Simulación de Sistemas de Comunicaciones Inalámbricas Utilizando MATLAB

• Resultados de este curso
Después de completar este curso, el estudiante debería poder abordar muchos de los problemas abiertos actuales de investigación en el campo de la ingeniería de comunicaciones, ya que debería haber adquirido al menos las siguientes habilidades:

• Mapear y manipular expresiones matemáticas complicadas que aparecen frecuentemente en la literatura de ingeniería de comunicaciones.

• Habilidad para usar las capacidades de programación ofrecidas por MATLAB con el fin de reproducir los resultados de simulación de otros artículos o, al menos, acercarse a dichos resultados.

• Crear modelos de simulación de ideas propias.

• Emplear las habilidades de simulación adquiridas eficientemente junto con las potentes capacidades de MATLAB para diseñar códigos de MATLAB optimizados en términos de tiempo de ejecución del código mientras se economiza el espacio de memoria.

• Identificar los parámetros clave de simulación de un sistema de comunicación 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 a menos que haya asistido y comprendido profundamente su nivel anterior para garantizar la continuidad de los conocimientos adquiridos. El curso está estructurado en tres niveles, comenzando desde una introducción a la programación en MATLAB hasta el nivel de simulación completa del sistema, como se detalla a continuación.

Nivel 1: Matemáticas de Comunicaciones con MATLAB
Sesiones 01-06

Después de completar esta parte, el estudiante podrá evaluar expresiones matemáticas complicadas y construir fácilmente los gráficos adecuados para diferentes representaciones de datos, como diagramas en el dominio del tiempo y la frecuencia; diagramas de tasa de error de bit (BER), patrones de radiación de antenas, etc.

Conceptos Fundamentales

1. El concepto de simulación
2. La importancia de la simulación en la ingeniería de comunicaciones
3. MATLAB como entorno de simulación
4. Acerca de la representación matricial y vectorial de señales escalares en matemáticas de comunicaciones
5. Representaciones matriciales y vectoriales de señales de banda base complejas en MATLAB

Escritorio de MATLAB

6. Barra de herramientas
7. Ventana de comandos
8. Espacio de trabajo
9. Historial de comandos

Declaración de variables, vectores y matrices

10. Constantes predefinidas de MATLAB
11. Variables definidas por el usuario
12. Arreglos, vectores y matrices
13. Entrada manual de matrices
14. Definición de intervalos
15. Espacio lineal
16. Espacio logarítmico
17. Reglas de nomenclatura de variables

Matrices especiales

18. La matriz de unos
19. La matriz de ceros
20. La matriz identidad

Manipulación elemento por elemento y matricial

21. Acceso a elementos específicos
22. Modificación de elementos
23. Eliminación selectiva de elementos (truncamiento de matrices)
24. Adición de elementos, vectores o matrices (concatenación de matrices)
25. Búsqueda del índice de un elemento dentro de un vector o una matriz
26. Reorganización de matrices
27. Truncamiento de matrices
28. Concatenación de matrices
29. Volteo de izquierda a derecha y de derecha a izquierda

Operadores matriciales unarios

30. El operador Suma
31. El operador Esperanza matemática
32. Operador Mínimo
33. Operador Máximo
34. El operador Traza
35. Determinante de la matriz |.|
36. Inversa de la matriz
37. Transpuesta de la matriz
38. Hermiteana de la matriz
39. …etc

Operaciones matriciales binarias

40. Operaciones aritméticas
41. Operaciones relacionales
42. Operaciones lógicas

Números complejos en MATLAB

43. Representación de banda base compleja de señales de banda pasante y subida de frecuencia RF, una revisión matemática
44. Formación de variables, vectores y matrices complejas
45. Exponenciales complejas
46. El operador de la parte real
47. El operador de la parte imaginaria
48. El operador conjugado (.)*
49. El operador absoluto |.|
50. El operador de argumento o fase

