Simulación de Sistemas de Comunicaciones Inalámbricas Utilizando MATLAB

Resultados de este curso

Al finalizar este curso, el estudiante estará en condiciones de abordar muchos de los problemas de investigación abiertos actualmente en el campo de la ingeniería de telecomunicaciones, habiendo adquirido al menos las siguientes competencias:

• Representar y manipular expresiones matemáticas complejas que aparecen con frecuencia en la literatura de ingeniería de telecomunicaciones
• Capacidad para utilizar las funciones de programación de MATLAB para reproducir los resultados de simulación de otros artículos o, al menos, aproximarse a ellos.
• Crear modelos de simulación para propuestas de ideas propias.
• Aplicar de manera eficiente las habilidades de simulación adquiridas, combinándolas con las capacidades de MATLAB para diseñar códigos optimizados en términos de tiempo de ejecución y ahorro de espacio en 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 sin haber asistido y comprendido a profundidad el nivel anterior, a fin de garantizar la continuidad del conocimiento adquirido. El curso está estructurado en tres niveles, comenzando con una introducción a la programación en MATLAB hasta llegar al nivel de simulación de sistemas completos, de la siguiente manera.

Matemática de Comunicaciones con MATLAB
Sesiones 01-06

Al completar esta parte, el estudiante podrá evaluar expresiones matemáticas complejas y construir fácilmente los gráficos adecuados para diferentes representaciones de datos, como gráficos en el dominio del tiempo y frecuencia; gráficos de BER, patrones de radiación de antenas, etc.

Conceptos fundamentales

• El concepto de simulación
• La importancia de la simulación en la ingeniería de telecomunicaciones
• MATLAB como entorno de simulación
• Sobre la representación por matrices y vectores de señales escalares en la matemática de telecomunicaciones
• Representación por matrices y vectores de señales de banda base complejas en MATLAB

Escritorio de MATLAB

• Barra de herramientas
• Ventana de comandos
• Espacio de trabajo
• Historial de comandos

Declaración de variables, vectores y matrices

• Constantes predefinidas en MATLAB
• Variables definidas por el usuario
• Arreglos, vectores y matrices
• Entrada manual de matrices
• Definición de intervalos
• Espacio lineal
• Espacio logarítmico
• Reglas de nomenclatura de variables

Matrices especiales

• La matriz de unos
• La matriz de ceros
• La matriz identidad

Manipulación elemento a elemento y matricial

• Acceso a elementos específicos
• Modificación de elementos
• Eliminación selectiva de elementos (Truncamiento de matriz)
• Adición de elementos, vectores o matrices (Concatenación de matrices)
• Localización del índice de un elemento dentro de un vector o matriz
• Reconfiguración de matrices (reshaping)
• Truncamiento de matrices
• Concatenación de matrices
• Voltear de izquierda a derecha y de derecha a izquierda

Operadores unarios de matrices

• El operador Suma
• El operador de expectativa
• Operador Mínimo
• Operador Máximo
• El operador traza
• Determinante de matriz |.|
• Inversa de matriz
• Traspuesta de matriz
• Hermitiana de matriz

Operaciones binarias de matrices

• Operaciones aritméticas
• Operaciones relacionales
• Operaciones lógicas

Números complejos en MATLAB

• Representación en banda base compleja de señales de banda pasante y conversión hacia arriba de RF, repaso matemático
• Formación de variables, vectores y matrices complejos
• Exponenciales complejas
• El operador de parte real
• El operador de parte imaginaria
• El operador conjugado (.)*
• El operador módulo |.|
• El operador de argumento o fase

Funciones integradas de MATLAB

• Vectores de vectores y matriz de matrices
• La función raíz cuadrada
• La función signo
• La función "redondeo a entero"
• La función "entero inferior más cercano"
• La función "entero superior más cercano"
• La función factorial
• Funciones logarítmicas (exp, ln, log10, log2)
• Funciones trigonométricas
• Funciones hiperbólicas
• La función Q(.).
• La función erfc(.).
• Funciones de Bessel Jo (.)
• La función Gamma
• Comandos diff y mod

