干货｜虚拟原型开发助力实现5G设计最优化

蓝图分享网 2023-01-06 12:19:51 425阅读 0评论

凯思软件

企业研发创新体系建设专家

干货｜虚拟原型开发助力实现5G设计最优化第1张

执行摘要

当前的移动数据技术正被推向极限。高带宽流媒体应用的增加、基础设施较为薄弱的地区对高速互联网的需求，以及智能自动驾驶汽车的发展，都在增加对高速、可靠数据的需求。云计算的兴起、物联网（IoT）的引入、远程手术与精密制造等行业趋势，都需要一种全新的蜂窝网络方法。第五代新型无线电技术（通常被称为5G NR）具有广阔的发展前景，其下载速度在每秒千兆比特级，具有时延更低、可靠性更高的特性，而且在给定区域可以支持更多的互联设备。

原始设备制造商（OEM）与供应商必须开发可支持5G的设备与网络，才能保持其产品的竞争力。然而，与前几代技术相比，5G的复杂性显著增加。例如，5G有两个主要的工作频段，即Sub-6GHz的频谱，和24-52GHz的毫米波（mm-wave）频谱。5G标准支持大规模多输入多输出（MIMO）通信，其天线阵列采用波束成形技术，即使在用户众多的密集城市环境中也能提高网络容量和通信质量。当然，也必须保持对前几代电信标准的支持。由于市面上的智能手机皆采用固定的外形设计，因此必须进行重新设计，才能够支持新技术并保留原有功能。对于工业应用，则需要对当前的通信协议、痛点、互操作性和5G潜力进行评估。

为确保实现卓越性能、满足合规要求、具备长期稳健性，且在新兴应用中能够得到有效部署，5G设备需要对所用的组件、电路、天线甚至是材料重新进行设计。此外还需要仔细考虑更高的数据速率，并确保信号及电源完整性、限制发热、电磁辐射和易受外界干扰相关的挑战。由于一根手指也可能阻挡5G频段的毫米波信号传输，因此信号与人体距离的影响也有待深入研究。所有这一切都意味着需要对参数进行有效分析，这样才能考虑这些既单独存在又彼此相互作用的复杂且难以预测的影响。

部署像达索系统3DEXPERIENCE平台这种由数据驱动、基于模型的方法，可以让公司从构思、需求、设计、仿真与优化到制造和交付，对整个开发价值链中的5G复杂性进行管理。将虚拟原型开发纳入企业开发平台的战略导向，既有助于降低逾期交付或无法交付的风险，也对5G开发的巨大投资提供了保障。

干货｜虚拟原型开发助力实现5G设计最优化第2张

在5G频率下，人体的存在对移动设备的性能有很大的影响

5G设计面临的挑战

随着新一代移动通信技术的出现，新的天线和器件必须集成到现有的外形中。在每部电子设备中，为了实现与性能规范及合规性相关的关键性能指标（KPI），组件布局显得至关重要，但5G移动设备设计复杂性的增加必然会引入更多的故障点。因此，鉴于移动设备行业面临的设计周期极短的问题，尽早识别潜在问题（例如可能无法满足电磁干扰标准）比以往任何时候都更为重要。高级驾驶辅助系统（ADAS）与工业物联网（IIoT）的出现，要求5G应用在受限的动态环境中可靠运行。在设计周期早期与部署之前更广泛地使用仿真，将有助于实现消费产品和工业5G应用中的关键性能指标（KPI）和安全标准。

干货｜虚拟原型开发助力实现5G设计最优化第3张

由于5G是一种广播技术，因而受到政府监管条例的约束，其中包括：

电磁兼容性（EMC），设备对外部射频信号的敏感性
设备自身产生的电磁干扰（EMI）
人体受到的电磁辐射（EMF）

要保持组件之间实现高速、可靠的通信，确保设备上的信号完整性（SI）和电源完整性（PI）也是一个需要考虑的主要问题。在与5G相关的更高频率和更高数据速率下，信号完整性/电源完整性以及电磁兼容性/电磁干扰变得更加关键。防止靠近众多其他系统时关键电子系统降敏作用（降敏）成为一项具有挑战性的工程任务。