Funciones integradas de MATLAB

51. Vectores de vectores y matriz de matrices
52. La función raíz cuadrada
53. La función signo
54. La función "redondear al entero"
55. La función "entero inferior más cercano"
56. La función "entero superior más cercano"
57. La función factorial
58. Funciones logarítmicas (exp, ln, log10, log2)
59. Funciones trigonométricas
60. Funciones hiperbólicas
61. La función Q(.)
62. La función erfc(.)
63. Funciones de Bessel Jo (.)
64. La función Gamma
65. Comandos Diff, mod

Polinomios en MATLAB

66. Polinomios en MATLAB
67. Funciones racionales
68. Derivadas de polinomios
69. Integración de polinomios
70. Multiplicación de polinomios

Diagramas en escala lineal

71. Representaciones visuales de señales continuas en tiempo y continuas en amplitud
72. Representaciones visuales de señales aproximadas por escalones
73. Representaciones visuales de señales discretas en tiempo y discretas en amplitud

Diagramas en escala logarítmica

74. Diagramas dB-decada (BER)
75. Diagramas década-dB (diagramas de Bode, respuesta en frecuencia, espectro de señal)
76. Diagramas década-década
77. Diagramas dB-lineales

Diagramas polares 2D
78. (Patrones de radiación de antenas planares)

Diagramas 3D

79. Patrones de radiación 3D
80. Diagramas paramétricos cartesianos

Sección opcional (se impartirá según la demanda de los aprendices)

81. Diferenciación simbólica y diferencia numérica en MATLAB
82. Integración simbólica y numérica en MATLAB
83. Ayuda y documentación de MATLAB

Archivos de MATLAB

84. Archivos de script de MATLAB
85. Archivos de función de MATLAB
86. Archivos de datos de MATLAB
87. Variables locales y globales

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

88. El bucle for end
89. El bucle while end
90. La condición if end
91. Las condiciones if else end
92. La sentencia switch case end
93. Iteraciones, errores de convergencia, operadores de suma multidimensionales

Comandos de visualización de entrada y salida

94. El comando input(' ')
95. Comando disp
96. Comando fprintf
97. Cuadro de mensaje msgbox

Nivel 2: Operaciones de Señales y Sistemas (24 horas)
Sesiones 07-14

Los principales objetivos de esta parte son los siguientes:

• Generar señales de prueba aleatorias que son necesarias para probar el rendimiento de diferentes sistemas de comunicaciones.

• Integrar muchas operaciones elementales de señales que pueden combinarse para implementar una sola función de procesamiento de comunicaciones, como codificadores, randomizadores, entrelazadores, generadores de códigos de expansión …etc. en el transmisor, así como sus contrapartes en el terminal receptor.

• Conectar adecuadamente estos bloques para lograr una función de comunicaciones.

• Simulación de modelos de canales estrechos deterministas, estadísticos y semi-aleatorios para interiores y exteriores.

Generación de señales de prueba de comunicaciones

98. Generación de una secuencia binaria aleatoria
99. Generación de secuencias de enteros aleatorios
100. Importación y lectura de archivos de texto
101. Lectura y reproducción de archivos de audio
102. Importación y exportación de imágenes
103. Imagen como una matriz 3D
104. Transformación RGB a escala de grises
105. Flujo de bits en serie de una imagen 2D en escala de grises
106. Sub-armado de señales de imagen y reconstrucción

Condicionamiento y manipulación de señales

107. Escalamiento de amplitud (ganancia, atenuación, normalización de amplitud…etc.)
108. Desplazamiento del nivel CC
109. Escalamiento de tiempo (compresión de tiempo, rarefacción)
110. Desplazamiento de tiempo (retraso de tiempo, avance de tiempo, desplazamiento circular izquierdo y derecho en el tiempo)
111. Medición de la energía de la señal
112. Normalización de energía y potencia
113. Escalamiento de energía y potencia
114. Conversión serie-parallel y parallel-serie
115. Multiplexación y desmultiplexación

