MATLABを用いた無線通信システムのシミュレーション (シェハタ博士)のトレーニングコース

本コースの学習成果

本コースを修了した後、学生は通信工学分野における現在進行中の研究課題の多くに取りかかる準備が整っているはずです。少なくとも以下のスキルを習得している必要があります：

• 通信工学の文献に頻繁に登場する複雑な数式のマッピングと操作
• MATLABのプログラミング機能を活用し、他の論文のシミュレーション結果を再現したり、少なくともそれらの結果に近づくことが可能な能力
• 自らが考案したアイデアのシミュレーションモデルの構築
• 獲得したシミュレーションスキルとMATLABの強力な機能を組み合わせ、コードの実行時間を最適化しつつメモリ空間を節約する形で、最適化されたMATLABコードを設計する能力
• 与えられた通信システムの重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それらを抽出して、これらのパラメータが対象システムの性能に与える影響を研究すること

コースの構成

本コースで提供される教材は極めて関連性が高いです。獲得した知識の連続性を確保するために、あるレベルの受講者は、その前のレベルを受講し、深く理解していることが推奨されます。本コースは、MATLABプログラミングの入門から完全なシステムシミュレーションレベルに至るまで、以下の3つのレベルに構成されています。

MATLABによる通信数学
セッション01-06

この部分の修了後、学生は複雑な数式を評価し、時間領域プロットや周波数領域プロット、BERプロット、アンテナ放射特性など、異なるデータ表現に対して適切なグラフを容易に構築できるようになります。

基礎概念

• シミュレーションの概念
• 通信工学におけるシミュレーションの重要性
• MATLABをシミュレーション環境として活用
• 通信数学におけるスカラー信号の行列・ベクトル表現について
• MATLABにおける複素ベースバンド信号の行列・ベクトル表現

MATLABデスクトップ

• ツールバー
• コマンドウィンドウ
• ワークスペース
• コマンド履歴

変数、ベクトル、行列の宣言

• MATLABの定義済み定数
• ユーザー定義変数
• 配列、ベクトル、行列
• 行列の手動入力
• 区間の定義
• 線形空間 (linspace)
• 対数空間 (logspace)
• 変数の命名規則

特殊行列

• ones行列
• zeros行列
• 単位行列

要素毎および行列毎の操作

• 特定の要素へのアクセス
• 要素の変更
• 要素の選択的削除 (行列の切り詰め)
• 要素、ベクトル、または行列の追加 (行列の連結)
• ベクトルまたは行列内の要素のインデックスの検索
• 行列の形の変更 (Reshaping)
• 行列の切り詰め (Truncation)
• 行列の連結 (Concatenation)
• 左右および右左への反転 (フリップ)

単項行列演算子

• Sum演算子
• 期待値演算子
• Min演算子
• Max演算子
• トレース演算子
• 行列式 |.|
• 逆行列
• 転置行列
• エルミート転置

二項行列演算

• 算術演算
• 関係演算
• 論理演算

MATLABにおける複素数

• パースバンド信号の複素ベースバンド表現とRFアップコンバージョン (数学的レビュー)
• 複素変数、ベクトル、行列の形成
• 複素指数関数
• 実部演算子
• 虚部演算子
• 共役演算子 (.*)
• 絶対値演算子 |.|
• 偏角または位相演算子

MATLAB組み込み関数

• ベクトルのベクトル、行列の行列 (matlabのネスト構造)
•  平方根関数
• 符号関数
• 「整数へ丸め」関数
• 「最も近い下位の整数」関数
• 「最も近い上位の整数」関数
• 階乗関数
• 対数関数 (exp, ln, log10, log2)
• 三角関数
• 双曲線関数
• Q(.)関数
• erfc(.)関数
• ベッセル関数 Jo (.)
• ガンマ関数
• diff, modコマンド

MATLABにおける多項式

• MATLABにおける多項式
• 有理関数
• 多項式の微分
• 多項式の積分
• 多項式の乗法

線形スケールプロット

• 連続時間・連続振幅信号の視覚的表現
• 階段状近似信号の視覚的表現
• 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

• dB-デケードプロット (BER)
• デケード-dBプロット (ボデプロット、周波数応答、信号スペクトル)
• デケード-デケードプロット
• dB-線形プロット

2D極座標プロット

• (平面アンテナ放射特性)

3Dプロット

• 3D放射特性
• デカルト座標パラメトリックプロット

任意セクション (学習者の要求に応じて提供)

