MATLABを使用した無線通信システムのシミュレーション (Dr Shehata)のトレーニングコース

• このコースの成果物
このコースを修了後、学生は通信工学分野で現在開かれている研究問題に取り組むことができるようになります。具体的には、以下のようなスキルを獲得します。

• 通信工学の文献で頻繁に見られる複雑な数学的表現のマッピングと操作

• MATLABが提供するプログラミング機能を使用して、他の論文のシミュレーション結果を再現したり、その結果に近づける能力。

• 自身のアイデアのシミュレーションモデルを作成する能力。

• 獲得したシミュレーションスキルとMATLABの強力な機能を効率的に組み合わせて、コード実行時間の短縮やメモリ使用量の削減を考慮に入れた最適化されたMATLABコードを設計する能力。

• 与えられた通信システムの主要なシミュレーションパラメータを特定し、それらをシステムモデルから抽出して、これらのパラメータが検討中のシステムの性能に及ぼす影響を研究する能力。

• コース構造

本コースで提供される内容は極めて密接に関連しています。学生が前のレベルを深く理解せずに次のレベルに進むことは推奨されません。これは、獲得した知識の継続性を確保するためです。コースは3つのレベルから構成されており、MATLABプログラミングの導入から完全なシステムシミュレーションまでを取り扱っています。

レベル1: MATLABを使用した通信数学
セッション 01-06

このパートを修了後、学生は複雑な数学的表現を評価し、時間領域や周波数領域プロット、BERプロット、アンテナ放射パターンなどの異なるデータ表現のための適切なグラフを簡単に作成することができるようになります。

基本概念

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. MATLABとしてのシミュレーション環境
4. 通信数学におけるスカラー信号の行列とベクトル表現について
5. 複素ベースバンド信号のMATLABでの行列とベクトル表現

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が事前に定義した定数
11. ユーザー定義変数
12. 配列、ベクトル、行列
13. 手動での行列入力
14. 区間の定義
15. 線形空間
16. 対数空間
17. 変数命名規則

特殊行列

18. ones行列
19. zeros行列
20. 単位行列

要素単位および行列単位の操作

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 (行列切り落とし)
24. 要素、ベクトル、行列の追加 (行列連結)
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. 行列の形状変更
27. 行列の切り落とし
28. 行列の連結
29. 左右反転

単項行列演算子

30. 和演算子
31. 期待値演算子
32. 最小値演算子
33. 最大値演算子
34. トレース演算子
35. 行列式 |.|
36. 逆行列
37. 転置行列
38. エルミート行列
39. …など

二項行列演算

40. 算術演算
41. 関係演算
42. 論理演算

MATLABにおける複素数

43. 帯域信号とRFアップコンバージョンの複素ベースバンド表現、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. 実部演算子
47. 虚部演算子
48. 共役演算子 (.)*
49. 絶対値演算子 |.|
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、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. 最も近い低い整数関数
56. 最も近い高い整数関数
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. Bessel関数 Jo (.)
64. ガンマ関数
65. Diff, modコマンド

MATLABにおける多項式

66. MATLABにおける多項式
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. 時間連続-振幅連続信号の視覚的表現
72. 階段近似信号の視覚的表現
73. 時間離散-振幅離散信号の視覚的表現

対数スケールプロット

74. dB-decadeプロット (BER)
75. decade-dBプロット (ボード線図、周波数特性、信号スペクトル)
76. decade-decadeプロット
77. dB-線形プロット

2D極座標プロット

78. (平面上のアンテナ放射パターン)

3Dプロット

79. 3D放射パターン
80. カルテシアン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)

81. MATLABにおける記号微分と数値差分
82. MATLABにおける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におけるループ、条件分岐、フロー制御、意思決定

88. for end ループ
89. while end ループ
90. if end 条件
91. if else end 条件
92. switch case end ステートメント
93. 反復、収束誤差、多次元和演算子

入出力表示コマンド

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: 信号とシステムの操作 (24時間)
セッション 07-14

