MATLAB能在哪些方面幫助大家研發(fā)5G小基站呢？

在國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（簡稱：新基建）的浪潮中，5G 基站建設(shè)首當(dāng)其沖。而在 5G基站建設(shè)中，業(yè)界普遍判斷小基站將起到舉足輕重的作用。這主要有兩個(gè)方面的原因：

1. 小基站契合 5G 的覆蓋和容量需求

相比于 4G 通信，5G 更加注重室內(nèi)應(yīng)用場景。5G 系統(tǒng)具備的大帶寬、低時(shí)延、高可靠性等新特性正演化出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等大批 5G ToB 新業(yè)務(wù)，催生了一批室內(nèi)/園區(qū) 5G 網(wǎng)絡(luò)方案。小基站因具有超密組網(wǎng)、穿透覆蓋、部署方便、結(jié)合邊緣計(jì)算等方面的優(yōu)勢，被認(rèn)為是 5G 網(wǎng)絡(luò)的重要成員。

2. 小基站技術(shù)的持續(xù)發(fā)展

以 ORAN、小基站聯(lián)盟（SCF）等為代表的組織致力于推進(jìn)硬件白盒化、軟件平臺化/開源化/API 化，并推出統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)。這些努力大大降低了 5G 小基站的開發(fā)難度和復(fù)雜度，為5G新基建引入了更多新生力量。

那 MATLAB 又能在哪些方面幫助大家研發(fā) 5G 小基站呢？

（一） 通過 MATLAB 學(xué)習(xí)和校驗(yàn) 5G 標(biāo)準(zhǔn)

為了簡潔高效，3GPP 5G 標(biāo)準(zhǔn)大多采用抽象的數(shù)學(xué)公式來表達(dá)，盡管如此篇幅仍然較長。對于廣大工程師來說，標(biāo)準(zhǔn)里的矩陣公式可能有些晦澀，想在有限的上班時(shí)間內(nèi)看明白并正確實(shí)現(xiàn)有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

2018 年 MATLAB 發(fā)布了 5G Toolbox，提供符合標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)和參考示例，用于對 5G NR 通信系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和驗(yàn)證。該工具箱支持鏈路級仿真、黃金參考驗(yàn)證、一致性測試以及測試波形生成。

你可以把它視作可運(yùn)行的5G標(biāo)準(zhǔn)，能幫助你學(xué)習(xí) 5G 標(biāo)準(zhǔn)，或者作為第三方的 5G 標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)工具。舉個(gè)例子：小基站發(fā)射的下行 PDSCH 中 DM-RS 信號（demodulation reference signal，用于估計(jì)無線信道）生成包含序列生成和空口無線資源塊映射2步。

3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于如何映射到無線資源塊的部分節(jié)選如下：

（p.s. 喜歡知難而上的同學(xué)可以找?guī)灼獦?biāo)準(zhǔn)研究研究 https://www.3gpp.org/ftp/Specs/latest，將來加入大廠 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)組，在國際舞臺上叱咤風(fēng)云）MATLAB 提供函數(shù) nrPDSCHDMRS，通過配置參數(shù)即可得到符合 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的 DM-RS 信號和映射，節(jié)選例子 NR PDSCH Resource Allocation and DM-RS and PT-RS Reference Signals 代碼如下：https://ww2.mathworks.cn/help/5g/ug/nr-pdsch-resource-allocation-and-dmrs-and-ptrs-reference-signals.html

% Set the parameters that control the frequency resources of DM-RS

pdsch.DMRS.DMRSConfigurationType = 1; % 1 or 2

pdsch.DMRS.DMRSPortSet = 0;

pdsch.DMRS.NumCDMGroupsWithoutData = 1; % 1 corresponds toCDM group number 0

% Set the parameters that only control the DM-RS sequence generation

pdsch.DMRS.NIDNSCID = 1; % Use empty to set it to NCellID of thecarrier

pdsch.DMRS.NSCID = 0; % 0 or 1

% Generate DM-RSsymbols

pdsch.NumLayers =numel（pdsch.DMRS.DMRSPortSet）;

dmrsSymbols =nrPDSCHDMRS（carrier，pdsch）;

