5G相比于4G通信技術，具有更高的帶寬、更廣的連接、更低的時延和更高的可靠性等技術特點，從而使得5G有能力實現萬物互聯，推動社會進入數字化時代。

要實現萬物互聯這一愿景，5G將滲透到人們生活的方方面面。VR技術、遠程教育、遠程醫療、智慧城市、智慧工廠等新場景應用也不斷改變著我們的工作、生活方式。

而這一切的基礎則是將終端設備都實現互聯互通，而現實場景的復雜度和多樣性，以及5G新頻段的引入，對5G信號的覆蓋能力與研究提出了新的挑戰。

要了解5G，首先要知道5G支持哪些頻段，3GPP將5G頻段劃分為FR1頻段和FR2頻段，其中FR1的頻段通常被稱為Sub6G頻段，范圍為450MHz-6GHz，FR2頻段為24.25GHz-52.6GHz，通常被稱為毫米波頻段。未來5G組網將分為低、中、高頻段組網，5G低頻段（1GHz以下）做覆蓋層，中頻段（Sub6G）做容量層，毫米波做熱點覆蓋的高容量層，組成廣覆蓋、大容量的5G網絡。

另外，還要了解電磁波的傳播特性，電磁波的傳播過程以球面波形式向外發射，傳播距離越遠，球面半徑越大，單點的電磁信號越小。理論上來講，當電磁波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產生反射或散射。但實際應用情況中電磁波會受到各種因素的影響，如空氣中的塵埃、水滴等影響，還會碰到樹木遮擋、建筑物遮擋、繞射等情況，造成電磁波的反射、散射等造成的損耗，傳播路徑中的多重反射、多徑效應造成在接收端的信號會是各種傳播方式信號的疊加。

反射傳播模型

信號疊加頻譜

如果將以上所有的損耗、反射效應參考在內，參考經驗值作為輸入條件，代入公式的解析法已經遠遠不能滿足需求，所以在仿真軟件中進行場景建模，模擬真實環境的傳輸路徑，并且考慮電磁波在不同材質上的反射、散射、繞射、多徑效應是解決這一問題很好的思路。

所以結合上面的需求挑戰，著眼于無線通信系統級應用層面，并且考慮仿真軟件的計算能力，場景級、系統級的仿真輸入能力可以大致分為以下幾點：

1. 器件仿真設計（無源、有源）

2. 場景建模仿真（城市、道路、工廠、家居環境）

3. 完善的鏈路計算能力以及完備的通信鏈路庫文件

為了針對系統級仿真需求，Ansys提供了完整的電磁仿真工具包Ansys HFSS Premium，其中包含高頻仿真黃金標桿HFSS，電路仿真工具Circuit design、電大尺寸求解器SBR+，以及射頻鏈路仿真求解器EMIT。可以在統一的電子桌面下進行天線設計、場景布局、鏈路預算等計算，為場景搭建、系統級射頻鏈路仿真提供了無縫工作流程，開啟了全新的應用領域。

Ansys系統仿真解決方案

對于通信行業工程師來講，使用仿真軟件進行設計已經是必備技能之一。面對5G通信更高頻段，更小體積，更復雜的設計挑戰，我們需要一種高精度、更高效、更完備的解決方案來幫助我們面對這一挑戰。

作為電磁場求解工具黃金標桿，HFSS有限元法(FEM)全波電磁場求解器已有二十多年的商用歷史，是目前業界最成熟穩定的三維電磁場求解器。它采用有限元法對任意三維結構進行電磁場仿真，仿真精度高，可用于精確的電磁場仿真和建模，國內有廣泛的應用。它采用了自動匹配網格剖分及加密、切線向矢量有限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)等先進技術，自動計算多個自適應的解決方案，直到滿足用戶指定的收斂要求值，使工程師們可以非常方便地利用有限元法(FEM) 對任意形狀的三維結構進行電磁場仿真，它還擁有功能強大的三維建模工具，能夠方便地建立任意的三維結構，支持所有射頻和微波材料，實現器件的快速精確仿真。

除此之外，Ansys Circuit Design模塊還為器件和電路及系統的設計提供了一個全集成化的設計環境，實現了系統仿真、電路設計和優化、版圖生成和平面及三維電磁場仿真完全無縫集成，以Circuit Design為設計平臺，可以動態連接HFSS，實現與任意三維結構電磁場工具及復雜的大規模集成電路的協同仿真和優化設計，方便地建立和各種無源結構的模型，計算復雜三維結構電參數，實現虛擬原型，為一次設計成功提供了可能。

Ansys場路協同仿真方案

5G通信使用的通信頻率的提高，路徑損耗也隨之加大。所以5G通信中使用大規模MIMO（Massive MIMO）技術來補償高頻路徑損耗。同時為了提升載波效率，通信系統通過多個天線實現多發多收，從而成倍的提高系統信道容量。而高頻段電磁波的傳播方式不再以衍射為主要的信號傳播方式，多次反射會考慮進傳播路徑，與此同時，高頻信號穿過建筑物的穿透損耗也會大大增加。對于室內覆蓋來說，用室外宏基站覆蓋室內用戶變得越來越不可行。所以高頻率載波將面臨覆蓋能力和抗干擾能力的嚴峻挑戰。而使用Massive MIMO技術生成高增益、可調節的賦形波束，從而改善信號覆蓋問題，并且賦形波束的波束非常窄，可以大大減少對周邊用戶的干擾，提升抗干擾能力。

