MATLAB 5G工具箱让工程师在开发5G系统时如鱼得水

        ——专访MathWorks全球市场经理赵志宏先生

5G的重要性和热度现在几乎是众所周知了。原来预期2020年商用，但中国可能会提前到2019年就发放营业牌照。这会使得整个行业加速5G的开发进程，科学计算软件供应商MathWorks 9月发布了MATLAB & Simulink R2018b，其中新增了一个5G Toolbox（工具箱）。5G工具箱的发布可以说是恰逢其时。本刊就此采访了MathWorks全球市场经理赵志宏先生。

MathWorks公司简介

MathWorks是一家全球化的公司，有31个分公司、约4000名员工，2017年总营业额超过9亿美元，其中约40%来自美国，亚洲和欧洲占约30%。

MathWorks的主要产品是MATLAB和Simulink。MATLAB是一个适用于算法开发、数据分析和可视化、数值计算的工具。Simulink是一个图形化的工具，工程师可以用它对系统进行设计、仿真或者是测试。另外，MathWorks还为近100个特定领域提供定制产品。

目前全世界180多个国家的9万多个机构的300多万工程师、研发人员正在使用MATLAB和Simulink。

赵志宏先生特意提到教育领域。他说：“现在有五千多所大学在使用我们的工具。每年都有数以万计的毕业生在学校里就学会了使用MATLAB和Simulink。他们把这些知识带到工作岗位上，能够迅速、熟练的进入技术开发工作。这也是我们的软件的优势之一。”

5G带来的设计挑战

5G之所以能带来巨大的性能提升，是因为它采用了很多新的、先进的技术和新的架构，比如说在物理层方面，它有了新的信道模型、新的波形、新的编码和调制方案等。另外在射频和天线部分，采用了毫米波、大规模天线阵列、波束赋形等技术。在系统和网络构架方面，它采用了低功率、小覆盖范围、密集的基站。

对于通讯系统的设计团队来说，他们不仅要了解这些新的技术，而且还要更新他们的设计和测试方法，只有这样，他们的产品才能跟上通讯系统越来越复杂和设计周期越来越短的要求。

同时，无线通讯标准是不断向前发展的，也就是说，在设计新产品的时候，工程师们还要考虑兼容一些旧的通讯标准，但是现在很少有公司有足够多的技术力量，能够覆盖到3G、4G、5G的所有技术。

所以MathWorks的无线通讯软件就是针对无线设计工程师们所面临的这些挑战而开发出来的。几年前，MathWorks就推出了支持4G LTE、ZigBee、WLAN和NB-IoT的产品，今天又推出了5G工具箱。

5G工具箱的功能和用途

新发布的5G工具箱为工程师提供了一个集成的工作环境，对所设计的5G通信产品进行仿真、快速建原型和测试，还可以快速地设计一些关键的算法，预测5G系统的端到端之间的链路性能。另外，确保它的算法和设计最后符合5G标准。对于大部分工程师来说，读懂5G标准，按照标准里面定义的规范去设计产品并不是一件简单的事情。5G工具箱可以给这些工程师提供一个捷径，迅速搭建出一个模型，可以很快地上手，开始设计自己的产品。

具体地来说，5G工具箱有三个比较典型的应用场景：

一、可以产生和分析符合5G标准的波形，工具箱支持标准里定义的OFDM波形，还有新的编码方案、参数集，包括子载波间隔和符号长度。波形产生实际上是一个很重要的功能，因为接收器设计师往往需要大量的测试数据来测试他们的接收器。有了这个标准波形发生功能，他们就可以不需要仔细了解发射器的一些性能，而是可以直接利用产生出来的波形去测试他们的接收器的功能，大大节约了时间，而且减少了出错的可能性。

二、可以很快地建立一个端到端的链路级的仿真模型，包括发射器、接收器，包括信道模型，工程师们可以在已经建立好的信道模型上去验证自己的算法，调整一些参数，分析误码率、吞吐量等，直到最后整个链路、各个环节都符合设计要求。

三、在产品的验证阶段，工程师们可以把仿真过的模型作为黄金参考，进行产品的实现和验证。他们可以采用仿真模型产生的输入和输出数据，来验证自己的硬件，也可以采用代码产生的功能，直接把设计好的算法、设计好的模型转换成代码，放到硬件上去运行。