除了使用簡便，5G Toolbox 還有 2 個(gè)很有用的特性：

1） 5G Toolbox 的實(shí)現(xiàn)是白盒。你可以看到 MATLAB 的函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的，以更好的幫助理解標(biāo)準(zhǔn)。甚至可以修改代碼，用于仿真私有 5G 協(xié)議或者研究 6G 通信。2） 5G Toolbox 的算法能夠自動(dòng)生成 C 代碼。生成的 C 源代碼可以部署到小基站的白盒硬件中。

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（二） 無線信號發(fā)射和EVM測量

對于基站射頻測試，3GPP 5G NR 標(biāo)準(zhǔn)定義了一組 NR- TM 波形。對于用戶設(shè)備（UE）測試，標(biāo)準(zhǔn)定義了一組FRC波形。在 TS 38.141-1 中定義了頻率范圍1 （FR1）的 NR-TM 和 FRC，而在 TS 38.141-2 中定義了頻率范圍2 （FR2）的 NR-TM 和 FRC。MATLAB 提供無線信號生成 APP，通過圖形化的界面配置參數(shù)即可生成符合標(biāo)準(zhǔn)的 NR、LTE 和 WLAN 等標(biāo)準(zhǔn)測試波形。生成波形后，還可通過 APP 上的 Transmitter 頁面連接儀器設(shè)備，將波形用 RF 信號發(fā)生器發(fā)射出去。

無線信號生成 APP 使用可參考例子：App-Based 5G Waveform Generationhttps://ww2.mathworks.cn/help/5g/ug/app-based-5g-waveform-generation.html

除了信號生成與發(fā)射，MATLAB 還提供軟件實(shí)現(xiàn) 5G NR 上行 PUSCH 和下行 PDSCH 的 EVM 測量，信號處理鏈路如下圖（參考例子 EVM Measurement of 5G NR PDSCH Waveforms）：https://www.mathworks.com/help/releases/R2021a/5g/ug/evm-measurement-of-5g-nr-pdsch-waveforms.html

射頻損傷（如相位噪聲、非線性）可以用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，也可以用 RF Blockset 搭建高保真射頻仿真模型。經(jīng)過信號同步和解調(diào)后，計(jì)算并繪圖展示每個(gè) OFDM 符號、slot 和子載波的均方根值和峰值 EVM。

（三） 波束成型設(shè)計(jì)

大規(guī)模天線陣列和波束成型是 5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.1 波束掃描

以 5G NR 系統(tǒng)初始接入時(shí)發(fā)送端（gNB）和接收端（UE）的波束掃描過程為例，下圖展示了 gNB 4 個(gè)發(fā)射波束和 UE 4 個(gè)接收波束在方位面上的波束掃描圖。圖下部是收發(fā)雙掃描所花費(fèi)的時(shí)間，其中 gNB 的每個(gè)波束掃描間隔對應(yīng) SSB（synchronization signal blocks）， UE 的每個(gè)波束掃描間隔對應(yīng) SS 突發(fā)（SS burst）。

例子 NR SSB Beam Sweeping 的節(jié)選代碼展示了如何設(shè)置天線陣列，計(jì)算波束指向系數(shù)，以及對發(fā)射信號波束賦形等。在收發(fā)雙端波束掃描和測量完成后，根據(jù) RSRP 測量值確定最佳波束對鏈路。https://www.mathworks.com/help/releases/R2021a/5g/ug/nr-ssb-beam-sweeping.html

prm.TxArraySize = ［8 8］; % Transmit array size， ［rows cols］

prm.RxArraySize = ［2 2］; %Receive array size， ［rows cols］

% Uniform rectangular array

arrayTx =phased.URA（prm.TxArraySize，0.5*lambda， 。..

