从代码生成到频谱拥塞的5G挑战

正如我们在12月份的一篇特别报道中所解释的，5G研究涵盖了从算法开发到运营商验收测试的各个领域。在那篇文章中，包括MathWorks高级策略师Ken Karnofsky在内的行业专家对5G技术的趋势和5G所面临的挑战发表了评论。在随后的电话交谈中，Karnofsky详细阐述了一些主题，包括自动代码生成、帮助工程团队获得应对5G挑战所需的技能和工具、基于数学的传播特性可视化、多径环境中的散射体以及与频谱拥塞和共存相关的问题。

Rick Nelson：在我们12月份的5G特别报道中，您评论道：“目前，从射频到基带的整个信号链，都可以在一个可编程的设备或模块中实现。然而，大多数工程团队都没有现任的专业工程师来设计这些设备并将其集成到一个完整的系统中。”这些设备是FPGA吗？

Ken Karnofsky：这取决于设计的是基站还是手机。通常，一旦设备投入全面生产，它们将成为ASIC。在基站设计的初期，会有重要的FPGA组件。对于手机和移动设备，FPGA可以用于模拟器或原型系统，但在这种情况下，最终产品当然是ASIC。

RN：那么，您可以在MATLAB中开发一种算法并将其转换为FPGA设计工具吗？

KK：是的，这当然是我们所提供服务的一个方面。系统架构师将使用浮点算法，他们并不真正关心物理设备的约束条件，但他们想了解这种行为，他们也可能在端到端信号链的背景下模拟算法，这种信号链可能包括射频减损或天线特性的各个方面，这在5G的MIMO系统中变得越来越重要。然后通常会发生一些事情。对于开发原型系统，人们对从模型中自动创建原型系统的兴趣无疑在增长，这涉及到将抽象的浮点模型转换为表示定点硬件的对象。一些体系结构可以用硬件实现，最后一个阶段是生成实现代码。

作为更多生产系统ASIC或FPGA的最新技术，我们看到一些公司正在采用自动代码生成，它是系统中特定IP块或算法的一种前沿类型的过程。但总的来说，整个系统通常是用VHDL或Verilog手工编码的。我不知道有谁正在自动化实现整个基带调制解调器——这是一个艰巨的任务，是我们未来需要实现的目标，但对于特定算法，我们肯定会看到更多的自动代码生成。

RN：手工编码的优点是什么？

KK：我们拥有既定的工作流，如验证工作流，以及现有的工具和技能集。采用不同的方法是一项挑战，即使这样做有令人信服的优势，也不能草率行事。但是，芯片设计的确实需要在内存管理和其他类型的组件方面做更多的工作，而到目前为止，这些还不是MathWorks真正关注的焦点。我们开始引入对系统的这些部分进行建模的功能，但自动化实现仍需时日。

RN：您提到工程团队可能缺乏5G所需的专业知识。MathWorks如何通过培训或在工具中构建更多的功能来帮助实现这一点？

KK：两者都有。随着5G的上线，我们看到的一个方面是，对工程技术人员的培训有着现实的需求，工程技术人员可能熟悉LTE或其他方面的通信，但5G对他们来说是新生事物，5G在标准灵活性的某些方面增加了很多复杂性。每次我们与客户接触时，都会有一些新的概念引起我们浓厚的兴趣。我们制作了一个简短的视频系列，我们称之为“5G概述”——这是一个10集的系列视频，包含5G物理层的各个方面。当我们查看网站上最热门的无线主题信息时，这个系列已经列在了前五页。显然，人们对这个主题感兴趣，当我们在特定的客户网站上展示这些材料时，我们也看到了这一点。通常，我们也会有一屋子对5G感兴趣的人。

所以这是一个方面。另一方面是系统建模，即基带满足射频和天线系统的要求。因此，这将涉及到波束形成体系结构，它使用更多的数字算法（如数字预失真）来补偿功率放大器中的减损或非线性，以及获得5G数据速率所需的大带宽。与LTE或以前的系统相比，这些因素确实引发了重新思考和重新架构。因此，为了设计这些算法，最好有一个其他组件的模型，以便评估体系架构的取舍。例如，在波束形成空间中，人们正在思考全数字体系结构与混合数字和模拟体系结构的异同，采取不同的方法既有效率原因也有成本原因。工程师们所受的传统训练未必能够完全涵盖这种跨领域的权衡。他们可用的传统工具可能更面向电路，并且倾向于关注射频天线传播或数字信号处理器算法。那么，我们如何把这些都结合在一起？所以，这是我们要回答的一个问题，而且我们肯定要提供一个建模环境。在这个环境中，你可以在开始构建原型硬件之前，将各个部分组合在一起并获得一些见解。

