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。
◆ ◆ ◆ ◆
（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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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
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3.1 波束扫描
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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
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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：
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3.3 射频数字混合波束成形
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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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