47
Modelovanje i Simulacija Komunikacionih Sistema Uvod MiSKS ‐ M. Narandžić, KTiOS, DEET, FTN, UNS

Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

  • Upload
    others

  • View
    10

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Modelovanje i SimulacijaKomunikacionih Sistema

Uvod

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 2: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Glavne reference:

• [1] M. C. Jeruchim, P. Balaban, and K. S. Shanmugan: Simulation of Communication Systems, 2nd ed. ‐Modeling, Methodology, andTechniques, KluwerAcademic Publishers, 2002

Page 3: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Uvod• Simulacije se bave imitacijom nekih 

aspekata rada komunikacionih sistema. 

• Digitalni računari omogućuju korišćenje apstrakcija: ukoliko je svaki element fizičkog sistema predstavljen matematičkim (software‐skim) modelom, računar služi kao „laboratorija“ za  rad (podešavanja) sa pojedinačnim blokovima u okviru sistema kao celine.  

• Motivacija:– Pojava većeg broja novih tehnologija 

(brz i jeftin DSP hardware, prenos svetlosnim vlaknima, integrisani optički uređaji i monolitna mikrotalasna integrisana kola) povećava kompleksnost komunikacionih sistema kao i  vreme i trud potreban za njihovu analizu i projektovanje (dizajn).

– Potreba da se nove tehnologije uključe brzo u komercijalne proizvode zahteva da projektovanje bude realizovano pravovremeno, na cenovno efikasan i jednostavan (effort‐free) način. Ove zahteve je moguće ostvariti jedino kroz upotrebu moćnih alata za analizu i projektovanje koji su zasnovani na podršci računara (computer‐aided). 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 4: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Komunikacioni sistem• Sistem koji je namenjen za prenos 

informacija koje imaju analognu ili digitalnu prirodu. 

• KS se odnosi na:– globalnu komunikacionu mrežu, – geosinhrone komunikacione 

satelite, – zemaljski mikrotalasni prenosni 

sistem, ili– ugrađeni modem (W/LAN karticu) 

u ličnom računaru (PC)

• The manifestation of the transmission at the receiver is generally in the form of a continuous waveform which is processed to recover the original information. 

• Systems can be represented by a block diagram whose individual blocks describe typical functions or generic operations. – We shall spend some time 

describing such generic blocks and the considerations related to their simulation.

• A hierarchical view that is often used to describe communication systems is shown in Figure.  

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 5: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Primeri komunikacionih sistema

• Komunikacija od mobilnogtelefona do bazne stanice u mobilnom ćelijskom sistemu

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 6: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Primeri komunikacionih sistema

• Komunikacija od Pad‐a ili Laptop‐a do Wi‐Fi Access Point‐a

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 7: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Primeri komunikacionih sistema• Komunikacija od senzora do senzora ili od senzora do gejtveja u bežičnoj senzorskoj mreži

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 8: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

ADEKVATNOST SIMULACIJA ZA PROJEKTOVANJE KS

UVOD

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 9: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Adekvatnost simulacija za projektovanje KS 1/3

• Performanse komunikacionog sistema je moguće proceniti korišćenjem:– analitičkih izračunavanja, koja su 

zasnovana na primeni formula (formula‐based calculations), 

– simulacijom na nivou talasnih oblika, tj. prenošenih signala, ili

– kroz hardware‐ske izvedbe(prototyping) i merenja. 

• Ovi metodi NISU međusobno isključivi: najbolji pristup je često onaj koji kombinuje sva tri metoda.

• Simulacije nasuprot analizi – Pre rasprostranjene primene simulacija 

za početnu analizu  i projektovanje komunikacionih sistema korišteni su uobičajeni analitički metodi. Ti analitički metodi nastoje da utvrde matematičke izraze (formule) koji dovode u vezu različite parametre sistema sa posmatranim pokazateljima performansi (performance metrics). 

– Za većinu realnih sistema neophodno je koristiti različite aproksimacije i uprošćavanja kako bi analizu bilo moguće sprovesti analitičkim alatima. Simulacije u opštem slučaju nisu opterećene faktorima koji čine analizu problematičnom. Stoga analitičke i simulacione alate treba tretirati kao međusobno komplementarne:najefikasnije tehnike za procenu performansi kombinuju analitičke i simulacione metode. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 10: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Adekvatnost simulacija za projektovanje KS 2/3

• Performanse komunikacionog sistema je moguće proceniti korišćenjem:– analitičkih izračunavanja, koja su 

zasnovana na primeni formula (formula‐based calculations), 

– simulacijom na nivou talasnih oblika, tj. prenošenih signala, ili

– kroz hardware‐ske izvedbe(prototyping) i merenja. 

• Ovi metodi NISU međusobno isključivi: najbolji pristup je često onaj koji kombinuje sva tri metoda.

• Procena performansi koja koristi merenja na hardware‐skimprototipovima predstavlja tačnu i kredibilnu metodu, koja je korisna u kasnijim fazama projektovanja kada su moguća projektna rešenja ograničenja na manji broj mogućnosti (podskup). 

