Рабочая учебная программа По дисциплине: Теоретические основы беспроводной связи По направлению: 010900 «Прикладные математика и физика»

Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский физико-технический институт (государственный университет)»

МФТИ (ГУ)
«Утверждаю»

Проректор по учебной работе

_______________ Д.А.Зубцов

«___»______________ 20___ г.

Рабочая УЧЕБНАЯ Программа
По дисциплине: Теоретические основы беспроводной связи

По направлению: 010900 «Прикладные математика и физика»

магистерская программа: 010974 – Телекоммуникационные сети и системы

Факультет радиотехники и кибернетики

Кафедра проблем передачи и обработки информации

Курс: 1 (магистратура)

Семестры – осенний и весенний Дифференцированный зачёт: 1 семестр

Экзамен: 2 семестр
Трудоёмкость: вариативная часть – 5 зач.ед.,

в том числе:

лекции: вариативная часть – 66 часов

самостоятельная работа: вариативная часть – 66 часов

подготовка к экзамену: вариативная часть – 1 зач.ед.
ВСЕГО АУДИТОРНЫХ часов 66
Программу составил к.т.н., доцент В.Б. Афанасьев
Программа обсуждена на заседании кафедры 28 мая 2012 года

Заведующий кафедрой А.П. Кулешов

академик РАН

Объем учетной нагрузки и виды отчетности

Вариативная часть, в том числе:	5 зач.ед.
Лекции	66 часов
Самостоятельные занятия	66 часов
Промежуточная аттестация	дифференцированный зачет в 1-м семестре магистратуры
Итоговая аттестация	экзамен во 2-м семестре магистратуры (1 зач.ед.)
ВСЕГО	5 зач.ед. (132 часа + 1 зач.ед.)

Цели и задачи дисциплины

Цель дисциплины – освоение студентами основ теории беспроводной связи.

Задачи:

фундаментальная подготовка студентов в области теории беспроводной связи;
формирование подходов к выполнению самостоятельных исследований студентами в области теории беспроводной связи.

Место дисциплины в структуре ООП магистратуры

Дисциплина «Теоретические основы беспроводной связи» включает в себя разделы, которые могут быть отнесены к вариативной части цикла М.2.

Дисциплина «Теоретические основы беспроводной связи» базируется на материалах курсов бакалавриата: базовая и вариативная часть Б.2 и Б.3 УЦ ООП.

Компетенции, формированию которых способствует освоение дисциплины

Освоение дисциплины «Теоретические основы беспроводной связи» способствует формированию следующих общекультурных и общепрофессиональных интегральных компетенций магистра:

а) общекультурные (ОК):

способность использовать на практике углубленные фундаментальные знания, полученные в области естественных и гуманитарных наук, и обладать научным мировоззрением (ОК-1);
способность ставить, формализовать и решать задачи, уметь системно анализировать научные проблемы, генерировать новые идеи и создавать новое знание (ОК-2);
способность самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности знания и умения, в том числе в новых областях (ОК-3);
способность формулировать устно и письменно свою точку зрения, владеть навыками ведения научной и общекультурной дискуссий на русском и английском языках (ОК-4);

б) профессиональные (ПК):

способность применять в своей профессиональной деятельности углубленные знания, полученные в соответствии с профильной направленностью (ПК-1);
способность ставить задачи теоретических и (или) экспериментальных научных исследований и решать их с помощью соответствующего физико-математического аппарата, современной аппаратуры и информационных технологий (ПК-2);
способность самостоятельно осваивать новые дисциплины и методы исследований (ПК-3);
способность применять современные методы анализа, представления и передачи информации, использовать пакеты прикладных программ по профилю подготовки (ПК-4);
способность определять вместе с коллективом исполнителей направления собственной научной, технической или инновационной деятельности, выбирать подходы к решению конкретных исследовательских и (или) инновационных задач (ПК-7);
способность самостоятельно и (или) в составе исследовательской группы разрабатывать, исследовать и применять математические и физические модели для качественного и количественного описания явлений и процессов и (или) разработки новых технических средств (ПК-9).