このパートの主な目標は以下の通りです。

• 異なる通信システムの性能をテストするために必要なランダムテスト信号を生成する。
• 複数の基本的な信号操作が統合されて、単一の通信処理機能（エンコーダ、乱数化器、インターリーバ、スプレディングコードジェネレータなど）を実装できるようにする。
• これらのブロックを適切に接続して通信機能を達成する。
• 確定的、統計的、半ランダムな屋内外ナローバンド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. ランダムバイナリシーケンスの生成
99. ランダム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込み
101. オーディオファイルの読み込みと再生
102. 画像のインポートとエクスポート
103. 画像を3D行列として扱う
104. RGBからグレースケールへの変換
105. 2Dグレースケール画像の直列ビットストリーム
106. 画像信号のサブフレーミングと再構成

信号処理と操作

107. 幅調節（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、希釈）
110. 時間シフト（遅延、前進、左右の巡回時間シフト）
111. 信号エネルギーの測定
112. エネルギーと電力正規化
113. エネルギーと電力スケーリング
114. 直列-並列変換と並列-直列変換
115. マルチプレックスとデマルチプレックス

アナログ信号のデジタル化

116. MATLABにおける連続時間ベースバンド信号の時域サンプリング
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符号化
119. 十進数から二進数への変換とその逆
120. パルス整形
121. 適切なパルス幅の計算
122. パルスあたりのサンプル数の選択

123. conv および filter コマンドを使用した畳み込み
124. 時間制限信号の自己相関と相互相関
125. 高速フーリエ変換 (FFT) とIFFT操作
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の影響と適切な周波数窓
128. 畳み込み、相関、FFT操作の関係
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）

補助通信機能

130. 乱数化器とデランダマイザー
131. ポンチレータとデポンチャレータ
132. エンコーダとデコーダ
133. インタリーバとデインタリーバ

変調器と復調器

134. MATLABにおける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

チャネルモデリングとシミュレーション

136. 送信信号に及ぼすチャネル効果の数学的モデル化

• 加算 - AWGNチャネル
• 時間領域乗算 - スローフェーディングチャネル、移動体チャネルでのドップラーシフト
• 周波数領域乗算 - 周波数選択的フェーディングチャネル
• 時間領域畳み込み - チャネルインパルス応答

確定的チャネルモデルの例

137. 自由空間伝搬損失と環境依存伝搬損失
138. 周期的なブロックチャネル

一般的な定常および準定常マルチパスフェーディングチャネルの統計的特性

139. 一様分布した確率変数 (RV) の生成
140. 実値ガウス分布 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 RV の生成
145. 任意の分布 RV の生成
146. 確率変数 (RV) の未知の確率密度関数 (PDF) をヒストグラムで近似
147. 確率変数 (RV) の累積分布関数 (CDF) の数値計算
148. 実および複素 AWGN チャネル

チャネルのパワー遅延プロファイルによる特性化

149. パワー遅延プロファイル (PDP) によるチャネル特性化
150. PDP の電力正規化
151. PDP からチャネルインパルス応答を抽出
152. 任意のサンプリングレート、不一致サンプリング、遅延量子化によるチャネルインパルス応答のサンプリング
153. ナローバンドチャネルのチャネルインパルス応答の不一致サンプリングの問題
154. 任意のサンプリングレートと分数遅延補償による PDP のサンプリング
155. 複数の IEEE 標準化された屋内外チャネルモデルの実装
156. (COST - SUI - ウルトラワイドバンドチャネルモデルなど)

レベル3: 実用的な通信システムのリンクレベルシミュレーション (30時間)
セッション 15-24

このパートは、研究学生にとって最も重要な課題である、他の公開論文で示されたシミュレーション結果を再現する方法に焦点を当てています。

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 (シミュレーションによる包括的な比較研究、理論式の検証); 散布図、ビット誤り率
2. 異なる定常および準定常フェーディ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; 散布図、ビット誤り率 (シミュレーションによる包括的な比較研究、理論式の検証)
3. ドップラー移動チャネルがベースバンドデジタル変調方式に与える影響; 散布図、ビット誤り率

