5G帶來的不僅僅是無線通訊性能的飛躍。更重要之處在於,它的低延遲、高可靠性連接方式,突破了傳統的4G應用領域,使其不僅能夠在行動通訊,還將在無人駕駛、工業自動化、物聯網(IoT)等領域一顯身手。

之所以能夠給消費者帶來性能上的飛越,是因為5G屬於先進技術和創新架構的集大成者。例如在實體層方面,採用了新的通道模型、波形和編碼;射頻(RF)和天線部份,採用了毫米波(mmWave)、大規模天線陣列、波束成形技術;系統和網路架構方面,採用了低功率、小覆蓋範圍的基地等等。

MathWorks美國總部產品市場經理趙志宏此前在接受中國版《電子工程專輯》採訪時就曾表示,5G無線通訊系統設計涉及系統架構、DSP演算法、軟體開發、數位電路硬體、混合訊號硬體、RF、天線設計等7種不同的技能,通訊設計團隊不但需要掌握多個領域的技術,還要面對越來越複雜的設計、越來越緊湊的開發週期,以及不斷增加的硬體驗證成本,難度非常大。

為了協助系統設計師解決上述挑戰,MathWorks在不久前推出的R2018b版本中新增了新的「工具箱」功能——5G Toolbox。這款工具箱提供了符合標準的波形和參考設計,可用於3GPP 5G新無線(NR)通訊系統的實體層建模、模擬和驗證。工程師使用5G Toolbox可以快速設計關鍵演算法並預測符合5G Release 15標準規範的系統端到端鏈路性能。

與5G Toolbox同步推出的還有其它幾個新工具箱的新功能:

  • LTE Toolbox——增加NB-IoT參考模型(適用於採用LTE通道的低資料速率、低功率物聯網設備);
  • LTE-M參考模型(適合於採用LET通道的中等資料速率的物聯網設備);
  • WLAN Toolbox——增加模擬通訊鏈路、產生符合802.11ax標準的波形;Communications Toolbox——增加無線波形產生器。可以利用圖形介面互動式創建無線測試波形。

趙志宏介紹,5G Toolbox將在以下三個典型應用場景中發揮關鍵作用:

  • 5G標準波形產生和分析:產生和分析符合5G標準的波形,即OFDEM波形,還有新的編碼方案、參數集,包括子載波的間隔和符號長度。這個功能使得工程師不需要仔細瞭解發射器的性能,可直接利用產出波形測試接收器的功能,從而節約開發時間,降低錯誤率;
  • 端到端的鏈路及模擬:快速地建立一個端到端的鏈路級模擬的模型,包括發射器、接收器和通道的模型。工程師可以在這個已經建立好的通道模型上驗證自己的演算法,進行參數調整,分析誤碼率、輸送量,直到最後整個鏈路、各個環節都符合自己的設計要求;
  • 驗證階段的參考模型:在產品驗證階段,工程師可以把模擬過的模型作為黃金參考,進行產品的實現和驗證。他們可以採用模擬模型產生的輸入和輸出資料,來驗證自己的硬體,也可以採用程式碼產生的功能,直接把設計好的演算法、設計好的模型轉換成程式碼,放到硬體上去運行。

其實早在R2015a版本中,MathWorks就提出了從天線到數位的(antenna-to-bits)無線設計解決方案,旨在更好的幫助無線和雷達系統工程師模擬整合多個天線、智慧射頻設備和先進接收器演算法。此番推出的5G Toolbox同樣貫徹了這一理念。

「從天線到數位」的無線設計解決方案其實是一個端到端的完整無線傳輸系統演算法開發、設計和分析平台,改變了過去只能針對某一個模組進行分析的狀況,使用者可以在軟體中搭建整個系統,並透過電腦進行模擬,從而對新功能有一個直觀的瞭解。例如,無線通訊演算法工程師可以把數位基頻和RF放在一起進行模擬,可以把天線陣列和通道模型放在一起模擬,這種跨領域的、跨技術的模型模擬,能夠彌補工程師在某些領域知識上的不足。

整個平台的工作流程可以用「基於模型的設計方法」理念來描述。也就是說,當把這一流程用於包括5G通訊系統在內的設計時,工程師可以直接將MATLAB程式碼用於基頻模型產生,然後透過Simulink模型加以實現,包括進一步的功能最佳化,例如定浮點數轉換、架構最佳化與重用等,其最大的特點在於模組化、圖形化。在此基礎上,產生出的可讀、可最佳化、可移植的HDL程式碼,將被直接用於FPGA、ASIC以及其它嵌入式處理器上。

20181227_mathworks_NT61P1 採用MathWorks設計軟體發展無線通訊系統

在與華為的合作中,透過利用MATLAB和Simulink,華為成功解決了5G無線基地台中頻(IF)和RF系統的設計與驗證挑戰,包括類比數位混合系統的建模與分析、加速演算法的實現與程式碼產生和自動化驗證,並藉此實現大容量、高速率、低延遲與高效率等目標。

華為認為,透過使用MATLAB,研發人員在設計早期就能夠同時對包含類比/RF和數位電路(例如RF功率放大器的數位預失真功能)元件進行閉路模擬,快速建立軟體和硬體之間的自動驗證平台,或是使用單一平台進行硬體開發,包括參考模型、定點轉換以及自動產生C/RTL程式碼。而對於浮點、定點和RTL程式碼的位元真驗證來說,建立的系統模型還可進行多次使用。

20181227_mathworks_NT61P2 華為與MathWorks合作案例

相較於其它支援5G開發的工具,趙志宏將MathWorks 5G Toolbox的最大價值歸結為「突顯出整套開發流程」。他解釋說,除了上文提及透過建模和模擬快速探索不同演算法和架構外,使用5G Toolbox也確保設計的產品符合5G通訊標準,因為透過建模和模擬所得到的結果,可以透過工具中提供的硬體介面,直接去進行硬體的建置和測試,所以無需擔心模型是否符合標準。

此外,如果結合建模模擬和程式碼產生的技術,設計師可以很快地把設計的模型變成硬體原型,甚至直接開發產品。