Знания, умения и навыки, формированию которых способствует освоение дисциплины

Освоение дисциплины «Теоретические основы беспроводной связи» способствует формированию комплекса знаний и навыков, благодаря которому обучающийся должен:

а) знать:

- структуру цифровых беспроводных систем передачи данных;

основы теории дискретных сигналов и каналов связи;
основы теории кодов, исправляющих ошибки;
методы каскадного построения и декодирования сложных сигналов;
сигналы и коды в системах с временным, частотным и кодовым разделением;
кодирование в системах со случайным множественным доступом;

б) уметь:

оценивать вероятностные и энергетические характеристики сигнально-кодовых конструкций;
оценивать сложность реализации кодирования и декодирования сложных сигналов;
проводить компьютерное моделирование функциональных блоков беспроводных систем передачи данных;

в) владеть:

навыком освоения большого объема информации;
навыками постановки научно-исследовательских задач и навыками самостоятельной работы.

Структура и содержание дисциплины

Лекции

№ п.п.	Тема	Число аудиторных часов	Число часов самостоятельной работы
1	Общая структура цифровых беспроводных систем передачи данных. Источники, кодеры источников, каналы, кодеры каналов, декодеры, преобразование частот.	2	2
2	Искажения сигналов и помехи, источники и характеристики помех (шумов). Формирование спектра сигналов, пропускная способность каналов.	2	2
3	Элементы теории дискретных сигналов и каналов связи. Физически реализуемые сигналы, частотное представление сигналов.	2	2
4	Дискретное преобразование Фурье. Дискретная модуляция: АМ, ЧМ, ФМ, КАМ.	2	2
5	Импульсная реакция и частотная характеристика дискретного канала. Аддитивный и мультипликативный шум, многолучевое распространение сигналов, Допплерово смещение.	2	2
6	Модели каналов беспроводной связи.	2	2
7	Основы помехоустойчивого кодирования. Коды, исправляющие ошибки: построение, декодирование и модификации кодов, границы скорость-расстояние, спектры расстояний.	2	2
8	Циклические коды: построение, свойства и декодирование. Исправление пакетов ошибок.	2	2
9	Сверточные коды. Представление кодов с помощью графов. Алгоритм декодирования Витерби.	2	2
10	Алгоритм декодирования по максимуму апостериорной вероятности. LDPC коды. Итеративные алгоритмы декодирования.	2	2
11	Каскадные кодовые конструкции. Итеративные и каскадные коды (Форни), теорема о кодовом расстоянии, коды Юстессена.	2	2
12	Обобщенные каскадные коды Блоха-Зяблова, систе системы вложенных кодов.	2	2
13	Декодирование каскадных кодов, вероятность ошибки. TURBO коды: построение и декодирование.	2	2
14	Сигнально-кодовые конструкции (кодовая модуляция). Вложенные системы сигналов в евклидовой метрике.	2	2
15	Каскадное построение сложных сигналов. Сигнально-кодовые конструкции MLCM, TCM, BICM.	2	2
16	Обобщенное каскадное построение сложных сигналов.	2	2
17	Пространственно-временные сигнально-кодовые конструкции.	2	2
18	Структура модемов беспроводной системы связи.	2	2
19	Синхронизация дискретных сигналов и кодов. Синхронизация тактовая, ФАПЧ, скремблирование. Синхронизация кодовых слов, коды с самосинхронизацией.	2	2
20	Системы с последовательной передачей элементарных сигналов. Элементарные сигналы с дискретной модуляцией, согласование с каналом.	2	2
21	Выравнивание и измерение импульсной характеристики канала. Адаптивное выравнивание канала.	2	2
22	Системы с параллельной передачей элементарных сигналов (OFDM). Системы ортогональных поднесущих с дискретной модуляцией.	2	2
23	Циклический префикс и согласование с каналом.	2	2
24	Измерение «частотной характеристики» канала и коррекция искажений.	2	2
25	Адаптивное слежение за характеристикой канала.	2	2
26	Демодуляция поднесущих. Обнаружение и коррекция Допплерова смещения.	2	2
27	Системы множественного доступа. Системы с временным и частотным разделением, OFDMA. Системы с (пространственно-временным) кодовым разделением.	2	2
28	Частотно-временные матрицы кодирования для защиты от преднамеренных помех подавления и имитации.	2	2
29	Сложность реализации некоторых элементов систем передачи и хранения. Сложность кодирования линейных блоковых и сверточных кодов.	2	2
30	Сложность некоторых алгоритмов декодирования.	2	2
31	Сложность декодера Витерби и декодирования по максимуму апостериорной вероятности.	2	2
32	Быстрое преобразование Фурье: алгоритмы и сложность.	2	2
33	Цифровые фильтры: алгоритмы и сложность.	2	2
ВСЕГО		66 часов	66 часов
ИТОГО		132 часа

