5G仿真解决方案 | 通信场景仿真与探索

5G相比于4G通信技术，具有更高的带宽、更广的连接、更低的时延和更高的可靠性等技术特点，从而使得5G有能力实现万物互联，推动社会进入数字化时代。

要实现万物互联这一愿景，5G将渗透到人们生活的方方面面。VR技术、远程教育、远程医疗、智慧城市、智慧工厂等新场景应用也不断改变着我们的工作、生活方式。

而这一切的基础则是将终端设备都实现互联互通，而现实场景的复杂度和多样性，以及5G新频段的引入，对5G信号的覆盖能力与研究提出了新的挑战。

要了解5G，首先要知道5G支持哪些频段，3GPP将5G频段划分为FR1频段和FR2频段，其中FR1的频段通常被称为Sub6G频段，范围为450MHz-6GHz，FR2频段为24.25GHz-52.6GHz，通常被称为毫米波频段。未来5G组网将分为低、中、高频段组网，5G低频段（1GHz以下）做覆盖层，中频段（Sub6G）做容量层，毫米波做热点覆盖的高容量层，组成广覆盖、大容量的5G网络。

另外，还要了解电磁波的传播特性，电磁波的传播过程以球面波形式向外发射，传播距离越远，球面半径越大，单点的电磁信号越小。理论上来讲，当电磁波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。但实际应用情况中电磁波会受到各种因素的影响，如空气中的尘埃、水滴等影响，还会碰到树木遮挡、建筑物遮挡、绕射等情况，造成电磁波的反射、散射等造成的损耗，传播路径中的多重反射、多径效应造成在接收端的信号会是各种传播方式信号的叠加。

     

反射传播模型

     

信号叠加频谱

如果将以上所有的损耗、反射效应参考在内，参考经验值作为输入条件，代入公式的解析法已经远远不能满足需求，所以在仿真软件中进行场景建模，模拟真实环境的传输路径，并且考虑电磁波在不同材质上的反射、散射、绕射、多径效应是解决这一问题很好的思路。

所以结合上面的需求挑战，着眼于无线通信系统级应用层面，并且考虑仿真软件的计算能力，场景级、系统级的仿真输入能力可以大致分为以下几点：

1. 器件仿真设计（无源、有源）

2. 场景建模仿真（城市、道路、工厂、家居环境）

3. 完善的链路计算能力以及完备的通信链路库文件

为了针对系统级仿真需求，Ansys提供了完整的电磁仿真工具包Ansys HFSS Premium，其中包含高频仿真黄金标杆HFSS，电路仿真工具Circuit design、电大尺寸求解器SBR ，以及射频链路仿真求解器EMIT。可以在统一的电子桌面下进行天线设计、场景布局、链路预算等计算，为场景搭建、系统级射频链路仿真提供了无缝工作流程，开启了全新的应用领域。

Ansys系统仿真解决方案

对于通信行业工程师来讲，使用仿真软件进行设计已经是必备技能之一。面对5G通信更高频段，更小体积，更复杂的设计挑战，我们需要一种高精度、更高效、更完备的解决方案来帮助我们面对这一挑战。

作为电磁场求解工具黄金标杆，HFSS有限元法(FEM)全波电磁场求解器已有二十多年的商用历史，是目前业界最成熟稳定的三维电磁场求解器。它采用有限元法对任意三维结构进行电磁场仿真，仿真精度高，可用于精确的电磁场仿真和建模，国内有广泛的应用。它采用了自动匹配网格剖分及加密、切线向矢量有限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)等先进技术，自动计算多个自适应的解决方案，直到满足用户指定的收敛要求值，使工程师们可以非常方便地利用有限元法(FEM) 对任意形状的三维结构进行电磁场仿真，它还拥有功能强大的三维建模工具，能够方便地建立任意的三维结构，支持所有射频和微波材料，实现器件的快速精确仿真。

     

     

除此之外，Ansys Circuit Design模块还为器件和电路及系统的设计提供了一个全集成化的设计环境，实现了系统仿真、电路设计和优化、版图生成和平面及三维电磁场仿真完全无缝集成，以Circuit Design为设计平台，可以动态连接HFSS，实现与任意三维结构电磁场工具及复杂的大规模集成电路的协同仿真和优化设计，方便地建立和各种无源结构的模型，计算复杂三维结构电参数，实现虚拟原型，为一次设计成功提供了可能。

Ansys场路协同仿真方案

5G通信使用的通信频率的提高，路径损耗也随之加大。所以5G通信中使用大规模MIMO（Massive MIMO）技术来补偿高频路径损耗。同时为了提升载波效率，通信系统通过多个天线实现多发多收，从而成倍的提高系统信道容量。而高频段电磁波的传播方式不再以衍射为主要的信号传播方式，多次反射会考虑进传播路径，与此同时，高频信号穿过建筑物的穿透损耗也会大大增加。对于室内覆盖来说，用室外宏基站覆盖室内用户变得越来越不可行。所以高频率载波将面临覆盖能力和抗干扰能力的严峻挑战。而使用Massive MIMO技术生成高增益、可调节的赋形波束，从而改善信号覆盖问题，并且赋形波束的波束非常窄，可以大大减少对周边用户的干扰，提升抗干扰能力。

基于波束赋形的技术特点，它也将通信技术中的二维空间信道，拓展为考虑垂直维度信道的3D MIMO技术，大大增加了上行MIMO的收益。然而MIMO系统性能的实现极大的依赖于MIMO信道的特性，如天线位置布局等都影响着MIMO系统性能优劣。所以对MIMO信道建模就显得至关重要。而一个好的信道模型是在尽量拟合真实的传播路径、考虑多种不利因素，确定信道衰落因子，才能为信道系统设计提供参考。

