虚拟原型开发助力实现理想化5G设计

现今众多制造商及供货商积极开发可支持5G的设备与网络，而将虚拟原型开发纳入企业开发平台的战略导向，有助于降低产生延迟或无法交付的风险，也对5G开发投资提供了保障。
当前的行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因特网的需求，以及智慧自动驾驶汽车的发展，都在增加对高速、可靠数据的需求。而云端运算的兴起、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（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，而且在设定区域可以支持更多的因特网设备。
原始设备制造商（OEM）与供货商必须开发可支持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。


 
图1 : 在5G频率下，人体的存在对行动动设备的性能有很大的影响。

5G设计面临的挑战
5G为一种新一代的广播技术，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
‧装置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、可靠的通讯，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。


 
图2 : 要保持组件之间实现高速、可靠的通讯，必须确保设备上的信号和电源的完整性。

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）设备和边缘运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状况。

虚拟测试
在早期阶段，建模和模拟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模拟，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

5G行动装置和工业物联网（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、机器和其他行动装置。

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?明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。


 
图3 : 安装在工业机械上的以3.6 GHz运行工业物联网设备，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
众多开发行动装置、物联网产品和蜂巢基础设施的公司正在利用由达梭系统SIMULIA品牌开发的现实模拟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。

可靠的电磁设计
SIMULIA CST Studio Suite是SIMULIA多物理场模拟系列产品的组成部分，专门用于电磁（EM）模拟。这款经过验证的电磁仿真软件，提供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强大的自动网格划分与优化工具。

这款瞬态求解器可以用最少的模型准备，对应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）、集群和云端运算来进一步提高仿真速度。此外，藉助这款软件还能够以虚拟方式进行合规测试，因为某些量无法进行实际测试，例如人体内的电场，就只能通过模拟来表征。

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。如此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针（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）
‧累积分散函数（CDF）
‧空间平均功率密度（sPD）
‧比吸收率（SAR）

赢得竞争优势
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。
部署类似达梭系统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，也对于5G开发的巨大投资提供了保障。