从MathWorks新工具看5G系统设计痛点

5G标准在2018年6月发布后，通信业正在加快5G商用化落地进程，推出符合5G标准的产品。如中国移动计划在2019年上半年推出5G智能手机，实现预商用，到2020年进入正式商用阶段。在应用上，5G突破了很多4G LTE的传统应用，包括移动通信、M2M 、车联网(V2V/V2X)以及低功耗、低延迟的IoT通信。在无线系统设计上，5G提出了更高的要求。在物理层方面，5G采用了新的信道模型、波形、新的编码和调制；在射频和天线采用了毫米波技术、大规模天线阵列技术，以及波束成型技术；在系统和网络构架方面，采用了低功率、小覆盖范围的基站。对于通讯系统的设计团队而言，他们既要了解这些新技术，还要更新他们的设计和测试方法，同时，设计工程师们还要考虑他们的产品向后兼容的问题，而目前很少有公司能够有足够多的技术力量，来覆盖3G、4G、5G所有相关技术。

最近，MathWorks正在推动其针对5G的新的开发和验证工具箱来解决上述这些困难。一直以来，这家私有企业主要为设计工程提供开发和验证工具——MATLAB和Simulink，前者是一个适用于算法开发、数据分析和可视化、数值计算的工具，后者则是一个图形化系统设计、仿真测试工具。这两款软件和近100种附加产品已经在全球九万多个公司、政府部门和大学中使用，其行业包括汽车工业、航空航天、电子以及互联网领域，例如亚马逊、谷歌和facebook也都是这些软件的用户。

据MathWorks美国总部产品市场经理赵志宏介绍，MathWorks在几年前就开始推出支持不同通讯标准的产品，包括4G LTE、ZigBee、WLAN和NB-IoT。而这次推出的5G工具箱提供了符合5G通信标准的波形产生和参考设计，适用于5G通信产品的物理层建模、仿真和验证。它提供了一个集成的工作环境，对所设计的5G通信产品可以进行仿真、快速原型和测试，还可以进行快速地设计一些关键的算法，预测5G系统的端到端之间的链路的性能，并确保算法和设计符合5G的标准。

这个5G工具箱有三个典型应用场景，也侧面反映了目前5G系统设计中的痛点，这三个场景包括：1、产生和分析符合5G的标准的波形，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；2、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；3、在产品的验证阶段，工程师们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。

图：MathWorks 5G工具箱有三个典型的应用场景

这个5G工具箱包含在2018b版本里面，赵志宏表示，该版本还包含了另外几个新功能的工具箱，包括LTE Toolbox——增加了一个NB-IoT的参考模型（该参考模型适用于现在采用LTE信道的低速率、低功率的物联网设备，非常适合这样的设备）；一个LTE-M参考模型（适合于采用LET信道的这些中等数据的物联网的连接）；WLAN Toolbox——增加了802.11ax标准的支持；Communications Toolbox——增加了无线波形发生器(可以利用图形界面进行交互式创建所需要的无线测试的波形)。

目前，支持5G开发的工具有很多，MathWorks则强调其不同之处在于“整套开发流程”。“我们有很多工具箱，涵盖很多技术领域，比如在设计整个的通信链路、通信系统的时候，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、跨技术的模型的仿真，可以弥补工程师在某些领域知识上的不足。”赵志宏说，“使用MathWorks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。”

图：MathWorks 5G开发流程亮点