為什么MATLAB開發(fā)5G能夠“一騎絕塵”？
5G的浪潮在中國(guó)已全面開展兩年有余，這項(xiàng)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(tái)。
痛點(diǎn)環(huán)生，5G開發(fā)要突破的壁壘非常多
事實(shí)上，5G 是一個(gè)很大的生態(tài)，流程也較為繁雜，其中一些開發(fā)痛點(diǎn)不得不提。MathWorks公司中國(guó)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(qiáng)了新的場(chǎng)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(gè)學(xué)科的結(jié)合已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。典型的案例是5G引入了對(duì)毫米波頻帶的支持，傳統(tǒng)的天線模型和簡(jiǎn)單的無線信道模型在 5G 時(shí)代面臨巨大的改變。一個(gè)完整的系統(tǒng)仿真需要結(jié)合天線設(shè)計(jì)、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(jì)要求。
3GPP 在持續(xù)推進(jìn)5G 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上幾乎保持著每一年半到兩年的速度更新一個(gè)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(duì)任何的通信企業(yè)來說都是一個(gè)絕大負(fù)擔(dān)，尤其對(duì)那些歷史上沒有既有實(shí)現(xiàn)的組織。5G工具箱在每個(gè)半年的MATLAB 發(fā)布周期中保持對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的更新。企業(yè)只要保持對(duì) MATLAB 的更新，也就意味著同時(shí)保持了對(duì)3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的更新。
快速學(xué)習(xí)對(duì)任何的組織和個(gè)人都至關(guān)重要。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)由3個(gè) TSG（技術(shù)規(guī)范組）構(gòu)成，而每個(gè)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(duì)于一個(gè)小組織或者個(gè)人來說，要從標(biāo)準(zhǔn)中入手5G通信系統(tǒng)幾乎是一個(gè)不可能的任務(wù)。通過MATLAB 的文檔和例子，能夠讓工程師對(duì)系統(tǒng)有一個(gè)快速的認(rèn)識(shí)。
理解代碼一定不是企業(yè)研發(fā)的終點(diǎn)。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(shí)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(gè)能夠被隨時(shí)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(cè)試是一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)上，需要把經(jīng)過驗(yàn)證的高層代碼，比如 MATLAB，手動(dòng)進(jìn)行定點(diǎn)化分析，并用手寫 C/C++ 或者 HDL 重新實(shí)現(xiàn)一遍。費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易引入未知錯(cuò)誤而且極難定位。MATLAB 5G 工具箱在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候就考慮到系統(tǒng)原型的可能性，支持從基于信號(hào)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(shí)現(xiàn)過程中引入的潛在錯(cuò)誤。另外，MathWorks 還有專用為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的生成可綜合的 HDL 代碼的工具，方便用戶實(shí)現(xiàn)從算法到硬件實(shí)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(gè)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(huì)和 5G 技術(shù)的結(jié)合越來緊密，未來的 6G 通信中 AI 會(huì)成為最關(guān)鍵的技術(shù)之一。這兩個(gè)截然不同的領(lǐng)域的結(jié)合，需要打通兩個(gè)開發(fā)平臺(tái)。MATLAB 幾乎是市面上唯一可選的專業(yè) 5G + AI 同時(shí)完美支持的平臺(tái)，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(jì)、相控陣設(shè)計(jì)到 LTE 和 5G 標(biāo)準(zhǔn)庫；在開發(fā)深度上，涵蓋從算法設(shè)計(jì)、產(chǎn)品級(jí)自動(dòng) 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(yàn)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(chǎng)上持續(xù)成為大家最受歡迎的的 5G 開發(fā)平臺(tái)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(jì)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(duì) 5G 支持上，MathWorks 已經(jīng)完成了對(duì)鏈路層仿真的完整支持，并在推進(jìn)和擴(kuò)展到系統(tǒng)級(jí)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(gè)半年的 MATLAB 發(fā)布周期中，都會(huì)持續(xù)跟蹤最新的 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)，保持對(duì)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(shí)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(gè)版本開始，一直保持著對(duì) 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化的跟蹤。最新的 R2021a 已經(jīng)提供了對(duì) Release 16 的全面支持，包括上下行的物理層和鏈路層，增強(qiáng)了對(duì) EVM 測(cè)試功能。
在工具層面，新的版本版本增強(qiáng)了 App 的功能，比如增強(qiáng)了波形發(fā)生器，融入了對(duì) 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(jí)的仿真。期待新的版本有更多的進(jìn)展，可以實(shí)現(xiàn)在單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)的仿真。
從具體的5G開發(fā)來講，領(lǐng)先的無線工程團(tuán)隊(duì)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(jì)選擇對(duì)系統(tǒng)性能的影響，確保設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)，使用硬件原型和OTA(over-the-air)測(cè)試來驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，跨團(tuán)隊(duì)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(shì)也非常明顯。陳建平向記者介紹，MathWorks 5G不僅僅是個(gè)單一算法的開發(fā)平臺(tái)，而是面向 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)，面向特定應(yīng)用場(chǎng)景而專門設(shè)計(jì)的一個(gè)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(chǎng)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(jì)。評(píng)估算法和陣列設(shè)計(jì)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(jí)的仿真。比起傳統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)的大刀闊斧的簡(jiǎn)化，基于MATLAB 的系統(tǒng)級(jí)仿真可以融合物理模型構(gòu)建足夠精度，并逼近真實(shí)場(chǎng)景。