• Ovakav pristup je u principu veoma skup, vremenski zahtevan i nije fleksibilan (prilagodljiv). Jasno je da ovaj postupak nije moguće koristi na početku projektnog ciklusa (design cycle) kada postoji mnogo projektnih alternativa. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 11: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Adekvatnost simulacija za projektovanje KS 3/3

• Sa pristupom koji je zasnovan na simulacijama:– sistem može biti modelovan 

(predstavljen) sa skoro proizvoljnim nivoom detaljnosti (pod izvesnim ograničenjima) i prostor rešenja je moguće istraživati na precizniji način u odnosu na pristupe koji koriste matematičke formule ili merenja. 

– moguće je jednostavno kombinovati matematičke i empirijske modele, i uključiti izmerene karakteristike uređaja i stvarnih signala u analizu i projektovanje. 

• Pristup koji je zasnovan na simulacijama može poslužiti kao razvojno okruženje za analizu i projektovanje komunikacionih i sistema za obradu signala koje omogućuje brzu izvedbu prototipova (rapid prototyping). U okviru takvog okruženja je moguće kombinovati softverske modele sa hardware‐skim podacima i stvarnim signalima kako bi se došlo do rešenja koja su pravovremena, povoljna i bez grešaka. 

• Osnovni nedostatak simulacionogpristupa je računska kompleksnost, koja može biti umanjena pažljivim izborom tehnika za modelovanje i simulaciju. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 12: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

HIJERARHIJSKA DEKOMPOZICIJA KS U SIMULACIJAMA

UVOD

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 13: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Hijerarhijska dekompozicija KS u simulacijama 1/4

• Sisteme je moguće predstaviti blok dijagramom čiji pojedinačni blokovi opisuju tipične funkcije ili generičke operacije. – Bavićemo se opisom takvih 

generičkih blokova i razmatranjima vezanim za njihovu simulaciju. 

• Hijerarhijski prikaz koji se često koristi za opis komunikacionog sistema prikazan je na slici.  

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 14: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Hijerarhijska dekompozicija KS u simulacijama 2/4

• Na mrežnom nivou (network‐level), tok paketa i poruka kroz mrežu simulira se korišćenjem simulatora upravljanog događajima (event‐driven), performanse se izražavaju mrežnom protokom (throughput),vremenom odziva (response time), aupotrebljeni resursi se izražavaju u funkciji od mrežnih parametara kao što su brzina procesora, veličina memorije/bafera (buffer) u čvorovima i kapaciteti pojedinih veza (linkova). 

• Mrežne simulacije se koriste kako bi se ustanovile specifikacije (zahtevi) za procesore, protokole i komunikacione veze. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 15: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Komunikacioni sistem 3/4• Komunikacione veze (linkovi) bave se prenosom 

talasnih oblika (signala) koji sadrže informacije preko različitih tipova komunikacionih kanala – slobodan prostor, kablovi, žice, optička vlakna, itd. 

• Za digitalni prenosni sistem, performanse komunikacione veze izražavaju se preko broja grešaka u prenosu, pri čemu se pokazatelj performansi ‐ procenat pogrešno prenetih bita  (bit error rate) procenjuje na osnovu simulacije toka signala koja koristi modele funkcionalnih blokova kao što su modulatori (modulators), koderi(encoders), filtri (filters), pojačavači (amplifiers) i kanali (channels). 

• Simulacije na nivou jedne veze (link‐level simulations) koriste se za proveru da li projektovana veza zadovoljava ciljne specifikacije koje su definisane (zahtevane) od strane mrežnog nivoa.– Pokazatelji performansi (performance parameters)

dobijeni simulacijama na nivou veze prosleđuju se simulatoru na mrežnom nivou kako bi se proverile performanse celokupne mreže. 

• Ovaj kurs se fokusira na simulaciju komunikacione veze na nivou talasnih oblika (signala) što predstavlja srednji sloj na slici.

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 16: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Hijerarhijska dekompozicija KS u simulacijama 4/4

• Donji sloj na slici bavi se implementacijom komponenti kao što su filtri ili ekvalizatorikorišćenjem analognih ili digitalnih tehnologija. 

• Simulatori električnih kola poput Spice‐a ili digitalni simulatori kao HDL(Hardware Description Language) se koriste da simuliraju, provere funkcionalnost, i opišu ponašanje pojedinih komponenti. 

• Simulacije na nivou veze (link‐level simulations) definišu specifikacije za implementaciju, a simulacije na implementacionom nivou se koriste da formiraju modele ponašanja koji se vraćaju nazad na nivo veze. – Primer modela ponašanja jeste 

prenosna funkcija za filtar. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 17: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

SIMULACIJA KS NA NIVOU SIGNALAUVOD

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 18: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Simulacija KS na nivou signala 1/4‐ Primer ‐

• Pojednostavljeni model prikazuje samo podskup funkcionalnih blokova koji postoje u tipičnom digitalnom komunikacionom sistemu. 

