为什么MATLAB开发5G能够“一骑绝尘”？
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5G的浪潮在中国已全面开展两年有余，这项高速低延迟的通信技术普及率越来越高，为了抓住5G这列“快车”，加速5G研发是关键。
日前，记者从MathWorks得知，公司在通信方面的投资在持续加速之中，旗下的MATLAB是现有在 5G 产品研发中，能够提供完整的开发流程的统一开发平台。
痛点环生，5G开发要突破的壁垒非常多
事实上，5G 是一个很大的生态，流程也较为繁杂，其中一些开发痛点不得不提。MathWorks公司中国区的技术咨询专家陈建平告诉记者，随着技术的演进，5G 通信技术在研发复杂度上，相比较 LTE 又有进一步的提升。5G 引入和增强了新的场景和技术，传统单一的全数字的仿真手段不足以支持5G 研发的需求，多个学科的结合已经成为必然趋势。典型的案例是5G引入了对毫米波频带的支持，传统的天线模型和简单的无线信道模型在 5G 时代面临巨大的改变。一个完整的系统仿真需要结合天线设计、中射频、数值模拟混合仿真等技术，才能进一步适应5G 的设计要求。
3GPP 在持续推进5G 标准，实际上几乎保持着每一年半到两年的速度更新一个版本的速度在演进，2021年，连Release 18 都已经开始讨论了。持续跟踪标准的进度对任何的通信企业来说都是一个绝大负担，尤其对那些历史上没有既有实现的组织。5G工具箱在每个半年的MATLAB 发布周期中保持对新标准的更新。企业只要保持对 MATLAB 的更新，也就意味着同时保持了对3GPP 标准的更新。
快速学习对任何的组织和个人都至关重要。3GPP 标准由3个 TSG（技术规范组）构成，而每个规范组都包含若干的 WG（工作组），标准化文档充斥大量的技术细节和数学公式，非常复杂。对于一个小组织或者个人来说，要从标准中入手5G通信系统几乎是一个不可能的任务。通过MATLAB 的文档和例子，能够让工程师对系统有一个快速的认识。
理解代码一定不是企业研发的终点。无论是做标准化工作还是做硬件研发，当有定制化要求的时候，工程师往往需要深入系统内部去理解和改进算法。一个能够被随时修改的系统必然事半功倍。MATLAB 5G 工具在开发伊始就以开源和代码生成作为基本特征。工程师可以看到，绝大部分的5G代码都是以 MATLAB 源代码的方式提供的。定制5G标准不再是一件不可能的任务。
企业研发的最终产品可能是专门的芯片或者基站，快速原型和测试是一个难点。传统上，需要把经过验证的高层代码，比如 MATLAB，手动进行定点化分析，并用手写 C/C++ 或者 HDL 重新实现一遍。费时费力，容易引入未知错误而且极难定位。MATLAB 5G 工具箱在设计实现的时候就考虑到系统原型的可能性，支持从基于信号处理、图像处理、5G 等工具箱中开发的算法直接生成高质量的嵌入式 C/C++ 代码，极大减少了在二次实现过程中引入的潜在错误。另外，MathWorks 还有专用为通信系统设计的生成可综合的 HDL 代码的工具，方便用户实现从算法到硬件实现的完整流程。
随着 AI 技术的快速发展，AI + 5G 也是当前最热的一个研究课题。从物理层中用于提升频谱效率，到小区调度的优化，AI 技术会和 5G 技术的结合越来紧密，未来的 6G 通信中 AI 会成为最关键的技术之一。这两个截然不同的领域的结合，需要打通两个开发平台。MATLAB 几乎是市面上唯一可选的专业 5G + AI 同时完美支持的平台，可以在 MATLAB 完成 AI 算法的训练和推断，并且无缝和现有 5G 算法进行融合。
应需而生，最贴近科学家思维的5G工具箱
目前，所有企业都在5G方向冲刺，MathWorks也不例外。最近几年，MathWorks在广度上，推出了从天线设计、相控阵设计到 LTE 和 5G 标准库；在开发深度上，涵盖从算法设计、产品级自动 C 代码和可综合的 HDL 代码生成，到与硬件的协同仿真和验证。