另外，MATLAB 自有的并行計(jì)算工具箱和并行計(jì)算服務(wù)器，可以用來并行加速仿真效率。尤其是并行計(jì)算服務(wù)器可以充分利用計(jì)算集群的計(jì)算能力。
2、兼容5G 的波形發(fā)生和測(cè)試
用 MATLAB 5G 工具箱生成符合 5G 標(biāo)準(zhǔn)的波形并自動(dòng)測(cè)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(shí)時(shí)射頻信號(hào)。分析和可視化模擬、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。
實(shí)現(xiàn)雙向收發(fā)。即可以軟件發(fā)生射頻信號(hào)，用于接收端接收解調(diào)，也可以直接對(duì)空口數(shù)據(jù)采樣，用軟件進(jìn)行解調(diào)分析。
3、針對(duì)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(yùn)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(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試之前進(jìn)行更徹底的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。組件工程師可以使用單個(gè)工具更輕松地共享模型和協(xié)作。
4、基于模型的設(shè)計(jì)的原型和驗(yàn)證
將基于模型的設(shè)計(jì)與 MATLAB 和 Simulink 結(jié)合使用，可以實(shí)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(shí)施。您可以在較高級(jí)別進(jìn)行設(shè)計(jì)更改并自動(dòng)生成代碼和測(cè)試平臺(tái)。
基于模型的設(shè)計(jì)使您能夠試驗(yàn)不同的架構(gòu)和算法、反復(fù)調(diào)整參數(shù)、預(yù)測(cè)硬件性能以及在 SDR 和其他 FPGA 或 SoC 硬件上自動(dòng)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。
數(shù)字孿生，為5G系統(tǒng)開發(fā)提供關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)
事實(shí)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(duì)于5G來說反而是一種機(jī)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(duì)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(chǎng)，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(qiáng)調(diào)，在這個(gè)技術(shù)上分秒必爭(zhēng)的時(shí)代，如果在每個(gè)階段都能縮短周期，就能提供了一個(gè)核心競(jìng)爭(zhēng)能力。MATLAB 自身的特點(diǎn)，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(shì)。
1、MATLAB 本身就是一個(gè)最好的數(shù)學(xué)平臺(tái)。
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(yùn)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(duì)的協(xié)作，降低團(tuán)隊(duì)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(jì)到最專業(yè)的 5G 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具和專業(yè)定點(diǎn)工具，并且隨著3GPP的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)而更新。
同時(shí) MATLAB 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的可視化平臺(tái)，5G 收發(fā)波形，空時(shí)平面，天線圖都非常容易在MATLAB 中實(shí)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(jì)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(jì)算效率。
大量的工業(yè)級(jí)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(jì)和實(shí)現(xiàn)，加速迭代過程。
同時(shí)，MATLAB 提供了并行計(jì)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(gè)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(duì)基于模型的設(shè)計(jì)流程，提供了實(shí)現(xiàn)專用的工具輔助從浮點(diǎn)模型向定點(diǎn)模型的轉(zhuǎn)化，自動(dòng)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(shí)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(huì)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(jì)和機(jī)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(gè)專業(yè)性很強(qiáng)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(gè)頭部客戶展開了5G 領(lǐng)域的合作。
在國(guó)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(duì)的工具知識(shí)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(guó)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(jì)和實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，專注于下一代通信系統(tǒng)和人工智能的融合，擅長(zhǎng)工程大數(shù)據(jù)分析和高性能計(jì)算領(lǐng)域的系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)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(jì)的研發(fā)工作，專注于大規(guī)模天線陣列的檢測(cè)和信道編解碼的研究和實(shí)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(jì)【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(yàn)證 5G 射頻前端
2、Nokia采用基于模型的設(shè)計(jì)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(cè)試
5、MMRFIC 實(shí)現(xiàn)5G 大規(guī)模混合波束成形MIMO 陣列
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