如何设计靠谱的5G通信系统?华为和MathWorks使用5G工具箱展示完整过程

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5G带来的,不仅仅是无线通信性能上的飞跃。更重要之处在于,它的低延时、高可靠性连接方式突破了传统的4G应用领域,使其不仅能够在移动通信,还将在无人驾驶、工业自动化、物联网等领域一显身手。

之所以能够给消费者带来性能上的飞越,是因为5G属于先进技术和创新架构的集大成者。例如在物理层方面,采用了新的信道模型、波形和编码;射频和天线部分,采用了毫米波、大规模天线阵列、波束成型技术;系统和网络构架方面,采用了低功率、小覆盖范围的基站等等。

MathWorks美国总部产品市场经理赵志宏此前在接受《电子工程专辑》采访时就曾表示,5G无线通讯系统设计涉及到系统架构、DSP算法、软件开发、数字电路硬件、混合信号硬件、射频、天线设计等7种不同的技能,通信设计团队不但需要掌握多个领域的技术,还要面对越来越复杂的设计、越来越紧凑的开发周期、以及不断增加的硬件验证成本,难度非常大。

为了更好的帮助系统设计师解决上述挑战,MathWorks公司在不久前推出的R2018b版本中新增了5G Toolbox功能。这款工具箱提供了符合标准的波形和参考设计,可用于3GPP 5G新无线(NR)通信系统的物理层建模、仿真和验证。工程师使用5G Toolbox可以快速设计关键算法并预测符合5G Release 15标准规范的系统端到端链路性能。

与5G Toolbox同步推出的,还有其它几个新工具箱的新功能,包括:LTE Toolbox—增加了NB-IoT参考模型(适用于采用LTE信道的低数据速率、低功率物联网设备);LTE-M参考模型(适合于采用LET信道的中等数据速率的物联网设备);WLAN Toolbox—增加了仿真通信链路、生成符合802.11ax标准的波形;Communications Toolbox—增加了无线波形发生器。可以利用图形界面交互式创建无线测试波形。

按照赵志宏的介绍,5G工具箱将在以下三个典型应用场景中发挥关键作用:

 5G标准波形产生和分析。产生和分析符合5G标准的波形,即OFDEM波形,还有新的编码方案、参数集,包括子载波的间隔和符号长度。这个功能使得工程师可以不需要仔细了解发射器方面的性能,而直接利用产生出来的波形去测试他们的接收器的功能,从而节约开发时间,降低错误率;

 端到端的链路及仿真。可以很快地建立一个端到端的链路级的仿真的模型,包括发射器、接收器和信道的模型。工程师可以在这个已经建立好的信道模型上去验证自己的算法,进行参数调整,分析误码率、吞吐量,直到最后整个链路、各个环节都符合他们自己的设计要求;

 验证阶段的参考模型。在产品验证阶段,工程师可以把仿真过的模型作为黄金参考,进行产品的实现和验证。他们可以采用仿真模型产生的输入和输出数据,来验证自己的硬件,也可以采用代码产生的功能,直接把设计好的算法、设计好的模型转换成代码,放到硬件上去运行。

其实早在R2015a版本中,MathWorks就提出了从天线到数字的(antenna-to-bits)无线设计解决方案,旨在更好的帮助无线和雷达系统工程师仿真集成多个天线、智能射频设备和高级接收器算法。此番推出的5G工具箱同样贯彻了这一理念。

“从天线到数字”的无线设计解决方案其实是一个端到端的、完整的无线传输系统算法开发、设计和分析平台,改变了过去只能针对某一个模块进行分析的状况,用户可以把整个系统在软件里搭建出来,并通过计算机进行仿真,从而对新功能有一个直观的了解。例如,无线通信算法工程师可以把数字基带和射频放在一起去仿真,可以把天线阵列和信道模型放在一起去仿真,这种跨领域的、跨技术的模型仿真,能够弥补工程师在某些领域知识上的不足。

整个平台的工作流程可以用“基于模型的设计方法”理念来描述。也就是说,当把这一流程用于包括5G通讯系统在内的设计时,工程师可以直接将MATLAB代码用于基带模型生成,然后通过Simulink模型加以实现,包括进一步的功能优化,例如定浮点数转换、构架优化与复用等,其最大的特点在于模块化、图形化。在此基础上,产生出的可读、可优化、可移植的HDL代码,将被直接用于FPGA、ASIC以及其它嵌入式处理器上。

在与华为公司的合作中,通过利用MATLAB和Simulink,华为成功解决了5G无线基站中频(IF)和射频(RF)系统的设计与验证挑战,包括模数混合系统的建模与分析、加速算法的实现与代码生成和自动化验证,并借此实现了大容量、高速率、低延迟、高效率的目标。

华为方面认为,通过使用MATLAB,研发人员在设计早期就能够同时对包含模拟/射频和数字电路(例如RF功率放大器的数字预失真功能)组件进行闭环仿真,快速建立软件和硬件之间的自动验证平台,或是使用单一平台进行硬件开发,包括参考模型、定点转换、以及自动生成C/RTL代码。而对于浮点、定点和RTL代码的位真验证来说,建立的系统模型还可进行多次复用。

相比其它支持5G开发的工具,赵志宏将MathWorks 5G工具箱的最大价值归结为“突出了整套开发流程”。他解释说,除了上文提及的通过建模和仿真快速探索不同算法和架构外,使用5G工具箱可以确保设计出来的产品能够符合5G通讯标准,因为通过建模和仿真所得出的结果,可以通过工具里面提供的硬件接口,来直接地去进行硬件方面的实现和硬件方面的测试,所以无需担心模型是否符合标准。此外,如果结合建模仿真和代码产生的技术,设计师可以很快地把他设计出来的模型变成硬件的原型,甚至直接变成产品。

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