陈建平表示，MathWorks在 5G 等标准化产品上，保持着持续的跟进和引领研发方向，支持包括 LTE、5G NR 3GPP 标准。而 MATLAB 工具箱的全面和易用性，是 MATLAB 在市场上持续成为大家最受欢迎的的 5G 开发平台的关键之处。MATLAB 以最贴近科学家的思维方式，让5G 研发者专注于 5G 标准，不用在领域技术和计算语言做思维切换。
除此之外，MATLAB 是物理层仿真的标准工具，并且对 5G 支持上，MathWorks 已经完成了对链路层仿真的完整支持，并在推进和扩展到系统级的仿真道路上。
5G 工具箱从产品的研发阶段就自带加速研发的基因，为了方便用户快速理解甚至定制工具箱，5G 工具箱的大部分代码都是标准的 MATLAB 源代码，并且支持直接从用户基于 5G 工具箱定制的应用生成标准的 C/C++ 代码。5G 工具箱在每一个半年的 MATLAB 发布周期中，都会持续跟踪最新的 3GPP 标准，保持对最新版本的标准的支持，持续扩展最新的 5G NR 特征，并同时增加用户应用和垂直应用。
据悉，5G 工具箱从2018年发布第一个版本开始，一直保持着对 3GPP 标准化的跟踪。最新的 R2021a 已经提供了对 Release 16 的全面支持，包括上下行的物理层和链路层，增强了对 EVM 测试功能。
在工具层面，新的版本版本增强了 App 的功能，比如增强了波形发生器，融入了对 LTE 和 WLAN 的波形的支持。
应客户的需求，在技术栈上，在现有支持物理层和链路层的基础上，持续推进系统级的仿真。期待新的版本有更多的进展，可以实现在单一平台上实现精准的系统级的仿真。
从具体的5G开发来讲，领先的无线工程团队使用 MATLAB 来为 5G 产品创建和优化 IP，模拟算法、RF 和天线设计选择对系统性能的影响，确保设计符合标准，使用硬件原型和OTA(over-the-air)测试来验证设计效果，跨团队共享模型和代码。
面向5G开发，MATLAB与Simulink的双重加持之下，优势也非常明显。陈建平向记者介绍，MathWorks 5G不仅仅是个单一算法的开发平台，而是面向 3GPP 标准，面向特定应用场景而专门设计的一个工具箱。该工具箱里集成了若干专用的应用，便于不同的工作场景需要。
1、端到端的仿真
使用符合标准的模型开发和优化 5G 物理层设计。评估算法和阵列设计选择、射频损伤以及低于 6GHz 和毫米波传播信道的影响。
在端到端的仿真的基础上，可以扩展到链路仿真和系统级的仿真。比起传统的系统级的大刀阔斧的简化，基于MATLAB 的系统级仿真可以融合物理模型构建足够精度，并逼近真实场景。
另外，MATLAB 自有的并行计算工具箱和并行计算服务器，可以用来并行加速仿真效率。尤其是并行计算服务器可以充分利用计算集群的计算能力。
2、兼容5G 的波形发生和测试
用 MATLAB 5G 工具箱生成符合 5G 标准的波形并自动测试模拟和无线传输。支持使用射频仪器和软件无线电硬件传输 5G 波形并捕获实时射频信号。分析和可视化模拟、实验室和现场测试结果。
实现双向收发。即可以软件发生射频信号，用于接收端接收解调，也可以直接对空口数据采样，用软件进行解调分析。
3、针对毫米波和大规模天线的射频系统工程
在毫米波频率下运行 5G 需要新的混合无线电架构来克服更高的传播损耗和信道损伤。使用 MATLAB 和 Simulink 联合建模和仿真数字、射频和天线子系统，包括宽带功率放大器、大规模 MIMO 天线阵列和自适应算法。多域仿真可在硬件实验室或现场试验中进行测试之前进行更彻底的设计验证。组件工程师可以使用单个工具更轻松地共享模型和协作。
4、基于模型的设计的原型和验证
将基于模型的设计与 MATLAB 和 Simulink 结合使用，可以实现系统建模和开发工作流程，以加速 5G 硬件和软件的实施。您可以在较高级别进行设计更改并自动生成代码和测试平台。
基于模型的设计使您能够试验不同的架构和算法、反复调整参数、预测硬件性能以及在 SDR 和其他 FPGA 或 SoC 硬件上自动进行原型设计。
数字孪生，为5G系统开发提供关键优势
事实上，从去年突如其来的各种“天灾”之下，行业受阻严重。而在此之下，由于线上办公和各种无接触式的生活方式，对于5G来说反而是一种机遇。另外，在新基建和各种相关政策的跟进下，5G这块“蛋糕”仍然“香”。
