Мы освоили и апробировали на реальных проектах методологию модельно-ориентированного проектирования (МОП).

Выполненные проекты позволяют сказать, что использование МОП сокращает время разработки в несколько раз по сравнению с классическими подходами написания встраиваемого ПО и разработки сложных технических систем.

Системное моделирование

Автоматическая генерация кода для ПЛИС и DSP из моделей

Всесторонняя верификация полученного кода и моделей

Использование МОП при разработке систем 5G позволит значительно сократить время проектирования

Отладка алгоритмов на моделях

В классическом подходе, как правило, алгоритмы пишутся и отлаживаются на языках низкого уровня, таких как С или HDL.

В МОП отладка на моделях сопровождается использованием большого набора инструментов анализа и визуализации сигналов, а сочетание с использованием системной модели как эталона, позволяет тестировать алгоритм внутри системы, как если бы он уже был запущен на реальном объекте, что значительно сокращает время разработки.

После полной отладки алгоритма из него генерируется полностью эквивалентный C или HDL код.

Генерация оптимального кода

Генерация кода позволяет получать эквивалентный модели код, работающий с точностью до бита и до такта. Самый большой вопрос — насколько оптимальный код можно получить.

Десятки выполненных проектов в сотрудничестве с другими компаниями позволяет нам говорить, что сгенерированный код по качеству близок к коду, написанному высококвалифицированным программистом, и основная трудность для разработчика — это освоить настройку генератора кода и научится строить модели, из которых получается оптимальных код.

Верификация моделей и кода

В МОП сгенерированный код проверяется с помощью верификации на полное соответствие моделям повторным использованием тестов, которые разрабатывались для тестирования алгоритмов на модели.

Повторное использование тестов наиболее актуально для верификации HDL кода, поскольку верификация классическими подходами как правило занимает большую часть времени, чем разработка самого кода.

Используется для направления радиоволн на цель. Оно может быть выполнено с помощью фазированных антенных решеток либо с помощью цифровых антенных решеток.

Формирование луча (Beamforming)

Использование маломощных узлов радиодоступа с диапазоном от 10 метров до нескольких километров имеют решающее значение, т.к. радиоволны 5G не могут распространяться на большие расстояния из-за более высоких частот 5G.

Использование малых ячеек

Это позволило увеличить ширину канала и уменьшить время отклика.

Меньшая длина слота и увеличенный интервал поднесущих в технологии OFDMA

Для работы в текущих диапазонах (<6 ГГц) и новых миллиметровых диапазонах
(>28 ГГц).

Новые модели каналов связи с пространственным разнесением антенн

LDPC для кодирования данных и полярные коды для кодирования управляющей информации, что позволило увеличить пропускную способность и повысить эффективность коррекции ошибок.

Новые канальные кодеки

Использование многоэлементных цифровых антенных решеток с количеством антенных элементов 128, 256 и более. Такие системы получили название Massive MIMO.

Многоэлементные цифровые антенные решетки

Новый физический уровень

Стандарт 5G, известный также как NR (New Radio) — пятое поколение мобильной связи, приходящее на смену стандарту 4G/LTE. Он обеспечивает значительно большую пропускную способность данных в режиме Enhanced Mobile Broadband (eMBB) по сравнению с предыдущим стандартом LTE. В числе нескольких ключевых элементов в стандарте 3GPP Release 15 в части физического уровня есть следующие:

Все эти элементы увеличивают пропускную способность, уменьшают время отклика и повышают эффективность системы связи в целом, но также повышают сложность разработки. Использование модельно-ориентированного проектирования и функциональности специализированного модуля 5G Toolbox позволяет инженерам ЦИТМ Экспонента преодолеть эти сложности и построить конкурентоспособную базовую станцию с проработанными инженерными решениями, хорошо протестированную на модельном уровне, с уровнем покрытия тестами не достижимым при классическом подходе к разработке.

Миллиметровые волны

Для своей работы 5G базовая станция (eNodeB) в миллиметровом диапазоне (mmWave) может использовать решетки из сотни антенн. Это возможно, поскольку в миллиметровом диапазоне размер антенн уменьшается пропорционально длине волны, следовательно решетки для mmWave-диапазона могут быть в сотни раз меньше, чем для УКВ-диапазона.

Переход на миллиметровый диапазон позволит увеличить пропускную способность.

Имея множество антенн в небольшой по размеру решетки, можно получить луч с большим коэффициентом усиления. Увеличенный коэффициент усиления луча за счет его узкой направленности компенсирует большее затухание, которому подвергается сигнал в миллиметровом диапазоне.

Большие антенные решетки

Для своей работы 5G базовая станция (eNodeB) в миллиметровом диапазоне (mmWave) может использовать решетки из сотни антенн. Это возможно, поскольку в миллиметровом диапазоне размер антенн уменьшается пропорционально длине волны, следовательно решетки для mmWave-диапазона могут быть в сотни раз меньше, чем для УКВ-диапазона. Имея множество антенн в небольшой по размеру решетки, можно получить луч с большим коэффициентом усиления. Увеличенный коэффициент усиления луча за счет его узкой направленности компенсирует большее затухание, которому подвергается сигнал в миллиметровом диапазоне.

Абонентские терминалы в группе используют лучи с одним углом места.

Общие модели позволяют инженерам ЦИТМ Экспонента прорабатывать решения с разными архитектурами решеток, измерять характеристики решеток и настраивать параметры для уменьшения эффекта взаимного влияния антенн. Также использование общей модели позволяет прорабатывать компромиссы между взаимозависимыми параметрами. Например, больший коэффициент усиления достигается уменьшением ширины луча, в тоже время увеличение пропускной способности канала требует увеличения ширины луча в рассеиваемых средах, какими являются MIMO каналы. При разработке должен быть найден компромисс, что осуществимо через моделирование.

Антенная решетка характеризуется такими параметрами, как геометрия решетки, расстояние между элементами, форма элемента, распределение амплитуд (tapering) и взаимное влияние между элементами. Настраивая параметры решетки, разработчики добиваются уменьшения боковых лепестков. Хотя при разработке систем связи третьего и четвертого поколений обычно использовался подход отдельной разработки антенн, архитектуры системы и алгоритмов обработки сигналов, для достижения оптимальных результатов требуются общие модели, содержащие как антенные решетки, так и алгоритмы формирования луча.