MATLAB Kullanarak Kablosuz iletişim Sistemlerinin Simülasyonu (Dr Shehata) Eğitimi

• Bu kursun sonuçları
Kursun tamamlanmasından sonra, öğrenci birçok açıktaki araştırma sorununa saldırmaya ve iletişim mühendisliği alanındaki en az şu becerileri kazanmış olması beklenir:

• İletişim mühendisliği literatüründe sıkça karşılaşılan karmaşık matematiksel ifadelerin haritalandırılması ve yönetilmesi.

• MATLAB'ın programlama yeteneklerinin, diğer makalelerdeki simülasyon sonuçlarını yeniden üretmek veya en azından bu sonuçlara yaklaşıp yaklaşamayacak şekilde kullanma becerisi.

• Kendi fikirlerinizin simülasyon modellerini oluşturma yeteneği.

• Kazanılan simülasyon becerilerinin, MATLAB'ın güçlü yetenekleriyle verimli bir şekilde birleştirilerek, kod çalıştırma süresi açısından optimize edilmiş ve hafıza kullanımını tasarruf ettirilmiş MATLAB kodları tasarlanmasına yardımcı olma.

• Verilen iletişim sisteminin ana simülasyon parametrelerini belirleme, bu parametreleri sistem modelinden çıkarma ve bu parametrelerin dikkate alınan sistemin performansı üzerindeki etkisini incelemek.

• Kurs Yapısı

Bu kurs içinde sunulan malzeme son derece ilişkilidir. Öğrencinin, devam etmek istediğiniz seviye için önceki seviyeyi derin bir şekilde anladığınız ve katıldığınızdan emin olmak önerilir ki kazanılan bilginin sürekliliği sağlanabilsin. Kurs üç seviyeyle düzenlenmiştir; MATLAB programlamasına girişten tam sistem simülasyonuna kadar:

Seviye 1: MATLAB ile İletişim Matematiği
Oturumlar 01-06

Bu bölümün tamamlanmasından sonra, öğrenci karmaşık matematiksel ifadeleri değerlendirebilecek ve farklı veriyi göstermek için uygun grafikleri kolayca oluşturabilecektir; zaman ve frekans domeni çizimleri; BER çizimleri anten ışınım desenleri... vb.

Temel kavramlar

1. Simülasyonun kavramı
2. Simülasyonun iletişim mühendisliği açısından önemi
3. MATLAB bir simülasyon ortamı olarak
4. İletişim matematiği içinde skaler sinyallerin matris ve vektör temsilleri hakkında
5. MATLAB'da karma bazband sinyallerinin matris ve vektör temsilleri

MATLAB Masaüstü

6. Araç çubuğu
7. Komut penceresi
8. Çalışma alanı
9. Komut geçmişi

Değişken, vektör ve matris tanımlama

10. MATLAB önceden tanımlı sabitler
11. Kullanıcı tanımlı değişkenler
12. Diziler, vektörler ve matrisler
13. Elle matris girişi
14. Aralık tanımlama
15. Doğrusal alan
16. Logaritmik alan
17. Değişken isimlendirme kuralları

Özel matrisler

18. Birler matrisi
19. Sıfırlar matrisi
20. Birim matrisi

Eleman bazında ve matris bazında manipülasyon

21. Belirli elemanlara erişme
22. Elemanları değiştirme
23. Elemanların seçici silinmesi (Matris kesilmesi)
24. Eleman, vektör veya matris ekleme (Matris birleştirilmesi)
25. Bir vektör veya matris içindeki elemanın indeksini bulma
26. Matris şekillendirme
27. Matris kesilmesi
28. Matris birleştirilmesi
29. Soldan sağa ve sağdan sola çevrilme

Tekli matris operatörleri

30. Toplam operatörü
31. Beklenti operatörü
32. Min operatörü
33. Max operatörü
34. İzi operatörü
35. Matris determinantı |.|
36. Matris tersi
37. Matris transpozesi
38. Matris Hermitian
39. ... vb