• MATLABにおける象徴的差別化と数値微分
• MATLABにおける象徴的積分と数値積分
• MATLABのヘルプとドキュメント

MATLABファイル

• MATLABスクリプトファイル
• MATLAB関数ファイル
• MATLABデータファイル
• ローカル変数とグローバル変数

MATLABにおけるループ、条件分岐、フロー制御、意思決定

• for-endループ
• while-endループ
• if-end条件文
• if-else-end条件文
• switch-case-end文
• 反復、収束誤差、多次元和演算子

入力および出力表示コマンド

• input(' ')コマンド
• dispコマンド
• fprintfコマンド
• メッセージボックス msgbox

信号とシステムの操作
セッション07-14

この部分の主な目的は以下の通りです

• 異なる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乱数テスト信号を生成する
• エンコーダ、ランダムイザ、インターリーバ、拡散コードジェネレータなど、送信側および受信側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する
• 通信機能を実現するためにこれらのブロックを適切に相互接続する
• 決定的、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

• ランダムな2進数シーケンスの生成
• ランダムな整数シーケンスの生成
• テキストファイルのインポートと読み込み
• オーディオファイルの読み込みと再生
• 画像のインポートとエクスポート
• 3D行列としての画像
• RGBからグレースケールへの変換
• 2Dグレースケール画像の直列ビットストリーム
• 画像信号のサブフレーミングと再構築

信号調整と操作

• 振幅のスケーリング (ゲイン、減衰、振幅正規化など)
• DCレベルのシフト
• 時間のスケーリング (時間圧縮、減圧)
• 時間シフト (遅延、進み、左右の円形時間シフト)
• 信号エネルギーの測定
• エネルギーと電力の正規化
• エネルギーと電力のスケーリング
• 直列-並列および並列-直列変換
• 多重化と多重化解除

アナログ信号のディジタイゼーション

• MATLABにおける連続時間ベースバンド信号の時間領域サンプリング
• アナログ信号の振幅量子化
• 量子化アナログ信号のPCM符号化
• 10進数から2進数、2進数から10進数への変換
• パルスシェーピング
• 適切なパルス幅の計算
• パルスごとのサンプル数の選択
• convおよびfilterコマンドを使用した畳み込み
• 時間制限信号の自己相関と相互相関
• 高速フーリエ変換 (FFT) およびIFFT操作
• ベースバンド信号スペクトルの表示
• サンプリングレートと適切な周波数ウィンドウの影響
• 畳み込み、相関、FFT操作間の関係
• 周波数領域フィルタリング、低域フィルタリングのみ

補助的通信機能

• ランダムイザとデランダムイザ
•  パンチャラとデパンチャラ
• エンコーダとデコーダ
• インターリーバとデインターリーバ

モジュレータとデモジュレータ

• MATLABにおけるデジタルベースバンド変調方式
• デジタル変調信号の視覚的表現

チャネルモデリングとシミュレーション

• 送信信号に対するチャネル効果の数学的モデリング
  • 加法 – 白色ガウシアン雑音 (AWGN) チャネル
  • 時間領域乗算 – 緩慢フェージングチャネル、車載チャネルにおけるドップラーシフト
  • 周波数領域乗算 – 周波数選択的フェージングチャネル
  • 時間領域畳み込み – チャネルインパルス応答

決定的チャネルモデルの例

• 自由空間伝搬損失と環境依存伝搬損失
• 周期的閉塞チャネル

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性評価

• 一様分布RVの生成
• 実数値ガウス分布RVの生成
• 複素ガウス分布RVの生成
• レイリー分布RVの生成
• ライシン分布RVの生成
• 対数正規分布RVの生成
• 任意分布RVの生成
• ヒストグラムによるRVの未知の確率密度関数 (PDF) の近似
• RVの累積分布関数 (CDF) の数値計算
• 実数値および複素数白色ガウシアン雑音 (AWGN) チャネル

電力遅延プロファイルによるチャネル特性評価

• 電力遅延プロファイルによるチャネル特性評価
• PDPの電力正規化
• PDPからのチャネルインパルス応答の抽出
• 任意のサンプリングレート、非整合サンプリングおよび遅延によるチャネルインパルス応答のサンプリング
• 量子化
• 狭帯域チャネルのチャネルインパルス応答の非整合サンプリングの問題点
• 任意のサンプリングレートおよび分数遅延補償によるPDPのサンプリング
• 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
• (COST – SUI - 超広帯域チャネルモデルなど)