RN：这涉及到硬件在环方面吗？如有，您能举个例子吗？

KK：在某种程度上是有的。以我们与美国国家仪器公司的合作演示为例，我们有一个显示DPD的模型和一个功率放大器的模型。我们的目的不是提供DPD IP。这是一项非常专业的任务，我们的客户希望创建特定于其产品的模型。我们的目的是展示一种建模方法。在演示中，我们采用了DPD算法，而不是功率放大器的模型，我们将该算法与一些NI PXI测试设备和一个实际的硬件功率放大器放在回路中。我们通过测试设备输送测试向量，驱动功率放大器，并将结果返回到MATLAB中，在MATLAB中我们可以更新系数等。这是一个HIL示例，它具有验证实现与模型中预测结果的能力。

RN：我在12月份的5G报道中引用了某位专家的话，称5G面临两种挑战：一种是前几代蜂窝网络的挑战，另一种是5G的全新挑战。您同意吗？

KK：是的，当然。有几个技术驱动因素。第一，我已经提到了大带宽在使射频技术以线性方式运行方面带来了挑战。第二个是大规模MIMO。这种大规模MIMO体系架构是之前未有的。

第三种是在数字基带物理层。5G的帧结构非常灵活，你可以重用相同的结构来实现高吞吐量、高容量的系统，或者将之调低，为物联网和这类应用程序提供低延迟和更低的数据速率。因此，他们预测了所有这些不同的用例，这些用例都有着不同的需求，结果是创建了一个非常灵活但复杂的帧结构，这会增加需要评估的场景或测试用例的数量。这无疑是一项挑战，无论是在理解方面，还是在实际代码编写、验证设计和测试所需的时间方面。

RN：一旦5G网络部署完毕，MathWorks在评估体验质量或覆盖范围方面是否可以持续发挥作用？

KK：是的，我是这么认为的。我们最近引入了使用基于数学的传播特性可视化来可视化和分析覆盖率的功能。所以，你将看到覆盖率分析、链接强度等等。在毫米波中，信道类型使用的技术不同于在较低频率下使用的技术。

信道建模本身并不属于体验质量，但它是一个非常关键的领域，我们看到基站提供商和运营商对这个领域同样地感兴趣，并试图了解这些传播特性。如果使用低频信号，当你身处市区时，不必再担心信号被建筑物反射或被材料吸收，那会怎么样？在LTE中，人们也对这种场景规划感兴趣，我把基站放在哪里，这对覆盖率有什么影响，地形和建筑物会产生哪些影响，以及会有哪些类型的影响？所以，我们在可视化和分析方面引入了一些功能，我想我们肯定看到了客户的兴趣，这促使我们继续在这方面投资。

RN：在12月份的报道中，除了5G报道，我们还采访了您的一位同事，MathWorks工业自动化和机械行业经理Philipp Wallner。他讨论了工业物联网，2 并谈及了一家新西兰能源公司。该公司持续（每30分钟左右）使用Simulink模型来优化电网负荷，并确保电网（在接下来的30分钟内）继续运行。这里似乎应该有类似5G网络方面的内容。

KK：没错。你能设计一个真正支持这种流量的网络吗？自动驾驶和自主车辆领域与下一代无线基础设施之间正在出现了一种有趣的互动。如果你想一想，这个行业在多大程度上采用了5G版本的V2X技术，或者是车辆之间的通信，你就希望能够跟踪移动性。如果你在设计这样一个系统，你会想知道车辆在哪里，它们的速度有多快，它们使用哪些其他的传感器模式来检测其他车辆或障碍物的存在，以及它们是如何相互通信的。我们在这方面看到了一些有趣的大学研究。一所大学正在从燃料消耗的角度进行这类分析。你可以使用车辆通信网络检测交通模式，从而更有效地刹车或加速，并从根本上优化燃料消耗。我认为它将对这些设计产生影响，正如车载通信肯定是无线技术的市场一样。这是双向的。

你还提到了工业物联网。一位客户刚刚在我们的MATLABExpo会议上发表了一篇演讲，内容是用新的802.11ax（有时也称为Wi-Fi 6）取代工厂中的以太网。他们正在研究能否在Wi-Fi系统中获得足够低的延迟，从而使你能够使用无线技术而不是电缆进行实际的工业控制。