Digitalización de Señales Analógicas

116. Muestreo en el dominio del tiempo de señales de banda base continuas en MATLAB
117. Cuantificación de amplitud de señales analógicas
118. Codificación PCM de señales analógicas cuantificadas
119. Conversión decimal-binario y binario-decimal
120. Moldeado de pulsos
121. Cálculo del ancho de pulso adecuado
122. Selección del número de muestras por pulso

123. Convolución usando los comandos conv y filter
124. La autocorrelación y correlación cruzada de señales limitadas en el tiempo
125. Las operaciones Transformada Rápida de Fourier (FFT) e IFFT
126. Visualización del espectro de una señal de banda base
127. Efecto de la tasa de muestreo y la ventana de frecuencia adecuada
128. Relación entre la convolución, correlación y las operaciones FFT
129. Filtrado en el dominio de la frecuencia, solo filtrado paso bajo

Funciones Auxiliares de Comunicaciones

130. Randomizadores y des-randomizadores
131. Puncturers (eliminadores de bits) y des-puncturers
132. Codificadores y decodificadores
133. Entrelazadores y desentrelazadores

Moduladores y demoduladores

134. Esquemas de modulación digital de banda base en MATLAB
135. Representación visual de señales moduladas digitalmente

Modelado y Simulación de Canales

136. 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 canales deterministas

137. Pérdida de trayectoria en espacio libre y pérdida de trayectoria dependiente del entorno
138. Canales de bloqueo periódico

Caracterización Estadística de Canales de Desvanecimiento por Trayectos Múltiples Estacionarios y Cuasi-estacionarios Comunes

139. Generación de una v.a. (variable aleatoria) distribuida uniformemente
140. Generación de una v.a. real con distribución gaussiana
141. Generación de una v.a. compleja con distribución gaussiana
142. Generación de una v.a. con distribución Rayleigh
143. Generación de una v.a. con distribución Riceana
144. Generación de una v.a. con distribución Lognormal
145. Generación de una v.a. con distribución arbitraria
146. Aproximación de una función de densidad de probabilidad (PDF) desconocida de una v.a. mediante un histograma
147. Cálculo numérico de la función de distribución acumulativa (CDF) de una v.a.
148. Canales de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN) reales y complejos

Caracterización del Canal por su Perfil de Retardo de Potencia

149. Caracterización del canal mediante su perfil de retardo de potencia
150. Normalización de potencia del PDFP (Perfil de Retardo de Potencia)
151. Extracción de la respuesta al impulso del canal a partir del PDFP
152. Muestreo de la respuesta al impulso del canal con una tasa de muestreo arbitraria, muestreo no coincidente y cuantificación del retraso
153. El problema del muestreo no coincidente de la respuesta al impulso del canal de canales de banda estrecha
154. Muestreo de un PDFP con una tasa de muestreo arbitraria y compensación de retraso fraccionario
155. Implementación de varios modelos de canales interiores y exteriores estandarizados por IEEE
156. (Modelos de Canal COST - SUI - Banda Ultra Ancha…etc.)

Nivel 3: Simulación a Nivel de Enlace de Sistemas Prácticos de Comunicaciones (30 horas)
Sesiones 15-24

Esta parte del curso se ocupa del asunto más importante para los estudiantes de posgrado, 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

1. Comparación del rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en canales AWGN (Estudio comparativo exhaustivo mediante simulación para verificar las expresiones teóricas); diagramas de dispersión, tasa de error de bit.

2. Comparación del rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital de banda base en diferentes canales de desvanecimiento estacionarios y cuasi-estacionarios; diagramas de dispersión, tasa de error de bit (Estudio comparativo exhaustivo mediante simulación para verificar las expresiones teóricas).

3. Impacto de los canales con desplazamiento Doppler en el rendimiento de los esquemas de modulación digital de banda base; diagramas de dispersión, tasa de error de bit.

Comunicaciones Helicóptero-Satélite

4. Artículo (1): Sistema de Voz y Datos en Tiempo Real de Bajo Costo para el Servicio Móvil Satelital Aeronáutico (AMSS) – Enunciado del problema y análisis.
5. Artículo (2): Combinación de diversidad temporal antes de la detección con AFC preciso para comunicaciones helicóptero-satélite – La primera solución propuesta.
6. Artículo (3): Un esquema de modulación adaptativa para comunicaciones helicóptero-satélite – Un enfoque de mejora del rendimiento.

