Kursus Pelatihan Simulasi Sistem Komunikasi Nirkabel menggunakan MATLAB (Dr Shehata)

Hasil dari kursus ini

Setelah menyelesaikan kursus ini, mahasiswa seharusnya mampu menangani banyak masalah penelitian yang masih terbuka di bidang rekayasa komunikasi karena mereka seharusnya telah memperoleh setidaknya keterampilan berikut:

• Memetakan dan memanipulasi ekspresi matematika kompleks yang sering muncul dalam literatur rekayasa komunikasi
• Kemampuan menggunakan fitur pemrograman yang ditawarkan oleh MATLAB untuk mereproduksi hasil simulasi dari makalah lain atau setidaknya mendekati hasil tersebut.
• Membuat model simulasi dari ide yang diusulkan sendiri.
• Memakai keterampilan simulasi yang diperoleh secara efisien dengan kemampuan MATLAB yang kuat untuk merancang kode MATLAB yang dioptimalkan dalam hal waktu eksekusi kode sambil menghemat ruang memori.
• Mengidentifikasi parameter simulasi kunci dari sistem komunikasi tertentu, mengekstraknya dari model sistem, dan mempelajari dampak parameter-parameter ini terhadap kinerja sistem yang dipertimbangkan.

Struktur Kursus

Materi yang disediakan dalam kursus ini sangat saling terkait. Tidak disarankan bagi mahasiswa untuk menghadiri tingkat tertentu kecuali mereka menghadiri dan memahami secara mendalam tingkat sebelumnya untuk memastikan kontinuitas pengetahuan yang diperoleh. Kursus ini disusun menjadi tiga tingkat, dimulai dari pengenalan pemrograman MATLAB hingga tingkat simulasi sistem lengkap, sebagai berikut.

Matematika Komunikasi dengan MATLAB
Sesi 01-06

Setelah menyelesaikan bagian ini, mahasiswa akan mampu mengevaluasi ekspresi matematika kompleks dan dengan mudah membangun grafik yang tepat untuk representasi data yang berbeda seperti plot domain waktu dan frekuensi; plot BER, pola radiasi antena...dst.

Konsep fundamental

• Konsep simulasi
• Pentingnya simulasi dalam rekayasa komunikasi
• MATLAB sebagai lingkungan simulasi
• Tentang representasi matriks dan vektor dari sinyal skalar dalam matematika komunikasi
• Representasi matriks dan vektor dari sinyal baseband kompleks dalam MATLAB

Desktop MATLAB

• Tool bar
• Jendela perintah
• Ruang kerja
• Riwayat perintah

Deklarasi variabel, vektor, dan matriks

• Konstanta pre-defined MATLAB
• Variabel yang didefinisikan pengguna
• Array, vektor, dan matriks
• Input matriks manual
• Definasi interval
• Ruang linier
• Ruang logaritmik
• Aturan penamaan variabel

Matriks khusus

• Matriks ones
• Matriks zeros
• Matriks identitas

Manipulasi element-wise dan matrix-wise

• Akses elemen tertentu
• Modifikasi elemen
• Eliminasi selektif elemen (Truncasi matriks)
• Menambahkan elemen, vektor, atau matriks (Konekasi matriks)
• Mencari indeks elemen di dalam vektor atau matriks
• Pembentukan ulang matriks (reshaping)
• Truncasi matriks
• Konekasi matriks
• Flipping kiri ke kanan dan kanan ke kiri

Operator matriks unary

• Operator Sum
• Operator ekspektasi
• Operator Min
• Operator Max
• Operator trace
• Determinan matriks |.|
• Invers matriks
• Transpose matriks
• Hermitian matriks

Operasi matriks biner

• Operasi aritmetika
• Operasi relasional
• Operasi logika

Bilangan kompleks dalam MATLAB

• Representasi baseband kompleks dari sinyal passband dan up-konversi RF, tinjauan matematika
• Pembentukan variabel, vektor, dan matriks kompleks
• Eksponensial kompleks
• Operator bagian riil
• Operator bagian imajiner
• Operator konjugat (.)*
• Operator absolut |.|
• Operator argumen atau fase

Fungsi bawaan MATLAB

• Vektor dari vektor dan matriks dari matriks
• Fungsi akar kuadrat
• Fungsi tanda
• Fungsi "pembulatan ke integer"
• Fungsi "integer bawah terdekat"
• Fungsi "integer atas terdekat"
• Fungsi faktorial
• Fungsi logaritmik (exp, ln, log10, log2)
• Fungsi trigonometri
• Fungsi hiperbolik
• Fungsi Q(.)
• Fungsi erfc(.)
• Fungsi Bessel Jo (.)
• Fungsi Gamma
• Perintah diff, mod