面对重重挑战，MathWorks如何帮助开发者快速适应现状？陈建平表示，“天下武功，唯快不破。在研发领域，谁能更快更准把产品推向市场，谁就能引领技术方向。纯技术研发无非才从算法到原型再到产品，当然，5G 研发的算法复杂度和难度还是非常高的。”
他强调，在这个技术上分秒必争的时代，如果在每个阶段都能缩短周期，就能提供了一个核心竞争能力。MATLAB 自身的特点，及其通信系统开发的相关工具箱，为提升 5G 系统开发提供了关键的优势。
1、MATLAB 本身就是一个最好的数学平台。
MATLAB语言非常接近标准的数学描述，降低了5G算法研发的心智负担。尤其是5G 标准化采用大量的线性运算，非常适合采用 MATLAB 作为标准化的描述和沟通语言，有利于团队的协作，降低团队的沟通成本，提高沟通效率。
2、学习曲线和成本。
MATLAB 以工具箱的形式，提供了从通用的通信系统设计到最专业的 5G 系统设计工具和专业定点工具，并且随着3GPP的标准演进而更新。
同时 MATLAB 是一个标准的可视化平台，5G 收发波形，空时平面，天线图都非常容易在MATLAB 中实现可视化。
标准化的文档和工具箱自带的大量的参考设计降低了学习成本。开源的代码降低了定制化自有算法的门槛。
3、更高的开发计算效率。
大量的工业级的工具箱能够极大提升系统的开发效率，让研发人员从底层的语言细节中解放出来，真正关注于系统设计和实现，加速迭代过程。
同时，MATLAB 提供了并行计算能力，能够满足大规模仿真需要。
4、快速原型。
5G 工具箱从第一个版本开始，就开始支持开发源代码和支持代码生成，包括 C/C++ 代码和 HDL 代码。
针对基于模型的设计流程，提供了实现专用的工具辅助从浮点模型向定点模型的转化，自动代码生成和基于软硬件的混合仿真能力，使用户有可能从原型的构想快速演进到硬件实现。
5、跨领域的技术融合，尤其是与人工智能技术的融合。
5G 的未来，AI 必不会缺席。在 5G 的研究中和人工智能的结合，已经成为前沿研究的必经之路。统计和机器学习工具箱和深度学习工具箱能够辅助 5G 研究更进一步。
另外，MATLAB 开发 API 支持和多种语言进行交互，包括但不限于 C， C++，Java 以及 Python，让从外部导入相关的工具成为可能。
“5G 研发是一个专业性很强的领域，5G 工具箱广泛应用在大多数的前沿通信公司。除了产品本身，MathWorks 也加大了在服务领域的投入”，陈建平表示，目前 MathWorks 的咨询服务在全球范围内和多个头部客户展开了5G 领域的合作。
在国内，MathWorks也正在和一些前沿通信公司展开5G + AI 相关的咨询服务。MathWorks 咨询团队的工具知识和客户的应用需求结合，加速客户掌握采用 MATLAB 进行5G 开发的过程，让追赶者加速，让引领者保持。
受访人介绍：
陈建平，MathWorks公司中国区的技术咨询专家，他拥有近20年的通信系统设计和实现经验，专注于下一代通信系统和人工智能的融合，擅长工程大数据分析和高性能计算领域的系统架构和实现。拥有北京大学学士和硕士学位，加入 MathWorks 之前，他在 NTT DoCoMo（日本电信）从事 4G 算法研究和无线系统设计的研发工作，专注于大规模天线阵列的检测和信道编解码的研究和实现，并取得若干专利。
【参考网页】
1、使用 MATLAB 和 Simulink 进行无线通信和半导体设计【精选资源库】
2、波形发生 App
3、TransmissionOver MIMO Channel Model
4、How to Generate a 5GWaveform for SystemVerilog Verification Using 5G Toolbox
【用户案例】
1、Qualcomm采用 MATLAB 优化和验证 5G 射频前端
4、Lekha Wireless 加速 5G NR 的开发和交互测试
5、MMRFIC 实现5G 大规模混合波束成形MIMO 阵列
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