Ansys联合Keysight共同开发5G网络数字孪生
本文原刊登于semiwiki.com：《Can you Simulate me now? Ansys and Keysight Prototype in 5G》
作者：Shawn Carpenter and Sangkyo Shin
编辑整理：肖运辉 | Ansys中国高频产品线技术经理
该团队使用Ansys HFSS为28GHz高带宽系统构建了5G MIMO基站天线阵列模型和手机天线模型，并将其布置在逼真城市模型中的不同位置。在此基础上，他们使用HFSS SBR 依据物理原理为基站和手机间的信号传播建模，以确定天线间的真实性能。
5G信号在复杂城市环境中的传播使用射线追踪法（SBR）电磁场求解器进行建模，这些信号传播仿真与细化的Ansys HFSS相控阵列基站和手机天线系统模型相关联。
Ansys与Keysight联合测试了高精度、基于物理的虚拟流程的概念验证，以了解5G物理通道行为，该原型是Ansys与Keysight之间强强联合的关键成果。Ansys方法用于对物理层进行建模——包含虚拟天线、散射及其耦合趋势在内，Keysight则用于实际5G射频架构和波束选择过程建模。
Ansys HFSS和HFSS SBR 用于计算已安装的5G基站阵列和用户设备天线的物理通道响应；而Keysight SystemVue可提取时域通道属性，从而为MIMO波束成型重新创建用户信号到达角。
最终，虚拟建模将取代安装和调试5G基站以实现最大覆盖的“被动部署”方法。
5G虚拟建模可以解决什么问题？
5G有望实现能够以极高速度传输海量数据的中高频段信道。5G无线电设备厂商和无线服务提供商宣称，28GHz和39GHz高频段系统可达到令人惊叹的功能，问题在于：这些系统只有在人口密集的区域（比如城市中心）才具有成本效益。
有四个主要因素让5G系统复杂化，超出我们在较低频段看到的情况：
信号衰落增加
在高频率下，距离基站越远，信号衰落越多，5G的信号衰落率增大约10倍。人口密集的区域需要大量增加接入点，为所有用户提供服务。
信号穿透力弱
在毫米波这样的高频段下，信号难以穿透常见的建筑材料。建筑物内的4G手机可以接收数英里外的蜂窝塔发出的信号，因为这种频率较低、波长较长的信号能穿透手机与蜂窝塔之间的结构与表面。在频率更高的5G频段，建筑物从允许信号穿透的海绵变成反射信号的镜子。在常用的5G高频段频率28GHz下，平板玻璃（1.5厘米厚度）可降低信号穿透率1000倍，物理厚度更大的水泥和砖块会造成更严重的衰减。外表面的镜面效应造成另一个问题：信号延迟扩展。由于信号四处反射，接收器会接收到信号的延迟副本，这使得接收器设计更加复杂。
距离损耗
为了克服信号距离损耗比4G更快增加的问题，5G系统使用将信号能量集中在窄波束上的天线运行。确定接入点的正确位置至关重要，这样每个用户都能在最小重叠的情况下得到覆盖。可以测试真实环境下的安装和位置，但这样不仅非常耗时而且成本高昂，高频、高带宽测量设备的成本大幅增加，有时甚至高不可攀。
审批延迟
从市议会或其他政府机构获得安装5G天线系统的许可可能是一个异常艰难的过程。没人希望获得10个安装位置的批准，然后发现其中5个位置都不理想，因此他们需要返回设计图，并重新向市政申请。关键在于确定位置正确、数量正确的接入点，以尽可能少的接入点提供一致的覆盖。
所有这些问题都可以通过虚拟化流程得以解决。我们可以用计算机展示我们为城市用户提供服务的情况吗？Ansys和Keysight的回答是肯定的。
400MHz带宽的28GHz信号从相控阵列基站模型传输到城市环境的电场动画。信号在街道（下方）和对面建筑物的墙上（右侧）发生反射。左上角是2个剖面的单频电场。
电子行业的未来前景如何？
简而言之：合作。经历过多年市场角逐后，Ansys和Keysight发现了更多通过取长补短、彼此合作推动行业向前发展的方法。
Ansys的5G & Space项目经理Shawn Carpenter表示： “通过与合作伙伴携手合作，我们有机会创建出5G网络的首个数字孪生，它能与实际运行的网络协作。”
运用现有的原型，Ansys和Keysight可以告诉您发送和接收的信号。然而当用户拿出智能手机使用导航应用时，对可能涉及到的5-6个网络层进行仿真，难度会大得多。我们如何确定网络到云端的最短路径？我们如何将数据传输到云端，同时保持数据完整性？在获取手机请求的数据时，我们预计会有什么延迟？
许多数据通信问题不在Ansys HFSS的范围以内。我们用于电磁建模的环境对建模天线系统或射频组件而言非常适用，但它的设计初衷并非用于仿真联网汽车沿街道上下行驶、无人机穿行其间、飞机凌空飞越的整个城市。
2020年，Ansys收购了Analytical Graphics Incorporated（AGI），一家专业从事多域任务工程的公司。AGI超强的能力可以扩展到5G空间。该原型只包含了一些用户，但真实环境中的用户密度要大很多。AGI的专业技术将帮助评估复杂网络，并开展大规模仿真。AGI还与Scalable Network Technologies进行合作，后者是解决这类问题的行业专家。就在最近，Keysight收购了Scalable Network。为了进一步解决此问题，AGI已经在Keysight的STK接口中为其网络建模工具提供了一个现有接口。通过与Keysight、AGI、Scalable Network Technologies以及其他相辅相成的合作伙伴展开合作，Ansys掌握了开展大规模仿真和模拟所需的能力，并且我们将继续优化我们的工作流程集成。
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肖运辉 | Ansys产品技术经理
肖运辉，电磁场仿真软件专家，对电磁场仿真算法体系及相关软件有系统性了解和研究。现任Ansys中国高频产品线技术经理，负责高频行业技术开发和管理工作，对Ansys电磁产品，多物理场耦合产品，Ansys平台方案等有关产品及方案应用有全面的了解和经验。