Polinomial dalam MATLAB

• Polinomial dalam MATLAB
• Fungsi rasional
• Turunan polinomial
• Integrasi polinomial
• Pengalikan polinomial

Plot skala linier

• Representasi visual sinyal kontinu waktu-beramplitudo kontinu
• Representasi visual sinyal yang didekati dengan tangga
• Representasi visual sinyal diskret waktu – amplitudo diskret

Plot skala logaritmik

• Plot dB-dekade (BER)
• Plot dekade-dB (plot Bode, respons frekuensi, spektrum sinyal)
• Plot dekade-dekade
• Plot dB-linier

Plot Polar 2D

• (Pola radiasi antena planar)

Plot 3D

• Pola radiasi 3D
• Plot parametrik Kartesius

Bagian Opsional (diberikan sesuai permintaan peserta didik)

• Diferensiasi simbolik dan pengujian numerik dalam MATLAB
• Integrasi simbolik dan numerik dalam MATLAB
• Bantuan dan dokumentasi MATLAB

File MATLAB

• File script MATLAB
• File fungsi MATLAB
• File data MATLAB
• Variabel lokal dan global

Loop, kontrol alur kondisi, dan pengambilan keputusan dalam MATLAB

• Loop for end
• Loop while end
• Kondisi if end
• Kondisi if else end
• Pernyataan switch case end
• Iterasi, konvergensi kesalahan, operator penjumlahan multi-dimensi

Perintah tampilan input dan output

• Perintah input(' ')
• Perintah disp
• Perintah fprintf
• Kotak pesan msgbox

Operasi Sinyal dan Sistem
Sesi 07-14

Objektif utama dari bagian ini adalah sebagai berikut

• Menghasilkan sinyal uji acak yang diperlukan untuk menguji kinerja berbagai sistem komunikasi
• Integrasi banyak operasi sinyal elemen yang dapat diintegrasikan untuk mengimplementasikan satu fungsi pemrosesan komunikasi tunggal seperti pengkode, pengacak, interleaver, generator kode spreading...dst. di pemancar serta padanannya di terminal penerima.
• Menyambungkan blok-blok ini dengan benar untuk mencapai fungsi komunikasi
• Simulasi model kanal narrowband indoor dan outdoor deterministik, statistik, dan semi-acak

Generasi sinyal uji komunikasi

• Generasi sekuens biner acak
• Generasi sekuens integer acak
• Importasi dan pembacaan file teks
• Pembacaan dan pemutaran file audio
• Importasi dan ekspor gambar
• Gambar sebagai matriks 3D
• Transformasi RGB ke skala abu-abu
• Stream bit serial dari gambar skala abu-abu 2D
• Sub-framing sinyal gambar dan rekonstruksi

Pengkondisian dan Manipulasi Sinyal

• Skala amplitudo (gain, atenuasi, normalisasi amplitudo...dst.)
• Pergeseran level DC
• Skala waktu (kompresi waktu, penipisan)
• Pergeseran waktu (delay waktu, advance waktu, pergeseran waktu sirkular kiri dan kanan)
• Ukuran energi sinyal
• Normalisasi energi dan daya
• Penykalaan energi dan daya
• Konversi serial-ke-paralel dan paralel-ke-serial
• Multiplexing dan de-multiplexing

Digitalisasi Sinyal Analog

• Sampling domain waktu dari sinyal baseband waktu kontinu dalam MATLAB
• Kuantisasi amplitudo sinyal analog
• Pengkodean PCM sinyal analog terkuantisasi
• Konversi desimal-ke-biner dan biner-ke-desimal
• Pembentukan pulsa (Pulse shaping)
• Perhitungan lebar pulsa yang memadai
• Penyeleksian jumlah sampel per pulsa
• Konvolusi menggunakan perintah conv dan filter
• Autokorelasi dan korelasi silang dari sinyal terbatas waktu
• Operasi Fast Fourier Transform (FFT) dan IFFT
• Visualisasi spektrum sinyal baseband
• Efek laju sampling dan jendela frekuensi yang tepat
• Hubungan antara operasi konvolusi, korelasi, dan FFT
• Filtering domain frekuensi, hanya filtering low pass

Fungsi Komunikasi Bantu

• Pengacak dan pengubah-acak
• Puncture dan de-puncture
• Pengkode dan pengurai
• Interleaver dan de-interleaver

