為什么MATLAB開發(fā)5G能夠“一騎絕塵”？
5G的浪潮在中國已全面開展兩年有余，這項高速低延遲的通信技術(shù)普及率越來越高，為了抓住5G這列“快車”，加速5G研發(fā)是關(guān)鍵。
日前，記者從MathWorks得知，公司在通信方面的投資在持續(xù)加速之中，旗下的MATLAB是現(xiàn)有在 5G 產(chǎn)品研發(fā)中，能夠提供完整的開發(fā)流程的統(tǒng)一開發(fā)平臺。
痛點環(huán)生，5G開發(fā)要突破的壁壘非常多
事實上，5G 是一個很大的生態(tài)，流程也較為繁雜，其中一些開發(fā)痛點不得不提。MathWorks公司中國區(qū)的技術(shù)咨詢專家陳建平告訴記者，隨著技術(shù)的演進(jìn)，5G 通信技術(shù)在研發(fā)復(fù)雜度上，相比較 LTE 又有進(jìn)一步的提升。5G 引入和增強了新的場景和技術(shù)，傳統(tǒng)單一的全數(shù)字的仿真手段不足以支持5G 研發(fā)的需求，多個學(xué)科的結(jié)合已經(jīng)成為必然趨勢。典型的案例是5G引入了對毫米波頻帶的支持，傳統(tǒng)的天線模型和簡單的無線信道模型在 5G 時代面臨巨大的改變。一個完整的系統(tǒng)仿真需要結(jié)合天線設(shè)計、中射頻、數(shù)值模擬混合仿真等技術(shù)，才能進(jìn)一步適應(yīng)5G 的設(shè)計要求。
3GPP 在持續(xù)推進(jìn)5G 標(biāo)準(zhǔn)，實際上幾乎保持著每一年半到兩年的速度更新一個版本的速度在演進(jìn)，2021年，連Release 18 都已經(jīng)開始討論了。持續(xù)跟蹤標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)度對任何的通信企業(yè)來說都是一個絕大負(fù)擔(dān)，尤其對那些歷史上沒有既有實現(xiàn)的組織。5G工具箱在每個半年的MATLAB 發(fā)布周期中保持對新標(biāo)準(zhǔn)的更新。企業(yè)只要保持對 MATLAB 的更新，也就意味著同時保持了對3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的更新。
快速學(xué)習(xí)對任何的組織和個人都至關(guān)重要。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)由3個 TSG（技術(shù)規(guī)范組）構(gòu)成，而每個規(guī)范組都包含若干的 WG（工作組），標(biāo)準(zhǔn)化文檔充斥大量的技術(shù)細(xì)節(jié)和數(shù)學(xué)公式，非常復(fù)雜。對于一個小組織或者個人來說，要從標(biāo)準(zhǔn)中入手5G通信系統(tǒng)幾乎是一個不可能的任務(wù)。通過MATLAB 的文檔和例子，能夠讓工程師對系統(tǒng)有一個快速的認(rèn)識。
理解代碼一定不是企業(yè)研發(fā)的終點。無論是做標(biāo)準(zhǔn)化工作還是做硬件研發(fā)，當(dāng)有定制化要求的時候，工程師往往需要深入系統(tǒng)內(nèi)部去理解和改進(jìn)算法。一個能夠被隨時修改的系統(tǒng)必然事半功倍。MATLAB 5G 工具在開發(fā)伊始就以開源和代碼生成作為基本特征。工程師可以看到，絕大部分的5G代碼都是以 MATLAB 源代碼的方式提供的。定制5G標(biāo)準(zhǔn)不再是一件不可能的任務(wù)。
企業(yè)研發(fā)的最終產(chǎn)品可能是專門的芯片或者基站，快速原型和測試是一個難點。傳統(tǒng)上，需要把經(jīng)過驗證的高層代碼，比如 MATLAB，手動進(jìn)行定點化分析，并用手寫 C/C++ 或者 HDL 重新實現(xiàn)一遍。費時費力，容易引入未知錯誤而且極難定位。MATLAB 5G 工具箱在設(shè)計實現(xiàn)的時候就考慮到系統(tǒng)原型的可能性，支持從基于信號處理、圖像處理、5G 等工具箱中開發(fā)的算法直接生成高質(zhì)量的嵌入式 C/C++ 代碼，極大減少了在二次實現(xiàn)過程中引入的潛在錯誤。另外，MathWorks 還有專用為通信系統(tǒng)設(shè)計的生成可綜合的 HDL 代碼的工具，方便用戶實現(xiàn)從算法到硬件實現(xiàn)的完整流程。