• Procenjujemo performanse verovatnoće greške (error‐rate)u posmatranom sistemu u zavisnosti od parametara: – filtra (red i propusni opseg), – nelinearnog pojačavača (nonlinear 

amplifier): nivo zasićenja (saturation level) ili vršna snaga(peak power) i radna tačka (operating point), i 

– odnosa signal‐šum (signal‐to‐noise ratio) za dva izvora Gausovog(Gaussian) šuma. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems ‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 19: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Simulacija KS na nivou signala 2/4‐ Primer ‐

• Analitička procena performansi ovog sistema komplikovana je zbog prisustva nelinearnosti i filtra:– Filtri za ograničavanje propusnog 

opsega (bandlimiting filters) unose među‐simbolsku interferenciju (intersymbol interference), a postojanje šuma pre nelinearnosti dovodi do pojava koje nisu Gausovske i nisu aditivne, te su veoma komplikovane za opis i analizu. 

• Određene aproksimacije je moguće načiniti na osnovu zanemarivanja uticaja filtra koji prethodi nelinearnosti. Dalje je moguće kombinovati oba izvora šuma i smatrati da je njihov združeni utical aditivan i Gausovski. – Navedena i druga pojednostavljenja, 

mada korisna za inicijalnu (“first‐order”) procenu sistemskih performansi često nisu dovoljno tačna za sprovođenje detaljne analize za optimizaciju performansi (performance tradeoff analysis).  

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems ‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 20: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Simulacija KS na nivou signala 3/4‐ Primer ‐

• Simulacioni koraci: 1. Generiši signale 

(waveforms) tj. uzorke (sampled values) ulaznih procesa (izlazi izvora informacija i dva procesa šuma). 

2. Propusti (obradi) ove uzorke kroz modele filtrai nelinearnosti i generiši uzorke na izlazu sistema. 

3. Proceni verovatnoću greške na osnovu poređenja simulacionihvrednosti ulazne sekvence i izlaznog signala (output waveform).

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems ‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 21: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Simulacija KS na nivou signala 4/4‐ Primer ‐

• Primeri/prikaz simulacionih signala: dijagram oka (eye diagram), signalna konstelacija (signal constellation ‐ I/Q Plot), spektralna gustina snage (power spectral density) …

• Krive osetljivosti (sensitivity curves) –zavisnost verovatnoće simbolske greške od odnosa signal‐šum (SER vs SNR), koje pokazuju odnos između pokazatelja performansi (verovatnoća greške) i projektnih parametara kao što su radna tačka pojačavača i propusni opseg prijemnog  filtra.

• Performanse svakog komunikacionog sistema određene su sa dva važna faktora: odnosom signal‐šum (SNR) i akumuliranim signalnim izobličenjima (distortions).

• “Optimalna” vrednost propusnog opsega bira se na osnovu krive osetljivosti performansi (performance sensitivity curves): manje vrednosti propusnog opsega prijemnog filtrasmanjuju uticaj šuma i povećavaju izobličenje signala, dok veće vrednosti propusnog opsega povećavaju snagu šuma i smanjuju izobličenje signala. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems ‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 22: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

PRIMENA SIMULACIJA U PROJEKTOVANJU KS

UVOD

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 23: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Primena simulacija u projektovanju komunikacionih sistema

• Simulacije mogu biti od značaja u svim fazama (životnog ciklusa) u okviru projektovanja i inženjeringa komunikacionih sistema, počevši od inicijalnog stadijuma za konceptualna rešenja, preko različitih stadijuma realizacije, testiranja, do puštanja u rad.

I. Početna (rana) faza: Parametri (SNR i izobličenja signala) mogućih sistema dobijaju se na osnovu jednostavnijih modela ili pretpostavki zasnovanih na prethodnim iskustvima. Ukoliko polazni dizajn zadovoljava ciljane performanse, moguće je preći na narednu fazu. U suprotnom će biti neophodno modifikovanje topologije potencijalnog projektnog rešenja (kandidata).

II. Analiza kompromisnih rešenja (tradeoff studies): Razvoj detaljne specifikacije za podsisteme i komponente omogućuje proveru signalnih izobličenja i definiše detaljne zahteve za razvoj hardware‐skih komponenti.

III. Polazni razvoj hardware‐a: Izmerene karakteristike kritičnih podsistema/komponenti koje uključuju rizične ili nove tehnologije koriste se u simulacijama kako bi se proverile performanse sistema „s‐kraja‐na‐kraj“. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 24: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Primena simulacija u projektovanju komunikacionih sistema

• Ukoliko simulacije daju odgovarajuće vrednosti za pokazatelje performansi, tada se realizuje i ostatak  hardware‐skihkomponenti, kreira se („ožičava“) hardware‐ski prototip čitavog sistema koji se potom testira. U suprotnom, zahtevi se menjaju i pojedini delovi projektnog rešenja se rade iznova.– Simulirani oblici signala mogu verno da 

prikazuju signale koji postoje u okviru stvarnog sistema. Stoga je moguće koristiti signale dobijene simulacijom kao test signale u okviru stvarnog sistema, i obrnuto: koristiti stvarne signale u okviru simulacija. Ova bliska veza na signalnom nivou omogućuje da se u simulacije jednostavno uključe izmerene vrednosti koje karakterišu uređaje, kao što su frekvencijski odziv filtra ili prenosna karakteristika pojačavača.

