虛擬原型開發 支援實現5G設計最優化

5g design

當前的移動數據技術正被推向極限。高帶寬流媒體應用的增加、基礎設施較爲薄弱的地區對高速互聯網的需求,以及智慧自動駕駛汽車的發展,都在增加對高速、可靠數據的需求。雲端計算的興起、物聯網(IoT)的引入、遠程手術與精密製造等行業趨勢,都需要一種全新的蜂窩網絡方法。第五代新型無線電技術(通常被稱爲5G NR)具有廣闊的發展前景,其下載速度在每秒千兆比特級,具有時延更低、可靠性更高的特性,而且在給定區域可以支持更多的互聯設備。

原始設備製造商(OEM)與供應商必須開發可支持5G的設備與網絡,才能保持其產品的競爭力。然而,與前幾代技術相比,5G的複雜性顯著增加。例如,5G有兩個主要的工作頻段,即Sub-6GHz的頻譜,和24-52GHz的毫米波(mm-wave)頻譜。5G標準支持大規模多輸入多輸出(MIMO)通信,其天線陣列採用波束成形技術,即使在用戶衆多的密集城市環境中也能提高網絡容量和通信質量。當然,也必須保持對前幾代電信標準的支援。由於市面上的智慧手機皆採用固定的外形設計,因此必須進行重新設計,才能夠支援新技術並保留原有功能。對於工業應用,則需要對當前的通信協議、痛點、互操作性和5G潛力進行評估。

爲確保實現優秀性能、滿足合規要求、具備長期穩健性,且在新興應用中能夠得到有效部署,5G設備需要對所用的組件、電路、天線甚至是材料重新進行設計。此外還需要仔細考慮更高的數據速率,並確保信號及電源完整性、限制發熱、電磁輻射和易受外界干擾相關的挑戰。由於一根手指也可能阻擋5G頻段的毫米波信號傳輸,因此信號與人體距離的影響也有待深入研究。所有這一切都意味著需要對參數進行有效分析,這樣才能考慮這些既單獨存在又彼此相互作用的複雜且難以預測的影響。

部署像達梭系統3DEXPERIENCE平臺這種由數據驅動、基於模型的方法,可以讓公司從構思、需求、設計、模擬模擬仿真與優化到製造和交付,對整個開發價值鏈中的5G複雜性進行管理。將虛擬原型開發納入企業開發平臺的戰略導向,既有助於降低逾期交付或無法交付的風險,也對5G開發的巨大投資提供了保障。

在5G頻率下,人體的存在對行動裝置的性能有很大的影響
在5G頻率下,人體的存在對行動裝置的性能有很大的影響

5G設計面臨的挑戰

隨著新一代移動通信技術的出現,新的天線和器件必須整合到現有的外形中。在每部電子設備中,爲了實現與性能規範及合規性相關的關鍵性能指標(KPI),組件布局顯得至關重要,但5G行動裝置設計複雜性的增加必然會引入更多的故障點。因此,鑒於行動裝置行業面臨的設計周期極短的問題,儘早識別潛在問題(例如可能無法滿足電磁干擾 [EMI] 標準)比以往任何時候都更爲重要。高級駕駛輔助系統(ADAS)與工業物聯網(IIoT)的出現,要求5G應用在受限的動態環境中可靠運行。在設計周期早期與部署之前更廣泛地使用模擬仿真,將有助於實現消費產品和工業5G應用中的關鍵性能指標(KPI)和安全標準。

由於5G是一種廣播技術,因而受到政府監管條例的約束,其中包括:

  • 電磁兼容性(EMC),設備對外部射頻信號的敏感性

  • 設備自身產生的電磁干擾(EMI)

  • 人體受到的電磁輻射(EMF)

要保持組件之間實現高速、可靠的通信,確保設備上的信號完整性(SI)和電源完整性(PI) 也是一個需要考慮的主要問題。在與5G相關的更高頻率和更高數據速率下,信號完整性/電源完整性以及電磁兼容性/電磁干擾變得更加關鍵。防止靠近衆多其他系統時關鍵電子系統降敏作用(降敏)成爲一項具有挑戰性的工程任務。

工業製造中的5G部署

採用5G技術擴展或代替傳統的有線工業網絡需要對網絡設備、工業物聯網(IIOT)設備和邊緣計算基礎設施進行大量投資。此外,工業製造環境既龐大又具有動態性,這可能會導致覆蓋差或信號阻塞,而這種問題可能在完成部署後才能發現。