Polinomios en MATLAB

• Polinomios en MATLAB
• Funciones racionales
• Derivadas de polinomios
• Integración de polinomios
• Multiplicación de polinomios

Gráficos en escala lineal

• Representaciones visuales de señales de tiempo continuo y amplitud continua
• Representaciones visuales de señales aproximadas en escalera
• Representaciones visuales de señales de tiempo discreto y amplitud discreta

Gráficos en escala logarítmica

• Gráficos dB-decada (BER)
• Gráficos década-dB (gráficos de Bode, respuesta en frecuencia, espectro de señal)
• Gráficos década-decada
• Gráficos dB-lineales

Gráficos polares 2D

• (Patrones de radiación planos de antenas)

Gráficos 3D

• Patrones de radiación 3D
• Gráficos paramétricos cartesianos

Sección opcional (según la demanda de los aprendices)

• Diferenciación simbólica y numérica en MATLAB
• Integración simbólica y numérica en MATLAB
• Ayuda y documentación de MATLAB

Archivos de MATLAB

• Archivos de guion (script) de MATLAB
• Archivos de función de MATLAB
• Archivos de datos de MATLAB
• Variables locales y globales

Bucles, control de flujo de condiciones y toma de decisiones en MATLAB

• El bucle for-end
• El bucle while-end
• La condición if-end
• Las condiciones if-else-end
• La sentencia switch-case-end
• Iteraciones, convergencia de errores, operadores de suma multidimensionales

Comandos de visualización de entrada y salida

• El comando input(' ')
• El comando disp
• El comando fprintf
• Caja de mensajes msgbox

Operaciones de Señales y Sistemas
Sesiones 07-14

Los objetivos principales de esta parte son los siguientes

• Generar señales de prueba aleatorias necesarias para evaluar el rendimiento de diferentes sistemas de comunicaciones
• Integrar múltiples operaciones elementales de señal para implementar una única función de procesamiento de comunicaciones, como codificadores, randomizadores, entrelazadores (interleavers), generadores de códigos de expansión... etc., tanto en el transmisor como en sus contrapartes en el receptor.
• Interconectar estos bloques de manera adecuada para lograr una función de comunicaciones
• Simulación de modelos de canal de banda estrecha interiores y exteriores, determinísticos, estadísticos y semi-aleatorios

Generación de señales de prueba de comunicaciones

• Generación de una secuencia binaria aleatoria
• Generación de secuencias enteras aleatorias
• Importación y lectura de archivos de texto
• Lectura y reproducción de archivos de audio
• Importación y exportación de imágenes
• Imagen como una matriz 3D
• Transformación de RGB a escala de grises
• Flujo de bits serial de una imagen en escala de grises 2D
• Sub-marco (sub-framing) de señales de imagen y reconstrucción

Condicionamiento y manipulación de señal

• Escala de amplitud (ganancia, atenuación, normalización de amplitud... etc.)
• Desplazamiento del nivel de corriente continua (DC)
• Escala de tiempo (compresión, rarefacción)
• Desplazamiento en el tiempo (retardo, adelanto, desplazamiento circular a izquierda y derecha)
• Medición de la energía de la señal
• Normalización de energía y potencia
• Escala de energía y potencia
• Conversión serial a paralelo y paralelo a serial
• Multiplexado y demultiplexado

Digitalización de Señales Analógicas

• Muestreo en el dominio del tiempo de señales de banda base de tiempo continuo en MATLAB
• Cuantización de amplitud de señales analógicas
• Codificación PCM de señales analógicas cuantizadas
• Conversión decimal a binario y binario a decimal
• Formado de pulso (pulse shaping)
• Cálculo del ancho de pulso adecuado
• Selección del número de muestras por pulso
• Convolución usando los comandos conv y filter
• Autocorrelación y correlación cruzada de señales de duración limitada en el tiempo
• Operaciones de Transformada Rápida de Fourier (FFT) y FFT Inversa (IFFT)
• Visualización del espectro de una señal de banda base
• Efecto de la tasa de muestreo y la ventana de frecuencia adecuada
• Relación entre las operaciones de convolución, correlación y FFT
• Filtrado en el dominio de la frecuencia, solo filtrado paso bajo