IV. Radni režimi (operational scenarios): Test rezultati dobijeni na osnovu realizovanog hardware‐skogprototipa se koriste za validaciju(potvrdu ispravnosti) simulacionogmodela. Potvrđen (validated) simulacioni model može biti upotrebljen za:– Procenu performansi u toku životnog 

veka (EOL ‐ End‐Of‐Life)– Lokalizaciju grešaka (trouble shooting)– Ispitivanje hipotetičkih situacija (“what 

if” scenarios).

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 25: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Mesto simulacija u inženjeringu KS

I faza (Početna/rana faza): • Proces započinje sa stadijumom “definisanja 

koncepta”, gde se definišu karakteristike na najvišem hijerarhijskom nivou, kao što je brzina prenosa (digitalni protok), kvalitet veze, raspoloživost (availability), način povezivanja (connectivity), itd. 

I

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems ‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 26: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Mesto simulacija u inženjeringu KS

II faza (Analiza kompromisnih rešenja): • Aspekt odnosa signal‐šum (SNR)  u komunik. 

vezi izražava se kroz budžet veze (linkbudget), koji međutim nije jedini kvantitet od interesa za simulacije. 

• Izobličenje (distorzija) oblika signala odnosno aspekt tačnosti je onaj koji se razmatra u okviru simulacija: simulacije su osmišljene tako da utvrde degradaciju koju unosi pretpostavljeni sistem. 

• Zajedno sa polaznim budžetom veze, ta informacija nam govori da li je moguće ostvariti vezu (link closure): situacija u kojoj su i parametri SNR‐a i izobličenja prihvatljivi, tj. željene performanse mogu biti ostvarene. – Ukoliko to nije slučaj, tada je 

potrebno izmeniti polazni budžet veze i parametre izobličenja i ponoviti postupak. 

I II

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems ‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 27: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Mesto simulacija u inženjeringu KS

III faza (Razvoj polaznog/demonstracionoghardware‐a)• Ovaj hardware ima tri osnovne namene:

– Daje indikaciju jednostavnosti/kompleksnosti zadovoljenja polaznih specifikacija i pruža mogućnost dovođenja tih specifikacija u „konačan“ oblik. 

– U isto vreme, taj hardwaremože biti osnova za validaciju(utvrđivanje ispravnosti) simulacija. Stepen poklapanja rezultata dobijenih na osnovu hardware‐a i simulacija daje argumente za konstatovanje da li je simulacija ispravna (“valid”)u odnosu na konkretan sistem.

– Izrada ili dopuna baze podataka za konkretan tip opreme

I II III

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems ‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 28: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Mesto simulacija u inženjeringu KS

IV faza (Radni režimi):• Baze podataka za opremu (uređaje/komponente) 

važne su za definisanje profila sa opsezima očekivanog ponašanja za tu opremu.

• Te informacije, zajedno sa očekivanim (predviđenim)  efektima starenja i okruženja, dopuštenim greškama merenja, i u kombinaciji sa konačnim parametrima izobličenja, čine bazu za formiranje modela „sa pedigreom“ (poznate istorije) koji je zasnovan na specifikacijama.

• Ovo znači da takav model istovremeno zadovoljava sva ograničenja zadata kroz specifikacije i da u isto vreme ima detaljne karakteristike koje „podsećaju“ na stvarnu opremu. 

• Ovakav hipotetički sistem čini bazu za procenu performansi do kraja životnog ciklusa (EOL). Njegove karakteristike se uključuju u simulacije, koje daju procenu performansi. Dobijene procene u sprezi sa konačnim budžetom veze, pokazuju da li je moguće ostvarivanje (closure) veze željenog kvaliteta. To, u određenoj meri, potvrđuje ispravnost dizajna sistema, ali ne predstavlja validacijusimulacija po sebi (per se). – Naravno, ukoliko željena veza nije 

ostvariva, proces se ponavlja (iterira) do postizanja ostvarivog rešenja. 

I II III

IV

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Jeruchim et al. Simulation of Communication Systems ‐ 2nd ed., Kluwer, 2000

Page 29: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Mesto simulacija u inženjeringu KSSpecifikacija parametera životnog ciklusa (EOL)

• Promene karakteristika :– Karakteristike opreme će se 

promeniti (u opštem slučaju pogoršati) sa starenjem, temperaturom, vlažnošću, i možda drugim faktorima. 

– poluprovodničke komponente (solid‐state devices) ili cevi razdešavaju se (degrade with tune) u toku rada. 

– Proticanje vremena takođe uzrokuje postepenu koroziju, pucanje, taloženje ostataka, itd.

– Uticaj okolnog zračenja može oštetiti ili promeniti ponašanje opreme. 

• Samo komunikaciono okruženje tj. „kanal“ takođe prouzrokuje nekontrolisane uticaje.– Vremenski uslovi imaju 

višestruko dejstvo, kao što je slabljenje ili izmena polarizacije duž prenosnog puta, formiranje leda na antenama, uticaj kiše na antenski zaštitni omotač (radom) i promena (odstupanje od optimalne) usmerenosti antene usled vetra.