İki terimli matris işlemleri

40. Aritmetik işlemler
41. İlişkisel işlemler
42. Mantıksal işlemler

MATLAB'da karmaşık sayılar

43. Geçiş sinyallerinin ve RF up-conversion'un kompleks bazband temsili, bir matematiksel incelemeye dayanarak
44. Karmaşık değişkenler, vektörler ve matrislerin oluşturulması
45. Karmaşık üstel fonksiyonlar
46. Gerçek kısm operatörü
47. Sanal kısm operatörü
48. Eşlenik operatörü (.)*
49. Mutlak değer operatörü |.|
50. Argüman veya faz operatörü

MATLAB yerleşik fonksiyonları

51. Vektörlerin vektörleri ve matrislerin matrisi
52. Karekök fonksiyonu
53. İşareti fonksiyonu
54. "Tamsayıya yuvarla" fonksiyonu
55. "En yakın alt tamsayı fonksiyonu"
56. "En yakın üst tamsayı fonksiyonu"
57. Faktöriyel fonksiyonu
58. Logaritmik fonksiyonlar (exp, ln, log10, log2)
59. Trigonometrik fonksiyonlar
60. Hiperbolik fonksiyonlar
61. Q(.) fonksiyonu
62. erfc(.) fonksiyonu
63. Bessel Jo (.) fonksiyonları
64. Gamma fonksiyonu
65. Diff, mod komutları

MATLAB'da polinomlar

66. MATLAB'da polinomlar
67. Rasyonel fonksiyonlar
68. Polinom türevleri
69. Polinom entegrasyonu
70. Polinom çarpımı

Doğrusal ölçekli çizimler

71. Sürekli zaman-sürekli amplitud sinyallerinin görsel temsilleri
72. Merdiven basamakları ile yaklaşık sinyallerin görsel temsilleri
73. Kesikli zaman - kesikli amplitud sinyallerinin görsel temsilleri

Logaritmik ölçekli çizimler

74. dB-ondalık çizimler (BER)
75. Ondalık-dB çizimler (Bode çizimleri, frekans tepkisi, sinyal spektrumu)
76. Ondalık-ondalık çizimler
77. dB-doğrusal çizimler

2D Kutuplu çizimler
78. (düzlem anten ışınım desenleri)

3D Çizimler

79. 3D ışınım desenleri
80. Kartezyen parametrik çizimler

İsteğe bağlı bölüm (öğrencilerin talebi üzerine verilir)

81. MATLAB'da sembolik türev alma ve nümerik farklılaşma
82. MATLAB'da sembolik ve nümerik entegrasyon
83. MATLAB yardım ve belgeleri

MATLAB dosyaları

84. MATLAB betik dosyaları
85. MATLAB fonksiyon dosyaları
86. MATLAB veri dosyaları
87. Yerel ve genel değişkenler

Döngüler, koşullar akış kontrolü ve karar alma MATLAB'da

88. for end döngüsü
89. while end döngüsü
90. if end koşulu
91. if else end koşulları
92. switch case end deyimi
93. Yinelemeler, yakınsama hataları, çok boyutlu toplama operatörleri

Girdi ve çıktı görüntüleme komutları

94. input(' ') komutu
95. disp komutu
96. fprintf komutu
97. Mesaj kutusu msgbox

Seviye 2: Sinyaller ve Sistemler İşlemleri (24 saat)
Oturumlar 07-14

Bu bölümün ana hedefleri şunlardır

• Farklı iletişim sistemlerinin performansını test etmek için gerekli olan rastgele test sinyalleri oluşturma

• Tekil sinyal işlemlerinin birleştirilmesi, genellikle kodlayıcılar, rasgeleleştiriciler, interleyeler, yayılma kod üreticileri... gibi tekil iletişim işleme fonksiyonlarını uygulamak için alıcı tarafındaki karşılıklarıyla beraber yollayıcıda birleştirilebilir.