Simulación de Sistemas de Espectro Expandido

1. Arquitectura típica de sistemas basados en espectro expandido.
2. Sistemas basados en espectro expandido de secuencia directa (DSSS).
3. Generadores de secuencias binarias pseudoaleatorias (PBRS).
• Generación de secuencias de longitud máxima.
• Generación de códigos Gold.
• Generación de códigos Walsh.

4. Sistemas basados en espectro expandido por salto de tiempo (THSS).
5. 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.

6. Rendimiento de Tasa de Error de Bit (BER) de sistemas basados en espectro expandido en canales de desvanecimiento Rayleigh lento de multitrayecto con desplazamiento Doppler cero.
7. Análisis del rendimiento de la tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en entornos de desvanecimiento de alta movilidad.
8. Análisis del rendimiento de la tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en presencia de interferencia multiusuario.
9. Transmisión de imágenes RGB sobre sistemas de espectro expandido.
10. Sistemas OCDMA ópticos (CDMA Óptico).
• Códigos ortogonales ópticos (OOC).
• Límites de rendimiento de los sistemas OCDMA; rendimiento de la tasa de error de bit de sistemas OCDMA síncronos y asincrónicos.

Sistemas SS de Banda Ultra Ancha

Sistemas Basados en OFDM

11. Implementación de sistemas OFDM utilizando la Transformada Rápida de Fourier.
12. Arquitectura típica de sistemas basados en OFDM.
13. 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 FFT y del espaciado de subportadoras en el rendimiento BER.

14. Rendimiento de Tasa de Error de Bit (BER) de Sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento de multitrayecto con desplazamiento Doppler cero.
15. Rendimiento de Tasa de Error de Bit (BER) de Sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento de multitrayecto con CFO (Error de Desplazamiento de Frecuencia).
16. Estimación del Canal en Sistemas OFDM.
17. Ecualización en el Dominio de la Frecuencia en Sistemas OFDM.
• Ecualizador de Forzamiento Cero.
• Ecualizadores MMSE.
18. Otras Métricas Comunes de Rendimiento en Sistemas Basados en OFDM (Relación Pico-Promedio de Potencia, Relación Portadora-Interferencia…etc.)
19. Análisis de rendimiento de sistemas basados en OFDM en entornos de desvanecimiento de alta movilidad (como un proyecto de simulación que consta de tres artículos).
20. Artículo (1): Mitigación de interferencia entre portadoras.
21. Artículo (2): Sistemas MIMO-OFDM

Optimización de un Proyecto de Simulación en MATLAB

El objetivo de esta parte es aprender cómo 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.

1. Estructura típica de proyectos de simulación a pequeña escala.
2. Extracción de parámetros de simulación y mapeo de teórico a simulación.
3. Construcción de un Proyecto de Simulación.
4. Técnica de Simulación de Monte Carlo.
5. Procedimiento Típico para Probar un Proyecto de Simulación.
6. Gestión del Espacio de Memoria y Técnicas de Reducción del Tiempo de Simulación.
• Banda Base vs. Banda Pasante en la Simulación.
• 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 GUI

Tener un código MATLAB libre de errores depurados 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 proceso]. Por esta razón y otras más, se imparte una lección adicional sobre "Programación de Interfaces Gráficas de Usuario (GUI)" para poner el control sobre varias partes de su proyecto de simulación a sus fingertips (al alcance de su mano) en lugar de sumergirse en un largo código fuente lleno de comandos. Además, tener su código MATLAB cubierto con una GUI ayuda a presentar su trabajo de manera que facilite combinar múltiples resultados en una ventana maestra y hace más fácil comparar datos.

1. ¿Qué es una GUI en MATLAB?
2. Estructura del archivo de función GUI en MATLAB.
3. Componentes principales de la GUI (propiedades y valores importantes).
4. Variables locales y globales.

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