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 30: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Mesto simulacija u inženjeringu KSSpecifikacija parametera životnog ciklusa (EOL)

• Postoji dakle mnoštvo uticaja koji su u suštini nepredvidljivi, izuzev možda u statističkom smislu. 

• Odgovarajući pristup jeste zadavanje EOL specifikacija za skup parametara koji najznačajnije utiču na performanse sistema, ali možda ne kontrolišu u potpunosti te performanse.– Ovaj skup parametara treba da 

bude što manji kako bi se pojednostavili postupci  sinteze i testiranja/verifikacije, a odabrani parametri moraju biti dostupni za merenja u svim stadijumima razvoja sistema.

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 31: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

SIMULACIONO OKRUŽENJEUVOD

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 32: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Simulaciono okruženje• Za realizaciju simulacija potrebno 

je  modele pretvoriti u programe koji se potom izvršavaju u okviru software‐skog okruženja. 

• Metodologija simulacija obuhvata dve šire klase: jedna od njih se bavi sadržajem problema a druga mehanikom problema (tehničkim aspektima).  – eng: The methodology of 

simulation can be viewed as addressing two broad topic areas, one of which we might regard as dealing with the content of the problem and the other with the mechanics of the problem.

• “mehanika” simulacija, odnosi se na implementaciju računskog procesa, koja u principu može biti nezavisna od konkretnog problema. 

• Ono što ovde nazivamo okruženjem jeste kombinacijasoftware‐skih i hardware‐skihresursa koja omogućava da se u okviru date klase jednostavno i brzo definiše (postavi, uobiči) problem. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 33: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Simulaciono okruženje• Simulacije na signalnom nivou 

koriste se od  izuma analognih računara u 1940‐tim:– Prvobitno su korišteni za 

simuliranje ponašanja kontrolnih sistema u avionima i sistema naoružanja.

• Analogni računar je bio simulator kontinualnih sistema sačinjen od (linearnih inelinearnih) modularnihkomponenti koje su spajane preko razvodne table (patchboard) u konfiguraciju blok dijagrama koji predstavlja sistem.

• Razvoj digitalnih računara velike brzine, kao i raspoloživost memorija velikog kapaciteta omogućili su njihovu primenu u simulacijama. Ovaj razvoj je otvorio oblast modelovanja za nove discipline kao što su numerička analiza i programiranje.

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 34: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Simulaciono okruženje• Na početku upotrebe simulacija 

za analizu i projektovanje komunikacionih sistema, uobičajeni pristup bio je pisanje prilično dugih simulacionihprograma koji su specifični za konkretan problem (problem‐specific), otklanjanje grešaka (debugging) i izvršavanje na mainframe platformi, i analiza rezultata. 

• Izlazi simulacionih programa često su bile nebrojene stranice numeričkih rezultata organizovanih u vidu tabela (tabulated).

• Veoma malo pažnje poklanjano je mogućnosti ponovne upotrebe programa (reusability) ili stvaranju simulacionog okruženja koje može koristiti veći broj korisnika ili može biti prilagođeno (reconfigured) za rešavanje njihovih problema.

• Međutim, u gotovo svim situacijama poželjno je stvaranje okruženja koje nije vezano za konkretan problem (problem‐independent) već može biti korišteno za veći broj problema u okviru neke šire klase. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 35: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Simulaciono okruženje• Razvoj software‐skih i

hardware‐skih tehnologija, pre svega radnih stanica (workstation) i personalnih računara (PC), omogućio je razvoj integrisanih i interaktivnih okruženja za simulacije, okruženja u kojima je moguće kombinovati software‐skemodele, hardware‐skepodatke i signale u cilju brzog razvoja prototipova i projektovanja naprednih komunikacionih sistema. 

• Detaljnije gledano, simulaciono okruženje sačinjeno je od software‐skog okruženja za razvoj simulacionih programa ihardware‐skog okruženjaza smeštanje, izvršavanje i prikaz rezultata simulacionog programa.– Tekuća generacija radnih 

stanica i PC‐ja nudi integrisnahardware‐sko/software‐skaokruženja, u kojima jasno   razlikovanje ovih komponenti nije uvek moguće. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 36: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Hardware‐sko okruženje• Interaktivna i grafička priroda analize 

i projektovanja zahteva računarsku platformu sa velikim grafičkim ekranom visoke rezolucije, brzim ulazima/izlazima (I/O), zadovoljavajućim procesorskim i smeštajnim mogućnostima, kao i dobrom mrežnom podrškom koja omogućava deljenje baza podataka ili (po potrebi) distribuiranu obradu na više stanica.

• Postojeća generacija radnih stanica i PC računara (koje se međusobno sve manje razlikuju) poseduje potrebne performanse i stoga predstavlja adekvatan izbor za implementaciju simulacionih paketa. 

