虛擬原型開發助力實現理想化5G設計

現今眾多制造商及供貨商積極開發可支持5G的設備與網絡，而將虛擬原型開發納入企業開發平臺的戰略導向，有助于降低產生延遲或無法交付的風險，也對5G開發投資提供了保障。
當前的行動數據技術正被推向極限。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的需求，以及智慧自動駕駛汽車的發展，都在增加對高速、可靠數據的需求。而云端運算的興起、物聯網（IoT）的引入、遠程手術與精密制造等行業趨勢，都需要一種全新的蜂窩網絡方法。
第五代新型無線電技術（5G NR）具有廣闊的發展前景，其下載速度在每秒千兆比特級，具有時延更低、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設備。
原始設備制造商（OEM）與供貨商必須開發可支持5G的設備與網絡，才能保持其產品的競爭力。然而，與前幾代技術相比，5G的復雜性顯著增加。


 
圖1 : 在5G頻率下，人體的存在對行動動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，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）也是一個需要考慮的主要問題。


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

工業制造中的5G部署
采用5G技術擴展或代替傳統的有線工業網絡，需要對網絡設備、工業物聯網（IIoT）設備和邊緣運算基礎設施進行大量投資。此外，工業制造環境既龐大又具有動態性，這可能會導致覆蓋差或信號阻塞，而這種問題可能在完成部署后才能發現狀況。

虛擬測試
在早期階段，建模和模擬可以通過補充物理測試降低風險和成本。工程師能夠進行各種多物理廠模擬，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行動裝置和工業物聯網（IIoT）設備以及基站設備，都必須在具有挑戰性的環境中可靠地工作，這些環境包括人口稠密而且復雜的城市與工業環境，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絡容量。這意味著單個設備上需要安裝更多的天線，在減少占用空間的同時，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 : 安裝在工業機械上的以3.6 GHz運行工業物聯網設備，在某些方向上顯示出較差的信號覆蓋。

利用虛擬原型開發應對5G設計挑戰
眾多開發行動裝置、物聯網產品和蜂巢基礎設施的公司正在利用由達梭系統SIMULIA品牌開發的現實模擬工具克服這些行業挑戰。借助逼真的3D虛擬原型，綜合天線工程、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、準確地進行建模、分析和優化。

可靠的電磁設計
SIMULIA CST Studio Suite是SIMULIA多物理場模擬系列產品的組成部分，專門用于電磁（EM）模擬。這款經過驗證的電磁仿真軟件，提供完整的電磁與附屬的多物理場求解器，以及滿足5G產品開發與部署的設計和工程挑戰所需強大的自動網格劃分與優化工具。

這款瞬態求解器可以用最少的模型準備，對應極其龐大和復雜的問題進行仿真，并且能夠利用圖形處理器（GPU）、集群和云端運算來進一步提高仿真速度。此外，藉助這款軟件還能夠以虛擬方式進行合規測試，因為某些量無法進行實際測試，例如人體內的電場，就只能通過模擬來表征。

CST Studio Suite帶有經過美國無線通信和互聯網協會（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險，從而保護5G開發的巨大投資。

可以利用CST Studio Suite生成的典型移動、工業物聯網（IIoT）和基站的關鍵性能指針（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）

贏得競爭優勢
5G不僅是現有標準的演進發展，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推出支持5G的設備。
部署類似達梭系統3DEXPERIENCE平臺這種由數據驅動、基于模型的方法，可以讓公司從構思、需求、設計、仿真與優化到制造和交付，對整個開發價值鏈中的5G復雜性進行管理。
將虛擬原型開發納入企業開發平臺的戰略導向，既有助于降低逾期交付或無法交付的風險，也對于5G開發的巨大投資提供了保障。