隨著第五代移動(dòng)通信建設(shè)5G商用如火如荼的開(kāi)展， 5G技術(shù)相伴隨IOT（萬(wàn)物互聯(lián)技術(shù)）組合一起將把世界帶入一個(gè)全新的5G時(shí)代。

圖1：移動(dòng)通信技術(shù)時(shí)間軸

相比4G時(shí)代，5G網(wǎng)絡(luò)的速率更高，連接密度更大，設(shè)備期望的電池壽命越越來(lái)越長(zhǎng)，總的設(shè)備接入量達(dá)到5000億的量級(jí)，旨在融合通信無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)和有線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)，給無(wú)數(shù)從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)的企業(yè)和個(gè)人帶來(lái)機(jī)遇。

圖2：5G產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向

圖3：5G和IOT技術(shù)難點(diǎn)

5G相比4G速度提升10到100倍；延遲要小10倍，連接密度更大，每平方公里甚至達(dá)到100萬(wàn)臺(tái)設(shè)備接入。低功耗的電池壽命需要能工作10年。國(guó)外設(shè)備廠商預(yù)估，目前全球的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入量約5億臺(tái)，到2023年全球約有10億個(gè)設(shè)備連接進(jìn)未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)，甚至未來(lái)達(dá)到5000億個(gè)IOT設(shè)備鏈接的規(guī)模。

這么多移動(dòng)設(shè)備都需要接入5G網(wǎng)絡(luò)，各種架設(shè)條件下的5G基站又各不相同，MASSIVE MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)和仿真是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的熱門(mén)課題。

5G時(shí)代的利器：電磁仿真解決方案

5G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)的機(jī)遇和需求，對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)業(yè)中微波和電磁場(chǎng)的作用是巨大的，如何利用好有限的電磁頻譜發(fā)揮最佳的通信效率，是大量通信行業(yè)從業(yè)者亟待解決的挑戰(zhàn)。

單靠物理測(cè)試已經(jīng)難以滿(mǎn)足行業(yè)高速發(fā)展的需求，利用電磁仿真工具分析解決問(wèn)題是5G時(shí)代必備的利器，帶來(lái)更快更經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新動(dòng)力。下面我們介紹下達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA品牌的電磁仿真解決方案。
1.Massive MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)
 如果我們說(shuō)4G是一公里的范圍建一個(gè)基站，負(fù)責(zé)這方圓一公里范圍內(nèi)的手機(jī)和基站的通信，那么5G則是在二三百米的范圍內(nèi)建基站，負(fù)責(zé)半徑為一百多米范圍內(nèi)的通信，形成整體覆蓋。

圖4：基站天線(xiàn)和終端天線(xiàn)通信

從天線(xiàn)的角度來(lái)看，需要解決高速率傳輸?shù)囊?，就需要高增益和寬帶的天線(xiàn)，同時(shí)還要將有限的波束能量集中到設(shè)備移動(dòng)上，達(dá)到全空域覆蓋，這就需要波束可以電掃描移動(dòng)。

圖5：5G基站天線(xiàn)波束可控

Massive MIMO天線(xiàn)通過(guò)控制每一路的能量幅度相位以達(dá)到這一要求。通常含有64/128/256個(gè)天線(xiàn)單元組成一個(gè)陣列，這么多的通道數(shù)量自然能夠極大的提升信道容量。

圖6：Array Task界面

當(dāng)陣列比較大的時(shí)候，可以分兩部進(jìn)行設(shè)計(jì)。

第一步是對(duì)陣列利用Unitcell功能進(jìn)行性能預(yù)估。這種方法可以快速利用周期邊界的條件，評(píng)估天線(xiàn)陣列的一些關(guān)鍵指標(biāo)，例如是否有“盲點(diǎn)”，或者大角度的增益下降情況等。

第二步則可以通過(guò)Full array按鈕直接生成完整的陣列，進(jìn)行全三維求解，得到最精確的結(jié)果。當(dāng)陣列比較小的時(shí)候，例如8*8的陣列則可以直接采用完整陣列的計(jì)算。

