都科摩（北京）通信技術(shù)研究中心有限公司致力于研究和開發(fā)用于 4G 和 B4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的高級(jí)無(wú)線通信技術(shù)。這些技術(shù)包括物理層信號(hào)處理方法和 MIMO 系統(tǒng)，旨在提高將來(lái)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站和移動(dòng)設(shè)備中的系統(tǒng)容量。

研究中心的研究人員和工程師們使用 MATLAB 探索新構(gòu)思和理論、開發(fā)算法和系統(tǒng)以及對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行功能驗(yàn)證。研究人員通過(guò)鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)性能和魯棒性。通過(guò)借助MathWorks軟件工具加速這些仿真，都科摩（北京）研究中心將開發(fā)時(shí)間縮短了一半，同時(shí)使其研究人員驗(yàn)證的測(cè)試用例、參數(shù)設(shè)置和工作方案數(shù)量與以前相比，增加了約五倍。

都科摩（北京）研究中心系統(tǒng)級(jí)仿真程序的用戶界面

挑戰(zhàn)

都科摩（北京）研究中心開發(fā)的許多算法都涉及復(fù)雜過(guò)程和計(jì)算密集型運(yùn)算，包括統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理、信道編碼和解碼以及對(duì)大型矩陣的復(fù)雜運(yùn)算。研究人員努力避免采用耗費(fèi)時(shí)間的低級(jí)語(yǔ)言（如 C 或 C++）對(duì)這些算法進(jìn)行編程。

因?yàn)殚_發(fā)的無(wú)線系統(tǒng)高度復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)解析方法來(lái)驗(yàn)證其系統(tǒng)性能和魯棒性。相反，這些系統(tǒng)依賴于 Monte Carlo 仿真，這類仿真可測(cè)試一系列方案和參數(shù)值，包括不同網(wǎng)絡(luò)布局、信道模型、調(diào)制階數(shù)、信道編碼率和干擾級(jí)別。

系統(tǒng)級(jí)仿真通常包括數(shù)十個(gè)基站和數(shù)以百計(jì)的設(shè)備。研究人員最初嘗試在集群上運(yùn)行這些仿真，包括手動(dòng)將作業(yè)分布到不同系統(tǒng)并收集匯總結(jié)果。仿真過(guò)程十分耗費(fèi)時(shí)間，并且容易出錯(cuò)。

解決方案

都科摩（北京）研究中心使用MATLAB和附帶的工具箱加快了對(duì)復(fù)雜通信算法的探索和開發(fā)。

研究人員使用MATLAB，以交互方式探索算法構(gòu)思并使復(fù)雜計(jì)算的結(jié)果可視化。用 MATLAB、Signal Processing Toolbox中的濾波函數(shù)以及Communications System Toolbox中的調(diào)制、解調(diào)、編碼和解碼函數(shù)開發(fā)出了完整的發(fā)送和接收鏈。

研究人員使用此鏈作為仿真框架，用于驗(yàn)證使用 MATLAB 開發(fā)出的高級(jí)算法。例如，在開發(fā)用于新一代設(shè)備的新調(diào)制方案時(shí)，他們將對(duì)Signal Processing Toolbox中的調(diào)制器和解調(diào)器函數(shù)的調(diào)用替換為對(duì)其新自定義函數(shù)的調(diào)用。

團(tuán)隊(duì)隨后在MATLAB中運(yùn)行鏈路級(jí)仿真，以驗(yàn)證算法的功能及其在存在信道噪音時(shí)的魯棒性。在刻畫出點(diǎn)到點(diǎn)的性能之后，研究人員開發(fā)出包含多個(gè)基站和數(shù)以百計(jì)移動(dòng)設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)模型。

通過(guò)使用Parallel Computing Toolbox，研究人員可在多核處理器上同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，從而加快仿真速度。只需對(duì)算法進(jìn)行幾處小修改，此步驟便可在單個(gè)計(jì)算機(jī)上驗(yàn)證算法的并行版本，從而為在研究中心的 32 核計(jì)算集群上進(jìn)行開發(fā)做好準(zhǔn)備。

借助MATLAB Distributed Computing Server，研究人員在集群上執(zhí)行了大量 Monte Carlo 仿真，以獲取誤碼率、誤幀率、系統(tǒng)吞吐量、中斷概率和其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。團(tuán)隊(duì)通過(guò)這些仿真可比較不同算法的性能、評(píng)估惡劣信道狀態(tài)下的魯棒性并計(jì)算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和小區(qū)邊緣處的吞吐量。

“借助 MATLAB，我們?cè)诰幋a方面節(jié)省了時(shí)間，可將更多精力投入到開發(fā)創(chuàng)新移動(dòng)通信算法。更重要的是，只需進(jìn)行一些小修改，我們便可在計(jì)算集群上加快算法仿真速度，從而能在各種各樣的操作條件和方案下進(jìn)行全面評(píng)估和驗(yàn)證?！?/p>

—— 首席研發(fā)工程師, DOCOMO Beijing Labs

工程師運(yùn)行仿真來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，并使用Communications System Toolbox中的誤碼率計(jì)算模塊來(lái)計(jì)算誤碼率。

借助Fixed-Point Designer，他們將設(shè)計(jì)從浮點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭c(diǎn)表示形式，從而進(jìn)行比特位級(jí)的仿真。

Semtech工程師使用HDL Coder從完整的接收器鏈的Simulink模型生成VHDL。為了驗(yàn)證VHDL，他們使用了HDL Verifier來(lái)通過(guò)Mentor Graphics Questa仿真器聯(lián)合仿真以驗(yàn)證其Simulink設(shè)計(jì)與生成VHDL代碼的一致性。

結(jié)果

開發(fā)時(shí)間減半。都科摩（北京）研究中心的研究人員估計(jì)，與傳統(tǒng) C 或 C++ 開發(fā)相比，使用 MATLAB 將開發(fā)時(shí)間縮短了 50%。研究人員可以使用高級(jí)通信系統(tǒng)函數(shù)以交互式方法快速開發(fā)新算法，而不是將時(shí)間耗費(fèi)在低級(jí)編碼細(xì)節(jié)上。

仿真時(shí)間從數(shù)周縮短為數(shù)小時(shí)。在單個(gè)處理器上執(zhí)行時(shí)，研究中心的大量仿真中有部分需要數(shù)周時(shí)間才能完成。借助 Parallel Computing Toolbox 和 MATLAB Distributed Computing Server，相同仿真可在研究中心的 32 核集群上運(yùn)行，并在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成。

驗(yàn)證的方案比過(guò)去多五倍。在過(guò)去，時(shí)間限制使研究人員不得不省略某些測(cè)試和仿真方案。得益于 MATLAB 中的快速算法開發(fā)和集群上的分布式仿真所節(jié)省的時(shí)間，研究中心將其運(yùn)行的仿真數(shù)量提高了五倍，從而使研究人員對(duì)其設(shè)計(jì)的魯棒性更具信心。

使用 MATLAB 改變無(wú)線設(shè)計(jì)方法