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 de investigación abiertos actualmente en el campo de la ingeniería de comunicaciones, ya que habrá adquirido al menos las siguientes habilidades:

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

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

• Crear modelos de simulación de ideas propias.

• Emplear las habilidades de simulación adquiridas en conjunto con las potentes capacidades de MATLAB para diseñar códigos de MATLAB optimizados en términos de tiempo de ejecución del código y economizando el espacio de 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 estrechamente correlacionado. No se recomienda que un estudiante asista a un nivel a menos que haya asistido y comprendido profundamente su nivel anterior, con el fin de 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 sigue.

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; gráficos de tasa de error de bit (BER); diagramas de radiación de antenas, etc.

Conceptos fundamentales

1. El concepto de simulación.
2. La importancia de la simulación en ingeniería de comunicaciones.
3. MATLAB como entorno de simulación.
4. Sobre la representación matricial y vectorial de señales escalares en las 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. Arrays, vectores y matrices.
13. Entrada manual de matrices.
14. Definición de intervalos.
15. Espacio lineal.
16. Espacio logarítmico.
17. Reglas de nombres de variables.

Matrices especiales

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

Manipulación elemento a 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. Reconfiguración 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 Expectativa.
32. Operador Min.
33. Operador Max.
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 por radiofrecuencia (RF): una revisión matemática.
44. Formación de variables, vectores y matrices complejas.
45. Exponenciales complejas.
46. El operador parte real.
47. El operador parte imaginaria.
48. El operador conjugado (.)*
49. El operador valor absoluto |.|.
50. El operador argumento o fase.

Funciones integradas de MATLAB

51. Vectores de vectores y matrices de matrices.
52. La función raíz cuadrada.
53. La función signo.
54. La función "redondear a entero".
55. La función "entero inferior más próximo".
56. La función "entero superior más próximo".
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.

Graficas de 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.

Graficas de escala logarítmica

74. Graficas dB-década (BER).
75. Graficas década-dB (gráficos de Bode, respuesta en frecuencia, espectro de señales).
76. Graficas década-década.
77. Graficas dB-lineales.

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

Graficas 3D

79. Patrones de radiación 3D.
80. Graficas paramétricas cartesianas.

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

81. Diferenciación simbólica y diferenciación 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 convergentes, operadores de suma multidimensionales.

Comandos 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 hrs)
Sesiones 07-14

Los objetivos principales de esta parte son los siguientes:

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

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

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

• Simulación de modelos de canal de banda estrecha 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 enteras aleatorias.
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 matriz 3D.
104. Transformación RGB a escala de grises.
105. Secuencia serial de bits de una imagen 2D en escala de grises.
106. Sub-estructuración de señales de imagen y reconstrucción.

Condicionalidad y manipulación de señales

107. Escalamiento de amplitud (ganancia, atenuación, normalización de amplitud...etc.).
108. Desplazamiento del nivel DC.
109. Escalamiento de tiempo (compresión temporal, expansión/rarefacción).
110. Desplazamiento de tiempo (retraso temporal, adelanto temporal, desplazamiento circular izquierdo y derecho de tiempo).
111. Medición de la energía de la señal.
112. Normalización de energía y potencia.
113. Escalamiento de energía y potencia.
114. Conversión serie- paralelo y paralelo-serie.
115. Multiplexación y desmultiplexación.

Digitalización de Señales Analógicas

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

123. Convolución utilizando los comandos conv y filter.
124. La autocorrelación y la correlación cruzada de señales limitadas en el tiempo.
125. Las operaciones de Transformada Rápida de Fourier (FFT) e IFFT.
126. Visualización del espectro de una señal baseband.
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. Aleatorizadores y des-aleatorizadores.
131. Entalladores (Puncturers) y des-entalladores.
132. Codificadores y decodificadores.
133. Interleavers y des-interleavers.

