5G研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)：天線的設(shè)計(jì)和仿真

隨著科技的進(jìn)步和迭代更新，5G已經(jīng)進(jìn)入到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用當(dāng)中，隨著5G的到來，各行各業(yè)的技術(shù)都發(fā)生了極大改變，5G正以難以想象的速度加速發(fā)展，全球各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商正全力加速5G落地。在可預(yù)見的將來，5G產(chǎn)業(yè)將在各個(gè)領(lǐng)域迎來蓬勃發(fā)展，營(yíng)造一個(gè)速度快，效率高的新時(shí)代。隨著5G技術(shù)的落地，虛擬仿真技術(shù)在5G研發(fā)行業(yè)越來越重要。

在5G技術(shù)引領(lǐng)下：

不管打開實(shí)驗(yàn)的演示視頻還是進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是秒響應(yīng)！無需等待，解決了硬件渲染后網(wǎng)絡(luò)傳輸速度受限的問題；

多人異地共享創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)，不同的學(xué)校不同的成員可以共同協(xié)助完成；

可以多人共享實(shí)驗(yàn)儀器（大型實(shí)驗(yàn)儀器不需要購買，可以在線申請(qǐng)使用）；

畫面的質(zhì)感，清晰度、真實(shí)感、動(dòng)感音效、視覺沖擊力會(huì)大幅度的提高；

多人在線協(xié)同實(shí)驗(yàn)可以多人同時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作；

云化虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)的架構(gòu)體系都將成為可能。

5G研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

而5G關(guān)鍵研發(fā)仿真平臺(tái)概括包括以下幾個(gè)部分：

1、動(dòng)態(tài)仿真建模技術(shù)

5G技術(shù)帶來了更加復(fù)雜的組網(wǎng)場(chǎng)景和業(yè)務(wù)類型，也增加了各類新技術(shù)。傳統(tǒng)的采用針對(duì)特定場(chǎng)景編碼實(shí)現(xiàn)的仿真設(shè)計(jì)模式效率很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益增長(zhǎng)的仿真需求，必須采用高復(fù)用的建模技術(shù)，因此提出了動(dòng)態(tài)仿真建模技術(shù)。

（1）功能庫和參數(shù)庫的生成

輸出仿真平臺(tái)的基本功能模塊，根據(jù)仿真需求進(jìn)行建模，抽象分解出公共庫和特性庫兩類，通過智能接口實(shí)現(xiàn)功能的配合實(shí)用，同時(shí)滿足功能的可擴(kuò)展性。將功能庫和參數(shù)庫分開設(shè)計(jì)的目的也是為了保證模型適應(yīng)于不同的仿真場(chǎng)景和仿真需求，做到充分的解耦。

（2）動(dòng)態(tài)分析和配置機(jī)制

在仿真運(yùn)行過程中提供分析和配置機(jī)制，參與仿真的全過程。包括對(duì)仿真需求進(jìn)行分解，并映射到不同的功能庫和參數(shù)庫，再根據(jù)仿真的具體要求配置生成仿真流程。

根據(jù)仿真需求分解出對(duì)應(yīng)的仿真模型，例如，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)要求控制面和用戶面分離，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）要求網(wǎng)絡(luò)功能從專用硬件設(shè)備中解耦出來，UDN中提出的虛擬小區(qū)概念等。

根據(jù)模型生成仿真參數(shù)庫，包括系統(tǒng)規(guī)格、場(chǎng)景參數(shù)、各項(xiàng)技術(shù)的配置參數(shù)等。以仿真模型為中心，基于仿真模型建立組網(wǎng)場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)功能的參數(shù)化模板，通過合理組合這些參數(shù)化模板減少參數(shù)庫的復(fù)雜度。

根據(jù)模型映射到對(duì)應(yīng)的功能庫。功能庫可以通過靈活的接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)解耦和可擴(kuò)展，根據(jù)仿真需求將映射的功能庫和參數(shù)庫有機(jī)的組織成為一個(gè)完整的仿真流程。將參數(shù)庫、功能庫、仿真流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置形成具體的仿真任務(wù)，仿真任務(wù)直接面向用戶，需要提供友好的配置管理界面。

2、計(jì)算資源虛擬化管理技術(shù)

當(dāng)前提升仿真計(jì)算效率的主要手段是計(jì)算并行化，由于計(jì)算資源可以分布在不同的物理設(shè)備上，如何合理配置管理資源就成為核心問題。因此，我們提出了計(jì)算資源虛擬化管理技術(shù)。

資源虛擬化管理首先將仿真需求映射為可單獨(dú)部署的計(jì)算任務(wù)，基于這些計(jì)算任務(wù)再分解為可單獨(dú)部署的并行子任務(wù)，根據(jù)其特點(diǎn)配置相應(yīng)的虛擬資源，部署在本地的并行計(jì)算任務(wù)需要分配計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源，部署在從節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算任務(wù)還需分配足夠的通信資源，以避免數(shù)據(jù)無法及時(shí)傳輸造成延時(shí)。

