simulation.md

Documentação Técnica: simulation.py

1. Fundamentação Teórica

O modelo da camada física em comunicações não é avaliado em base a um único pacote, pois o ruído térmico AWGN e o Fading são variáveis estocásticas randômicas (mudam a cada nanossegundo). Para termos dados estatisticamente válidos da engenharia, utilizamos o método de Simulação de Monte Carlo. O módulo simulation.py é responsável por fazer o loop de milhares de quadros (frames) de dados dentro das condições geradas, aplicar a combinatória espacial e computar as métricas chaves de qualidade de serviço (QoS).

2. Detalhamento de Funções e Matemática

2.1. run_single_simulation

Propósito: Orquestrar o empacotamento completo de ponta a ponta para um ponto fixo de SNR e configuração de rádio, aferindo o Bit Error Rate (BER) e as Vazões informacionais.

• Fluxo Causal Interno:

  1. Cria os Arrays base via módulo mimo.generate_symbols. O número total de símbolos transmitidos em paralelo pelas 2 antenas será $2 \times N$.
  2. Ajusta a energia cinética via multiplicação por escalonamento tx_power.
  3. Despacha o vetor de rádio em direção ao ar. O módulo invoca channel.rayleigh_channel três vezes consecutivas gerando matrizes de interferências únicas $H_{sd}, H_{sr}, H_{rd}$ simulando uma malha tridimensional de roteamento.
  4. Executa a Matemática Cooperativa do AF Relay (use_relay=True): A junção de sinais vindos de direções diferentes é o chamado Cooperative Diversity. O vetor de observação no Destino recebe um empilhamento matricial (stacking): $$\mathbf{y}{eq} = \begin{bmatrix} \mathbf{y}{d1} \ \mathbf{y}{d2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \mathbf{H}{sd} \ \mathbf{H}{rd} \beta \mathbf{H}{sr} \end{bmatrix} \mathbf{x} + \mathbf{\tilde{n}}$$ Onde $\mathbf{y}_{eq}$ é então empurrado para dentro do estimador Equalizador mmse_detector.
  5. Desfaz o GFDM do MMSE via filtro inverso gfdm_demodulate_zf.
  6. Quantiza as malhas contínuas de volta em Bits Booleanos.

• Métricas Matemáticas Aferidas:

  • $BER$ (Bit Error Rate): $\frac{\text{Erros Totais}}{\text{Bits Totais}}$. Mede a Confiabilidade.
  • Tempo de Bloco ($T_{block}$): Sendo $B$ a banda espectral estipulada em 10 MHz, o tempo do símbolo em Nyquist é $T_s = 1/B$. O tempo consumido na transmissão é $N \times T_s$.
  • Throughput ($T_h$): A quantidade de Bits Válidos empurrados pelo tempo gasto: $$T_h = \frac{\text{Bits} \times (1 - BER)}{T_{block}}$$ Observação de Hardware: Operações AF Relay exigem 2 fatias de tempo (Time Slots) para que não exista interferência destrutiva na antena do meio do caminho (Half-Duplex constraint). Por isso o throughput num teste Relay deve ser dividido rigorosamente por 2.
  • Eficiência Espectral ($\eta$): O suprassumo do 5G. Quantos bits você espremeu por segundo em cada hertz locado do governo: $$\eta = \frac{T_h}{B} \quad \text{(bits/s/Hz)}$$