虛擬測試

早期階段,建模和模擬仿真可以通過補充物理測試降低風險和成本。工程師能夠進行各種多物理廠模擬仿真,從而在物理部署前確保設計的穩健性,包括:

  • 電磁方面:天線模式、覆蓋範圍、共址干擾、信號完整性和對人體的電磁輻射

  • 結構方面:設備的强度和耐久性,疲勞、跌落和衝擊測試

  • 熱:電子加熱和冷却

高頻率和組件密度意味著在5G產品設計中,需要進行全波3D電磁模擬仿真,以便發現衆多可能導致電磁兼容性/電磁干擾、信號完整性/電源完整性和降敏問題的相互作用。板載系統數量的增加意味著比吸收率(SAR)問題的風險更高;再者,圍繞5G普及而引發的公衆信任問題意味著,製造商需要能夠清楚地證明該技術不會造成健康風險而且符合所有監管標準。人體暴露在毫米波頻率下的新標準正在制定中,對此也必須加以考慮。

5G行動裝置和工業物聯網(IIoT)設備以及基站設備都必須在具有挑戰性的環境中可靠地工作,這些環境包括人口稠密而且複雜的城市與工業環境,其中包含許多可能阻擋信號的障礙物,例如人、機器和其他行動裝置。爲了可靠地運行,5G設備需要利用大規模多輸入多輸出(MIMO)技術有效地利用多路徑效應,例如從物體反射的信號可以幫助填補盲區並增加網絡容量。這意味著單個設備上需要安裝更多的天線,在减少占用空間的同時却帶來了更多電磁兼容性/電磁干擾、比吸收率和熱管理問題。

爲了將未來的毫米波天線整合到行動裝置、工業物聯網(IIOT)設備和其他設備中,需要採用新的產品設計方法。在毫米波頻率下,幾何結構很薄的智慧手機外殼與傳播的電磁波傳播波長相比,具有顯著的厚度,從而對穿過的信號產生很大影響。可以採用航空航天行業首創的天線罩設計方法設計手機外殼,以便無線電信號順暢通過,從而確保高的天線輻射效率以及對波束行爲的精細控制。

安裝在工業機械上的以3.6 GHz運行工業物聯網(IIoT)設備,在某些方向上顯示出較差的信號覆蓋。
安裝在工業機械上的以3.6 GHz運行工業物聯網(IIoT)設備,在某些方向上顯示出較差的信號覆蓋。

利用虛擬原型開發應對5G設計挑戰

衆多開發行動裝置、物聯網產品和蜂窩基礎設施的公司正在利用由達梭系統SIMULIA品牌開發的現實模擬仿真工具克服這些行業挑戰。借助逼真的3D虛擬原型,綜合天線工程、設備電磁兼容性/電磁干擾性能、電子器件設計,以及設備結構與熱性能,均可以快速、準確地進行建模、分析和優化。

爲了增加工程和商業價值,達梭系統提供了3DEXPERIENCE平臺,使公司可以在協作式交互環境中充分利用與3D設計、流程自動化、設計探索和資訊智慧完全整合的逼真模擬仿真。3DEXPERIENCE平臺使公司能夠跨整個開發價值鏈(從構思、需求、設計、模擬仿真和優化到製造與交付的全過程)管理5G複雜性。當開發活動在這種由數據驅動並基於模型的環境中進行時,包括設計師和模擬仿真專家在內的所有利益相關方都可以充分利用這個統一模型。對數位模型的每次修改都會自動傳遞,而且每次模擬仿真都會自動與正確的模型相關聯。因此,最終設計與最終經過測試並發布的版本之間存在數位可追溯性。

可靠的電磁設計

SIMULIA CST Studio Suite是SIMULIA多物理場模擬仿真系列產品的組成部分,專門用於電磁(EM)模擬仿真。這款業經驗證的電磁模擬仿真軟體提供了完整的電磁與附屬的多物理場求解器,以及滿足5G產品開發與部署的設計和工程挑戰所需的强大的自動網格劃分與優化工具。這款旗艦瞬態求解器可以用最少的模型準備對極其龐大和複雜的問題進行模擬仿真,並且能夠利用圖形處理器(GPU)、集群和雲端計算來進一步提高模擬仿真速度。

此外,借助這款軟體還能夠以虛擬方式進行合規測試,因爲某些量(例如人體內的電場)無法進行實際測試,只能通過模擬仿真來表徵。CST Studio Suite帶有經過美國無線通信和互聯網協會(CTIA)認證的手部和頭部模型,這些模型可用於虛擬的比吸收率(SAR)測試。這有助於降低交付逾期或測試失敗的風險,從而保護5G開發的巨大投資。