Moduladores y demoduladores

134. Esquemas de modulación digital baseband 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 desvanecientes lentos, desplazamiento Doppler en canales vehiculares.
• Multiplicación en el dominio de la frecuencia – canales desvanecientes selectivos en frecuencia.
• Convolución en el dominio del tiempo – respuesta al impulso del canal.

Ejemplos de modelos deterministas de canales

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

Caracterización Estadística de Comunes Canales Estacionarios y Cuasi-estacionarios de Desvanecimiento Multitrayecto

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 acumulada (CDF) de una V.A.
148. Canales de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN) reales y complejos.

Caracterización del Canal mediante su Perfil de Retardo de Potencia

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

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

Esta parte del curso se ocupa del tema más importante para los investigadores, es decir, cómo reproducir los resultados de simulación de otros artículos publicados mediante simulación.

Rendimiento de la Tasa de Error de Bit (BER) de Esquemas de Modulación Digital Baseband

1. Comparación del rendimiento de diferentes esquemas de modulación digital baseband 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 baseband 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 esquemas de modulación digital baseband; diagramas de dispersión, tasa de error de bit.

Comunicaciones Helicóptero-Satélite

4. Artículo (1): Sistema de Voz y Datos en Tiempo Real y Bajo Costo para el Servicio Móvil Satelital Aeronáutico (AMSS) – Enunciado del problema y análisis.
5. Artículo (2): Combinación de diversidad temporal pre-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 por 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 la Tasa de Error de Bit de sistemas basados en espectro expandido en canales AWGN:
• Impacto de la tasa de codificación r en el rendimiento de BER.
• Impacto de la longitud del código en el rendimiento de BER.

6. Rendimiento de la Tasa de Error de Bit de sistemas basados en espectro expandido en canales de desvanecimiento Rayleigh lento con multipath y desplazamiento Doppler cero.
7. Análisis de rendimiento de tasa de error de bit de sistemas basados en espectro expandido en entornos de desvanecimiento de alta movilidad.
8. Análisis de rendimiento de 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 sistemas OCDMA; rendimiento de tasa de error de bit de sistemas OCDMA sincrónicos y asincrónicos.

Sistemas SS Ultra Ancho de Banda

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 la Tasa de Error de Bit de Sistemas OFDM en canales AWGN:
• Impacto de la tasa de codificación r en el rendimiento de BER.
• Impacto del prefijo cíclico en el rendimiento de BER.
• Impacto del tamaño FFT y del espaciado de portadoras en el rendimiento de BER.

14. Rendimiento de la Tasa de Error de Bit de Sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento con multipath y desplazamiento Doppler cero.
15. Rendimiento de la Tasa de Error de Bit de Sistemas OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh lento con multipath y CFO (Offset de Frecuencia de Portadora).
16. Estimación del Canal en Sistemas OFDM.
17. Ecualización en el Dominio de la Frecuencia en Sistemas OFDM:
• Ecualizador Zero Forcing.
• Ecualizadores MMSE.

18. Otras Métricas Comunes de Rendimiento en Sistemas Basados en OFDM (Relación Potencia Pico - Promedio, 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 también el espacio de memoria y la velocidad de procesamiento con el fin de 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. Un Procedimiento Típico para Probar un Proyecto de Simulación.
6. Técnicas de Gestión del Espacio de Memoria y Reducción del Tiempo de Simulación:
• Simulación Baseband 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 GUI

Tener un código MATLAB libre de errores 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 comportamiento del sistema. Por esta razón y más, se imparte una conferencia extra sobre "Programación de Interfaz Gráfica de Usuario (GUI)" con el fin de colocar el control sobre varias partes de su proyecto de simulación al alcance de sus manos, en lugar de sumergirse en un código fuente largo lleno de comandos. Además, tener su código MATLAB enmascarado con una GUI ayuda a presentar su trabajo de manera que facilita 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 de 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 ítems de cada conferencia particular están sujetos a cambios dependiendo de las necesidades de los aprendices y sus intereses de investigación.