Funciones auxiliares de Comunicaciones

• Randomizadores y desrandomizadores
• Punturadores y despunturadores
• Codificadores y decodificadores
• Entrelazadores (interleavers) y desentrelazadores

Moduladores y desmoduladores

• Esquemas de modulación digital de banda base en MATLAB
• Representación visual de señales digitalmente moduladas

Modelado y Simulación de Canales

• Modelado matemático del efecto del canal sobre la señal transmitida
  • Adición – canales de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN)
  • Multiplicación en el dominio del tiempo – canales de desvanecimiento lento, 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 canal determinísticos

• Pérdida de trayectoria en espacio libre y pérdida dependiente del entorno
• Canales de Bloqueo Periódico

Caracterización Estadística de Canales de Desvanecimiento Multi-trayecto Estacionarios y Cuasi-Estacionarios Comunes

• Generación de una RV distribuida uniformemente
• Generación de una RV gaussiana de valor real
• Generación de una RV gaussiana compleja
• Generación de una RV distribuida Rayleigh
• Generación de una RV distribuida Ricean
• Generación de una RV distribuida Lognormalmente
• Generación de una RV distribuida arbitrariamente
• Aproximación de una función de densidad de probabilidad (PDF) desconocida de una RV mediante un histograma
• Cálculo numérico de la función de distribución acumulada (CDF) de una RV
• Canales de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN) reales y complejos

Caracterización del Canal por su Perfil de Retardo de Potencia

• Caracterización del canal por su perfil de retardo de potencia
• Normalización de potencia del PDP
• Extracción de la respuesta al impulso del canal desde el PDP
• Muestreo de la respuesta al impulso del canal a una tasa arbitraria, muestreo y retardo desalineados
• Cuantización
• El problema del muestreo desalineado de la respuesta al impulso del canal en canales de banda estrecha
• Muestreo de un PDP a una tasa arbitraria y compensación de retardo fraccionario
• Implementación de varios modelos de canal interiores y exteriores estandarizados por IEEE
• (COST – SUI - Modelos de Canal de Banda Ultramancha... etc.)

Simulación de Nivel de Enlace de Sistemas de Comm. Prácticos
Sesiones 15-24

Esta parte del curso se ocupa de la cuestión más importante para estudiantes de investigación, es decir, cómo reproducir los resultados de simulación de otros artículos publicados mediante simulación.

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

• Comparación de rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en canales AWGN (Estudio comparativo integral mediante simulación para verificar expresiones teóricas); gráficos de dispersión, tasa de error de bit
• Comparación de rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en diferentes canales de desvanecimiento estacionarios y cuasi-estacionarios; gráficos de dispersión, tasa de error de bit (Estudio comparativo integral mediante simulación para verificar expresiones teóricas)
• Impacto de los canales con desplazamiento Doppler en el rendimiento de los esquemas de modulación digital de banda base; gráficos de dispersión, tasa de error de bit
• Comunicaciones Hely-Satélite
  • Artículo (1): Sistema de Voz y Datos en Tiempo Real de Bajo Costo para Servicio Móvil Satelital Aeronáutico (AMSS) – Enunciado y análisis del problema
  • Artículo (2): Combinación de Diversidad en Tiempo Pre-Detección con AFC Preciso para Comunicaciones Helicóptero-Satélite – La primera solución propuesta
  • Artículo (3): Un Esquema de Modulación Adaptativa para Comunicaciones Helicóptero-Satélite – Un enfoque de mejora de rendimiento