5G工具箱的优势

市面上的5G开发工具其实也很多，那么MathWorks的工具跟它们有什么区别呢？赵先生表示：“我们的主要区别实际上是一个整套的开发流程，这个流程里面有几个亮点，突出了我们的主要优势。”

第一个就是，MathWorks有很多工具箱，这些工具箱涵盖很多技术领域，比如说在设计整个通信链路或通信系统时，工程师可以把数字基带和射频放在一起去仿真。另外，用户也可以把他们的天线阵列和信道模型放在一起去仿真。像这些跨领域、跨技术的模型都可以放在一起进行仿真。这样的话，工程师就可以得心应手，用工具来弥补他们在知识上的一些不足或者缺陷。

第二个就是，使用MathWorks工具箱可以确保设计出来的产品能够符合5G通讯标准。采用5G工具箱设计模型时，设计师不必担心设计出来的模型不符合标准。因为他们通过建模、仿真所得出的结果，可以通过工具箱里提供的硬件接口来直接进行硬件的实现和测试。

第三个就是，如果结合MathWorks的代码产生技术，设计师可以很快地把他设计出来的模型变成硬件原型，甚至直接变成产品。

这三个亮点就是MathWorks公司的无线通讯开发工具和其它工具之间的最大区别。

给客户带来高效益

上述优势可以给产品开发商带来很多效益，帮助无线设计工程师应对现在不断增加的产品复杂性和不断缩短的开发周期，能够提高开发效率，无需从零开始。

那么这些效益具体体现在哪几个环节上呢？

在产品设计的初期，设计师可以通过建模、仿真来了解、分析整个系统的功能和性能，包括发射端、接收端、信道、干扰等等，可以在一起进行仿真。

在系统功能和性能确定之后，设计师可以在模型的基础上进行逐步细化，增加他们所需要的一些细节，比如硬件方面的东西或者软件方面的一些信息，包括软件和硬件的规划和系统的构架，都可以在原来设计好的模型上去做。

在实现的环节上，工程师也可以采用代码产生技术快速地做出产品原型，甚至把产品设计中的关键技术、关键算法产生出代码，进行优化，然后放到产品当中去，直接用在产品里面。这就大大节省了产品设计所需要的人力和时间。

另外，这些产品模型还可以在后续的产品开发中持续地应用，因为无线通讯的标准是在不停地往前发展的，5G也会不停地更新。在新标准出来之后，设计工程师就可以在原来已经开发出来的模型上进行调整，不必重新设计整个产品。

快问快答

问：5G工具箱是MATLAB里面一个独立的模块吗？进行5G系统设计是不是只购买5G工具箱就可以了？还需要购买整个MATLAB吗？

答：我们所有的工具箱都是在MATLAB上面的，5G工具箱在应用的时候，还要用到我们的通讯工具箱里面的很多功能，通讯工具箱是通讯产业的基本工具，里面包含了很多可视化具。购买5G工具箱时还要同时买通讯工具箱及MATLAB。

问：5G工具箱能够满足5G系统设计的所有需求吗？是否还需要其它软件的配合？

答：那要看最终的设计目标是什么，对于那些做产品的工程师来说，他们除了要仿真、把系统模型搭建起来以外，最终是要出硬件的。像这样的应用例子，就还需要我们公司的其它产品，比如代码产生产品、测试和验证产品。5G工具箱涵盖的是设计前端建模、仿真、分析这样的功能，在后端进行产品实现的时候，还需要用到我们公司提供的其它产品。

问：5G工具箱是专门针对5G系统设计的软件吗，能否用于5G芯片、元器件、天线、终端等的设计？

答：都可以，既可以用在系统方面的设计，包括网络方面，也可以用在芯片设计等方面。

问：这个工具箱有中文版吗？

答：现在还没有。

赵志宏（John Zhao），现任MathWorks美国总部的产品市场经理，负责信号处理和通讯产品在全球的战略定位和技术推广。赵先生毕业于清华大学电机工程系，获得硕士学位；并拥有美国柏森大学的MBA学位。毕业后，就职于MathWorks十年，曾任研发部门经理，负责开发HDL Coder产品，从MATLAB和Simulink算法产生RTL代码。