Виды самостоятельной работы

№ п.п.	Темы	Количество часов
1	Изучение теоретического курса – выполняется самостоятельно каждым студентом по итогам каждой из лекций, результаты контролируются преподавателем на лекционных занятиях, используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой.	30
2	Написание курсовых работ (осенний семестр): ТЕМА 1 Название: Оптимизация конфигурации сигналов дискретной модуляции и расчет вероятности ошибки в канале с замираниями и АБГШ. Исходные данные: Число сигнальных точек. Тип конфигурации (ам, фм, кам, афм и их модификации). Размерность (число ортогональных координат). Ограничения: пик-фактор, скорость (число бит на измерение). Параметры плотностей вероятности Релея и Гаусса. Целевая функция: Максимизация минимального евклидова расстояния между сигнальными точками. Максимизация отношения минимального расстояния к средней мощности множества точек. Максимизация отношения минимального и максимального расстояний между сигнальными точками. Результаты: Конфигурация и параметры выбранного множества сигнальных точек. Вероятности ошибки (условные или средние). ТЕМА 2 Название: Построение декодера Витерби и оценка вероятности ошибки в канале с частичным откликом. Исходные данные: Конфигурация сигнальных точек. Частичный импульсный отклик канала. Характеристики шума. Результаты: Конфигурация и параметры решетки декодирования. Вероятности ошибки (условные или средние). ТЕМА 3 Название: Оптимизация структуры OFDM сигнала для заданных характеристик канала и шума. Исходные данные: Ширина спектра, число отсчетов и длительность OFDM сигнала. Частотная характеристика канала. Соотношение средней мощности сигнала и шума. Допустимая вероятность ошибки на бит. Список используемых кодов (параметры и характеристики). Используемые конфигурации дискретной модуляции. Целевая функция: Максимизация скорости передачи. Максимизация пропускной способности. Результаты: Структура OFDM сигнала. Оценки скорости передачи и вероятности ошибки на информационный бит. Оценка пропускной способности. Оценки вероятности ошибки (условные и средние).	36
3	Подготовка к дифференциальному зачету и экзамену	1 зач.ед.
ВСЕГО		66 часов + 1 зач.ед.

Образовательные технологии

№ п/п	Вид занятия	Форма проведения занятий	Цель
1	Лекция	Изложение теоретического материала	Получение теоретических знаний по дисциплине
2	Самостоятельная работа студента	Самостоятельная работа	Получение дополнительных знаний и подготовка к зачету и экзамену

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

Перечень контрольных вопросов для сдачи дифференцированного зачета в 1-ом семестре магистратуры

№ п.п.	Тема
1	Источники, кодеры источников, каналы, кодеры каналов, декодеры, преобразование частот.
2	Искажения сигналов и помехи, источники и характеристики помех (шумов). Формирование спектра сигналов, пропускная способность каналов.
3	Физически реализуемые сигналы, частотное представление сигналов.
4	Дискретное преобразование Фурье. Дискретная модуляция: АМ, ЧМ, ФМ, КАМ.
5	Импульсная реакция и частотная характеристика дискретного канала. Аддитивный и мультипликативный шум, многолучевое распространение сигналов.
6	Модели каналов беспроводной связи.
7	Коды, исправляющие ошибки: построение, декодирование и модификации кодов, границы скорость-расстояние.
8	Циклические коды: построение, свойства и декодирование.
9	Сверточные коды. Представление кодов с помощью графов. Алгоритм декодирования Витерби.
10	LDPC коды. Итеративные алгоритмы декодирования.
11	Итеративные и каскадные коды (Форни), теорема о кодовом расстоянии.
12	Обобщенные каскадные коды Блоха-Зяблова, системы вложенных кодов.
13	Декодирование каскадных кодов, вероятность ошибки. TURBO коды: построение и декодирование.
14	Вложенные системы сигналов в евклидовой метрике.
15	Каскадное построение сложных сигналов. Сигнально-кодовые конструкции MLCM, TCM, BICM.
16	Обобщенное каскадное построение сложных сигналов.
17	Пространственно-временные сигнально-кодовые конструкции.