• Interaktivno računsko okruženjeradnih (PC) stanica u kombinaciji sa grafičkim pristupom u razvoju modela i upotreba kontekstnih (popup) menija i podrška radu sa mišem obezbeđuju jednostavan i produktivan korisnički interfejs. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 37: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Hibridne simulacije (Hardware in the Loop)Uključivnje stvarnog hardware‐a u simulacije

• Umesto korišćenja apstraktnog modela, moguće je uključiti deo stvarnog hardware‐a u simulacije.

• Upotreba namenskog  hardware‐a za obradu signala (DSP, FPGA) kako bi se ubrzale simulacije, u odnosu na radne stanice ili personalne računare (PC) opšte namene.

• Stendardizovani komunikacioni sistemi poput GSM/UMTS/LTE/Wi‐Fi/DVB‐x su posebno pogodni za hibridne simulacije: 

– Standardi definišu predajne signalei referentne modele kanala: Oštećenja nastala u toku prenosa, kao što su propagacija po više putanja, feding, šum i interferencija, moguće je jednostavno uključiti na kontrolisan način. 

– Prijemni algoritmi se realizuju na namenskom hardware‐u (DSP/FPGA).• U toku rane faze projektovanja,

prijemni algoritmi se izvršavaju na radnoj stanici koristeći aritmetiku sa pomičnim zarezom (floating‐point)  u“simulacionom” modu.

• Nakon verifikacije kod se spušta (“downloaded”) na stvarni procesor.

Software Defined RadioMiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 38: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Software‐sko okruženje• Prvi korak u simulaciji je stvaranje 

računarskog programa (obično nazivanog simulacioni “kod”), 

• Simulacioni KOD obično se sastoji od „glavnog programa“ koji opisuje nivo sistema i  povezuje skuppotprograma ili modela različitih functionalnih blokova koji su prethodno programirani i sačuvani u jednoj ili više biblioteka modela.

• Deo za izradu/konfiguraciju modela  (model builder/configurator) služi zaodabir i povezivanje blokova iz biblioteke u željenu topologiju na način koji je određen blok dijagramom sistema koji se simulira.

• Parametri različitih functionalnihblokova zadaju se ili prilikom konfiguracije sistema ili pre pokretanja simulacije. Dodatno u odnosu na projektovane parametre,pre pokretanja simulacije neophodno je podesiti vrednosti  simulacionihparametara kao što su dužinasimulacije, brzina uzorkovanja, ilipočetne vrednosti (seeds) za generator slučajnih brojeva.

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 39: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Software‐sko okruženje

• U toku izvršne faze (ili“simulacije”), generišu se uzorci signala, obrađuju i smeštaju (memorišu).

• Naknadna obrada (Postprocessing): – Signali i procenjeni pokazatelji performansi koji su određeni (izračunati) u toku simulacija se analiziraju nakon završetka simulacija.

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 40: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Software‐sko okruženjeKarakteristike

• Hijerarhija: složeni modeli mogu biti sačinjeni od veoma jednostavnih konstruktivnih blokova koje je jednostavno programirati (kodovati) i testirati.– osnovni konstruktivni blokovi: sabirači, 

množači i integratori mogu biti iskorišteni za izradu uređaja (modulatori, filtri, tid.), od kojih će biti sačinjeni predajnici i prijemnici.

– projektant sistemskog nivoa (komunikacione veze) ne mora da se bavi detaljima implementacije filtra.

• Modularnost• Prenosivost (Transportability):

simulacionih paketa i programa sa jedne hardware‐ske platforme na drugu.

• Integrisano i grafičko (interaktivno) okruženje.

• Korisnički interfejs (interface):– komandni i kontekstni (popup) meniji– on‐line pomoć (podstiče ponovnu 

upotrebu modela i deljenje)– provera grešaka (error checking)– upravljanje bazama podataka (database

manager): organizacija, odlaganje (storage), i povrat (retrieval)simulacionih modela, rezultata, i projektnih iteracija• provera doslednosti (consistency

checking): vodi se evidencija o izmenama i revizijama modela i obezbeđuje da su svi unosi (enitieti) u bazi podataka dosledni (konzistentni).

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 41: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Software‐sko okruženjeKomponente 1/3

• Ove komponente su integrisane (povezane) u jedinstveno okruženje sa odgovarajućim korisničkim interfejsom:

• Biblioteke modela (Model Libraries):prethodno programirani modeli koji opisuju ponašanje funkcionalnih blokova u sistemu. – Korisnost (usefulness) biblioteke modela 

izražava se kroz kvalitet i kvantitet modela, način predstavljanja modela (hijerarhijski ili u jednoj ravni (planar)), jednostavnošću proširenja, postojanjem on‐line dokumentacije,   on‐line pomoći, podataka za validaciju.

– Modeli treba da budu ponovljivi (reentrant)(tj. da se dozvoljava upotreba više istih modela u okviru simulacije) i treba da postoji mogućnost za inicijalizaciju ili uslovno izvršavanje u zavisnosti od kontrolnih signala „zadrži“ (hold) ili „omogući“ (enable). 