ヘリコプター-衛星通信

4. 論文 (1): 低コストリアルタイム音声・データシステムの航空機移動衛星サービス (AMSS) - 問題設定と分析
5. 論文 (2): ヘリコプター衛星通信用の精密AFCを伴う前検出時間ダイバーシティ結合 - 初期提案解
6. 論文 (3): ヘリコプター-衛星通信のための適応変調方式 - 性能改善手法

スプレッドスペクトラムシステムのシミュレーション

1. スプレッドスペクトラムに基づくシステムの典型的なアーキテクチャ
2. 直列シーケンススプレッドスペクトラムに基づくシステム
3. 疑似乱数バイナリシーケンス (PBRS) ジェネレータ

• 最長系列の生成
• ゴールドコードの生成
• ウォルシュコードの生成

4. 時間ホッピングスプレッドスペクトラムに基づくシステム
5. AWGNチャネルにおけるスプレッドスペクトラムベースのシステムのビット誤り率性能
• 符号化率 r が BER 性能に及ぼす影響
• コード長が BER 性能に及ぼす影響

6. ゼロドップラー移動チャネルにおけるマルチパススロー・レイリーフェーディングチャネルのビット誤り率性能
7. 高速移動フェーディング環境でのスプレッドスペクトラムベースのシステムのビット誤り率性能分析
8. マルチユーザー干渉がある場合のスプレッドスペクトラムベースのシステムのビット誤り率性能分析
9. RGB画像のスプレッドスペクトラムシステムを介した送信
10. 光学CDMA (OCDMA) システム

• 光学直交コード (OOC)
• 同期および非同期 OCDMA システムのビット誤り率性能; 性能限界

ウルトラワイドバンド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性能

• 符号化率 r が BER 性能に及ぼす影響
• サイクリックプレフィックスが BER 性能に及ぼす影響
• FFTサイズとサブキャリア間隔が BER 性能に及ぼす影響

14. ゼロドップラー移動チャネルにおけるマルチパススロー・レイリーフェーディングチャネルのビット誤り率性能
15. CFO がある場合のマルチパススロー・レイリーフェーディングチャネルのビット誤り率性能
16. OFDMシステムにおけるチャネル推定
17. OFDMシステムにおける周波数ドメインイコライゼーション

• ゼロ強制イコライザ
• MMSEイコライザ

18. OFDMベースのシステムで一般的に使用されるその他のパフォーマンス指標 (ピーク-平均電力比、キャリア-干渉比など)
19. 高速移動フェーディング環境におけるOFDMベースのシステムの性能分析 (シミュレーションプロジェクトとして3つの論文から構成される)
20. 論文 (1): インターチャネル干渉軽減
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、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す。これにより、全体的なシミュレーションプロセスを簡素化し、整理することができます。また、メモリ使用量と処理速度も考慮され、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問題や遅い処理による長い実行時間を避けることができます。

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の抽出と理論的-シミュレーションマッピング
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技術
5. シミュレーションプロジェクトのテスト手順
6. メモリ使用量管理とシミュレーション時間短縮技術

• 基底バンド対搬送波帯シミュレーション
• 任意のパルス形状の適切なパルス幅の計算
• シンボルあたりの適切なサンプル数の計算
• システムをテストするの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、正しい結果を生成して正常に動作することは大きな達成です。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は、長いソースコードの中でコマンドが並んでいるのではなく、手元で制御できるようにするために、「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」に関する追加の講義が提供されます。これにより、複数の結果を1つのマスターウィンドウに結合してデータを比較しやすくするなど、作業をプレゼンテーションするためにMATLABコードをGUIでマスクすることができます。

1. MATLAB GUIとは何か
2. MATLAB GUI関数ファイルの構造
3. 主な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

注意: 本コースの各レベルで取り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るものではありません。さらに、各特定講義の項目は、学習者のニーズや研究関心によって変わる可能性があります。