Перечень контрольных вопросов для сдачи экзамена во 2-ом семестре магистратуры

1	Источники, кодеры источников, каналы, кодеры каналов, декодеры, преобразование частот.
2	Искажения сигналов и помехи, источники и характеристики помех (шумов). Формирование спектра сигналов, пропускная способность каналов.
3	Физически реализуемые сигналы, частотное представление сигналов.
4	Дискретное преобразование Фурье. Дискретная модуляция: АМ, ЧМ, ФМ, КАМ.
5	Импульсная реакция и частотная характеристика дискретного канала. Аддитивный и мультипликативный шум, многолучевое распространение сигналов, Допплерово смещение.
6	Модели каналов беспроводной связи.
7	Коды, исправляющие ошибки: построение, декодирование и модификации кодов, границы скорость-расстояние, спектры расстояний.
8	Циклические коды: построение, свойства и декодирование. Исправление пакетов ошибок.
9	Сверточные коды. Представление кодов с помощью графов. Алгоритм декодирования Витерби.
10	LDPC коды. Итеративные алгоритмы декодирования.
11	Итеративные и каскадные коды (Форни), теорема о кодовом расстоянии, коды Юстессена.
12	Обобщенные каскадные коды Блоха-Зяблова, системы вложенных кодов.
13	TURBO коды: построение и декодирование.
14	Вложенные системы сигналов в евклидовой метрике.
15	Каскадное построение сложных сигналов. Сигнально-кодовые конструкции MLCM, TCM, BICM.
16	Обобщенное каскадное построение сложных сигналов.
17	Пространственно-временные сигнально-кодовые конструкции.
18	Структура модемов беспроводной системы связи.
19	Синхронизация тактовая, ФАПЧ, скремблирование.
20	Системы с последовательной передачей элементарных сигналов, согласование с каналом.
21	Выравнивание и измерение импульсной характеристики канала. Адаптивное выравнивание канала.
22	Системы с параллельной передачей элементарных сигналов (OFDM).
23	Циклический префикс и согласование с каналом систем OFDM.
24	Измерение «частотной характеристики» канала и коррекция искажений.
25	Адаптивное слежение за характеристикой канала.
26	Демодуляция поднесущих. Обнаружение и коррекция Допплерова смещения.
27	Системы множественного доступа с временным и частотным разделением, OFDMA, с (пространственно-временным) кодовым разделением.
28	Частотно-временные матрицы кодирования для защиты от преднамеренных помех подавления и имитации.
29	Сложность кодирования линейных блоковых и сверточных кодов.
30	Сложность некоторых алгоритмов декодирования.
31	Сложность декодера Витерби.
32	Быстрое преобразование Фурье: алгоритмы и сложность.
33	Цифровые фильтры: алгоритмы и сложность.

Материально-техническое обеспечение дисциплины

Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: доска, ноутбук и мультимедийное оборудование (проектор или плазменная панель).
Обеспечение самостоятельной работы: конспекты, литература, компьютер.

Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

Основная литература

Габидулин Э.М., Пилипчук Н.И. Лекции по теории информации. М.: МФТИ, 2007.
Галлагер Р., Теория информации и надежная связь. М.: Сов. Радио, 1974.
Сагалович Ю.Л. Введение в алгебраические коды. М.: МФТИ, 2007.
Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. М.: Мир, 1986.
Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1989.
Габидулин Э.М., Афанасьев В.Б. Кодирование в радиоэлектронике. М.: Радио и связь, 1986.
Касами Т., Токура Н., Ивадари Е., Инагаки Я. Теория кодирования. М.: Мир, 1978.
Proakis J.G., Digital Communications. Third edition. McGRAW-Hill, 1995.
Морелос-Сарагоса Р., Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение. М.: Техносфера, 2005.
Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений, Москва – 1970, (capftp@lycos.com)
Блох Э.Л., Зяблов В.В. Линейные каскадные коды. М.: Наука, 1982.
Richard Poisel, Modern Communications Jamming Principles and Techniques, 2 edition, 2011 ARTECH HOUSE.
Системы спутниковой связи (журнал).
LTE (журнал).
Радиорелейная связь (журнал).