率性能

超広帯域SSシステム

OFDMベースのシステム

11. 高速フーリエ変換を使用した OFDM システムの実装 12. OFDM ベースのシステムの典型的なアーキテクチャ 13. AWGN チャネルにおける OFDM システムのビット誤り率パフォーマンス • BER パフォーマンスに対する符号化率 r の影響 • BER に対するサイクリック プレフィックスの影響パフォーマンス • FFT サイズとサブキャリア間隔が BER パフォーマンスに与える影響

14. ドップラーシフトゼロのマルチパス低速レイリーフェージングチャネルにおける OFDM システムのビット誤り率パフォーマンス 15. CFO を備えたマルチパス低速レイリーフェージングチャネルにおける OFDM システムのビット誤り率パフォーマンス 16. OFDM システムにおけるチャネル推定 17. OFDM における周波数領域等化システム • ゼロ フォーシング イコライザー • MMSE イコライザー 18. OFDM ベースのシステムにおけるその他の一般的なパフォーマンス メトリクス (ピーク対平均電力比、キャリア対干渉比など) 19. 高モビリティ フェージング環境における OFDM ベースのシステムのパフォーマンス分析(3 つの論文からなるシミュレーション プロジェクトとして) 20. 論文 (1): キャリア間干渉の軽減 21. 論文 (2): MIMO-OFDM システム

MATLAB シミュレーション プロジェクトの最適化

このパートの目的は、シミュレーション プロセス全体を簡素化して組織化するために、MATLAB シミュレーション プロジェクトを構築および最適化する方法を学ぶことです。さらに、限られたストレージ システムでのメモリ オーバーフローの問題や、処理の遅さから生じる長時間の実行時間を回避するために、メモリ スペースと処理速度も考慮されます。

1. 小規模シミュレーション プロジェクトの典型的な構造 2. シミュレーション パラメーターの抽出と理論からシミュレーションへのマッピング 3. シミュレーション プロジェクトの構築 4. モンテカルロ シミュレーション手法 5. シミュレーション プロジェクトをテストするための典型的な手順 6. メモリ空間 Managementおよびシミュレーション時間短縮テクニック • ベースバンド対パスバンドのシミュレーション • 切り詰められた任意のパルス形状に対する適切なパルス幅の計算 • シンボルごとの適切なサンプル数の計算 • システムをテストするために必要かつ十分なビット数の計算

GUIプログラミング

MATLAB コードがデバッグから解放され、適切に動作して正しい結果が生成されることは、大きな成果です。ただし、シミュレーション プロジェクトの主要なパラメータのセットは、シミュレーション プロジェクトを制御します。このため、シミュレーション プロジェクトのさまざまな部分を制御するために、「グラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI) Programming」に関する追加の講義が提供されます。コマンドでいっぱいの長いソースコードに飛び込むのではなく、手を動かすだけです。さらに、MATLAB コードを GUI でマスクすると、1 つのマスター ウィンドウで複数の結果を結合しやすくなり、データの比較が容易になる方法で作業を表示するのに役立ちます。

1. MATLAB GUI とは 2. MATLAB GUI 関数ファイルの構造 3. 主要な GUI コンポーネント (重要なプロパティと値) 4. ローカル変数とグローバル変数

注: このコースの各レベルで取り上げられるトピックには、各レベルで説明されているトピックが含まれますが、これらに限定されません。さらに、各講義の内容は、学習者のニーズや研究上の関心に応じて変更されることがあります。