作为一家跨国 IT 服务与咨询公司，Capgemini 致力于帮助各行业客户采用并商业化 AI、机器学习、物联网（IoT）以及 5G 等数字技术。近期，Capgemini 采用 MathWorks 技术构建了一个仿真环境，用于在 Intel® Arria® 10 FPGA 开发板上开发、测试并实现客户的 5G 新空口（NR）解决方案。

通过在 MATLAB® 和 Simulink® 中构建 O-RAN 仿真器，Capgemini 采用基于模型设计（Model-Based Design）方法，完成了客户 5G NR 通信系统的集成、测试与验证。该方法确保包括第三方 IP、定制 FPGA 板卡在内的各个模块在开发各阶段能够协同工作，并符合 3GPP 标准规范。最终，他们将开发时间缩短了一半。

项目技术负责人 Vinoth Thuruvas 表示：

“我们希望通过 5G 技术帮助客户优化业务运营。借助 MathWorks 工具，我们能够基于每位客户的具体需求与硬件平台构建和测试系统，利用基于模型设计的方法减少设计迭代次数。”

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挑战

Capgemini 面临的最大挑战在于集成来自多个来源的设计组件，包括：

• 现有 HDL 代码
• 第三方 IP 模块
• 新开发的 HDL 模块

为了满足客户需求，工程团队必须在部署至 FPGA 板卡之前，对每一个模块进行充分测试与验证。

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解决方案

Capgemini 在 MATLAB 和 Simulink 中构建的 UE 仿真器包含两个主要单元：

• O-RAN 分布式单元（O-DU）
• 基于 Intel FPGA 的 O-RU 系统

系统特性包括：

• 支持 4 个 10G/25G eCPRI 端口
• 支持 4x4 SU/MU-MIMO 阵列
• 支持最大 100 MHz 的 5G NR 带宽连接至射频前端

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架构优化设计

为了降低 O-DU 复杂度并简化设计流程，Capgemini 将 NR 小区搜索流程（NR Cell Search）下沉至 O-RU 实现，包括：

• 在 FPGA 内完成完整的 SS-burst 处理流程
• 基于 Wireless HDL Toolbox™ 中的 MIB 恢复参考应用进行修改实现

随后，团队希望验证系统在各种系统损伤（impairments）条件下的鲁棒性。他们使用：

• Communications Toolbox™
• 5G Toolbox™
• Wireless HDL Toolbox™

构建更全面的波形集并进行性能评估。

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射频与算法验证

团队针对以下射频损伤进行了测试：

• DC Offset（直流偏置）
• IQ Imbalance（IQ 不平衡）

同时利用 Wireless HDL Toolbox 验证客户提供的 Polar Decoder IP 模块功能。

在测试过程中，他们发现某个第三方 IP 存在设计缺陷，并协助客户完成修正。

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FPGA 实现与优化

Capgemini 工程师使用基于 Simulink 的 FPGA 设计工具：

• DSP Builder for Intel FPGAs

实现了数字前端（DFE）功能，包括：

• 数字上变频器（DUC）
• 数字下变频器（DDC）

在确认功能正确后，他们进一步使用：

• Fixed Point Designer™
• HDL Coder™

优化设计并生成适用于 Intel Arria 10 FPGA 的 RTL 代码。

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项目成果

1️⃣ UE 仿真器开发时间缩短 50%

“如果没有基于模型设计框架，从零开始开发可能需要两年时间。现在我们将开发周期缩短了一半，在一年内完成交付。”

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2️⃣ 子系统同步提前完成

“虽然使用了客户定制硬件，但我们仅经过几次实验便确认了 O-DU、O-RU 与 gNB 之间的频偏同步，进展远快于预期。”

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3️⃣ 首次实现即满足规范要求

“在定制硬件上实现的 MIB 恢复功能第一次运行就满足所有规范要求。”

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https://www.mathworks.com/company/user_stories/capgemini-accelerates-o-ran-development-of-5g-nr-wireless-communication-system-with-arria-10-fpga.html