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設計、測試並部署成本及效能最佳化的 5G 網路

  • 2024/3/26 8:25

作者
Laila Salman 博士
Ansys 首席應用工程師 

 

大多數關於5G的討論都集中在這一標準的技術性以及能帶給使用者什麼樣的好處上——這項新技術將如何透過更大的頻寬提高網路服務的品質。為了完成這項鉅作,設計團隊將面臨無數的工程難題。

 

5G服務供應商必須滿足客戶對服務品質和功能的期望。同時,這些供應商需要提供對使用者有吸引力的價格才能保持競爭力。這種市場壓力的結合產生了一個總體擁有成本 (Total Cost of Ownership, TCO),服務供應商必須符合該成本才能在激烈的競爭中生存下來。 TCO 透過兩大類關鍵績效指標 (Key Performance Indicators, KPI) 來衡量:技術能力(如訊號覆蓋範圍、系統容量、MIMO 效能)和產品壽命(即產品的可靠度、功耗和重量)。

 

對於開發 5G 網路設備的系統公司而言,這些 KPI 變成一連串的要求。另一方面,系統公司將這些 KPI 細分為他們開發通訊產品的詳細規範,這包括一個天線、印刷電路板(PCB) 上的電路,以及容納 PCB 和天線的外殼。

 

在這當中最為關鍵的元件即是天線。系統設計中的其他元件都與它息息相關。接下來就讓我們來詳細分析5G 系統設計團隊在開發天線時所面臨的挑戰。

 

 

使用 Ansys HFSS 對 5G 波束控制單元 (Beam Steering Unit, BSU) 天線進行電磁模擬

 

來自設計團隊的觀點

5G天線設計的工程師主要關心的可以問題分為三大類:設計、驗證和測試,以及部署天線。這些類別並不是各自獨立的,而是相依的。

 

天線設計

5G 採用MU-MIMO技術將無訊通訊帶到新的領域,但天線的設計充滿了各種挑戰。天線必須在給定的孔徑下達到最大的效能、訊號要能夠覆蓋特定的範圍並負荷足夠的使用者數量、支援多種頻寬、正確形成波束、支援固定衛星服務 (Fixed Satellite Service, FSS) 和自適應調變和編碼 (Adaptive modulation and coding, AMC) 等等需要擁有高頻譜利用率的功能。同時,設計人員必須解決天線在運作時所引起的任何耦合效應,以及辨識出哪些地方會造成訊號的損失,例如阻抗不匹配、射頻干擾 (Radio Frequency Interference, RFI) 等。要設計出如此複雜的天線需要設計人員豐富的經驗、設計靈活性和巨大的精神與精力。

 

 

使用 Ansys HFSS 設計的 5G MIMO 輻射單元

 

天線驗證和測試

在整個系統預期的使用壽命之內,有多個因素會使得驗證天線的完整功能複雜化。這種驗證的一部分涉及系統本身的基本操作,影響的範圍包括天線,還有電路板及其他電子元件。其中最嚴峻的因素即是操作環境對天線及整個系統的影響,包括風、雨、雪、冰雹、靜電積累、灰塵、沙塵暴、雷擊、酷熱的夏天、寒冷的冬天……等自然現象。

 

更糟糕的是,這些影響可能會相互疊加。電流產生的熱或天氣造成的熱會使元件膨脹而產生機械應力,進而影響電性。風會扭曲天線形狀,影響訊號傳遞的環境。如果是處在振動的環境中,系統本身的重量也會隨著時間影響其壽命。

 

設計人員有許多方法可以降低這些問題帶來的影響:重量成為天線和系統設計的一個條件,而對風壓的估算則作為進一步的限制。做好電力管理可以延長IC、電路板和整個系統的平均故障壽命(Mean Time To Failure, MTTF)。透過可靠度測試可以評估大量變數,例如電路板和元件的可靠性、天線操作的頻率和傳播效應、熱對訊號覆蓋範圍的影響和訊號傳遞的干擾、功耗、備用電源提供的時間,以及電壓漂移的大小——這不僅是在產品正常運作的情況,當環境、電力和效能處於極限條件時,產品也必須足夠可靠。

 

遺憾的是,上述這些方法需要的時間都很有可能無法讓產品準時交貨。這將成為設計優化的障礙,因為每次作業都必須重複(至少一部分)測試和驗證。

 

部署天線

5G網路部署之後,我們預期產品能夠可靠地工作並且符合效能的規範——包括支援各種使用者平台、有效且最大限度地利用頻寬和通道、高訊號強度、最高的數據傳輸速率以及最小的訊號延遲。然而,有許多不利的因素阻礙這些目標的實現 。

