岂止于快，NI带您深入了解5G研究那些事-电子工程世界

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5G是什么？速度更快的网络？岂止于此！5G不仅是速率和数据量的增加，还有延迟时间的减少以及网络安全等；5G不仅是移动网络，还是连接500亿设备（包括传感器、智能系统）的网络，是物联网发展的基础。物联网这个曾经的“概念”已经悄然变成现实，包括数据速率、网络容量、功率消耗、干扰共存、数据安全、频率检测等各方面的研究都在紧锣密鼓地进行着。

由于5G所能带来的商业机遇太多，很多公司都不遗余力地进行相关研究，美国国家仪器（NI）也是其中一员。在近日举办的2015第三届电子设计创新会议（EDI CON）上，NI射频产品研发副总裁Jin Bains，NI射频、通信和软件无线电市场总监James Kimery，NI资深产品营销经理David A. Hall以及NI中国射频与无线通信市场开发经理姚远先生一起向记者展示了NI在5G方面的成果，并隆重了介绍其最新结合软件无线电（SDR）硬件和全方位软件设计流程的LabVIEW通信系统设计套件（LabVIEW Communications System Design Suite）。

图1 嘉宾合影

5G研究方兴未艾

5G涉及到的技术很多，主要有大规模多入多出（Massive MIMO）、密集组网、新型物理层研究和毫米波（mmWave）研究。有着多年无线通信技术相关经验的James Kimery先生对这些技术一一进行了介绍。

大规模MIMO：通过大幅度增加基站的天线阵列数量来提升频谱利用效率。目前基站是8根天线，未来是100根天线，可集中每个用户的能量，以提高数据速率和通信链路质量，尤其是小区边缘。大规模MIMO不仅可以支持更多天线，还可提供更大的网络能量和更高的可靠性。

近日，利用NI的设计工具，瑞典隆德大学的实验结果证明大规模MIMO可将数据速率提高100倍以上，东南大学尤肖虎教授领导的研究团队也完成了128根天线的原型化设计。

密集组网：通过密集组网、混合组网实现5G关于网络容量提升1 000倍的要求。今后，一个小区有多个微基站（或毫微基站），实现起来比较复杂。

新型物理层研究：正交频分复用（OFDM）已经不能适用于5G了，研究人员正在优化信号物理层结构，对NOMA, GFDM, FBMC以及UFMC等新的波形进行研究，来提升带内利用效率。当然到底哪种波形会被5G采用，还不好说。

毫米波（mmWave）研究：希望利用其广阔的频谱进行超大带宽通信，包括28 GHz、38 GHz、71 GHz~76 GHz等范围，这些频带通过“稍微”授权，可提供足够的高带宽频谱，问题在于电磁波的传播特性以及在这些频带内开发和部署网络的高成本。

原型验证的那些事

Kimery先生表示：“前面谈到的与5G相关的大规模MIMO、密集组网、毫米波和物理层等项目的开发是十分艰难的，往往需要很多的复杂算法，而原型验证对于算法开发利害攸关。因为经验告诉我们，在真实物理世界中，理论研究时的一些假设往往被证伪。所以原型验证与实际环境仿真测试成为通信系统设计的一个愈发重要的工具。开发一个仿真测试台，在一个完整的、可工作的系统中测试相关算法变得至关重要。”

软件无线电（SDR）在通信行业十分流行，工程师可以在SDR架构平台上简单地实现GSM、CDMA，也可以通过改变代码，实现4G、Wi-Fi等协议的仿真。其中，多核CPU和主GPP实现介质访问控制（MAC），即Rx/Tx控制；FPGA/DSP用于高速数字处理。实践发现，硬件搭建并不困难，难点在于软件。

Kimery先生感叹到：“工程师需要快速原型化他们的算法，这些算法一般是MATLAB的仿真，然后在FPGA这样的硬件上用VHDL或者Verilog硬件描述语言实现。这就涉及到不同的编程技巧和技术能力。从算法到原型化需要的时间太长，主要是因为整个设计流程太过于碎片化、工具太多。一个科研人员至少需要学习7种软件工具才能实现原型开发。”需要先成为‘软件专家’再原型化他的算法，听起来有点荒谬，但却是现实。

