未来已来 | 5G时代，电磁仿真绽放魅力
未来已来 | 5G时代，电磁仿真绽放魅力
5G已来，机遇还是挑战？
随着第五代移动通信建设5G商用如火如荼的开展， 5G技术相伴随IOT（万物互联技术）组合一起将把世界带入一个全新的5G时代。
图1：移动通信技术时间轴
相比4G时代，5G网络的速率更高，连接密度更大，设备期望的电池寿命越越来越长，总的设备接入量达到5000亿的量级，旨在融合通信无线互联网和有线互联网，给无数从事相关产业的企业和个人带来机遇。
图2：5G产业应用方向
图3：5G和IOT技术难点
要实现这样的移动通信水平
对通信速率延迟等技术成熟度的要求也越来越高
5G相比4G速度提升10到100倍；延迟要小10倍，连接密度更大，每平方公里甚至达到100万台设备接入。低功耗的电池寿命需要能工作10年。国外设备厂商预估，目前全球的无线网络接入量约5亿台，到2023年全球约有10亿个设备连接进未来的5G网络，甚至未来达到5000亿个IOT设备链接的规模。
这么多移动设备都需要接入5G网络，各种架设条件下的5G基站又各不相同，MASSIVE MIMO天线设计和仿真是一个极具挑战的热门课题。
5G时代的利器：电磁仿真解决方案
5G产业的发展带来的机遇和需求，对于无线通信产业中微波和电磁场的作用是巨大的，如何利用好有限的电磁频谱发挥最佳的通信效率，是大量通信行业从业者亟待解决的挑战。
单靠物理测试已经难以满足行业高速发展的需求，利用电磁仿真工具分析解决问题是5G时代必备的利器，带来更快更经济的创新动力。下面我们介绍下达索系统SIMULIA品牌的电磁仿真解决方案。
如果我们说4G是一公里的范围建一个基站，负责这方圆一公里范围内的手机和基站的通信，那么5G则是在二三百米的范围内建基站，负责半径为一百多米范围内的通信，形成整体覆盖。
图4：基站天线和终端天线通信
从天线的角度来看，需要解决高速率传输的要求，就需要高增益和宽带的天线，同时还要将有限的波束能量集中到设备移动上，达到全空域覆盖，这就需要波束可以电扫描移动。
图5：5G基站天线波束可控
Massive MIMO天线通过控制每一路的能量幅度相位以达到这一要求。通常含有64/128/256个天线单元组成一个阵列，这么多的通道数量自然能够极大的提升信道容量。
对于一个天线阵列的仿真，CST提供一个非常完善的解决方案——Array Task功能，用户可以设计完成一个单元后，根据需要直接扩展成天线阵列。
图6：Array Task界面
当阵列比较大的时候，可以分两部进行设计。
第一步是对阵列利用Unitcell功能进行性能预估。这种方法可以快速利用周期边界的条件，评估天线阵列的一些关键指标，例如是否有“盲点”，或者大角度的增益下降情况等。
第二步则可以通过Full array按钮直接生成完整的阵列，进行全三维求解，得到最精确的结果。当阵列比较小的时候，例如8*8的阵列则可以直接采用完整阵列的计算。
图7：Array Task两个设计阶段
在对完整阵列求解的时候，2020版本的CST的array task具有一个Group的功能，可以把一些方向图类似的单元进行分组，这样软件只要对其中一个单元进行求解器即可用它来代替其他同组内的所有单元，可以大大的节省仿真时间。
图8：Group功能
例如上图的64个单元的求解场景，通过Group功能可以把64个单元的问题等效成9个单元，如果分组合理，不但可以减少仿真时间，也能保证相当的仿真精度。
图9：完整阵列和Group后的结果对比
CST完整的技术，时域和频域等多种求解器可以满足不同情况的阵列天线仿真需求，找到最高效的方案。对于MASSIVE MIMO阵列设计，需要得到每一个方向图的情况，来合成各个方向波位上的性能，我们可以用FEM的直接法来计算。
当需要快速了解整个阵列某一个角度的性能，可以用FIT的同时激励完成全阵列的仿真。时域方法具有极好的鲁棒性和网格划分能力，适合处理复杂的天线阵列模型。加以GPU卡的加成能够快速完成各种MIMO阵列的仿真验证。
基于达索系统平台的仿真核心价值
达索系统旗下SIMULIA品牌的包含一系列的产品，其核心产品是CST工作室套装（CST STUDIO SUITE），用于求解各类电磁场问题，以及电磁和电路、热、结构应力的多学科耦合问题。
图10：SIMULIA电磁组合包
除此之外还有Antenna Magus, FEST3D, SPARK3D, IDEM, OPERA等全方位的射频微波工具。能解决各类电磁场，天线，滤波器，芯片设计等应用中面临的问题。
CST Studio Suite POWER’BY 3DEXPERINENCE
最新版本的CST已经支持3DEXPERIENCE的POWER’BY功能。所谓POWER’BY，能够给用户带来如下几点优良的体验：
建立一个协作空间，每个人都在同一组数据上工作，同步和版本控制。
模型、网格、场景和结果的轻量级可视化，帮助决策者方便获取结果并减少生成报告的时间。
可直接进入几何模型。
基于网站的登入方式，可以从任何地方提交和监视CST的作业进程。
支持完整的工作室套装功能，包括各种插件和脚本。
图11：CST Studio Suite POWER’BY 3DEXPERIENCE
熟悉CST产品的用户都知道基于GPU的高性能计算能带来非常大的效率提升。CST总是去适配最新最强的卡去做高性能计算，目前版本最高支持的卡是服务器版本的V100和GV100。GPU计算不仅硬件投资小，用V100经常可以达到6-8倍加速。比如原来一整天等一个仿真结果，现在一天可以做10次仿真。
图12：GPU加速效率
5G已来，是挑战，更是机遇。抓住机遇，领略5G时代背景下电磁仿真的更多魅力，达索系统SIMULIA，与您携手并肩。
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