圖7：Array Task兩個(gè)設(shè)計(jì)階段

在對(duì)完整陣列求解的時(shí)候，2020版本的CST的array task具有一個(gè)Group的功能，可以把一些方向圖類(lèi)似的單元進(jìn)行分組，這樣軟件只要對(duì)其中一個(gè)單元進(jìn)行求解器即可用它來(lái)代替其他同組內(nèi)的所有單元，可以大大的節(jié)省仿真時(shí)間。

圖8：Group功能

例如上圖的64個(gè)單元的求解場(chǎng)景，通過(guò)Group功能可以把64個(gè)單元的問(wèn)題等效成9個(gè)單元，如果分組合理，不但可以減少仿真時(shí)間，也能保證相當(dāng)?shù)姆抡婢取?br/>

圖9：完整陣列和Group后的結(jié)果對(duì)比

CST完整的技術(shù)，時(shí)域和頻域等多種求解器可以滿(mǎn)足不同情況的陣列天線(xiàn)仿真需求，找到最高效的方案。對(duì)于MASSIVE MIMO陣列設(shè)計(jì)，需要得到每一個(gè)方向圖的情況，來(lái)合成各個(gè)方向波位上的性能，我們可以用FEM的直接法來(lái)計(jì)算。

當(dāng)需要快速了解整個(gè)陣列某一個(gè)角度的性能，可以用FIT的同時(shí)激勵(lì)完成全陣列的仿真。時(shí)域方法具有極好的魯棒性和網(wǎng)格劃分能力，適合處理復(fù)雜的天線(xiàn)陣列模型。加以GPU卡的加成能夠快速完成各種MIMO陣列的仿真驗(yàn)證。

基于達(dá)索系統(tǒng)平臺(tái)的仿真核心價(jià)值

?  SIMULIA 電磁組合包
達(dá)索系統(tǒng)旗下SIMULIA品牌的包含一系列的產(chǎn)品，其核心產(chǎn)品是CST工作室套裝（CST STUDIO SUITE），用于求解各類(lèi)電磁場(chǎng)問(wèn)題，以及電磁和電路、熱、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的多學(xué)科耦合問(wèn)題。

圖10：SIMULIA電磁組合包

除此之外還有Antenna Magus, FEST3D, SPARK3D, IDEM, OPERA等全方位的射頻微波工具。能解決各類(lèi)電磁場(chǎng)，天線(xiàn)，濾波器，芯片設(shè)計(jì)等應(yīng)用中面臨的問(wèn)題。

?  CST Studio Suite POWER’BY 3DEXPERINENCE

最新版本的CST已經(jīng)支持3DEXPERIENCE的POWER’BY功能。所謂POWER’BY，能夠給用戶(hù)帶來(lái)如下幾點(diǎn)優(yōu)良的體驗(yàn)：

·    建立一個(gè)協(xié)作空間，每個(gè)人都在同一組數(shù)據(jù)上工作，同步和版本控制。

·    模型、網(wǎng)格、場(chǎng)景和結(jié)果的輕量級(jí)可視化，幫助決策者方便獲取結(jié)果并減少生成報(bào)告的時(shí)間。

·    可直接進(jìn)入幾何模型。

·    基于網(wǎng)站的登入方式，可以從任何地方提交和監(jiān)視CST的作業(yè)進(jìn)程。

·    支持完整的工作室套裝功能，包括各種插件和腳本。

圖11：CST Studio Suite POWER’BY 3DEXPERIENCE

?  新一代GPU加速性能表現(xiàn)
熟悉CST產(chǎn)品的用戶(hù)都知道基于GPU的高性能計(jì)算能帶來(lái)非常大的效率提升。CST總是去適配最新最強(qiáng)的卡去做高性能計(jì)算，目前版本最高支持的卡是服務(wù)器版本的V100和GV100。GPU計(jì)算不僅硬件投資小，用V100經(jīng)?？梢赃_(dá)到6-8倍加速。比如原來(lái)一整天等一個(gè)仿真結(jié)果，現(xiàn)在一天可以做10次仿真。

圖12：GPU加速效率

5G已來(lái)，是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇。抓住機(jī)遇，領(lǐng)略5G時(shí)代背景下電磁仿真的更多魅力。
來(lái)源：達(dá)索系統(tǒng)

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