原型设计化繁为简：LabVIEW通信系统开发套件

基于以上原因，NI推出了LabVIEW通信系统开发套件，其是用于软件无线电的理想开发平台，是硬件和软件的“阴阳结合”。LabVIEW通信系统设计套件旨在助力工程师开发通信系统原型，此创新型解决方案可以让整个设计团队使用单一高阶的平台化工具，从算法开始一直到FPGA，顺利实现构想。

LabVIEW通信系统开发套件改变了经典系统设计流程，提供了统一的设计流程，包括算法开发、系统映射、设计探索、系统实施4个环节，其中设计探索是新加入的。

Kimery针对这4个环节进行了介绍：“无论是C还是MATLAB，都可以在LabVIEW中对这些文本进行编程和调试，并支持数据流编程（G）和文本编程（C&.m）；此外，图形化语言与文本语言都支持完整的调试方式（比如设置断点与指针等）。在系统映射阶段，其支持硬件感知开发环境和简单、迭代设计分区。NI提供交互式、可视化的硬件系统显示，包括：能发现系统硬件并且验证系统正确配置，提供硬件文档并可视化所有有效资源，允许分区设计与部署，保证系统架构正确链接。”

设计探索是NI提供的一个很赞的功能，其根据设计需求将算法设计正确编译到FPGA。Kimery解释到：“执行每个模块使用的速率都不同，每个代码节点前有一个很小的数字（如图2下半部分中红色框），其代表这个模块会运行几次。系统本身在每个节点前增加FIFO，并会自动释放FIFO空间，这些在LabVIEW中完全自动化地执行。”

图2 LabVIEW通信系统开发套件解析图

设计探索还为浮点数到定点数转化提供数据参考。Kimery补充到：“在CPU上的算法基于浮点数，而FPGA是有限长度的数据（定点），即便是使用DSP，很多性能最好的DSP也是支持定点的。工程师需要花很多时间预研转化的结果，告知资源，在编译前进行资源调配是系统实现的一个非常重要的环节。LabVIEW通信系统开发套件提供快速的仿真环境（速度、资源），开发者自己决定怎样的组合是最优的。”

在最后的系统实施阶段，LabVIEW通信系统开发套件支持一键部署至硬件并基于真实物理信号完成原型化。Kimery举了个基于源代码开始设计的案例：针对多个射频前端与FPGA的同步与定时控制，能校正RF、任意速率转换和频移。

Kimery还谈到了LTE & 802.11应用框架（如图3所示），它不是可执行文件，而是现成可用的基于标准通信协议的源代码，工程师可以基于此更改这些代码，实现他们对5G的探索。

图3 LTE & 802.11应用框架

据悉，诺基亚通信利用NI提供的平台化工具，已经开发了毫米波通信链路原型，该系统能够将网速提升到10 Gb/s，这是当前最快4G网络速度的40倍，并具有确定的延迟。整个项目大约持续了一年的时间，相比于使用其他开发工具，时间节省了一半还多。在合并了阿尔卡特—朗讯之后，相信诺基亚会进一步增强其在毫米波通信等5G方面的技术实力。

NI 的5G推行之道

除了提供平台化的工具帮助原型化的科研，在5G的推进上，NI推出了一个“领先客户计划”，诺基亚通信的毫米波通信链路原型就得益于此。姚远先生介绍到：“很多中国企业也在其中，包括华为、中兴、上海无线通信研究中心以及一些高校（如东南大学）。此外，NI与标准化组织保持良好的联系，把相关数据反馈给这些组织，让他们做进一步的原型化，如3GPP、802.11标准。”

Jin Bains先生表示：“NI会持续在RF和无线上投资，包括收购其他公司，前提是他们的平台本身与NI很契合。”

David A. Hall先生分享了他对模块化仪器趋势的看法：“首先是处理器处理速度，NI最新处理器模块采用8核英特尔至强Xeon处理器，让测试速度更快。其次是模数转换器（ADC）,对其精度和速度的要求都越来越高；对射频（RF）来说，50 MHz的带宽过去是很好的指标，但是NI 已经推出了最大达到765 MHz带宽的矢量信号分析仪，相信2 GHz带宽收发仪不会等太久。从20世纪90年代末到21世纪初，仪器指标都是频率和噪音，现在带宽已经成为仪器性能的重要指标。”

姚远先生最后还带领记者参观了NI在EDI CON的展台，记者也看到了一些实物，我们一起来看看。

展台图

关键字：5G 大规模MIMO 毫米波 RF NI 引用地址：岂止于快，NI带您深入了解5G研究那些事

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