隨著 AI 技術(shù)的快速發(fā)展，AI + 5G 也是當(dāng)前最熱的一個研究課題。從物理層中用于提升頻譜效率，到小區(qū)調(diào)度的優(yōu)化，AI 技術(shù)會和 5G 技術(shù)的結(jié)合越來緊密，未來的 6G 通信中 AI 會成為最關(guān)鍵的技術(shù)之一。這兩個截然不同的領(lǐng)域的結(jié)合，需要打通兩個開發(fā)平臺。MATLAB 幾乎是市面上唯一可選的專業(yè) 5G + AI 同時完美支持的平臺，可以在 MATLAB 完成 AI 算法的訓(xùn)練和推斷，并且無縫和現(xiàn)有 5G 算法進(jìn)行融合。
應(yīng)需而生，最貼近科學(xué)家思維的5G工具箱
目前，所有企業(yè)都在5G方向沖刺，MathWorks也不例外。最近幾年，MathWorks在廣度上，推出了從天線設(shè)計、相控陣設(shè)計到 LTE 和 5G 標(biāo)準(zhǔn)庫；在開發(fā)深度上，涵蓋從算法設(shè)計、產(chǎn)品級自動 C 代碼和可綜合的 HDL 代碼生成，到與硬件的協(xié)同仿真和驗證。
陳建平表示，MathWorks在 5G 等標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品上，保持著持續(xù)的跟進(jìn)和引領(lǐng)研發(fā)方向，支持包括 LTE、5G NR 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)。而 MATLAB 工具箱的全面和易用性，是 MATLAB 在市場上持續(xù)成為大家最受歡迎的的 5G 開發(fā)平臺的關(guān)鍵之處。MATLAB 以最貼近科學(xué)家的思維方式，讓5G 研發(fā)者專注于 5G 標(biāo)準(zhǔn)，不用在領(lǐng)域技術(shù)和計算語言做思維切換。
除此之外，MATLAB 是物理層仿真的標(biāo)準(zhǔn)工具，并且對 5G 支持上，MathWorks 已經(jīng)完成了對鏈路層仿真的完整支持，并在推進(jìn)和擴(kuò)展到系統(tǒng)級的仿真道路上。
5G 工具箱從產(chǎn)品的研發(fā)階段就自帶加速研發(fā)的基因，為了方便用戶快速理解甚至定制工具箱，5G 工具箱的大部分代碼都是標(biāo)準(zhǔn)的 MATLAB 源代碼，并且支持直接從用戶基于 5G 工具箱定制的應(yīng)用生成標(biāo)準(zhǔn)的 C/C++ 代碼。5G 工具箱在每一個半年的 MATLAB 發(fā)布周期中，都會持續(xù)跟蹤最新的 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)，保持對最新版本的標(biāo)準(zhǔn)的支持，持續(xù)擴(kuò)展最新的 5G NR 特征，并同時增加用戶應(yīng)用和垂直應(yīng)用。
據(jù)悉，5G 工具箱從2018年發(fā)布第一個版本開始，一直保持著對 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化的跟蹤。最新的 R2021a 已經(jīng)提供了對 Release 16 的全面支持，包括上下行的物理層和鏈路層，增強了對 EVM 測試功能。
在工具層面，新的版本版本增強了 App 的功能，比如增強了波形發(fā)生器，融入了對 LTE 和 WLAN 的波形的支持。
應(yīng)客戶的需求，在技術(shù)棧上，在現(xiàn)有支持物理層和鏈路層的基礎(chǔ)上，持續(xù)推進(jìn)系統(tǒng)級的仿真。期待新的版本有更多的進(jìn)展，可以實現(xiàn)在單一平臺上實現(xiàn)精準(zhǔn)的系統(tǒng)級的仿真。
從具體的5G開發(fā)來講，領(lǐng)先的無線工程團(tuán)隊使用 MATLAB 來為 5G 產(chǎn)品創(chuàng)建和優(yōu)化 IP，模擬算法、RF 和天線設(shè)計選擇對系統(tǒng)性能的影響，確保設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)，使用硬件原型和OTA(over-the-air)測試來驗證設(shè)計效果，跨團(tuán)隊共享模型和代碼。
面向5G開發(fā)，MATLAB與Simulink的雙重加持之下，優(yōu)勢也非常明顯。陳建平向記者介紹，MathWorks 5G不僅僅是個單一算法的開發(fā)平臺，而是面向 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)，面向特定應(yīng)用場景而專門設(shè)計的一個工具箱。該工具箱里集成了若干專用的應(yīng)用，便于不同的工作場景需要。