実用的通信システムのリンクレベルシミュレーション
セッション15-24

このコースのこの部分は、研究学生にとって最も重要な課題、すなわち、シミュレーションを通じて他の公開論文のシミュレーション結果を再現する方法について扱います。

ベースバンドデジタル変調方式のビット誤り率 (BER) パフォーマンス

•  AWGN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パフォーマンス比較 (理論式を検証するための包括的な比較シミュレーション研究); スキャッタープロット、ビット誤り率
• 異なる定常および準定常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パフォーマンス比較; スキャッタープロット、ビット誤り率 (理論式を検証するための包括的な比較シミュレーション研究)
• ドップラーシフトチャネルがベースバンドデジタル変調方式のパフォーマンスに与える影響; スキャッタープロット、ビット誤り率
• ヘリコプター対衛星通信
  • 論文 (1): 航空移動衛星サービス (AMSS) 用の低コストリアルタイム音声およびデータシステム – 問題の定義と分析
  • 論文 (2): ヘリコプター衛星通信のための正確なAFCを備えた検出前時間多様性結合 – 最初の提案された解決策
  • 論文 (3): ヘリコプター-衛星通信のための適応型変調方式 – パフォーマンス改善のアプローチ

広帯域スプレクトラムシステム (拡散スペクトラムシステム) のシミュレーション

• 拡散スペクトラムベースシステムの典型的なアーキテクチャ
• 直列拡散スペクトラムベースシステム
• 疑似ランダム2進数シーケンス (PBRS) ジェネレータ
  • 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
• 時間ホッピング拡散スペクトラムベースシステム
• AWGNチャネルにおける拡散スペクトラムベースシステムのビット誤り率パフォーマンス
  • 符号化率 r がBERパフォーマンスに与える影響
  • コード長がBERパフォーマンスに与える影響
• ゼロドップラーシフト付きマルチパス緩慢レイリーフェージングチャネルにおける拡散スペクトラムベースシステムのビット誤り率パフォーマンス
• 高モビリティフェージング環境における拡散スペクトラムベースシステムのビット誤り率パフォーマンス分析
• マルチユーザ干渉が存在する場合の拡散スペクトラムベースシステムのビット誤り率パフォーマンス分析
• 拡散スペクトラムシステム上でのRGB画像伝送
• 光CDMA (OCDMA) システム
  • 光直交コード (OOC)
  • OCDMAシステムのパフォーマンス限界; 同期および非同期OCDMAシステムのビット誤り率パフォーマンス

超広帯域 SS システム

OFDMベースシステム

• 高速フーリエ変換を用いたOFDMシステムの実装
• OFDMベースシステムの典型的なアーキテクチャ
• 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
  • 符号化率 r がBERパフォーマンスに与える影響
  • サイクリックプレフィックスがBERパフォーマンスに与える影響
  • 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
• ゼロドップラーシフト付きマルチパス緩慢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
• CFO付きマルチパス緩慢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
• OFDMシステムにおけるチャネル推定
• OFDMシステムにおける周波数領域イコライゼーション
  • ゼロフォーシングイコライザ
  • MMSEイコライザ
• OFDMベースシステムの他の一般的なパフォーマンス指標 (ピーク・アレイジ電力比、キャリア・インターフェランス比など)
• 高モビリティフェージング環境におけるOFDMベースシステムのパフォーマンス分析 (3つの論文で構成されるシミュレーションプロジェクトとして)
  • 論文 (1): キャリア間干渉の低減
  • 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

この部分の目的は、MATLABシミュレーションプロジェクトを構築し、最適化する方法を学ぶことで、全体のシミュレーションプロセスを簡素化し、整理することです。さらに、限られたストレージシステムや、処理速度の遅さによって発生する長時間の実行において、メモリオーバーフロー問題を避けるために、メモリ空間と処理速度も考慮されます。

• 小規模なシミュレーションプロジェクトの典型的な構造
• シミュレーションパラメータの抽出と理論からシミュレーションへの変換
• シミュレーションプロジェクトの構築
• モンテカルロシミュレーション手法
• 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
• メモリ空間管理とシミュレーション時間短縮テクニック
  • ベースバンド vs. パースバンド 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十分なビット数の計算

GUIプログラミング

デバッグなしで正しく動作し、正しい結果を生成するMATLABコードを持つことは素晴らしい成果です。しかし、シミュレーションプロジェクトにおける主要なパラメータのセットが制御するためです。この理由およびその他の理由から、長くてコマンドだらけのソースコードに埋もれるのではなく、シミュレーションプロジェクトの様々な部分の制御を指先で行えるようにするため、「グラフィカルユーザーインターフェース (GUI) プログラミング」の追加講義が行われます。さらに、MATLABコードをGUIで覆うことで、複数の結果を1つのマスターウィンドウに組み合わせやすくし、データの比較を容易にする形で仕事を提示するのを助けます。

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

注: 本コースの各レベルで扱われるトピックは、各レベルで述べられているものに限定されませんが、これらを含みます。また、各特定の講義の項目は、学習者のニーズや研究の興味に応じて変更される可能性があります。