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為什么5G設(shè)計需要ANSYS仿真？
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作者:shbasewin
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發(fā)布時間: 2019-12-19
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5G預(yù)示著無線通信系統(tǒng)將為我們展現(xiàn)一個超凡絕倫的精彩世界。在當(dāng)下眾多領(lǐng)域，它都是利益增長點的代名詞，如消費類電子、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、高級輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)、電信、娛樂、醫(yī)療以及交通等領(lǐng)域。然而，隨之而來的相關(guān)工程難題也同樣豐富多彩！5G堪稱新一代顛覆性的技術(shù)革命，將通過無處不在的超快速計算網(wǎng)絡(luò)把數(shù)十億的設(shè)備與所需的數(shù)據(jù)進行融匯連接，大力推動眾多領(lǐng)域的經(jīng)濟增長，打造全新的產(chǎn)品與服務(wù)，并讓我們現(xiàn)有的生活面貌發(fā)生翻天覆地的改變。
為實現(xiàn)5G的戰(zhàn)略承諾，我們必須首先對其進行構(gòu)建。為此，我們必須重新思考電子組件、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計，找出在極端環(huán)境下高效運行和互通互連的方式。借助高頻毫米波頻譜、大規(guī)模MIMO、小基站、波束成型和波束跟蹤/轉(zhuǎn)向功能，5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可提供更高的速度、帶寬、覆蓋范圍和魯棒性。但5G也使得片上系統(tǒng)(SoC)的設(shè)計變得日益復(fù)雜，因為不僅需要管理海量的天線數(shù)據(jù)，而且還需支持各種各樣的豐富功能，如大規(guī)模機器類通信(MTC)、增強型移動寬帶(eMBB)、超可靠通信(URC)以及低延遲等。SoC需要在功率受限和散熱受限的環(huán)境中顯著提高其處理能力。
在發(fā)揮毫米波技術(shù)優(yōu)勢之前，首先要擴展sub-6 GHz系統(tǒng)，利用頻帶聚合通過現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施獲得5G速度。這需要多個頻段同時運行，進而帶來串?dāng)_和發(fā)熱問題。5G先進的處理方法要求高線性度的射頻前端、更高的集成度、更多的濾波和射頻切換。然后，隨著毫米波的出現(xiàn)，工程師將利用仿真來解決溫度敏感性、效率以及電路密度等難題。這些都是非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)！要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要一個普適的工程平臺來準(zhǔn)確地仿真構(gòu)成這些5G設(shè)計的多個物理場和多種技術(shù)。該平臺能運用先進的高性能計算，并且部署在整個企業(yè)范圍內(nèi)，能幫助設(shè)計人員和工程專家開展協(xié)作，研發(fā)具備5G功能的系統(tǒng)。而ANSYS設(shè)計平臺正能充分滿足這些要求，為用戶提供實現(xiàn)5G工程創(chuàng)新所需的仿真解決方案。
5G并非簡單的4G演進，而是一次包含一系列強化系統(tǒng)級功能的重大變革，這些功能包括：? 頻譜接入增大10倍? 集成已授權(quán)和未授權(quán)的頻譜? 大規(guī)模部署小基站? 全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)—網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)、邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片? 支持IoT（以及機器間的通信）
智能天線：波束成型
5G中的天線波束成型可提高無線應(yīng)用的容量和數(shù)據(jù)速率。為了提高數(shù)據(jù)速率并為更多用戶提供服務(wù)，MIMO波束成型技術(shù)可利用基站和用戶設(shè)備(UE)之間的多路徑傳播和空間復(fù)用。正確的波束成型和波束控制能優(yōu)化連接，降低連接中斷的風(fēng)險。因此必須對天線系統(tǒng)進行精心設(shè)計和仿真，才能嚴(yán)格地控制單元間的相位、天線罩和安裝平臺的影響，進而確保因潛在的工作單元發(fā)生故障時實現(xiàn)性能的溫和劣化。
載波聚合(CA)
最新的5G標(biāo)準(zhǔn)可增加用于單用戶連接的CALTE頻段數(shù)量，提高傳輸帶寬，但這會造成射頻前端復(fù)雜性增大，干擾概率提高。UE和基站中采用越來越多的高靈敏度濾波器實現(xiàn)子載波與信號的分離。體聲波(BAW)諧振器、濾波器和振蕩器并排安裝和端到端安裝在射頻子組件上，對它們之間的電磁耦合進行評估是這些前端設(shè)計取得成功的關(guān)鍵。
熱問題
在不適合主動散熱方式的安裝環(huán)境中，將各種模塊集成到射頻前端會產(chǎn)生大量熱量。在避免了強制風(fēng)冷或液冷的不合理成本與重量的情況下，基站天線還必須排出過多熱量，以使基站內(nèi)電子設(shè)備安全運行。這時必須檢查電子系統(tǒng)的溫度變化屬性，才能最大限度減少熱量，確保在安全運行限值內(nèi)。
邊緣計算
數(shù)據(jù)處理將在基站或邊緣節(jié)點上進行，以便為需要實時或接近實時響應(yīng)的事件與情景的用例和應(yīng)用提供服務(wù)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和用戶密度的提升，邊緣節(jié)點將為任務(wù)關(guān)鍵型情境或用戶體驗情境提供服務(wù)，當(dāng)汽車或視頻流中的應(yīng)用無法負擔(dān)往返云端處理請求的往返時間（約250 ms）時，這些情境要求為其延遲不超過1 ms的時間?？稍谶吘壒?jié)點處執(zhí)行決策功能，而ANSYS可為下列領(lǐng)域提供仿真解決方案和產(chǎn)品：