1、端到端的仿真
使用符合標(biāo)準(zhǔn)的模型開發(fā)和優(yōu)化 5G 物理層設(shè)計。評估算法和陣列設(shè)計選擇、射頻損傷以及低于 6GHz 和毫米波傳播信道的影響。
在端到端的仿真的基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)展到鏈路仿真和系統(tǒng)級的仿真。比起傳統(tǒng)的系統(tǒng)級的大刀闊斧的簡化，基于MATLAB 的系統(tǒng)級仿真可以融合物理模型構(gòu)建足夠精度，并逼近真實場景。
另外，MATLAB 自有的并行計算工具箱和并行計算服務(wù)器，可以用來并行加速仿真效率。尤其是并行計算服務(wù)器可以充分利用計算集群的計算能力。
2、兼容5G 的波形發(fā)生和測試
用 MATLAB 5G 工具箱生成符合 5G 標(biāo)準(zhǔn)的波形并自動測試模擬和無線傳輸。支持使用射頻儀器和軟件無線電硬件傳輸 5G 波形并捕獲實時射頻信號。分析和可視化模擬、實驗室和現(xiàn)場測試結(jié)果。
實現(xiàn)雙向收發(fā)。即可以軟件發(fā)生射頻信號，用于接收端接收解調(diào)，也可以直接對空口數(shù)據(jù)采樣，用軟件進(jìn)行解調(diào)分析。
3、針對毫米波和大規(guī)模天線的射頻系統(tǒng)工程
在毫米波頻率下運行 5G 需要新的混合無線電架構(gòu)來克服更高的傳播損耗和信道損傷。使用 MATLAB 和 Simulink 聯(lián)合建模和仿真數(shù)字、射頻和天線子系統(tǒng)，包括寬帶功率放大器、大規(guī)模 MIMO 天線陣列和自適應(yīng)算法。多域仿真可在硬件實驗室或現(xiàn)場試驗中進(jìn)行測試之前進(jìn)行更徹底的設(shè)計驗證。組件工程師可以使用單個工具更輕松地共享模型和協(xié)作。
4、基于模型的設(shè)計的原型和驗證
將基于模型的設(shè)計與 MATLAB 和 Simulink 結(jié)合使用，可以實現(xiàn)系統(tǒng)建模和開發(fā)工作流程，以加速 5G 硬件和軟件的實施。您可以在較高級別進(jìn)行設(shè)計更改并自動生成代碼和測試平臺。
基于模型的設(shè)計使您能夠試驗不同的架構(gòu)和算法、反復(fù)調(diào)整參數(shù)、預(yù)測硬件性能以及在 SDR 和其他 FPGA 或 SoC 硬件上自動進(jìn)行原型設(shè)計。
數(shù)字孿生，為5G系統(tǒng)開發(fā)提供關(guān)鍵優(yōu)勢
事實上，從去年突如其來的各種“天災(zāi)”之下，行業(yè)受阻嚴(yán)重。而在此之下，由于線上辦公和各種無接觸式的生活方式，對于5G來說反而是一種機遇。另外，在新基建和各種相關(guān)政策的跟進(jìn)下，5G這塊“蛋糕”仍然“香”。
面對重重挑戰(zhàn)，MathWorks如何幫助開發(fā)者快速適應(yīng)現(xiàn)狀？陳建平表示，“天下武功，唯快不破。在研發(fā)領(lǐng)域，誰能更快更準(zhǔn)把產(chǎn)品推向市場，誰就能引領(lǐng)技術(shù)方向。純技術(shù)研發(fā)無非才從算法到原型再到產(chǎn)品，當(dāng)然，5G 研發(fā)的算法復(fù)雜度和難度還是非常高的。”
他強調(diào)，在這個技術(shù)上分秒必爭的時代，如果在每個階段都能縮短周期，就能提供了一個核心競爭能力。MATLAB 自身的特點，及其通信系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)工具箱，為提升 5G 系統(tǒng)開發(fā)提供了關(guān)鍵的優(yōu)勢。
1、MATLAB 本身就是一個最好的數(shù)學(xué)平臺。
MATLAB語言非常接近標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)描述，降低了5G算法研發(fā)的心智負(fù)擔(dān)。尤其是5G 標(biāo)準(zhǔn)化采用大量的線性運算，非常適合采用 MATLAB 作為標(biāo)準(zhǔn)化的描述和溝通語言，有利于團(tuán)隊的協(xié)作，降低團(tuán)隊的溝通成本，提高溝通效率。
2、學(xué)習(xí)曲線和成本。
MATLAB 以工具箱的形式，提供了從通用的通信系統(tǒng)設(shè)計到最專業(yè)的 5G 系統(tǒng)設(shè)計工具和專業(yè)定點工具，并且隨著3GPP的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)而更新。
