MATLAB加速移动通信时代的到来

都科摩（北京）通信技术研究中心有限公司致力于研究和开发用于 4G 和 B4G 移动网络的高级无线通信技术。这些技术包括物理层信号处理方法和 MIMO 系统，旨在提高将来蜂窝网络的基站和移动设备中的系统容量。

研究中心的研究人员和工程师们使用 MATLAB 探索新构思和理论、开发算法和系统以及对其设计进行功能验证。研究人员通过链路级和系统级仿真来测试设计性能和鲁棒性。通过借助MathWorks软件工具加速这些仿真，都科摩（北京）研究中心将开发时间缩短了一半，同时使其研究人员验证的测试用例、参数设置和工作方案数量与以前相比，增加了约五倍。

都科摩（北京）研究中心系统级仿真程序的用户界面

挑战

都科摩（北京）研究中心开发的许多算法都涉及复杂过程和计算密集型运算，包括统计信号处理、信道编码和解码以及对大型矩阵的复杂运算。研究人员努力避免采用耗费时间的低级语言（如 C 或 C++）对这些算法进行编程。

因为开发的无线系统高度复杂，无法通过解析方法来验证其系统性能和鲁棒性。相反，这些系统依赖于 Monte Carlo 仿真，这类仿真可测试一系列方案和参数值，包括不同网络布局、信道模型、调制阶数、信道编码率和干扰级别。

系统级仿真通常包括数十个基站和数以百计的设备。研究人员最初尝试在集群上运行这些仿真，包括手动将作业分布到不同系统并收集汇总结果。仿真过程十分耗费时间，并且容易出错。

解决方案

都科摩（北京）研究中心使用MATLAB和附带的工具箱加快了对复杂通信算法的探索和开发。

研究人员使用MATLAB，以交互方式探索算法构思并使复杂计算的结果可视化。用 MATLAB、Signal Processing Toolbox中的滤波函数以及Communications System Toolbox中的调制、解调、编码和解码函数开发出了完整的发送和接收链。

研究人员使用此链作为仿真框架，用于验证使用 MATLAB 开发出的高级算法。例如，在开发用于新一代设备的新调制方案时，他们将对Signal Processing Toolbox中的调制器和解调器函数的调用替换为对其新自定义函数的调用。

团队随后在MATLAB中运行链路级仿真，以验证算法的功能及其在存在信道噪音时的鲁棒性。在刻画出点到点的性能之后，研究人员开发出包含多个基站和数以百计移动设备的系统级模型。

通过使用Parallel Computing Toolbox，研究人员可在多核处理器上同时执行多个任务，从而加快仿真速度。只需对算法进行几处小修改，此步骤便可在单个计算机上验证算法的并行版本，从而为在研究中心的 32 核计算集群上进行开发做好准备。

借助MATLAB Distributed Computing Server，研究人员在集群上执行了大量 Monte Carlo 仿真，以获取误码率、误帧率、系统吞吐量、中断概率和其他统计数据。团队通过这些仿真可比较不同算法的性能、评估恶劣信道状态下的鲁棒性并计算整个网络和小区边缘处的吞吐量。

“借助 MATLAB，我们在编码方面节省了时间，可将更多精力投入到开发创新移动通信算法。更重要的是，只需进行一些小修改，我们便可在计算集群上加快算法仿真速度，从而能在各种各样的操作条件和方案下进行全面评估和验证。”

—— 首席研发工程师, DOCOMO Beijing Labs

工程师运行仿真来验证设计，并使用Communications System Toolbox中的误码率计算模块来计算误码率。

借助Fixed-Point Designer，他们将设计从浮点转变为固定点表示形式，从而进行比特位级的仿真。

Semtech工程师使用HDL Coder从完整的接收器链的Simulink模型生成VHDL。为了验证VHDL，他们使用了HDL Verifier来通过Mentor Graphics Questa仿真器联合仿真以验证其Simulink设计与生成VHDL代码的一致性。

结果

开发时间减半。都科摩（北京）研究中心的研究人员估计，与传统 C 或 C++ 开发相比，使用 MATLAB 将开发时间缩短了 50%。研究人员可以使用高级通信系统函数以交互式方法快速开发新算法，而不是将时间耗费在低级编码细节上。

仿真时间从数周缩短为数小时。在单个处理器上执行时，研究中心的大量仿真中有部分需要数周时间才能完成。借助 Parallel Computing Toolbox 和 MATLAB Distributed Computing Server，相同仿真可在研究中心的 32 核集群上运行，并在数小时内完成。

验证的方案比过去多五倍。在过去，时间限制使研究人员不得不省略某些测试和仿真方案。得益于 MATLAB 中的快速算法开发和集群上的分布式仿真所节省的时间，研究中心将其运行的仿真数量提高了五倍，从而使研究人员对其设计的鲁棒性更具信心。

使用 MATLAB 改变无线设计方法