 

網路環境中存在各種電磁干擾。在網路環境中,使用者負載變化量很大且無時無刻都在變化,基地台、較低階的階層式網路和使用者平台彼此之間的天線會互相干擾,造成訊號的失真。此外,城市中各種高低不一的建築物也會對訊號傳遞造成物理上的阻礙,這些建築物可能會吸收或反射電磁波,造成訊號進入無作用區、訊號中斷和傳遞延遲。而現有的網路基礎設施,也會造成5G網路部署的阻礙。

 

服務供應商希望系統公司能夠打造出解決上述所有問題的網路架構並開發出適合的天線。他們希望 5G 硬體能讓他們在任何環境條件下為客戶提供低成本、高品質的通訊和數據服務。

 

Ansys HFSS 中的城市 5G 網路

 

模擬解決方案

Ansys 在計算多物理場的發展擁有將近 50 年的歷史,提供了無數既廣泛又深入的模擬技術Ansys HFSS提供多種求解器和數值方法,支援從單一元件、封裝IC到一架飛機,甚至是城市無線網絡——從微觀到宏觀的電磁現象建模和模擬。這包括有限元素法(Finite Element Method, FEM)、矩量法(Method of Moments, MoM)、 SBR(Shooting and Bouncing Rays) 求解器和區域分解法(Domain Decomposition Methods, DDM)。HFSS也支援3D元件庫和Layout功能,並且HFSS獨有的自適應求解技術確保了模擬結果的準確性,從網格生成、網格細化到掃瞄頻率都由軟體自動完成,節省了大量的模擬時間。

 

HFSS 最畫龍點睛的是獨特的網格融合(Mesh Fusion)功能,能夠精確地擷取不同大小的幾何形狀,可以將大型且複雜的物件包含在單一模型中,以業界公認的黃金標準精度進行模擬。

 

HFSS 還能夠和許多 Ansys 模擬工具結合使用。這些模擬軟體共同提供了對5G 網路及其物理維度(包括機械、熱、結構和電磁)的所有組件進行建模和模擬的能力,從而為高複雜性、高功能的虛擬原型設計提供真正的計算多物理場支援。

 

當這些模擬軟體結合在一起,即使在開發和部署5G無線網絡的嚴格要求下,也能提供強力的支援。在天線設計層面,模擬工具和工作流程可以引導設計人員在頻率、天線配置和材料方面找到最佳解決方案。設計可以在多個參數之間(例如資料速率、容量、吞吐量、延遲、連接性和覆蓋範圍)進行最佳化和動態微調。這使得 Ansys 能夠提供獨特的模擬能力來支援大規模 MU-MIMO 天線陣列的設計。

 

除此之外,這些模擬軟體還可以納入所有環境對這些系統的結構、熱和電氣完整性的影響。您甚至可以跳過風洞試驗——天線的變形、故障以及來自結構負荷的機械應力都可以被詳細模擬。

 

網路節點的理想擺放位置和操作可以完全根據模擬結果來規劃。能夠對可調節的波束建模,並具有可調節的寬度和功率大小。可以對訊號進行 3D 分析,以減輕城市地區複雜射頻 (Radio Frequency, RF) 環境中的潛在問題,以及多路徑傳播、反射、吸收、遮蔽、阻塞區域和無作用區等危險。可以規劃基地台/網路節點的擺放位置以理想地在現有基礎設施底下利用空間。系統尺寸、重量、功耗和成本對網路部署的影響可以針對所有因素進行最佳化,同時考慮各種潛在環境壓力下的效能和耐用性。

 

透過自動化的工作流程,模擬的規模可以在幾何形狀和特定區域的變化中快速擴展或縮小,並且不會耗費太多執行模擬的時間。此外,Ansys 模擬軟體支援分散式計算,能夠平行處理並高效利用系統記憶體資源。

 

將計算多物理場模擬作為 5G 系統設計、可靠性評估和節點部署流程中的一部份具有許多優勢,這源自於 Ansys 模擬軟體能夠對開發的各個階段進行虛擬化設計。建立實體樣本來測試功能、可靠性和無線 (Over-the-Air, OTA) 操作所耗費的時間與金錢成本都過於高昂。透過虛擬化,無論是挑選設計或功能增強的實驗基本上沒有風險,同時開發進度在時間和金錢成本上都可以縮減。設計團隊最終能夠比競爭對手更早地讓優質產品上市。

 

 

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