Modulator dan demodulator

• Skema modulasi baseband digital dalam MATLAB
• Representasi visual sinyal termodulasi digital

Pemodelan dan Simulasi Kanal

• Pemodelan matematika efek kanal pada sinyal yang dikirimkan
  • Penjumlahan – kanal noise Gaussian putih aditif (AWGN)
  • Perkalian domain waktu – kanal fading lambat, pergeseran Doppler di kanal kendaraan
  • Perkalian domain frekuensi – kanal fading selektif frekuensi
  • Konvolusi domain waktu – respons impuls kanal

Contoh model kanal deterministik

• Kehilangan jalur ruang bebas dan kehilangan jalur tergantung lingkungan
• Kanal Penyumbatan Berkala

Karakterisasi Statistik Kanal Multipath Fading Stasioner dan Quasi-Stasioner Umum

• Generasi RV berdistribusi seragam
• Generasi RV bernilai riil berdistribusi Gaussian
• Generasi RV kompleks berdistribusi Gaussian
• Generasi RV berdistribusi Rayleigh
• Generasi RV berdistribusi Ricean
• Generasi RV berdistribusi Lognormal
• Generasi RV berdistribusi arbitrer
• Apaproksimasi fungsi densitas probabilitas (PDF) yang tidak diketahui dari RV dengan histogram
• Perhitungan numerik fungsi distribusi kumulatif (CDF) dari RV
• Kanal noise Gaussian putih aditif (AWGN) riil dan kompleks

Karakterisasi Kanal dengan Profil Tundaan Daya

• Karakterisasi kanal dengan profil tundaan dayanya
• Normalisasi daya dari PDP
• Ekstraksi respons impuls kanal dari PDP
• Sampling respons impuls kanal dengan laju sampling arbitrer, ketidakcocokan sampling dan delay
• kuantisasi
• Permasalahan ketidakcocokan sampling dari respons impuls kanal kanal narrow band
• Sampling PDP dengan laju sampling arbitrer dan kompensasi delay fraksional
• Implementasi beberapa model kanal indoor dan outdoor yang distandarisasi IEEE
• (COST – SUI - Model Kanal Ultra Wide Band...dst.)

Simulasi Level Link Sistem Komunikasi Praktis
Sesi 15-24

Bagian kursus ini berurusan dengan isu paling penting bagi mahasiswa peneliti, yaitu bagaimana mereproduksi hasil simulasi dari makalah-makalah terbitan lain melalui simulasi.

Kinerja Bit Error Rate Skema Modulasi Baseband Digital

• Perbandingan kinerja skema modulasi baseband digital yang berbeda di kanal AWGN (studi komparatif komprehensif melalui simulasi untuk memverifikasi ekspresi teoretis); scatter plot, bit error rate
• Perbandingan kinerja skema modulasi baseband digital yang berbeda di kanal fading stasioner dan quasi-stasioner yang berbeda; scatter plot, bit error rate (studi komparatif komprehensif melalui simulasi untuk memverifikasi ekspresi teoretis)
• Dampak kanal pergeseran Doppler pada kinerja skema modulasi baseband digital; scatter plot, bit error rate
• Komunikasi Helikopter-ke-Satelit
  • Makalah (1): Sistem Suara dan Data Waktu Nyata Berbiaya Rendah untuk Layanan Satelit Mobile Penerbangan (AMSS) – Perumusan dan analisis masalah
  • Makalah (2): Penggabungan Keberagaman Waktu Pra-Deteksi dengan AFC Akurat untuk Komunikasi Satelit Helikopter – Solusi yang pertama diusulkan
  • Makalah (3): Skema Modulasi Adaptif untuk Komunikasi Helikopter-Satelit – Pendekatan peningkatan kinerja

Simulasi Sistem Spread Spectrum

• Arsitektur Tipikal Sistem Berbasis Spread Spectrum
• Sistem Berbasis Direct Sequence Spread Spectrum
• Generator Pseudo Random Binary Sequence (PBRS)
  
  • Generasi sekuens panjang maksimal
  • Generasi kode gold
  • Generasi kode Walsh
• Sistem Berbasis Time Hopping Spread Spectrum
• Kinerja Bit Error Rate Sistem Berbasis Spread Spectrum di Kanal AWGN
  