– Naredna poželjna karakteristika jeste sposobnost da se modeli izvršavaju u različitim režimima (obrada po blokovima ili uzorak‐po‐uzorak). U drugom slučaju, svaki poziv modela prihvata jedan uzorak na svim svojim ulazima i generiše po jedan uzorak na svim svojim izlazima. U blokovskom režimu modeli uzimaju sekvencu (vektor) uzoraka sa svih svojih ulaza i proizvode sekvence izlaznih uzoraka. Obrada po blokovima povećava računsku efikasnost i u kombinaciji sa funkcionalnošću „omogući“, obezbeđuje metod za upotrebu uzorkovanja na više brzina   (multirate sampling). 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 42: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Software‐sko okruženjeKomponente 2/3

• Konstruktor/konfigurator modela (Model Builder/ Configurator): izbor sastavnih delova iz biblioteka, njihovo povezivanje i izvoz (exporting) vrednosti parametara na naredni hijerarhijski nivo.– Poželjne osobine za konfigurator

modela jesu podrška fleksibine(proizvoljane) topologije, hijerarhijskastruktura, ponavljanje struktura, opis topologije pomoću blok dijagrama ili višeg programskog jezika, jednostavno rukovanje parametrima, uključujući mogućnosti da se unesu izrazi za vrednosti parametara i izvoz (floating), on‐line dokumentacija i pomoć, prijava grešaka u toku izmene i provera konzistentnosti. 

• Deo za upravljanje simulacijom (Simulation Manager): prevodigrafički simulacioni model u izvršni program (npr., C ili C++), povezuje ih sa odgovarajućim bibliotekama modela, izvršava i skladišti rezultate simulacija.– Dozvoljava korisnicima sakupljanje 

signala i simulacionih rezultata za modele sa različitih hijerarhijskih nivoa,

– poželjno je da deo za upravljanje simulacijom daje indikaciju statusa (npr. broj obrađenih uzoraka), mogućnost da se simulacija zaustavi, uvid u međurezultate simulacije, i ponovno pokretanje (restart) simulacije. 

– Deo za upravljanje simulacijom treba da nadgleda daljinsko i distribuirano izvršavanje simulacija na različitim procesorima/računarima domaćinima (host processors).   

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 43: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Software‐sko okruženjeKomponente 3/3

• Deo za naknadnu obradu (Postprocessor): rutine za naknadnu obradu jesu one koje omogućuju korisniku da prikaže rezultate simulacije :– prikazi u vremenu (time plots), prikazi u 

spektra (spectral plots), dijagrami oka (eye diagrams), dijagrami smetnji (scatter diagrams), signalne kontelacije, X – Y prikazi, krive verovatnoće greške, histogrami, među‐korelacione i autokorelacione funkcije.

– automatsko skaliranje i označavanje, pomeranje (panning) i uveličavanje (zooming), višestruki prikazi, preklapanja (overlays) i umetanja (inserts), prikaz dodatnih informacija kao što su vrednosti parametara, i mogućnost štampanja (generation of hard copies). 

– Grafička obrada prikaza (skaliranje, isecanje(cutting) i lepljenje (pasting), itd.)   

• Deo za upravljanje bazama podataka (Database Manager): vođenje evidencije o modelima, izmenama, istoriji projektovanja i iteracijama.– Održava modele, simulacione rezultate i 

druge podatke u jednoj ili više baza podataka. – Potrebno je da poseduje deo za proveru 

doslednosti (konzistentnosti) a takođe je poželjno da poseduje podršku za distribuirane baze podataka. 

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 44: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Software‐sko okruženjePrimeri

• Tekuća generacija simulacionih software‐skihpaketa (SPW/System Studio, MATLAB/ SIMULINK i drugi) nudi interaktivne, grafičke, korisnički‐prilagođene (user‐friendly) platforme za razvoj simulacionihhijerarhijskih modela koristeći prikaz grafičkih blokova i dozvoljavajući korisnicima da konfigurišu i izvršavaju simulacije na nivou signalnih oblika, pogledaju rezultate simulacija i načine projektne iteracije.

• Ovi alati takođe podržavaju upravljanje bazama podataka, on‐line pomoć, on‐linedokumentaciju, kao i druge usluge (services) i karakteristike (features). – Ove karakteristike minimizuju napore koje je 

potrebno uložiti u stvaranje i korekciju (debugging) simulacionih programa, i drugih prizemnih (mundane) detalja koji se odnose na mehaniku simulacija komunikacionih sistema. 

• Sa dostupnošću poslednje generacije ovakvih simulacionih platformi , pažnja se usmerava na važna pitanja kao što je modelovanje isimulacione tehnike, procena pokazatelja performansi, i računska (computational) efikasnost.

• Ovaj kurs se fokusira na tehnike modelovanja i simulacije, formulaciju problema i upotrebu simulacija za analizu performansi predloženog projektnog rešenja, a ne za izradu simulacione platforme ili alata za tu namenu. 

• Mnogi komercijalni paketi kao SPW/SystemStudio, MATLAB/ SIMULINK obezbeđuju interfejse ka mrežnim simulatorima i veze ka dizajnu elektronskih kola i drugim implementacionim alatima. Neki od ovih interfejsa će biti kratko opisani, ali je detaljnije razmatranje mrežnih simulatora i veza ka implementacionim alatima izvan dometa ovog kursa.

