近日，MathWorks 接受 21ic 記者付斌專訪，探討 MATLAB 如何助力加速 5G 研發(fā)。

MathWorks 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。

最近幾年，MathWorks在廣度上，推出了從天線設計、相控陣設計到 LTE 和 5G 標準庫；在開發(fā)深度上，涵蓋從算法設計、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。

在 5G 等標準化產(chǎn)品上，我們保持著持續(xù)的跟進和引領研發(fā)方向，支持包括 LTE、5G NR 3GPP 標準。

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)平臺的關鍵之處。

MATLAB 以最貼近科學家的思維方式，讓 5G 研發(fā)者專注于 5G 標準，不用在領域技術和計算語言做思維切換。

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準的 MATLAB 源代碼，并且支持直接從用戶基于 5G 工具箱定制的應用生成標準的 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 標準，保持對最新版本的標準的支持，持續(xù)擴展最新的 5G NR 特征，并同時增加用戶應用和垂直應用。

在技術棧上，MATLAB 是物理層仿真的標準工具，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，并在推進和擴展到系統(tǒng)級的仿真道路上。

MATLAB 以最貼近科學家的思維方式，讓 5G 研發(fā)者專注于 5G 標準，不用在領域技術和計算語言做思維切換。

”痛點與壁壘

隨著技術的演進，5G 通信技術在研發(fā)復雜度上，相比較 LTE 又有進一步的提升。

5G 引入和增強了新的場景和技術，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)合天線設計、中射頻、數(shù)值模擬混合仿真等技術，才能進一步適應5G 的設計要求。

3GPP 在持續(xù)推進 5G 標準，實際上幾乎保持者每一年半到兩年的速度更新一個版本的速度在演進，2021年，連 Release 18 都已經(jīng)開始討論了。

持續(xù)跟蹤標準的進度對任何的通信企業(yè)來說都是一個絕大負擔，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準的更新。企業(yè)只要保持對 MATLAB 的更新，也就意味著同時保持了對 3GPP 標準的更新。

快速學習對任何的組織和個人都至關重要。3GPP 標準由3個 TSG（技術規(guī)范組）構成，而每個規(guī)范組都包含若干的 WG（工作組），標準化文檔充斥大量的技術細節(jié)和數(shù)學公式，非常復雜。

對于一個小組織或者個人來說，要從標準中入手5G通信系統(tǒng)幾乎是一個不可能的任務。通過MATLAB 的文檔和例子，能夠讓工程師對系統(tǒng)有一個快速的認識。

理解代碼一定不是企業(yè)研發(fā)的終點。無論是做標準化工作還是做硬件研發(fā)，當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 標準不再是一件不可能的任務。

5G 是一個很大的生態(tài)，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 技術的快速發(fā)展，AI + 5G 也是當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 技術會和 5G 技術的結(jié)合越來緊密，未來的 6G 通信中 AI 會成為最關鍵的技術之一。

這兩個截然不同的領域的結(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 算法的訓練和推斷，并且無縫和現(xiàn)有 5G 算法進行融合。

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企業(yè)只要保持對 MATLAB 的更新，也就意味著同時保持了對 3GPP 標準的更新。

”在 5G 仿真和測試上的優(yōu)勢

MathWorks 5G 工具箱不僅僅是個單一算法的開發(fā)平臺，而是面向 3GPP 標準，面向特定應用場景而專門設計的一個工具箱。在工具箱里集成了若干專用的應用，便于不同的工作場景需要。

1. 端到端的仿真

使用符合標準的模型開發(fā)和優(yōu)化 5G 物理層設計。評估算法和陣列設計選擇、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上，可以擴展到鏈路仿真和系統(tǒng)級的仿真。比起傳統(tǒng)的系統(tǒng)級反正的大刀闊斧的簡化，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器，可以用來并行加速仿真效率。尤其是并行計算服務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 標準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 天線陣列和自適應算法。

多域仿真可在硬件實驗室或現(xiàn)場試驗中進行測試之前進行更徹底的設計驗證。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. 基于模型的設計的原型和驗證

將基于模型的設計與 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行設計更改并自動生成代碼和測試平臺。

基于模型的設計使您能夠試驗不同的架構和算法、反復調(diào)整參數(shù)、預測硬件性能以及在 SDR 和其他 FPGA 或 SoC 硬件上自動進行原型設計。

快速適應現(xiàn)狀，迎接挑戰(zhàn)

天下武功，唯快不破。

在研發(fā)領域，誰能更快更準把產(chǎn)品推向市場，誰就能引領技術方向。

純技術研發(fā)無非算法 → 原型 → 產(chǎn)品階段，當然，5G 研發(fā)的算法復雜度和難度還是非常高的。

在這個技術上分秒必爭的時代，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)的相關工具箱，為提升 5G 系統(tǒng)開發(fā)提供了關鍵的優(yōu)勢。

1. MATLAB 本身就是一個最好的數(shù)學平臺。

MATLAB 語言非常接近標準的數(shù)學描述，降低了 5G 算法研發(fā)的心智負擔。尤其是 5G 標準化采用大量的線性運算，非常適合采用 MATLAB 作為標準化的描述和溝通語言，有利于團隊的協(xié)作，降低團隊的溝通成本，提高溝通效率。

2. 學習曲線和成本。

MATLAB 以工具箱的形式，提供了從通用的通信系統(tǒng)設計到最專業(yè)的 5G 系統(tǒng)設計工具和專業(yè)定點工具，并且隨著 3GPP 的標準演進而更新。

同時 MATLAB 是一個標準的可視化平臺，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。

標準化的文檔和工具箱自帶的大量的參考設計降低了學習成本。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節(jié)中解放出來，真正關注于系統(tǒng)設計和實現(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想快速演進到硬件實現(xiàn)。

5. 跨領域的技術融合，尤其是與人工智能技術的融合。

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)計和機器學習工具箱和深度學習工具箱能夠輔助 5G 研究更進一步。

另外，MATLAB 開發(fā) API 支持和多種語言進行交互，包括但不限于 C， C++，Java 以及 Python，讓從外部導入相關的工具成為可能。

5G 研發(fā)是一個專業(yè)性很強的領域，5G 工具箱廣泛應用在大多數(shù)的前沿通信公司。除了產(chǎn)品本身，MathWorks 也加大了在服務領域的投入。

目前 MathWorks 的咨詢服務在全球范圍內(nèi)和多個頭部客戶展開了5G 領域的合作。在國內(nèi)，我們也正在和一些前沿通信公司展開 5G + AI 相關的咨詢服務。

MathWorks 咨詢團隊的工具知識和客戶的應用需求結(jié)合，加速客戶掌握采用 MATLAB 進行5G 開發(fā)的過程，讓追趕者加速，讓引領者保持。

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天下武功，唯快不破。

”值得一提的新功能

5G 工具箱從 2018 年發(fā)布第一個版本開始，一直保持者對 3GPP 標準化的跟蹤。從 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。

應客戶的需求，在技術棧上，在現(xiàn)有支持物理層和鏈路層的基礎上，持續(xù)推進系統(tǒng)級的仿真。期待新的版本有更多的進展，可以實現(xiàn)在單一平臺上實現(xiàn)精準的系統(tǒng)級的仿真。

編輯：jq