  • Dampak laju pengkodean r pada kinerja BER
  • Dampak panjang kode pada kinerja BER
• Kinerja Bit Error Rate Sistem Berbasis Spread Spectrum di Kanal Fading Rayleigh Lambat Multipath dengan Pergeseran Doppler Nol
• Analisis kinerja bit error rate sistem berbasis spread spectrum di lingkungan fading mobilitas tinggi
• Analisis kinerja bit error rate sistem berbasis spread spectrum dalam adanya interferensi multi-pengguna
• Transmisi gambar RGB melalui sistem spread spectrum
• Sistem OCDMA (Optical CDMA)
  
  • Kode ortogonal optik (OOC)
  • Batas kinerja sistem OCDMA; kinerja bit error rate sistem OCDMA sinkron dan asinkron

Sistem SS Ultra wide band

Sistem Berbasis OFDM

• Implementasi sistem OFDM menggunakan Fast Fourier Transform
• Arsitektur Tipikal Sistem Berbasis OFDM
• Kinerja Bit Error Rate Sistem OFDM di Kanal AWGN
  
  • Dampak laju pengkodean r pada kinerja BER
  • Dampak cyclic prefix pada kinerja BER
  • Dampak ukuran FFT dan spasi subcarrier pada kinerja BER
• Kinerja Bit Error Rate Sistem OFDM di Kanal Fading Rayleigh Lambat Multipath dengan Pergeseran Doppler Nol
• Kinerja Bit Error Rate Sistem OFDM di Kanal Fading Rayleigh Lambat Multipath dengan CFO
• Estimasi Kanal dalam Sistem OFDM
• Equalisasi Domain Frekuensi dalam Sistem OFDM
  
  • Equalizer Zero Forcing
  • Equalizer MMSE
• Metriik Kinerja Umum Lainnya dalam Sistem Berbasis OFDM (Rasio Puncak – ke – Rata-rata Daya, Rasio – Interferensi Carrier…dst.)
• Analisis kinerja sistem berbasis OFDM di lingkungan fading mobilitas tinggi (sebagai proyek simulasi yang terdiri dari tiga makalah)
  
  • Makalah (1): Mitigasi interferensi antar-carrier
  • Makalah (2): Sistem MIMO-OFDM

Optimasi Proyek Simulasi MATLAB

Tujuan dari bagian ini adalah mempelajari cara membangun dan mengoptimalkan proyek simulasi MATLAB untuk menyederhanakan dan mengatur proses simulasi secara keseluruhan. Selain itu, ruang memori dan kecepatan pemrosesan juga dipertimbangkan untuk menghindari masalah overflow memori di sistem penyimpanan terbatas atau waktu eksekusi lama yang timbul dari pemrosesan lambat.

• Struktur Tipikal proyek simulasi berskala kecil
• Ekstraksi parameter simulasi dan pemetaan dari teoretis ke simulasi
• Pembangunan Proyek Simulasi
• Teknik Simulasi Monte Carlo
• Prosedur Tipikal untuk Menguji Proyek Simulasi
• Manajemen Ruang Memori dan Teknik Pengurangan Waktu Simulasi
  
  • Simulasi Baseband vs. Passband
  • Perhitungan lebar pulsa yang memadai untuk bentuk pulsa arbitrer yang dipotong
  • Perhitungan jumlah sampel per simbol yang memadai
  • Perhitungan Jumlah Bit yang Diperlukan dan Cukup untuk Menguji Sistem

Pemrograman GUI

Memiliki kode MATLAB bebas dari debug dan bekerja dengan benar untuk menghasilkan hasil yang benar adalah pencapaian besar. Namun, satu set parameter kunci dalam proyek simulasi mengontrol Untuk alasan ini dan lainnya, kuliah tambahan tentang "Pemrograman Antarmuka Pengguna Grafis (GUI)" diberikan untuk membawa kontrol atas berbagai bagian proyek simulasi Anda di ujung jari daripada menyelam ke dalam kode sumber panjang penuh dengan perintah. Selain itu, memiliki kode MATLAB Anda yang ditutupi dengan GUI membantu menyajikan pekerjaan Anda dengan cara yang memfasilitasi penggabungan hasil multi dalam satu jendela induk dan membuatnya lebih mudah untuk membandingkan data.

• Apa itu GUI MATLAB
• Struktur file fungsi GUI MATLAB
• Komponen GUI utama (properti dan nilai penting)
• Variabel lokal dan global

Catatan: Topik yang dicakup dalam setiap tingkat kursus ini mencakup, tetapi tidak terbatas pada, yang tersebut dalam setiap tingkat. Selain itu, item dari setiap kuliah tertentu dapat berubah tergantung pada kebutuhan peserta didik dan minat penelitian mereka.