• Bu blokları uygun şekilde birleştirmek, bir iletişim işlevi elde etmek için

• Belirlenmiş, istatistiksel ve yarı rastgele iç ve dış kapalı dar band kanal modellerinin simülasyonu

İletişim test sinyallerinin oluşturma

98. Rastgele ikili dizginin oluşturulması
99. Rastgele tamsayı dizilerinin oluşturulması
100. Metin dosyalarının içe aktarılması ve okunması
101. Ses dosyalarının okunması ve oynatılması
102. Görüntülerin içe aktarılması ve dışa aktarılması
103. Görüntünün 3D matrisi olarak temsili
104. RGB'yi gri tonlamaya dönüştürme
105. 2B grileştirilmiş bir görüntü sinyalinin seri bit akışı
106. Görüntü sinyallerinin alt çerçevelerine bölünmesi ve yeniden oluşturma

Sinyal Koşullandırma ve Manipülasyonu

107. Amplitud ölçeklendirme (kazanç, azaltma, amplitud normalizasyonu... vb.)
108. DC seviyesi kayması
109. Zaman ölçeklendirmesi (zaman sıkıştırma, nadirleşme)
110. Zaman kayması (görgü gecikmesi, görgü ilerleme, sol ve sağ çemberde zaman kayması)
111. Sinyal enerjisinin ölçülmesi
112. Enerji ve güç normalizasyonu
113. Enerji ve güç ölçeklendirmesi
114. Seri-paralel ve paralel-seri dönüştürme
115. Çokplexing ve de-multiplexing

Analog Sinyallerin Dijitalleştirilmesi

116. Sürekli zaman bazband sinyallerinin MATLAB'da zaman-domeni örnekleme
117. Analog sinyallerin amplitud örnekleme
118. Örneklendirilmiş analog sinyallerin PCM kodlaması
119. Ondalık-binary ve binary-ondalık dönüşümü
120. İmpuls şekillendirme
121. Yeterli impuls genişliği hesaplama
122. İmpuls başına örnek sayısının seçilmesi

123. conv ve filter komutlarıyla konvolüsyon
124. Zaman sınırlı sinyallerin öz-korelasyonu ve korelasyonu
125. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) ve IFFT işlemleri
126. Bazband sinyal spektrumunun gösterimi
127. Örnekleme hızının etkisi ve uygun frekans penceresi
128. Konvolüsyon, korelasyon ve FFT işlemlerinin arasındaki ilişki
129. Frekans-domeni filtreleme, yalnızca alçak geçiş filtreleme

Yardımcı İletişim Fonksiyonları

130. Rasgeleleştiriciler ve de-rasgeleleştiriciler
131. Puncture'lar ve de-puncture'lar
132. Kodlayıcılar ve çözücüler
133. Interleyeler ve de-interleyeler

Kodlayıcılar ve Dekodlayıcılar

134. MATLAB'da dijital bazband modülasyon şemaları
135. Dijital olarak modüle edilmiş sinyallerin görsel temsili

Kanal Modellenmesi ve Simülasyonu

136. Kanal etkisinin iletilen sinyale matematiksel modellemesi
• Ekleme - eklenebilir beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) kanalları
• Zaman-domeni çarpma - yavaş soluklanan kanallar, taşıt kanallarında Doppler kayması
• Frekans-domeni çarpma - frekans seçici soluklanan kanallar
• Zaman-domeni konvolüsyon - kanal dürtü tepkisi

Deterministik kanal modelleri örnekleri

137. Boşlukta yol kaybı ve çevre bağlı yol kaybı
138. Periyodik Engelleme Kanalları

Sabit ve yarı-sabit çok yollu soluklanan kanalların istatistiksel karakterizasyonu

139. Düzgün dağılım gösteren RV'nin oluşturulması
140. Gerçek değerli Gauss dağılım gösteren RV'nin oluşturulması
141. Karmaşık Gauss dağılım gösteren RV'nin oluşturulması
142. Rayleigh dağılım gösteren RV'nin oluşturulması
143. Ricean dağılım gösteren RV'nin oluşturulması
144. Lognormal dağılım gösteren RV'nin oluşturulması
145. İstenmeyen olasılık yoğunluk fonksiyonu (PDF) olan bir RV'nin histogramla yaklaşık hesaplanması
146. Bir RV'nin kümülatif dağılım fonksiyonunun (CDF) nümerik olarak hesaplanması
147. Gerçek ve karmaşık eklenebilir beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) kanalları