3、多核并行仿真技術(shù)

仿真軟件的并行化是仿真平臺(tái)多核并行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，能利用現(xiàn)有硬件資源達(dá)到最優(yōu)效果。根據(jù)需求先從功能、算法、操作對(duì)象等角度將仿真軟件并行化分解；其次通過對(duì)仿真功能模塊的合理劃分設(shè)計(jì)，減少并行子任務(wù)的通信數(shù)據(jù)量，保證各個(gè)并行子任務(wù)之間的運(yùn)算量相當(dāng)，減少因任務(wù)同步處理所需的等待時(shí)間。

中央處理器（CPU）+圖形處理器（GPU）的異構(gòu)方案作為多核CPU并行處理的演變方案，也為提升仿真計(jì)算的速度提供了可能［9］。CPU擅長(zhǎng)復(fù)雜邏輯運(yùn)算，而GPU往往擁有上百個(gè)流處理器核心，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是以大量線程實(shí)現(xiàn)面向大吞吐量的數(shù)據(jù)并行計(jì)算，其單精度浮點(diǎn)計(jì)算能力可達(dá)同期CPU的10倍以上，適合處理大規(guī)模數(shù)據(jù)并行計(jì)算。因此，采用CPU+GPU的異構(gòu)并行架構(gòu)，利用多核CPU并行執(zhí)行復(fù)雜的邏輯計(jì)算，利用GPU處理數(shù)據(jù)并行任務(wù)，兩者協(xié)同工作，發(fā)揮計(jì)算機(jī)并行處理能力。

由以上分析可以看出：實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真建模的關(guān)鍵點(diǎn)在于模型、庫組件和參數(shù)的設(shè)計(jì)，通過運(yùn)用分層、封裝、接口解耦等方面的設(shè)計(jì)解決概念模型和實(shí)現(xiàn)模型之間的耦合，才能達(dá)到技術(shù)變化對(duì)實(shí)現(xiàn)影響最小的目的。

5G關(guān)鍵研發(fā)仿真應(yīng)用

1、芯片/封裝/系統(tǒng)一體化仿真

仿真必要性：（1）缺乏一體化仿真手段導(dǎo)致不能準(zhǔn)確評(píng)估很小的改動(dòng)對(duì)系統(tǒng)整體帶來的影響，完全割裂的研發(fā)流程，導(dǎo)致信息交流不充分；（2）芯片/封裝/系統(tǒng)板級(jí)涉及不同的專業(yè)領(lǐng)域，很難協(xié)同；（3）缺乏集成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和設(shè)計(jì)方法整合所有部分；（4）缺乏跨專業(yè)的整體仿真方。

2、高速信號(hào)/電源完整性和EMI/EMC仿真分析

產(chǎn)生原因：預(yù)計(jì)2022年，手機(jī)用戶產(chǎn)生25GB/天/人的流量；每臺(tái)自動(dòng)駕駛汽車每天將產(chǎn)生4TB的數(shù)據(jù)量（假設(shè) 每天使用一小時(shí)）；在一個(gè)八百萬人口規(guī)模的城市，每小時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù) 量可能達(dá)到100PB；云計(jì)算+邊緣計(jì)算，速度提高，頻率升高，工作部件小型化，產(chǎn)生以越來越多的EMC問題。

3、5G陣列天線的設(shè)計(jì)和仿真

基站天線發(fā)展如下圖：

基站天線也面臨越來越小型化的問題，在設(shè)計(jì)的時(shí)候難度不斷增加。

4、電大尺寸和復(fù)雜場(chǎng)景下的電磁仿真分析

用于天線安裝后性能預(yù)估的最好仿真分析，主要應(yīng)用于電大載體，大型場(chǎng)景級(jí)問題，布局的場(chǎng)景及尺寸比較大，需要運(yùn)用不同算法才能有效計(jì)算。

5、多物理場(chǎng)可靠性仿真設(shè)計(jì)

實(shí)際面臨的部件或者產(chǎn)品是個(gè)電磁熱應(yīng)力多物理場(chǎng)耦合問題，屬于多學(xué)科范疇。

5G研發(fā)仿真平臺(tái)

1、芯片封裝研發(fā)平臺(tái)

ANSYS提供完整全面的解決方案：

2、高速信號(hào)/電源完整性和EMI/EMC仿真分析解決平臺(tái)

ANSYS平臺(tái)EMI及EMC仿真效率對(duì)比如下：

3、5G陣列天線的設(shè)計(jì)和仿真解決方

ANSYS提供了天線陣列仿真平臺(tái)HFSS，可以高效準(zhǔn)確的仿真天線陣電磁性能。

4、電大尺寸和復(fù)雜場(chǎng)景下的電磁仿真分析平臺(tái)

HFSS提供SBR+算法及HFSS本身天線仿真求解器，可以高效穩(wěn)定的求解天線布局問題。

5、多物理場(chǎng)可靠性仿真設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)

ANSYS提供了完備的多物理層耦合解決方案：