工业制造中的5G部署

采用5G技术扩展或代替传统的有线工业网络需要对网络设备、工业物联网（IIOT）设备和边缘计算基础设施进行大量投资。此外，工业制造环境既庞大又具有动态性，这可能会导致覆盖差或信号阻塞，而这种问题可能在完成部署后才能发现。

虚拟测试

早期阶段，建模和仿真可以通过补充物理测试降低风险和成本。工程师能够进行各种多物理厂仿真，从而在物理部署前确保设计的稳健性，包括：

电磁方面：天线模式、覆盖范围、共址干扰、信号完整性和对人体的电磁辐射
结构方面：设备的强度和耐久性，疲劳、跌落和冲击测试
热：电子加热和冷却

高频率和组件密度意味着在5G产品设计中，需要进行全波3D电磁仿真，以便发现众多可能导致电磁兼容性/电磁干扰、信号完整性/电源完整性和降敏问题的相互作用。板载系统数量的增加意味着比吸收率（SAR）问题的风险更高；再者，围绕5G普及而引发的公众信任问题意味着，制造商需要能够清楚地证明该技术不会造成健康风险而且符合所有监管标准。人体暴露在毫米波频率下的新标准正在制定中，对此也必须加以考虑。

5G移动设备和工业物联网（IIoT）设备以及基站设备都必须在具有挑战性的环境中可靠地工作，这些环境包括人口稠密而且复杂的城市与工业环境，其中包含许多可能阻挡信号的障碍物，例如人、机器和其他移动设备。为了可靠地运行，5G设备需要利用大规模多输入多输出（MIMO）技术有效地利用多路径效应，例如从物体反射的信号可以帮助填补盲区并增加网络容量。这意味着单个设备上需要安装更多的天线，在减少占用空间的同时却带来了更多电磁兼容性/电磁干扰、比吸收率和热管理问题。

为了将未来的毫米波天线集成到移动设备、工业物联网（IIOT）设备和其他设备中，需要采用新的产品设计方法。在毫米波频率下，几何结构很薄的智能手机外壳与传播的电磁波传播波长相比，具有显著的厚度，从而对穿过的信号产生很大影响。可以采用航空航天行业首创的天线罩设计方法设计手机外壳，以便无线电信号顺畅通过，从而确保高的天线辐射效率以及对波束行为的精细控制。

干货｜虚拟原型开发助力实现5G设计最优化第5张

安装在工业机械上的以3.6 GHz运行工业物联网（IIoT）设备，在某些方向上显示出较差的信号覆盖。

利用虚拟原型开发应对5G设计挑战

众多开发移动设备、物联网产品和蜂窝基础设施的公司正在利用由达索系统SIMULIA品牌开发的现实仿真工具克服这些行业挑战。借助逼真的3D虚拟原型，综合天线工程、设备电磁兼容性/电磁干扰性能、电子器件设计，以及设备结构与热性能，均可以快速、准确地进行建模、分析和优化。

为了增加工程和商业价值，达索系统提供了3DEXPERIENCE平台，使公司可以在协作式交互环境中充分利用与3D设计、流程自动化、设计探索和信息智能完全集成的逼真仿真。3DEXPERIENCE平台使公司能够跨整个开发价值链（从构思、需求、设计、仿真和优化到制造与交付的全过程）管理5G复杂性。当开发活动在这种由数据驱动并基于模型的环境中进行时，包括设计师和仿真专家在内的所有利益相关方都可以充分利用这个统一模型。对数字模型的每次修改都会自动传递，而且每次仿真都会自动与正确的模型相关联。因此，最终设计与最终经过测试并发布的版本之间存在数字可追溯性。

可靠的电磁设计

SIMULIA CST Studio Suite是SIMULIA多物理场仿真系列产品的组成部分，专门用于电磁（EM）仿真。这款业经验证的电磁仿真软件提供了完整的电磁与附属的多物理场求解器，以及满足5G产品开发与部署的设计和工程挑战所需的强大的自动网格划分与优化工具。这款旗舰瞬态求解器可以用最少的模型准备对极其庞大和复杂的问题进行仿真，并且能够利用图形处理器（GPU）、集群和云计算来进一步提高仿真速度。

此外，借助这款软件还能够以虚拟方式进行合规测试，因为某些量（例如人体内的电场）无法进行实际测试，只能通过仿真来表征。CST Studio Suite带有经过美国无线通信和互联网协会（CTIA）认证的手部和头部模型，这些模型可用于虚拟的比吸收率（SAR）测试。这有助于降低交付逾期或测试失败的风险，从而保护5G开发的巨大投资。