Kanalın Güç Gecikme Profili ile Karakterizasyonu

149. Kanalın güç gecikme profili ile karakterizasyonu
150. PDP'nin gücü normalizasyonu
151. PDP'den kanal dürtü tepkisinin çıkarılması
152. Kanal dürtü tepkisinin keyfi bir örneklemesi, eşleme hatası ve gecikme örnekleme
153. Dar band kanallarının kanal dürtü tepkisi için eşleme hatası sorunu
154. Keyfi bir örneklemesiz ve kesirli gecikme telafi ile PDP'nin örneklenmesi
155. Birden fazla IEEE standartlaştırılmış iç ve dış kanal modellerinin uygulanması
156. (COST - SUI - Ultra Wide Band Kanal Modelleri... vb.)

Seviye 3: Pratik İletişim Sistemlerinin Link Seviyesi Simülasyonu (30 saat)
Oturumlar 15-24

Bu kursun bu bölümü, araştırmacı öğrencilerin en önemli konusudur; yani, diğer yayınlanmış makalelerin simülasyon sonuçlarını yeniden üretme.

Temelband Dijital Modülasyon Şemalarının Bit Hata Oranı Performansı

1. AWGN kanallarında farklı temelband dijital modülasyon şemalarının performans karşılaştırması (teorik ifadelerin doğrulanması için kapsamlı bir simülasyon karşılaştırmalı çalışması); dağılım grafikleri, bit hata oranı

2. Farklı sabit ve yarı-sabit soluklanan kanallarda farklı temelband dijital modülasyon şemalarının performans karşılaştırması; dağılım grafikleri, bit hata oranı (teorik ifadelerin doğrulanması için kapsamlı bir simülasyon karşılaştırmalı çalışması)

3. Doppler kayma kanallarının temelband dijital modülasyon şemalarının performansına etkisi; dağılım grafikleri, bit hata oranı

Helikopter-Uydu İletişimi

4. Makale (1): Ucuz Gerçek Zamanlı Ses ve Veri Sistemi Havacılık Mobil Uydu Hizmeti (AMSS) - Sorun ifadesi ve analizi
5. Makale (2): Helikopter Uydu İletişimleri için Hassas AFC ile Önceden Algılama Zaman Çeşitlendirme Birleştirici - İlk önerilen çözüm
6. Makale (3): Helikopter-Uydu İletişimi İçin Bir Adaptif Modülasyon Şeması - Performans iyileştirme yaklaşımı

Kalıcı Spektrum Sistemlerinin Simülasyonu

1. Kalıcı spektrum tabanlı sistemlerin tipik mimarisi
2. Doğrudan dizi kalıcı spektrum tabanlı sistemler
3. Pseudo rastgele ikili dizge (PBRS) üreticileri
• Maksimum uzunluklu dizgelerin oluşturulması
• Altın kodların oluşturulması
• Walsh kodlarının oluşturulması

4. Zaman atlayan kalıcı spektrum tabanlı sistemler
5. AWGN kanallarında kalıcı spektrum tabanlı sistemlerin bit hata oranı performansı
• Kodlama hızı r'nin BER performansına etkisi
• Kod uzunluğunun BER performansına etkisi

6. Sıfır Doppler kayması ile çok yollu yavaş Rayleigh soluklanan kanallarda kalıcı spektrum tabanlı sistemlerin bit hata oranı performansı
7. Yüksek mobilite soluklanan ortamlarda kalıcı spektrum tabanlı sistemlerin bit hata oranı performans analizi
8. Çok kullanıcı gürültüsü varlığında kalıcı spektrum tabanlı sistemlerin bit hata oranı performans analizi
9. RGB görüntüleri kalıcı spektrum sistemlerinden aktarımı
10. Optik CDMA (OCDMA) sistemleri
• Optik ortogonal kodlar (OOC)
• OCDMA sistemlerinin performans sınırları; senkron ve asenkron OCDMA sistemlerinin bit hata oranı performansı