Simulación de Sistemas de Espectro Expandido

• Arquitectura típica de sistemas basados en espectro expandido
• Sistemas basados en espectro expandido de secuencia directa
• Generadores de secuencia binaria pseudoaleatoria (PBRS)
  • Generación de secuencias de longitud máxima
  • Generación de códigos Gold
  • Generación de códigos Walsh
• Sistemas basados en espectro expandido de salto de tiempo (time hopping)
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit (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
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit (BER) de sistemas basados en espectro expandido en canales de desvanecimiento Rayleigh lento multi-trayecto con Desplazamiento Doppler Cero
• Análisis del rendimiento de Tasa de Error de Bit (BER) de sistemas basados en espectro expandido en entornos de desvanecimiento de alta movilidad
• Análisis del rendimiento de Tasa de Error de Bit (BER) de sistemas basados en espectro expandido en presencia de interferencia multi-usuario
• Transmisión de imágenes RGB a través de sistemas de espectro expandido
• Sistemas de CDMA óptico (OCDMA)
  • Códigos ópticos ortogonales (OOC)
  • Limites de rendimiento de sistemas OCDMA; rendimiento de tasa de error de bit de sistemas OCDMA síncronos y asíncronos

Sistemas SS de Banda Ultramancha

Sistemas Basados en OFDM

• Implementación de sistemas OFDM usando la Transformada Rápida de Fourier
• Arquitectura típica de sistemas basados en OFDM
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit (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 de la FFT y el espaciado de subportadoras en el rendimiento BER
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit (BER) de Sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento multi-trayecto con Desplazamiento Doppler Cero
• Rendimiento de Tasa de Error de Bit (BER) de Sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento multi-trayecto con CFO
• Estimación de Canal en Sistemas OFDM
• Igualización en el Dominio de la Frecuencia en Sistemas OFDM
  • Iguador Forzado a Cero (Zero Forcing Equalizer)
  • Iguadores MMSE
• Otras métricas de rendimiento comunes en Sistemas Basados en OFDM (Relación Pico a Promedio de Potencia, Relación Portadora a Interferencia... etc.)
• Análisis de rendimiento de sistemas basados en OFDM en entornos de desvanecimiento de alta movilidad (como un proyecto de simulación que consiste en tres artículos)
  • Artículo (1): Mitigación de interferencia entre portadoras
  • Artículo (2): Sistemas MIMO-OFDM

Optimización de un Proyecto de Simulación en MATLAB

El objetivo de esta parte es aprender a construir y optimizar un proyecto de simulación en MATLAB para simplificar y organizar el proceso general de simulación. Además, se consideran el espacio de memoria y la velocidad de procesamiento para evitar problemas de desbordamiento de memoria en sistemas de almacenamiento limitado o tiempos de ejecución largos derivados de un procesamiento lento.

• Estructura típica de proyectos de simulación a pequeña escala
• Extracción de parámetros de simulación y mapeo de teoría a simulación
• Construcción de un Proyecto de Simulación
• Técnica de Simulación Monte Carlo
• Un procedimiento típico para probar un Proyecto de Simulación
• Técnicas de gestión del espacio de memoria y reducción del tiempo de simulación
  • Simulación de banda base vs. banda pasante
  • 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 de GUI

Tener un código MATLAB libre de depuraciones 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 flujo. Por esta razón y otras, se imparte una lección adicional sobre "Programación de Interfaz Gráfica de Usuario (GUI)" con el fin de llevar el control sobre las diversas partes de su proyecto de simulación a la mano, en lugar de sumergirse en largos códigos fuente llenos de comandos. Además, tener su código MATLAB enmascarado con una GUI ayuda a presentar su trabajo de una manera que facilita la combinación de múltiples resultados en una ventana maestra y lo hace más fácil de comparar datos.

• ¿Qué es una GUI de MATLAB?/li>
• Estructura del archivo de función GUI de MATLAB
• Componentes principales de la GUI (propiedades y valores importantes)
• Variables locales y globales

Nota: Los temas cubiertos en cada nivel de este curso incluyen, pero no se limitan a, aquellos declarados en cada nivel. Además, los elementos de cada lección particular están sujetos a cambios dependiendo de las necesidades de los aprendices y sus intereses de investigación.