技术专栏 | 虚拟原型开发如何助力实现理想化的5G设计？
▲技术专栏 | 虚拟原型开发如何助力实现理想化的5G设计？
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。
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作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
• 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。
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。
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
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。
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
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。
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）
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。
-END-