他们已经做了足够的研究来证明这是一个很有前途的概念证明，他的演讲关于他们如何使用MathWorks工具来建模他们需要做的修改，以使其标准能够达到所需的延迟，他们正在一些可编程SDR类型的硬件上对提议的系统进行原型设计。它不是5G，但802.11ax相当于5G的Wi-Fi，许多问题与影响基带设计的新天线技术以及吞吐量和延迟之间的取舍有关。它们之间有许多相同的考虑——只是后者在Wi-Fi的世界里，而不是在蜂窝网络的世界里。

RN：一位业内专家表示，5G正从相对友好的试验阶段转向不那么友好的商业部署环境。您同意吗？

KK：当然。我的回答是肯定的，因为在消费者接受度和资格方面有大量的投资决策和考虑。实现消费者想要的体验质量所需的测试程度与在实验室中确定一个设备能否与另一个设备成功通信所需的测试有很大的不同。

RN：您对多径环境中散射体的模拟发表了评论。您会使用真实的数据吗?

KK：我们可以引入外部资源，你可以把地形放到地图上，进而获得关于山脉高度和其他地形方面的真实数据，我们最近还引入了获取开放街道地图数据的功能，并将建筑物也放到地图上。我们还没有建筑物的属性，所以你还不知道它是玻璃建筑还是砖制建筑，但你可以知道建筑在那里、有多高。此外，我们还引入了一些光线跟踪技术，这些技术包含在通道模型中，用于确定物体如何从建筑表面反射以及如何影响接收。它回答了一个问题，你能在这种环境下成功地从A点到B点得到信号吗?

RN：接下来呢？是6G吗？

KK：当然，我们努力与从事这类工作的学者保持联系。在2019年布鲁克林5G峰会上，主旨演讲讨论了6G。3所以肯定有关于6G的研究。但在短期内，3GPP仍将发布第16版，仍然是5G。就未来而言，更直接的是为5G构想的其他用例。因此，我们已经开始部署移动宽带，但是低延迟和大规模物联网设备的用例将在第16版中真正发布，同时还将更多地实现毫米波技术。我认为关于第16版仍然需要做很多决策，但是它已接近尾声，所以我认为主要的问题已得到了很好的理解。在升级到6G之前，还会再发布一个5G版本。

其中一个问题涉及技术消费者的实际考虑，他们正在考虑工业环境、体育场馆或类似事宜。问题是要使用5G技术还是更新版本的Wi-Fi技术，这些技术与5G有一些相同的目标，消费者将不得不做出技术和商业决策。有人讨论在未授权的频段上使用专用5G网络，那么你是使用专用5G网络还是建立下一代Wi-Fi网络？有一种新的趋势显示，对这些替代方案的评估将成为技术消费者的一个重要考虑因素——每种技术最终都会找到自己的位置，但目前还不完全清楚哪种方案会胜出。

RN：您还有其他的想法吗?

KK：我们谈到了散射丰富的环境，但也有频谱拥塞。有些情况下，现有频谱中存在现有技术和新技术，因此我们从客户那里听到了很多关于共存和干扰缓解的挑战，及其他工程挑战。如果你正在发送和接收一种特定类型的信号，那么考虑到在同一频带中有许多其他信号需要处理，如何确保以稳健的方式做到这一点？

RN：动态频谱共享(DSS)是使5G和LTE共存的一种方法。

KK：没错。我们在其他地方也看到了类似的情况。几年前，美国推出了民用波段无线电服务。4 联邦通信委员会提供了一些以前和现在仍被海军雷达使用但现在可用于LTE的频谱。所以，如果你碰巧在一个港口城市，那里有海军舰艇和一个LTE网络，而你想利用这个频谱，一些有趣的频谱管理问题就出现了。我相信这不会是最后一个例子。

参考资料

1. “特别报道：从半导体到数字孪生驱动5G的创新”，《EE-评测工程》，2019年12月刊第6页，作者Nelson, Rick。

2. “模型和仿真为数字孪生和工业物联网提供支持”，《EE-评测工程》，2019年12月刊第16页，作者Nelson, Rick。

3. “5G与6G在第六届年度布鲁克林5G峰会上同台亮相”，纽约大学坦顿工程学院理工学院，2019年5月7日。

4. “民用频段无线电服务(CBRS)”，FCC，2017年4月13日。