5G研发关键技术：天线的设计和仿真

　　随着科技的进步和迭代更新，5G已经进入到现实应用当中，随着5G的到来，各行各业的技术都发生了极大改变，5G正以难以想象的速度加速发展，全球各大网络运营商正全力加速5G落地。在可预见的将来，5G产业将在各个领域迎来蓬勃发展，营造一个速度快，效率高的新时代。随着5G技术的落地，虚拟仿真技术在5G研发行业越来越重要。

　　在5G技术引领下：

　　不管打开实验的演示视频还是进入虚拟实验项目都是秒响应！无需等待，解决了硬件渲染后网络传输速度受限的问题；

　　多人异地共享创建实验，不同的学校不同的成员可以共同协助完成；

　　可以多人共享实验仪器（大型实验仪器不需要购买，可以在线申请使用）；

　　画面的质感，清晰度、真实感、动感音效、视觉冲击力会大幅度的提高；

　　多人在线协同实验可以多人同时进入虚拟实验进行虚拟实验操作；

　　云化虚拟现实、人工智能、大数据、云平台的架构体系都将成为可能。

　　5G研发关键技术

　　而5G关键研发仿真平台概括包括以下几个部分：

　　1、动态仿真建模技术

　　5G技术带来了更加复杂的组网场景和业务类型，也增加了各类新技术。传统的采用针对特定场景编码实现的仿真设计模式效率很低，远远不能满足日益增长的仿真需求，必须采用高复用的建模技术，因此提出了动态仿真建模技术。

　　（1）功能库和参数库的生成

　　输出仿真平台的基本功能模块，根据仿真需求进行建模，抽象分解出公共库和特性库两类，通过智能接口实现功能的配合实用，同时满足功能的可扩展性。将功能库和参数库分开设计的目的也是为了保证模型适应于不同的仿真场景和仿真需求，做到充分的解耦。

　　（2）动态分析和配置机制

　　在仿真运行过程中提供分析和配置机制，参与仿真的全过程。包括对仿真需求进行分解，并映射到不同的功能库和参数库，再根据仿真的具体要求配置生成仿真流程。

　　根据仿真需求分解出对应的仿真模型，例如，软件定义网络（SDN）技术要求控制面和用户面分离，网络功能虚拟化（NFV）要求网络功能从专用硬件设备中解耦出来，UDN中提出的虚拟小区概念等。

　　根据模型生成仿真参数库，包括系统规格、场景参数、各项技术的配置参数等。以仿真模型为中心，基于仿真模型建立组网场景、网络功能的参数化模板，通过合理组合这些参数化模板减少参数库的复杂度。

　　根据模型映射到对应的功能库。功能库可以通过灵活的接口设计实现解耦和可扩展，根据仿真需求将映射的功能库和参数库有机的组织成为一个完整的仿真流程。将参数库、功能库、仿真流程进行动态配置形成具体的仿真任务，仿真任务直接面向用户，需要提供友好的配置管理界面。

　　2、计算资源虚拟化管理技术

　　当前提升仿真计算效率的主要手段是计算并行化，由于计算资源可以分布在不同的物理设备上，如何合理配置管理资源就成为核心问题。因此，我们提出了计算资源虚拟化管理技术。

　　资源虚拟化管理首先将仿真需求映射为可单独部署的计算任务，基于这些计算任务再分解为可单独部署的并行子任务，根据其特点配置相应的虚拟资源，部署在本地的并行计算任务需要分配计算资源、存储资源，部署在从节点上的计算任务还需分配足够的通信资源，以避免数据无法及时传输造成延时。

　　3、多核并行仿真技术

　　仿真软件的并行化是仿真平台多核并行设计的关键，能利用现有硬件资源达到最优效果。根据需求先从功能、算法、操作对象等角度将仿真软件并行化分解；其次通过对仿真功能模块的合理划分设计，减少并行子任务的通信数据量，保证各个并行子任务之间的运算量相当，减少因任务同步处理所需的等待时间。

　　中央处理器（CPU）+图形处理器（GPU）的异构方案作为多核CPU并行处理的演变方案，也为提升仿真计算的速度提供了可能［9］。CPU擅长复杂逻辑运算，而GPU往往拥有上百个流处理器核心，其设计目标是以大量线程实现面向大吞吐量的数据并行计算，其单精度浮点计算能力可达同期CPU的10倍以上，适合处理大规模数据并行计算。因此，采用CPU+GPU的异构并行架构，利用多核CPU并行执行复杂的逻辑计算，利用GPU处理数据并行任务，两者协同工作，发挥计算机并行处理能力。

　　由以上分析可以看出：实现动态仿真建模的关键点在于模型、库组件和参数的设计，通过运用分层、封装、接口解耦等方面的设计解决概念模型和实现模型之间的耦合，才能达到技术变化对实现影响最小的目的。

　　5G关键研发仿真应用

　　1、芯片/封装/系统一体化仿真

 

 

　　仿真必要性：（1）缺乏一体化仿真手段导致不能准确评估很小的改动对系统整体带来的影响，完全割裂的研发流程，导致信息交流不充分；（2）芯片/封装/系统板级涉及不同的专业领域，很难协同；（3）缺乏集成的研发团队和设计方法整合所有部分；（4）缺乏跨专业的整体仿真方。

　　2、高速信号/电源完整性和EMI/EMC仿真分析

 

 

　　产生原因：预计2022年，手机用户产生25GB/天/人的流量；每台自动驾驶汽车每天将产生4TB的数据量（假设 每天使用一小时）；在一个八百万人口规模的城市，每小时产生的数据 量可能达到100PB；云计算+边缘计算，速度提高，频率升高，工作部件小型化，产生以越来越多的EMC问题。

　　3、5G阵列天线的设计和仿真

　　基站天线发展如下图：

 

 

　　基站天线也面临越来越小型化的问题，在设计的时候难度不断增加。

　　4、电大尺寸和复杂场景下的电磁仿真分析

　　用于天线安装后性能预估的最好仿真分析，主要应用于电大载体，大型场景级问题，布局的场景及尺寸比较大，需要运用不同算法才能有效计算。

 

 

　　5、多物理场可靠性仿真设计

　　实际面临的部件或者产品是个电磁热应力多物理场耦合问题，属于多学科范畴。

 

 

　　5G研发仿真平台

　　1、芯片封装研发平台

　　ANSYS提供完整全面的解决方案：

 

 

　　2、高速信号/电源完整性和EMI/EMC仿真分析解决平台

　　ANSYS平台EMI及EMC仿真效率对比如下：

 

 

　　3、5G阵列天线的设计和仿真解决方　　

 

 

　　ANSYS提供了天线阵列仿真平台HFSS，可以高效准确的仿真天线阵电磁性能。

　　4、电大尺寸和复杂场景下的电磁仿真分析平台

 

 

　　HFSS提供SBR+算法及HFSS本身天线仿真求解器，可以高效稳定的求解天线布局问题。

　　5、多物理场可靠性仿真设计仿真平台

　　ANSYS提供了完备的多物理层耦合解决方案：