‘Element’，phased.IsotropicAntennaElement（‘BackBaffled’，true））;

% Uniform rectangular array

arrayRx = phased.URA（prm.RxArraySize，0.5*lambda，‘Element’，phased.IsotropicAntennaElement）;

% For evaluating transmit-side steering weights

SteerVecTx = phased.SteeringVector（‘SensorArray’，arrayTx，‘PropagationSpeed’，c）;

% Generate weights for steered direction

wT = SteerVecTx（prm.CenterFreq，txBeamAng（：，ssb））;

% Apply weights per transmit element to SSB

strTxWaveform（startSSBInd:endSSBInd，：）= ssbWaveform.*（wT‘）;

3.2 利用經(jīng)過 5G 信道的參考信號計(jì)算波束成形

除了用波束掃描來確定最佳波束，也可以測量經(jīng)過信道后的5G參考信號來計(jì)算波束成型系數(shù)。例子 TDD Reciprocity-Based PDSCH Beamforming Using SRS 展示了如何利用信道互易來計(jì)算 TDD 場景中的物理下行共享信道（PDSCH）波束形成權(quán)值。波束形成權(quán)值計(jì)算基于上行探測參考信號（SRS）的信道估計(jì)，將相同的信道用于下行 PDSCH 傳輸。https://ww2.mathworks.cn/help/5g/ug/tdd-reciprocity-based-pdsch-beamforming-using-srs.html

以下節(jié)選代碼展示了如何在 MATLAB 中定義 5G nr CDL信道及接收和發(fā)射多天線。nrCDLChannel 支持 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義的 Massive MIMO 天線陣列［M N P Mg Ng］， 其中：

M 和 N 分別為天線陣的行數(shù)和列數(shù)。

P 是極化數(shù)（1或2）。

Mg 和 Ng 分別為陣列面板的行數(shù)和列數(shù)。

bsAntSize = ［4 4］; %number of rows and columns in rectangular array （base station）

ueAntSize = ［2 2］; %number of rows and columns in rectangular array （UE）。

% Create the CDL channel model object. This object is bidirectional andcan model both DL and UL directions.

channel =nrCDLChannel;

channel.DelayProfile= ’CDL-A‘;

channel.DelaySpread =300e-9;

channel.CarrierFrequency= fc;

channel.MaximumDopplerShift= 100;

channel.SampleRate =ofdmInfo.SampleRate;

% Set the antenna arrays. Initially， the channel operates in the DL direction，therefore the transmit antenna array corresponds to the BS， while the receiveantenna array corresponds to the UE.

channel.TransmitAntennaArray.Size = ［bsAntSize 1 1 1］; % Assume only 1polarization and 1 panel of arrays

channel.ReceiveAntennaArray.Size = ［ueAntSize 1 1 1］; % Assume only 1 polarization and 1 panel ofarrays

基站發(fā)射端的信道展示圖，包含陣列配置、單元輻射圖和簇路徑方向：

整體工作步驟包括：Uplink 時(shí)隙：

利用信道互易交換發(fā)射和接收天線

生成并通過通道發(fā)送 SRS

使用奇異值分解（SVD）進(jìn)行信道估計(jì)和波束形成權(quán)值計(jì)算

Downlink 時(shí)隙：

使用最新 UL 時(shí)隙中計(jì)算的權(quán)重波束賦形 PDSCH

發(fā)送這個(gè)信號通過衰落信道，接收端解碼

計(jì)算吞吐率

3.3 射頻數(shù)字混合波束成形

由于 Massive MIMO 天線數(shù)量很多，可能超過 100 個(gè)，為降低成本和功耗，一個(gè) TR 組件常用于多個(gè)天線元件。在這種配置中，不再可能對每個(gè)天線元件施加數(shù)字權(quán)重，數(shù)字權(quán)重只能應(yīng)用于每個(gè)射頻鏈路。在天線陣元級，信號由模擬移相器調(diào)整。因此，預(yù)編碼或組合實(shí)際上是在兩個(gè)階段完成的。

由于這種方法在數(shù)字和模擬領(lǐng)域都能實(shí)現(xiàn)波束形成，因此被稱為混合波束形成。混合波束形成常常被設(shè)計(jì)成 3D 波束成形。更多信息請點(diǎn)擊“閱讀原文”，參考白皮書：大規(guī)模 MIMO 相控陣系統(tǒng)的混合波束成形。

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