所以对于Massive MIMO系统评估，首先通过对使用场景进行精细化建模，然后通过仿真来提取信道状态信息 (CSI)，然后将CSI作为输入条件进行信号处理，在软件内实现波束跟踪、多用户上行收益评估，从而得到MIMO系统性能。

     

     

然而现实场景中物体的电尺寸相对于5G频段波长都是百倍、千倍的关系，对于这一尺度的仿真，传统的时域、频域算法需求的计算资源也是指数级上升。那么我们就要需要一种既兼顾仿真精度，又能兼顾仿真速度的一种全新的算法来进行场景级电大尺寸问题的近似仿真模拟。

SBR （Shooting and Bouncing Rays）弹跳射线法是基于跟踪射线在物体表面散射场的高频近似算法，SBR 可以看作是几何光学（GO）和物理光学（PO）的混合体。GO射线从Tx天线照射到物体散射表面，从而确定哪些表面被直接照亮，发射的GO射线是由天线加权的矢量场，根据GO边界条件（即PO电流）在平台上“绘制”表面电流。这些电流被辐射到远场观测角、近场观测点或接收天线，从而产生散射场场量。当射线照射到散射面时，从第一个命中点反射出一组反射光线。反射光线的矢量场会基于几何光学（GO）和反射面的材料特性进行重新计算，而其余的射线则击中CAD模型的其他表面，绘制出第二次反射电流。这个过程不断的继续，以这种方式，SBR 实现了多次反弹散射。如果射线遇到可穿透表面，除了反射射线外，还会产生透射射线。因此，SBR 使用几何光学（GO）有效地将传统的PO仅适用于凸形物体的单弹跳算法扩展到能够计算任意形状、考虑多次弹跳场量的PO算法。

     

     

     

射线多重反射

     

射线反射与透射

 SBR 在考虑多次射线反射的同时，还添加了边缘一致性理论，绕射一致性理论以及表面爬行波等多方面影响分析，具有非常高效的仿真速度，具有非常好的精度，在大型平台的天线布局，以及场景级高频应用中效果非常好。还可提供可视化射线追踪模拟功能，帮助快速研究大型场景中的射线轨迹和传播方式。

通过软件内置的动态仿真功能，对被测物体的轨迹参数化设定，还可以进行用户动态场景仿真。通过对用户行为模型训练参数、用户系统的耦合矩阵提取，信号处理算法可以与软件接口，实现用户动态场景波束跟踪、信道建模与抗干扰分析。

5G通信链路传播中还要考虑到信道衰落的影响。5G低频覆盖范围广，衰落模型符合统计分布；而5G毫米波频段基本依赖视距传播，不以衍射为主，覆盖考虑多次反射效应，并且受雨雪影响，信道模型更为复杂，传统的统计模型已经不符合毫米波频段应用需求。所以，对于5G通信链路预算，除了场景中的路径损耗，我们还要考虑到信道衰落的链路裕量（Link Margin），并且5G链路预算还要考虑引入特殊模型，如雨衰、阴影衰落、用户动态轨迹下的遮挡和阴影衰落影响等，而这一过程可以在Ansys EMIT模块中完成建模、修正、分析。

EMIT中支持场景与s参数耦合模型计算，可以导入SNP、WIPL-D等格式文件，进行N端口矩阵天线耦合计算。EMIT中还支持多种传播模型修正，向耦合传输模型添加损耗阈值，以考虑传播环境中的不确定性。大多数传播模型（Hata、Walfisch-Ikegami、Erceg模型等）常数对于所有频率都是一致的(每个频率处采用相同阈值）。但是在一些特殊场景中，例如雨水、大气吸收衰减量则是频变函数，所以在EMIT中可以将特殊因素添加进来，实现精细化场景环境计算分析。

传播模型适用频段

并且EMIT强大的分析引擎可以计算所有重要的RF相互作用，包括非线性系统组件影响。利用EMIT的动态链接耦合矩阵，可以通过图形化信号跟踪和诊断总结功能显示链路中的干扰源以及干扰信号到达接收器的路径，从而快速确定干扰根因。一旦找到干扰因素，EMIT就能快速评估各种RFI缓解措施，从而实现最优解决方案。新的HFSS/EMIT数据链路允许在EMIT中直接通过HFSS已安装天线的物理3D模型创建RFI分析模型，从而提供无缝的端对端工作流程，以实现从大平台共址干扰到电子设备接收器灵敏度劣化等一系列RF环境下的完整射频共存、干扰仿真解决方案。

     

     

     

     

系统链路预算仿真

5G多元化的需求促使5G链路研究以场景需求为出发点，将宽频带、大规模天线阵列技术作为5G无线通信系统的重要核心技术，并且5G信道模型还需具备对频率、天线维度的兼容性、从而满足复杂场景分析的要求, 而为了支持复杂场景相关的传输算法的设计以及系统性能仿真评估, 能真实反映5G信道传播特征的信道模型必不可少。

而Ansys立足于5G新通信时代背景，提出了以EMIT与HFSS 、SBR 和Designer RF相结合的工作流程。统一界面、统一接口，从部件级仿真设计、信道场景建模到系统级链路建模分析与优化，从而满足5G新通信的设计需求，为5G通信系统级通信链路仿真提供了无缝工作流程，为广大的5G从业者提供了便利的解决方案，为5G信道场景仿真开启了全新的应用领域。