虛擬原型開(kāi)發(fā)助力實(shí)現理想化5G設計

現今眾多制造商及供貨商積極開(kāi)發(fā)可支持5G的設備與網(wǎng)絡(luò )，而將虛擬原型開(kāi)發(fā)納入企業(yè)開(kāi)發(fā)平臺的戰略導向，有助于降低產(chǎn)生延遲或無(wú)法交付的風(fēng)險，也對5G開(kāi)發(fā)投資提供了保障。
當前的行動(dòng)數據技術(shù)正被推向極限。高帶寬流媒體應用的增加、基礎設施較為薄弱的地區對高速因特網(wǎng)的需求，以及智慧自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展，都在增加對高速、可靠數據的需求。而云端運算的興起、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的引入、遠程手術(shù)與精密制造等行業(yè)趨勢，都需要一種全新的蜂窩網(wǎng)絡(luò )方法。
第五代新型無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（5G NR）具有廣闊的發(fā)展前景，其下載速度在每秒千兆比特級，具有時(shí)延更低、可靠性更高的特性，而且在設定區域可以支持更多的因特網(wǎng)設備。
原始設備制造商（OEM）與供貨商必須開(kāi)發(fā)可支持5G的設備與網(wǎng)絡(luò )，才能保持其產(chǎn)品的競爭力。然而，與前幾代技術(shù)相比，5G的復雜性顯著(zhù)增加。


 
圖1 : 在5G頻率下，人體的存在對行動(dòng)動(dòng)設備的性能有很大的影響。

5G設計面臨的挑戰
5G為一種新一代的廣播技術(shù)，受到政府監管條例的約束，其中包括：
?電磁兼容性（EMC），設備對外部射頻信號的敏感性
?裝置自身產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）
?人體受到的電磁輻射（EMF）
要保持組件之間實(shí)現高速、可靠的通訊，確保設備上的信號完整性（SI）和電源完整性（PI）也是一個(gè)需要考慮的主要問(wèn)題。


 
圖2 : 要保持組件之間實(shí)現高速、可靠的通訊，必須確保設備上的信號和電源的完整性。

工業(yè)制造中的5G部署
采用5G技術(shù)擴展或代替傳統的有線(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，需要對網(wǎng)絡(luò )設備、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設備和邊緣運算基礎設施進(jìn)行大量投資。此外，工業(yè)制造環(huán)境既龐大又具有動(dòng)態(tài)性，這可能會(huì )導致覆蓋差或信號阻塞，而這種問(wèn)題可能在完成部署后才能發(fā)現狀況。

虛擬測試
在早期階段，建模和模擬可以通過(guò)補充物理測試降低風(fēng)險和成本。工程師能夠進(jìn)行各種多物理廠(chǎng)模擬，從而在物理部署前確保設計的穩健性，包括：
?電磁方面：天線(xiàn)模式、覆蓋范圍、共址干擾、信號完整性和對人體的電磁輻射
?結構方面：設備的強度和耐久性，疲勞、跌落和沖擊測試
?熱：電子加熱和冷卻

5G行動(dòng)裝置和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設備以及基站設備，都必須在具有挑戰性的環(huán)境中可靠地工作，這些環(huán)境包括人口稠密而且復雜的城市與工業(yè)環(huán)境，其中包含許多可能阻擋信號的障礙物，例如人、機器和其他行動(dòng)裝置。

為了可靠地運行，5G設備需要利用大規模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)有效地利用多路徑效應，例如從物體反射的信號可以?明填補盲區并增加網(wǎng)絡(luò )容量。這意味著(zhù)單個(gè)設備上需要安裝更多的天線(xiàn)，在減少占用空間的同時(shí)，卻帶來(lái)了更多電磁兼容性/電磁干擾、比吸收率和熱管理問(wèn)題。


 
圖3 : 安裝在工業(yè)機械上的以3.6 GHz運行工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備，在某些方向上顯示出較差的信號覆蓋。

利用虛擬原型開(kāi)發(fā)應對5G設計挑戰
眾多開(kāi)發(fā)行動(dòng)裝置、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和蜂巢基礎設施的公司正在利用由達梭系統SIMULIA品牌開(kāi)發(fā)的現實(shí)模擬工具克服這些行業(yè)挑戰。借助逼真的3D虛擬原型，綜合天線(xiàn)工程、設備電磁兼容性/電磁干擾性能、電子器件設計，以及設備結構與熱性能，均可以快速、準確地進(jìn)行建模、分析和優(yōu)化。

可靠的電磁設計
SIMULIA CST Studio Suite是SIMULIA多物理場(chǎng)模擬系列產(chǎn)品的組成部分，專(zhuān)門(mén)用于電磁（EM）模擬。這款經(jīng)過(guò)驗證的電磁仿真軟件，提供完整的電磁與附屬的多物理場(chǎng)求解器，以及滿(mǎn)足5G產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與部署的設計和工程挑戰所需強大的自動(dòng)網(wǎng)格劃分與優(yōu)化工具。

這款瞬態(tài)求解器可以用最少的模型準備，對應極其龐大和復雜的問(wèn)題進(jìn)行仿真，并且能夠利用圖形處理器（GPU）、集群和云端運算來(lái)進(jìn)一步提高仿真速度。此外，藉助這款軟件還能夠以虛擬方式進(jìn)行合規測試，因為某些量無(wú)法進(jìn)行實(shí)際測試，例如人體內的電場(chǎng)，就只能通過(guò)模擬來(lái)表征。

CST Studio Suite帶有經(jīng)過(guò)美國無(wú)線(xiàn)通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì )（CTIA）認證的手部和頭部模型，這些模型可用于虛擬的比吸收率（SAR）測試。如此有助于降低交付逾期或測試失敗的風(fēng)險，從而保護5G開(kāi)發(fā)的巨大投資。

可以利用CST Studio Suite生成的典型移動(dòng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和基站的關(guān)鍵性能指針（KPI），包括：
?總輻射功率（TRP）
?各向同性輻射功率（EIRP）
?總的各向同性靈敏度（TIS）
?累積分散函數（CDF）
?空間平均功率密度（sPD）
?比吸收率（SAR）

贏(yíng)得競爭優(yōu)勢
5G不僅是現有標準的演進(jìn)發(fā)展，而且還需要蜂窩設備、基礎設施的設計與部署采用全新的方法。由于潛在回報很高，眾多制造商都爭先恐后地向市場(chǎng)推出支持5G的設備。
部署類(lèi)似達梭系統3DEXPERIENCE平臺這種由數據驅動(dòng)、基于模型的方法，可以讓公司從構思、需求、設計、仿真與優(yōu)化到制造和交付，對整個(gè)開(kāi)發(fā)價(jià)值鏈中的5G復雜性進(jìn)行管理。
將虛擬原型開(kāi)發(fā)納入企業(yè)開(kāi)發(fā)平臺的戰略導向，既有助于降低逾期交付或無(wú)法交付的風(fēng)險，也對于5G開(kāi)發(fā)的巨大投資提供了保障。