通往 5G 之路 : 无线系统的仿真和原型实现 王峥 (John Wang) 通信, 电子, 半导体行业经理, MathWorks 1
目录 5G 系统的挑战 从算法到天线的设计 空口的测试 (Over the Air Testing and Software Defined Radio) 原型实现 2
5G 展望和应用场景 5G 的技术需求 新的物理层技术 新的 RF 架构 新的网络配置 新的设计方法和外场测试 5G 技术挑战 毫米波 (mmwave) 天线和中射频设计 mmtc URLLC embb 信道模型 (>6GHz) 新的信道编码 Polar Code 新的波形 (f-ofdm) 多天线 Massive MIMO 快速原型 IoT 物联网 V2X 车联网 Ultra-Fast Mobile 超高速宽带 外场测试 3
5G 的时间点 第一版 5G 标准 03/2018 第二版 5G 标准 03/2020 LTE: Long Term Evolution Long Term Employment 5G: NR: New Radio Never Retirement 5G Library Support Package LTE System Toolbox Source: 3GPP 4
5G: 从算法到天线 5G 波形和调制方式 Algorithm DIGITAL RF DPD and CFR 设计. PA and RF 建模 Mixed-Signal Design RF Front End Design ANALOG Antenna, Antenna arrays 天线和相控阵 Massive MIMO BB PHY CFR Receiver Algorithm DPD DAC Hybrid Beamforming ADC PA LNA 5G 信道模型 MATLAB with Simulink Simulink with MATLAB Channel 5
5G: 从算法到实现 数字 模拟 BB PHY CFR Receiver Algorithm DPD DAC ADC PA LNA Channel 混合仿真 MATLAB & Simulink Fixed Point Design HDL Coder HDL Verifier MATLAB & Simulink DPI-C Link C-Code Generation RTL Code Generation Verification DPI-C Model Co-simulation Cadence Virtuoso Analog Design Environment (ADE) Virtuoso AMS Designer (AMSD) DSP, ARM FPGA or ASIC 快速原型及快速验证 6
5G Support Package 5G 信道模型 (3GPP TR 38.900) 新的波形 (F-OFDM, W-OFDM) 链路仿真参考平台 7
5G 信道模型 5G 信道模型 TR 38.900 的数学实现 包括以下可调参数 Delay profile: TDL and CDL profiles: A, B, C, D, E or custom Channel delay spread 多普勒 MIMO 相关性 CDL: spatial channel model, includes also: Antenna array geometry [M, N, P, Mg, Ng] Ng N M Mg panel 8
新的波形的分析 Demo 5G 增加带宽效率 ( 超过 LTE 的 90% 的限制 ) LTE: Max BW occupancy is 90% of allocated BW (100 RBs for 20 MHz ch) In 5G the 90% limit does not apply, we need to design a filter (F-OFDM) or windowing parameters (W-OFDM) to limit out of band emissions OFDM W-OFDM F-OFDM 9
仿真带外特性 Filter 和 Window 如何应先带外特性 Distortion: EVM Energy leakage to neighbouring bands LTE (filtered) 10
功率放大器的非线性特性的影响 11
5G 链路仿真平台 5G Support Package 中的新函数 探索 5G 物理层 DL-SCH generation PDSCH generation and mapping waveform generation: OFDM, F-OFDM or W-OFDM channel model: CDL or TDL perfect synchronisation OFDM demodulation perfect channel estimation PDSCH decoding DL-SCH decoding HARQ LTE System Toolbox 中的旧函数 12
Hybrid Beamforming Beamforming 在基带和 RF 中的混合设计 性能的 Trade-off, power dissipation, 实现复杂度的考量 不同的模拟器件的实现方式 Phase shifters vs. Switching networks 不同模拟器件的结构 RF chains 和每条天线相连还是和每个子天线阵相连 DAC RF RF ADC Baseband precoding N S RF precoding N T N T RF combining N S Baseband combining DAC RF RF ADC 13
举例 : Hybrid Beamforming 发送端相控阵 4 subarrays of 8 patch antennas operating at 66GHz 8x4 = 32 antennas 数字 beamforming 到 4 个子天线阵 (azimuth steering) RF beamforming (phase shifters) 到 8 个天线阵 (elevation steering) Beamformers (array and subarray) 4 subarrays Subarray weights Array pattern 14
例子 : 你的第一个自行设计的天线 >> a = lineararray >> a.element = p; >> a.elementspacing = 0.1; >> a.numelements = 4; >> layout(a); >> pattern(a, 1.66e9); 15
为什么要在 5G 链路级仿真中考虑 RF 5G 的 mmwave 高频设计需要考虑 RF RF 和基带在 5G 设计中需要统一考虑 Digital baseband Digital to Analog Converter RF RF Analog to Digital Converter Digital baseband 发射机 (TX) 接收机 (RX) 16
Example: AD9361 RF 首发机的设计 AGC Manual and slow attack mode RSSI CW test signal Tunable RF receiver Third order Delta-Sigma ADC Custom LTE/5G test signal Analog continuous-time programmable filters Multi-rate finite-precision programmable decimation filters 17
DPD: 基站中的 RF with MATLAB 上海贝尔的实例 The Base Station RF Development with MATLAB 18
5G - Over-the-air testing with SDRs & RF instruments Range of supported hardware RF Signal Generator Spectrum Analyzer Zynq Radio SDR Generate custom waveforms Transmit with SDR devices or RF instruments Capture signals with SDR or instruments Recover original data USRP SDR 19
Example: MATLAB 连接 SDR and AD9361/9371 进行验证 AD9361 RF Transceiver Zynq ZC706 Board 20
从仿真到实现 : Xilinx Zynq + AD9361 SDR MATLAB code (.m) Embedded Coder Radio Algorithm SW Simulink Model HW HDL Coder MATLAB and Simulink Algorithm Model SW [Example Webinar] FPGA implementation of an LTE receiver design Embedded Coder ARM Algorithm C Linux Driver AXI Bus Vivado Algorithm C Linux Driver AXI Bus ARM System Code Processor in the Loop ARM Processing System Programmable Logic FPGA in the Loop Algorithm Model HW HDL Coder AXI Interface Algorithm HDL Prog Logic Vivado AXI Interface Algorithm HDL IP1 IP2 IP3 Programmable Logic 5G Signal Analysis Zynq ZC706 Board Ethernet 5G Wireless System Model 5G Wireless Interface 5G Wireless Interface System 21
Ericsson 射频验证板的设计 Using HDL Coder View video online at: http://www.mathworks.co.uk/videos/radio-testbed-design-using-hdl-coder-92636.html 22
Nokia: 快速原型实现 Using HDL Coder 23
系统级 ASIC 算法平台 using MATLAB and Simulink Huawei: System Level ASIC Algorithm Simulation Platform using Simulink 24
小结与展望 5G 系统的挑战 多天线,mmWave, 信道模型, 快速原型 从算法到天线的设计 MATLAB 统一算法开发平台, 天线,RF, 基带 空口的测试 符合 5G/LTE 行业标准的信号, SDR 原型实现 自动 C 和 HDL 代码生成, 缩短开发时间 25
更多信息 Website https://www.mathworks.com/discovery/5g-wireless-technology.html 26