可以利用CST Studio Suite生成的典型移動、工業物聯網(IIoT)和基站的關鍵性能指標(KPI)包括:

  • 總輻射功率(TRP)

  • 各向同性輻射功率 (EIRP)

  • 總的各向同性靈敏度(TIS)

  • 累積分布函數 (CDF)

  • 空間平均功率密度 (sPD)

  • 比吸收率(SAR)

CST Studio Suite中的自動化後處理支持一鍵從模擬仿真結果生成這些KPI。這些强大的功能與達梭系統3DEXPERIENCE平臺的協作和數據管理功能相結合,使得來自不同學科的工程師在優化設計性能的同時可以有效地協作,這在產品設計生命周期不斷壓縮的背景下至關重要。

在單個設備上設置多套天線的情况下,天線之間的共址干擾或共存以及降敏就是重要的考慮因素。CST Studio Suite Interference Task允許對多種組件配置進行虛擬測試並自動標記潛在的干擾問題。由於模擬仿真以3D視覺化形式完全展現了設備內部的電磁場與電流,工程師能夠直接確定干擾源與雜散電流通過設備的路徑,從而可以輕鬆地緩解相關問題。通信頻道之間的潛在串擾源以及印製線路板(PCB)上其他信號完整性(SI)/電源完整性(PI)和電磁兼容性(EMC)/電磁干擾(EMI)問題,也可以利用CST Studio Suite通過模擬仿真加以解決。

獨特的天線設計工具Antenna Magus也是SIMULIA電磁模擬仿真系列產品的組成部分,有助於工程師快速找到5G設備的正確初始天線或陣列類型。Antenna Magus是一個包含350多個可設計天線的完整文檔庫。當給定頻段和外形時,軟體會自動生成適用的設計以及完全參數化的模擬仿真模型。這種設計與模擬仿真的自動化能夠幫助工程師做出更明智的天線設計決策,特別是在面對新的5G約束條件和規範的情况下。對於基站設計,其他的SIMULIA電磁設計工具(例如FEST3D和Filter Designer 3D)可用於合成天線饋電系統中的波導組件、濾波器和多路複用器。

獲得競爭優勢

CST Studio Suite是用於設計、分析和優化蜂窩設備的行業標準電磁模擬仿真解決方案。它提供了應對5G設計挑戰所需的高性能求解器與專用功能。此外,SIMULIA品牌還提供了一系列業經驗證的多物理場/多尺度模擬仿真技術,世界領先的衆多公司採用這些技術對材料行爲、熱效應、跌落、衝擊、振動與整個系統性能進行模擬仿真。這些模擬仿真應用可與廣泛使用的第三方3D建模和模擬仿真工具以及電子設計自動化(EDA)工具進行互操作。

達梭系統的3DEXPERIENCE平臺通過提供數位線程,捕獲整個開發流程中與產品相關的功能需求、設計變量、模擬仿真模型和分析結果,支援各大公司對5G設計的複雜性進行管理。通過利用逼真的多物理場模擬仿真,並與平臺上的3D設計、流程自動化、設計優化和決策分析完全整合,各組織能夠捕獲並共享最佳實踐,維護單一數據源,從而加速設計空間探索。如果在開發的每個階段都儘早並且持續地使用虛擬原型開發,就可以幫助團隊及早確定正確的設計路徑,這樣就使得變更成本更低且更容易實施。

5G不僅是現有標準的演進發展,而且還需要蜂窩設備、基礎設施的設計與部署採用全新的方法。由於潛在回報很高,衆多製造商都爭先恐後地向市場推出支持5G的設備。由於涉及複雜的工程挑戰,5G技術的開發成本巨大,而且失敗的風險很高。虛擬原型開發有助於縮短設計時間、降低成本,並在减小失敗風險的同時達到合規目的。能夠更好地利用數位連接虛擬原型的公司,將克服端到端5G系統設計帶來的挑戰,並將在搶占5G主流市場的競爭中獲得比競爭對手更顯著的優勢。

 

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關於達梭系統

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達梭系統作為 3D 體驗公司,是推動人類進步的催化劑,為企業大眾提供協作的3D虛擬環境以發想永續創新。透過達梭系統3DEXPERIENCE平臺與應用創造現實世界中的虛擬體驗雙生,幫助客戶突破創新,學習和製造的極限。達梭系統為超過 140 個國家,逾 27萬個來自不同產業與規模的客戶增添價值。

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關於達梭系統SIMULIA應用程式

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