可以利用CST Studio Suite生成的典型移动、工业物联网（IIoT）和基站的关键性能指标（KPI）包括：

总辐射功率（TRP）
各向同性辐射功率（EIRP）
总的各向同性灵敏度（TIS）
累积分布函数（CDF）
空间平均功率密度（sPD）
比吸收率（SAR）

CST Studio Suite中的自动化后处理支持一键从仿真结果生成这些KPI。这些强大的功能与达索系统3DEXPERIENCE平台的协作和数据管理功能相结合，使得来自不同学科的工程师在优化设计性能的同时可以有效地协作，这在产品设计生命周期不断压缩的背景下至关重要。

在单个设备上设置多套天线的情况下，天线之间的共址干扰或共存以及降敏就是重要的考虑因素。CST Studio Suite Interference Task允许对多种组件配置进行虚拟测试并自动标记潜在的干扰问题。由于仿真以3D视觉化形式完全展现了设备内部的电磁场与电流，工程师能够直接确定干扰源与杂散电流通过设备的路径，从而可以轻松地缓解相关问题。通信频道之间的潜在串扰源以及印制线路板（PCB）上其他信号完整性（SI）/电源完整性（PI）和电磁兼容性（EMC）/电磁干扰（EMI）问题，也可以利用CST Studio Suite通过仿真加以解决。

独特的天线设计工具Antenna Magus也是SIMULIA电磁仿真系列产品的组成部分，有助于工程师快速找到5G设备的正确初始天线或阵列类型。Antenna Magus是一个包含350多个可设计天线的完整文档库。当给定频段和外形时，软件会自动生成适用的设计以及完全参数化的仿真模型。这种设计与仿真的自动化能够帮助工程师做出更明智的天线设计决策，特别是在面对新的5G约束条件和规范的情况下。对于基站设计，其他的SIMULIA电磁设计工具（例如FEST3D和Filter Designer 3D）可用于合成天线馈电系统中的波导组件、滤波器和多路复用器。

获得竞争优势

CST Studio Suite是用于设计、分析和优化蜂窝设备的行业标准电磁仿真解决方案。它提供了应对5G设计挑战所需的高性能求解器与专用功能。此外，SIMULIA品牌还提供了一系列业经验证的多物理场/多尺度仿真技术，世界领先的众多公司采用这些技术对材料行为、热效应、跌落、冲击、振动与整个系统性能进行仿真。这些仿真应用可与广泛使用的第三方3D建模和仿真工具以及电子设计自动化（EDA）工具进行互操作。

达索系统的3DEXPERIENCE平台通过提供数字线程，捕获整个开发流程中与产品相关的功能需求、设计变量、仿真模型和分析结果，助力各大公司对5G设计的复杂性进行管理。通过利用逼真的多物理场仿真，并与平台上的3D设计、流程自动化、设计优化和决策分析完全集成，各组织能够捕获并共享最佳实践，维护单一数据源，从而加速设计空间探索。如果在开发的每个阶段都尽早并且持续地使用虚拟原型开发，就可以帮助团队及早确定正确的设计路径，这样就使得变更成本更低且更容易实施。

5G不仅是现有标准的演进发展，而且还需要蜂窝设备、基础设施的设计与部署采用全新的方法。由于潜在回报很高，众多制造商都争先恐后地向市场推出支持5G的设备。由于涉及复杂的工程挑战，5G技术的开发成本巨大，而且失败的风险很高。虚拟原型开发有助于缩短设计时间、降低成本，并在减小失败风险的同时达到合规目的。能够更好地利用数字连接虚拟原型的公司，将克服端到端5G系统设计带来的挑战，并将在抢占5G主流市场的竞争中获得比竞争对手更显著的优势。

凯思软件，作为达索系统在中国的铂金代理商。 运用达索系统先进的技术和管理方法，为国内制造企业的研发生产提供专业的咨询、实施、二次开发、售后培训服务，是达索系统中国区专门致力于服务的专业代理商。公司发展20年，成功服务超过400家的客户，近年来借助达索3DEXPERIENCE平台的设计、仿真、工艺、制造、协同等功能，成功助力高科技、工业设备等领域的行业冠军企业数字化转型。