Ultra geniş band SS sistemleri

OFDM tabanlı sistemler

11. Fast Fourier Transform kullanarak OFDM sistemlerinin uygulanması
12. OFDM tabanlı sistemlerin tipik mimarisi
13. AWGN kanallarında OFDM sistemlerinin bit hata oranı performansı
• Kodlama hızı r'nin BER performansına etkisi
• Döngü öneki nin BER performansına etkisi
• FFT boyutunun ve alt taşınım aralığının BER performansına etkisi

14. Sıfır Doppler kayması ile çok yollu yavaş Rayleigh soluklanan kanallarda OFDM sistemlerinin bit hata oranı performansı
15. CFO ile çok yollu yavaş Rayleigh soluklanan kanallarda OFDM sistemlerinin bit hata oranı performansı
16. OFDM sistemlerinde Kanal Tahmini
17. OFDM sistemlerinde Frekans-domeni Eşitleme
• Sıfır Zorluk Eşitleyici
• MMSE Eşitleyicileri

18. OFDM tabanlı sistemlerde diğer yaygın performans metrikleri (Zirve - Ortalama Güç Oranı, Taşıyıcı - Aralıksız İstikrar Oranı... vb.)
19. Yüksek mobilite soluklanan ortamlarda OFDM tabanlı sistemlerin performans analizi (üç makalenin bir araya getirildiği bir simülasyon projesi)
20. Makale (1): Taşınım kanal gürültüsünün azaltılması
21. Makale (2): MIMO-OFDM Sistemleri

MATLAB Simülasyon Projesinin Optimizasyonu

Bu bölümün amacı, MATLAB simülasyon projesi oluşturmayı ve optimize etmeyi öğrenmektir. Bu sayede genel simülasyon sürecini basitleştirip organize edebilirsiniz. Ayrıca, sınırlı depolama sistemlerinde hafıza taşması sorunlarından veya yavaş işlemcilerden kaynaklanan uzun çalışma sürelerinden kaçınmak için hafıza kullanımı ve işlem hızı da dikkate alınır.

1. Küçük ölçekli simülasyon projelerinin tipik yapısı
2. Simülasyon parametrelerinin çıkarılması ve teorik-simülasyon eşleştirmesi
3. Bir Simülasyon Projesi Oluşturma
4. Monte Carlo Simülasyon Tekniği
5. Bir Simülasyon Projesini Test Etme Tipik Prosedürü
6. Hafıza Alanı Yönetimi ve Simülasyon Zamanı Azaltma Teknikleri
• Temelband vs. Geçiş bandı simülasyonu
• Kesilmiş keyfi impulslar için yeterli impuls genişliği hesaplama
• Sembol başına yeterli örnek sayısının hesabı
• Bir sistemi test etmek için gerekli ve yeterli bit sayısının hesabı

GUI programlama

Bugünlere hata içermeyen ve doğru sonuçlar üreten bir MATLAB kodunuz varsa, bu büyük bir başarıdır. Ancak, simülasyon projelerindeki ana parametreler kontrol edilebilir olmalıdır. Bu nedenle ve daha fazlası için, "Grafiksel Kullanıcı Arayüzü (GUI) Programlaması" konusunda ek bir ders verilmiştir; bu sayede simülasyon projenizin çeşitli kısımlarının kontrolünü elinizin ucunda tutabilirsiniz, uzun kaynak kodları içinde komutlarla dalmanıza gerek kalmadan. Ayrıca, MATLAB kodunuzun GUI ile maskelenmesi, çalışmanızın bir ana pencerede çoklu sonuçları birleştirilip verilerin karşılaştırılmasını kolaylaştıran şekilde sunulmasına yardımcı olur.

1. MATLAB GUI nedir
2. MATLAB GUI fonksiyon dosyasının yapısı
3. Ana GUI bileşenleri (önemli özellikler ve değerler)
4. Yerel ve genel değişkenler

Not: Bu kursun her seviyesinde ele alınan konular, belirtilen seviyelerdeki konulara sınırlı değildir. Ayrıca, her özel dersin konuları öğrenim alanlarının ihtiyaçlarına ve araştırma ilgi alanlarına bağlı olarak değişebilir.