MATLAB能在哪些方面帮助大家研发5G小基站呢？

在国家新型基础设施建设（简称：新基建）的浪潮中，5G 基站建设首当其冲。而在 5G基站建设中，业界普遍判断小基站将起到举足轻重的作用。这主要有两个方面的原因：

1. 小基站契合 5G 的覆盖和容量需求

相比于 4G 通信，5G 更加注重室内应用场景。5G 系统具备的大带宽、低时延、高可靠性等新特性正演化出工业物联网等大批 5G ToB 新业务，催生了一批室内/园区 5G 网络方案。小基站因具有超密组网、穿透覆盖、部署方便、结合边缘计算等方面的优势，被认为是 5G 网络的重要成员。

2. 小基站技术的持续发展

以 ORAN、小基站联盟（SCF）等为代表的组织致力于推进硬件白盒化、软件平台化/开源化/API 化，并推出统一的接口标准。这些努力大大降低了 5G 小基站的开发难度和复杂度，为5G新基建引入了更多新生力量。

那 MATLAB 又能在哪些方面帮助大家研发 5G 小基站呢？

（一） 通过 MATLAB 学习和校验 5G 标准

为了简洁高效，3GPP 5G 标准大多采用抽象的数学公式来表达，尽管如此篇幅仍然较长。对于广大工程师来说，标准里的矩阵公式可能有些晦涩，想在有限的上班时间内看明白并正确实现有相当大的挑战。

2018 年 MATLAB 发布了 5G Toolbox，提供符合标准的函数和参考示例，用于对 5G NR 通信系统进行建模、仿真和验证。该工具箱支持链路级仿真、黄金参考验证、一致性测试以及测试波形生成。

你可以把它视作可运行的5G标准，能帮助你学习 5G 标准，或者作为第三方的 5G 标准校验工具。举个例子：小基站发射的下行 PDSCH 中 DM-RS 信号（demodulation reference signal，用于估计无线信道）生成包含序列生成和空口无线资源块映射2步。

3GPP 标准中关于如何映射到无线资源块的部分节选如下：

（p.s. 喜欢知难而上的同学可以找几篇标准研究研究 https://www.3gpp.org/ftp/Specs/latest，将来加入大厂 3GPP 标准组，在国际舞台上叱咤风云）MATLAB 提供函数 nrPDSCHDMRS，通过配置参数即可得到符合 3GPP 标准的 DM-RS 信号和映射，节选例子 NR PDSCH Resource Allocation and DM-RS and PT-RS Reference Signals 代码如下：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）;

除了使用简便，5G Toolbox 还有 2 个很有用的特性：

1） 5G Toolbox 的实现是白盒。你可以看到 MATLAB 的函数是如何实现的，以更好的帮助理解标准。甚至可以修改代码，用于仿真私有 5G 协议或者研究 6G 通信。2） 5G Toolbox 的算法能够自动生成 C 代码。生成的 C 源代码可以部署到小基站的白盒硬件中。

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（二） 无线信号发射和EVM测量

对于基站射频测试，3GPP 5G NR 标准定义了一组 NR- TM 波形。对于用户设备（UE）测试，标准定义了一组FRC波形。在 TS 38.141-1 中定义了频率范围1 （FR1）的 NR-TM 和 FRC，而在 TS 38.141-2 中定义了频率范围2 （FR2）的 NR-TM 和 FRC。MATLAB 提供无线信号生成 APP，通过图形化的界面配置参数即可生成符合标准的 NR、LTE 和 WLAN 等标准测试波形。生成波形后，还可通过 APP 上的 Transmitter 页面连接仪器设备，将波形用 RF 信号发生器发射出去。

无线信号生成 APP 使用可参考例子：App-Based 5G Waveform Generationhttps://ww2.mathworks.cn/help/5g/ug/app-based-5g-waveform-generation.html

除了信号生成与发射，MATLAB 还提供软件实现 5G NR 上行 PUSCH 和下行 PDSCH 的 EVM 测量，信号处理链路如下图（参考例子 EVM Measurement of 5G NR PDSCH Waveforms）：https://www.mathworks.com/help/releases/R2021a/5g/ug/evm-measurement-of-5g-nr-pdsch-waveforms.html

射频损伤（如相位噪声、非线性）可以用数学统计模型，也可以用 RF Blockset 搭建高保真射频仿真模型。经过信号同步和解调后，计算并绘图展示每个 OFDM 符号、slot 和子载波的均方根值和峰值 EVM。

（三） 波束成型设计

大规模天线阵列和波束成型是 5G 的关键技术之一。

3.1 波束扫描

以 5G NR 系统初始接入时发送端（gNB）和接收端（UE）的波束扫描过程为例，下图展示了 gNB 4 个发射波束和 UE 4 个接收波束在方位面上的波束扫描图。图下部是收发双扫描所花费的时间，其中 gNB 的每个波束扫描间隔对应 SSB（synchronization signal blocks）， UE 的每个波束扫描间隔对应 SS 突发（SS burst）。

例子 NR SSB Beam Sweeping 的节选代码展示了如何设置天线阵列，计算波束指向系数，以及对发射信号波束赋形等。在收发双端波束扫描和测量完成后，根据 RSRP 测量值确定最佳波束对链路。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 利用经过 5G 信道的参考信号计算波束成形

除了用波束扫描来确定最佳波束，也可以测量经过信道后的5G参考信号来计算波束成型系数。例子 TDD Reciprocity-Based PDSCH Beamforming Using SRS 展示了如何利用信道互易来计算 TDD 场景中的物理下行共享信道（PDSCH）波束形成权值。波束形成权值计算基于上行探测参考信号（SRS）的信道估计，将相同的信道用于下行 PDSCH 传输。https://ww2.mathworks.cn/help/5g/ug/tdd-reciprocity-based-pdsch-beamforming-using-srs.html

以下节选代码展示了如何在 MATLAB 中定义 5G nr CDL信道及接收和发射多天线。nrCDLChannel 支持 3GPP 标准定义的 Massive MIMO 天线阵列［M N P Mg Ng］， 其中：

M 和 N 分别为天线阵的行数和列数。

P 是极化数（1或2）。

Mg 和 Ng 分别为阵列面板的行数和列数。

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

基站发射端的信道展示图，包含阵列配置、单元辐射图和簇路径方向：

整体工作步骤包括：Uplink 时隙：

利用信道互易交换发射和接收天线

生成并通过通道发送 SRS

使用奇异值分解（SVD）进行信道估计和波束形成权值计算

Downlink 时隙：

使用最新 UL 时隙中计算的权重波束赋形 PDSCH

发送这个信号通过衰落信道，接收端解码

计算吞吐率

3.3 射频数字混合波束成形

由于 Massive MIMO 天线数量很多，可能超过 100 个，为降低成本和功耗，一个 TR 组件常用于多个天线元件。在这种配置中，不再可能对每个天线元件施加数字权重，数字权重只能应用于每个射频链路。在天线阵元级，信号由模拟移相器调整。因此，预编码或组合实际上是在两个阶段完成的。

由于这种方法在数字和模拟领域都能实现波束形成，因此被称为混合波束形成。混合波束形成常常被设计成 3D 波束成形。更多信息请点击“阅读原文”，参考白皮书：大规模 MIMO 相控阵系统的混合波束成形。

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