虛擬原型開發(fā)助力實(shí)現(xiàn)理想化5G設(shè)計(jì)

現(xiàn)今眾多制造商及供貨商積極開發(fā)可支持5G的設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)，而將虛擬原型開發(fā)納入企業(yè)開發(fā)平臺(tái)的戰(zhàn)略導(dǎo)向，有助于降低產(chǎn)生延遲或無法交付的風(fēng)險(xiǎn)，也對5G開發(fā)投資提供了保障。
當(dāng)前的行動(dòng)數(shù)據(jù)技術(shù)正被推向極限。高帶寬流媒體應(yīng)用的增加、基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱的地區(qū)對高速因特網(wǎng)的需求，以及智慧自動(dòng)駕駛汽車的發(fā)展，都在增加對高速、可靠數(shù)據(jù)的需求。而云端運(yùn)算的興起、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的引入、遠(yuǎn)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。
第五代新型無線電技術(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(jí)，具有時(shí)延更低、可靠性更高的特性，而且在設(shè)定區(qū)域可以支持更多的因特網(wǎng)設(shè)備。
原始設(shè)備制造商（OEM）與供貨商必須開發(fā)可支持5G的設(shè)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(fù)雜性顯著增加。


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

5G設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
5G為一種新一代的廣播技術(shù)，受到政府監(jiān)管條例的約束，其中包括：
?電磁兼容性（EMC），設(shè)備對外部射頻信號(hào)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(xiàn)高速、可靠的通訊，確保設(shè)備上的信號(hào)完整性（SI）和電源完整性（PI）也是一個(gè)需要考慮的主要問題。


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

工業(yè)制造中的5G部署
采用5G技術(shù)擴(kuò)展或代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，需要對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設(shè)備和邊緣運(yùn)算基礎(chǔ)設(shè)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(dǎo)致覆蓋差或信號(hào)阻塞，而這種問題可能在完成部署后才能發(fā)現(xiàn)狀況。

虛擬測試
在早期階段，建模和模擬可以通過補(bǔ)充物理測試降低風(fēng)險(xiǎn)和成本。工程師能夠進(jìn)行各種多物理廠模擬，從而在物理部署前確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，包括：
?電磁方面：天線模式、覆蓋范圍、共址干擾、信號(hào)完整性和對人體的電磁輻射
?結(jié)構(gòu)方面：設(shè)備的強(qiáng)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(shè)備以及基站設(shè)備，都必須在具有挑戰(zhàn)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(fù)雜的城市與工業(yè)環(huán)境，其中包含許多可能阻擋信號(hào)的障礙物，例如人、機(jī)器和其他行動(dòng)裝置。

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


 
圖3 : 安裝在工業(yè)機(jī)械上的以3.6 GHz運(yùn)行工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，在某些方向上顯示出較差的信號(hào)覆蓋。

利用虛擬原型開發(fā)應(yīng)對5G設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
眾多開發(fā)行動(dòng)裝置、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和蜂巢基礎(chǔ)設(shè)施的公司正在利用由達(dá)梭系統(tǒng)SIMULIA品牌開發(fā)的現(xiàn)實(shí)模擬工具克服這些行業(yè)挑戰(zhàn)。借助逼真的3D虛擬原型，綜合天線工程、設(shè)備電磁兼容性/電磁干擾性能、電子器件設(shè)計(jì)，以及設(shè)備結(jié)構(gòu)與熱性能，均可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行建模、分析和優(yōu)化。

可靠的電磁設(shè)計(jì)
SIMULIA CST Studio Suite是SIMULIA多物理場模擬系列產(chǎn)品的組成部分，專門用于電磁（EM）模擬。這款經(jīng)過驗(yàn)證的電磁仿真軟件，提供完整的電磁與附屬的多物理場求解器，以及滿足5G產(chǎn)品開發(fā)與部署的設(shè)計(jì)和工程挑戰(zhàn)所需強(qiáng)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(zhǔn)備，對應(yīng)極其龐大和復(fù)雜的問題進(jìn)行仿真，并且能夠利用圖形處理器（GPU）、集群和云端運(yùn)算來進(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(guī)測試，因?yàn)槟承┝繜o法進(jìn)行實(shí)際測試，例如人體內(nèi)的電場，就只能通過模擬來表征。

CST Studio Suite帶有經(jīng)過美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)（CTIA）認(rèn)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(xiǎn)，從而保護(hù)5G開發(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(shù)（CDF）
?空間平均功率密度（sPD）
?比吸收率（SAR）

贏得競爭優(yōu)勢
5G不僅是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)發(fā)展，而且還需要蜂窩設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)與部署采用全新的方法。由于潛在回報(bào)很高，眾多制造商都爭先恐后地向市場推出支持5G的設(shè)備。
部署類似達(dá)梭系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)這種由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、基于模型的方法，可以讓公司從構(gòu)思、需求、設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化到制造和交付，對整個(gè)開發(fā)價(jià)值鏈中的5G復(fù)雜性進(jìn)行管理。
將虛擬原型開發(fā)納入企業(yè)開發(fā)平臺(tái)的戰(zhàn)略導(dǎo)向，既有助于降低逾期交付或無法交付的風(fēng)險(xiǎn)，也對于5G開發(fā)的巨大投資提供了保障。