? 網(wǎng)絡(luò)
? 片上系統(tǒng)(SoC)
? 移動終端/UE移動終端
? 數(shù)據(jù)中心解決方案
正如大家所看到的，5G系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)是一項巨大的工程。從構(gòu)建和迭代系統(tǒng)直至系統(tǒng)可以運行，這一過程不僅耗時長而且還成本高昂，管理設(shè)計流程前端的方法之一就是使用仿真。
極致仿真卓越設(shè)計
為實現(xiàn)5G的戰(zhàn)略承諾，我們必須首先對其進行構(gòu)建。為此，我們必須重新思考電子組件、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計，找出在極端環(huán)境下高效運行和互通互連的方式。借助高頻毫米波頻譜、大規(guī)模MIMO、小基站、波束成型和波束跟蹤/轉(zhuǎn)向功能，5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可提供更高的速度、帶寬、覆蓋范圍和魯棒性。但5G也使得片上系統(tǒng)(SoC)的設(shè)計變得日益復(fù)雜，因為不僅需要管理海量的天線數(shù)據(jù)，而且還需支持各種各樣的豐富功能，如大規(guī)模機器類通信(MTC)、增強型移動寬帶(eMBB)、超可靠通信(URC)以及低延遲等。SoC需要在功率受限和散熱受限的環(huán)境中顯著提高其處理能力。
在發(fā)揮毫米波技術(shù)優(yōu)勢之前，首先要擴展sub-6 GHz系統(tǒng)，利用頻帶聚合通過現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施獲得5G速度。這需要多個頻段同時運行，進而帶來串?dāng)_和發(fā)熱問題。5G先進的處理方法要求高線性度的射頻前端、更高的集成度、更多的濾波和射頻切換。然后，隨著毫米波的出現(xiàn)，工程師將利用仿真來解決溫度敏感性、效率以及電路密度等難題。這些都是非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)！要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要一個普適的工程平臺來準(zhǔn)確地仿真構(gòu)成這些5G設(shè)計的多個物理場和多種技術(shù)。該平臺能運用先進的高性能計算，并且部署在整個企業(yè)范圍內(nèi)，能幫助設(shè)計人員和工程專家開展協(xié)作，研發(fā)具備5G功能的系統(tǒng)。而ANSYS設(shè)計平臺正能充分滿足這些要求，為用戶提供實現(xiàn)5G工程創(chuàng)新所需的仿真解決方案。
5G并非簡單的4G演進，而是一次包含一系列強化系統(tǒng)級功能的重大變革，這些功能包括：? 頻譜接入增大10倍? 集成已授權(quán)和未授權(quán)的頻譜? 大規(guī)模部署小基站? 全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)—網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)、邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片? 支持IoT（以及機器間的通信）
智能天線：波束成型
5G中的天線波束成型可提高無線應(yīng)用的容量和數(shù)據(jù)速率。為了提高數(shù)據(jù)速率并為更多用戶提供服務(wù)，MIMO波束成型技術(shù)可利用基站和用戶設(shè)備(UE)之間的多路徑傳播和空間復(fù)用。正確的波束成型和波束控制能優(yōu)化連接，降低連接中斷的風(fēng)險。因此必須對天線系統(tǒng)進行精心設(shè)計和仿真，才能嚴(yán)格地控制單元間的相位、天線罩和安裝平臺的影響，進而確保因潛在的工作單元發(fā)生故障時實現(xiàn)性能的溫和劣化。
載波聚合(CA)
最新的5G標(biāo)準(zhǔn)可增加用于單用戶連接的CALTE頻段數(shù)量，提高傳輸帶寬，但這會造成射頻前端復(fù)雜性增大，干擾概率提高。UE和基站中采用越來越多的高靈敏度濾波器實現(xiàn)子載波與信號的分離。體聲波(BAW)諧振器、濾波器和振蕩器并排安裝和端到端安裝在射頻子組件上，對它們之間的電磁耦合進行評估是這些前端設(shè)計取得成功的關(guān)鍵。
熱問題
在不適合主動散熱方式的安裝環(huán)境中，將各種模塊集成到射頻前端會產(chǎn)生大量熱量。在避免了強制風(fēng)冷或液冷的不合理成本與重量的情況下，基站天線還必須排出過多熱量，以使基站內(nèi)電子設(shè)備安全運行。這時必須檢查電子系統(tǒng)的溫度變化屬性，才能最大限度減少熱量，確保在安全運行限值內(nèi)。
邊緣計算
數(shù)據(jù)處理將在基站或邊緣節(jié)點上進行，以便為需要實時或接近實時響應(yīng)的事件與情景的用例和應(yīng)用提供服務(wù)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和用戶密度的提升，邊緣節(jié)點將為任務(wù)關(guān)鍵型情境或用戶體驗情境提供服務(wù)，當(dāng)汽車或視頻流中的應(yīng)用無法負擔(dān)往返云端處理請求的往返時間（約250 ms）時，這些情境要求為其延遲不超過1 ms的時間?？稍谶吘壒?jié)點處執(zhí)行決策功能，而ANSYS可為下列領(lǐng)域提供仿真解決方案和產(chǎn)品：
? 網(wǎng)絡(luò)
? 片上系統(tǒng)(SoC)
? 移動終端/UE移動終端
? 數(shù)據(jù)中心解決方案
正如大家所看到的，5G系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)是一項巨大的工程。從構(gòu)建和迭代系統(tǒng)直至系統(tǒng)可以運行，這一過程不僅耗時長而且還成本高昂，管理設(shè)計流程前端的方法之一就是使用仿真。
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