同時 MATLAB 是一個標(biāo)準(zhǔn)的可視化平臺，5G 收發(fā)波形，空時平面，天線圖都非常容易在MATLAB 中實現(xiàn)可視化。
標(biāo)準(zhǔn)化的文檔和工具箱自帶的大量的參考設(shè)計降低了學(xué)習(xí)成本。開源的代碼降低了定制化自有算法的門檻。
3、更高的開發(fā)計算效率。
大量的工業(yè)級的工具箱能夠極大提升系統(tǒng)的開發(fā)效率，讓研發(fā)人員從底層的語言細(xì)節(jié)中解放出來，真正關(guān)注于系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)，加速迭代過程。
同時，MATLAB 提供了并行計算能力，能夠滿足大規(guī)模仿真需要。
4、快速原型。
5G 工具箱從第一個版本開始，就開始支持開發(fā)源代碼和支持代碼生成，包括 C/C++ 代碼和 HDL 代碼。
針對基于模型的設(shè)計流程，提供了實現(xiàn)專用的工具輔助從浮點模型向定點模型的轉(zhuǎn)化，自動代碼生成和基于軟硬件的混合仿真能力，使用戶有可能從原型的構(gòu)想快速演進(jìn)到硬件實現(xiàn)。
5、跨領(lǐng)域的技術(shù)融合，尤其是與人工智能技術(shù)的融合。
5G 的未來，AI 必不會缺席。在 5G 的研究中和人工智能的結(jié)合，已經(jīng)成為前沿研究的必經(jīng)之路。統(tǒng)計和機器學(xué)習(xí)工具箱和深度學(xué)習(xí)工具箱能夠輔助 5G 研究更進(jìn)一步。
另外，MATLAB 開發(fā) API 支持和多種語言進(jìn)行交互，包括但不限于 C， C++，Java 以及 Python，讓從外部導(dǎo)入相關(guān)的工具成為可能。
“5G 研發(fā)是一個專業(yè)性很強的領(lǐng)域，5G 工具箱廣泛應(yīng)用在大多數(shù)的前沿通信公司。除了產(chǎn)品本身，MathWorks 也加大了在服務(wù)領(lǐng)域的投入”，陳建平表示，目前 MathWorks 的咨詢服務(wù)在全球范圍內(nèi)和多個頭部客戶展開了5G 領(lǐng)域的合作。
在國內(nèi)，MathWorks也正在和一些前沿通信公司展開5G + AI 相關(guān)的咨詢服務(wù)。MathWorks 咨詢團(tuán)隊的工具知識和客戶的應(yīng)用需求結(jié)合，加速客戶掌握采用 MATLAB 進(jìn)行5G 開發(fā)的過程，讓追趕者加速，讓引領(lǐng)者保持。
受訪人介紹：
陳建平，MathWorks公司中國區(qū)的技術(shù)咨詢專家，他擁有近20年的通信系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)經(jīng)驗，專注于下一代通信系統(tǒng)和人工智能的融合，擅長工程大數(shù)據(jù)分析和高性能計算領(lǐng)域的系統(tǒng)架構(gòu)和實現(xiàn)。擁有北京大學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，加入 MathWorks 之前，他在 NTT DoCoMo（日本電信）從事 4G 算法研究和無線系統(tǒng)設(shè)計的研發(fā)工作，專注于大規(guī)模天線陣列的檢測和信道編解碼的研究和實現(xiàn)，并取得若干專利。
【參考網(wǎng)頁】
1、使用 MATLAB 和 Simulink 進(jìn)行無線通信和半導(dǎo)體設(shè)計【精選資源庫】
3、TransmissionOver MIMO Channel Model
4、How to Generate a 5GWaveform for SystemVerilog Verification Using 5G Toolbox
【用戶案例】
1、Qualcomm采用 MATLAB 優(yōu)化和驗證 5G 射頻前端
2、Nokia采用基于模型的設(shè)計方法構(gòu)建數(shù)字前端
3、ConvidaWireless 構(gòu)建5G 系統(tǒng)原型
4、Lekha Wireless 加速 5G NR 的開發(fā)和交互測試
5、MMRFIC 實現(xiàn)5G 大規(guī)?；旌喜ㄊ尚?span>MIMO 陣列
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