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 45: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Communication System Toolbox• Ovaj skup alata nudi konstelacione i dijagrame oka, 

bitsku verovatnoću greške, i duge alate za analizu i validaciju (proveru ispravnosti) razmatranog projektnog rešenja. Ovi alati omogućuju analizu signala, prikaz (vizuelaizaciju) karakteristika kanala, i određivanje pokazatelja performansi kao što je su odstupanja u signalnoj konstelaciji (EVM ‐ ErrorVector Magnitude). Modeli kanala i RF oštećenja i kompenzacioni algorimi, poput sinhronizacije nosioca i digitskog takta, omogućuju realistične modele zadate komunikacione veze (link‐level specifications) i kompenzaciju nepoželjnih degradacija koje unosi kanal.

• Pomoću dodatnih paketa iz Communications System Toolbox‐a za podršku hardware‐a, moguće je povezati modele predajnika i prijemnika na radio uređaje i izvršiti proveru modela veze na osnovu testova koji uključuju prenos radio‐putem (over‐the‐air testing). Ovaj skup alata podržava aritmetiku nepomičnog zareza (fixed‐point) i generaciju C iliHDL koda.

• Algoritmi su dostupni u formi MATLAB funkcija, sistemskih objekata, i Simulink blokova.

• http://www.mathworks.com/videos/communications‐system‐toolbox‐overview‐61875.html?type=shadow

• Communications System Toolbox™ obezbeđuje algoritme i aplikacije za analizu, projektovanje, simulacije s‐kraja‐na‐kraj, i proveru (verifikaciju)komunikacionih systema u MATLAB®‐u i Simulink®‐u. Podržani algoritmi, uključuju zaštitno kodovanje, modulaciju, MIMO, i OFDM, i omogućuju sastavljanje modela željenog sistema na fizičkom sloju. Moguće je simulirati rad modela kako bi se odredile performanse.

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 46: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

Digital Signal Processing Algorithm Design & Optimization by

• Razvoj algoritama je ključni element za primenu digitalne obrade signala (DSP ‐ digital signal processing ) u aplikacijama kao što su bežična telefonija, kodeci (koder‐dekoder) za multimediju, DSL i kablovske modeme. U velikoj meri, razvijeni algoritmi utiču na performanse i funkcionalnosti koje potom izdvajaju jedan proizvod od ostalih.

• System Studio, SPW i pridružene biblioteke DSPmodela omogućuju simulacije visokih performansi koje su upotpunjene sposobnostima za analizu i otklanjanje grešaka i stoga nude visoku produktivnost za projektante obrade signala. Kada je algoritam definisan, upotreba direktnog linka iz sinteze na  visokom nivou nudi najefikasniji put za formiranje FPGA prototipova i visoko optimizovanihhardware‐skih implementacija u okviru FPGA and ASIC platformi.

• Implementacija složenih sistema za digitalnu obradu signala za kompanije koje se bave korisničkim (consumer) uređajima, infrastrukturom, medicinom, automobilima ili vazduhoplovima i odbranompredstavlja ključni izazov, pošto se veći deo vremena za projektovanje troši na ispitivanja uticaja pojedinačnih implementacionih odluka na performanse celokupnog sistema. 

• Pristupi zasnovani isključivo na programskim jezicima (MATLAB algoritmi ili C/C++) ne ispunjavaju gornje zahteve pošto takav pristup modelovanju nije dovoljno usmeren na obezbeđivanje simulacione i implementacione produktivnosti. 

• Synopsys SPW obezbeđuje brz put od novih ideja (innovation) do implementacije za sisteme koji koriste digitalnu obradu signala. Njegovo jezgro je zasnovano na  C data flow (CDF) pristupu (paradigm) modelovanju koji omogućuje najefikasniji opis algoritama za digitalnu obradu signala koji može biti implementiran u namenskom digitalnom hardware‐u ili embedded software‐u. 

SPW

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS 

Page 47: Modelovanjei Simulacija KomunikacionihSistema

System Studio

• http://www.synopsys.com/Prototyping/VirtualPrototyping/DigitalSignalProcessing/Pages/system‐studio.aspx

• System Studio predstavlja alat visokih performansi koji koristi modele i služi za analizu i projektovanje algoritama za obradu signala. On kombinuje jedne on najboljih industrijskih simulacionih performansi sa velikom efikasnošću modelovanja i integriše implementacioni dizajn čipa (chip) i postupke verifikacije.  Vodeće komunikacione i multimedijalne kompanije oslanjaju se Synopsys' System Studio i biblioteke DSP modela za rešavanje problema projektovanja na sistemskom nivou kako bi brže stigli do željenih rešenja. Postoji velika verovatnoća da je za projektovanje modema u okviru vašeg ćelijskog (mobilnog) korišćen upravo System Studio.

MiSKS ‐ M. Narandžić,                                               KTiOS, DEET, FTN, UNS