基于波束賦形的技術特點，它也將通信技術中的二維空間信道，拓展為考慮垂直維度信道的3D MIMO技術，大大增加了上行MIMO的收益。然而MIMO系統性能的實現極大的依賴于MIMO信道的特性，如天線位置布局等都影響著MIMO系統性能優劣。所以對MIMO信道建模就顯得至關重要。而一個好的信道模型是在盡量擬合真實的傳播路徑、考慮多種不利因素，確定信道衰落因子，才能為信道系統設計提供參考。

所以對于Massive MIMO系統評估，首先通過對使用場景進行精細化建模，然后通過仿真來提取信道狀態信息 (CSI)，然后將CSI作為輸入條件進行信號處理，在軟件內實現波束跟蹤、多用戶上行收益評估，從而得到MIMO系統性能。

然而現實場景中物體的電尺寸相對于5G頻段波長都是百倍、千倍的關系，對于這一尺度的仿真，傳統的時域、頻域算法需求的計算資源也是指數級上升。那么我們就要需要一種既兼顧仿真精度，又能兼顧仿真速度的一種全新的算法來進行場景級電大尺寸問題的近似仿真模擬。

SBR+（Shooting and Bouncing Rays）彈跳射線法是基于跟蹤射線在物體表面散射場的高頻近似算法，SBR+可以看作是幾何光學（GO）和物理光學（PO）的混合體。GO射線從Tx天線照射到物體散射表面，從而確定哪些表面被直接照亮，發射的GO射線是由天線加權的矢量場，根據GO邊界條件（即PO電流）在平臺上“繪制”表面電流。這些電流被輻射到遠場觀測角、近場觀測點或接收天線，從而產生散射場場量。當射線照射到散射面時，從第一個命中點反射出一組反射光線。反射光線的矢量場會基于幾何光學（GO）和反射面的材料特性進行重新計算，而其余的射線則擊中CAD模型的其他表面，繪制出第二次反射電流。這個過程不斷的繼續，以這種方式，SBR+實現了多次反彈散射。如果射線遇到可穿透表面，除了反射射線外，還會產生透射射線。因此，SBR+使用幾何光學（GO）有效地將傳統的PO僅適用于凸形物體的單彈跳算法擴展到能夠計算任意形狀、考慮多次彈跳場量的PO算法。

射線多重反射

射線反射與透射

 SBR+在考慮多次射線反射的同時，還添加了邊緣一致性理論，繞射一致性理論以及表面爬行波等多方面影響分析，具有非常高效的仿真速度，具有非常好的精度，在大型平臺的天線布局，以及場景級高頻應用中效果非常好。還可提供可視化射線追蹤模擬功能，幫助快速研究大型場景中的射線軌跡和傳播方式。

通過軟件內置的動態仿真功能，對被測物體的軌跡參數化設定，還可以進行用戶動態場景仿真。通過對用戶行為模型訓練參數、用戶系統的耦合矩陣提取，信號處理算法可以與軟件接口，實現用戶動態場景波束跟蹤、信道建模與抗干擾分析。

5G通信鏈路傳播中還要考慮到信道衰落的影響。5G低頻覆蓋范圍廣，衰落模型符合統計分布；而5G毫米波頻段基本依賴視距傳播，不以衍射為主，覆蓋考慮多次反射效應，并且受雨雪影響，信道模型更為復雜，傳統的統計模型已經不符合毫米波頻段應用需求。所以，對于5G通信鏈路預算，除了場景中的路徑損耗，我們還要考慮到信道衰落的鏈路裕量（Link Margin），并且5G鏈路預算還要考慮引入特殊模型，如雨衰、陰影衰落、用戶動態軌跡下的遮擋和陰影衰落影響等，而這一過程可以在Ansys EMIT模塊中完成建模、修正、分析。

EMIT中支持場景與s參數耦合模型計算，可以導入SNP、WIPL-D等格式文件，進行N端口矩陣天線耦合計算。EMIT中還支持多種傳播模型修正，向耦合傳輸模型添加損耗閾值，以考慮傳播環境中的不確定性。大多數傳播模型（Hata、Walfisch-Ikegami、Erceg模型等）常數對于所有頻率都是一致的(每個頻率處采用相同閾值）。但是在一些特殊場景中，例如雨水、大氣吸收衰減量則是頻變函數，所以在EMIT中可以將特殊因素添加進來，實現精細化場景環境計算分析。

傳播模型適用頻段

并且EMIT強大的分析引擎可以計算所有重要的RF相互作用，包括非線性系統組件影響。利用EMIT的動態鏈接耦合矩陣，可以通過圖形化信號跟蹤和診斷總結功能顯示鏈路中的干擾源以及干擾信號到達接收器的路徑，從而快速確定干擾根因。一旦找到干擾因素，EMIT就能快速評估各種RFI緩解措施，從而實現最優解決方案。新的HFSS/EMIT數據鏈路允許在EMIT中直接通過HFSS已安裝天線的物理3D模型創建RFI分析模型，從而提供無縫的端對端工作流程，以實現從大平臺共址干擾到電子設備接收器靈敏度劣化等一系列RF環境下的完整射頻共存、干擾仿真解決方案。

系統鏈路預算仿真

5G多元化的需求促使5G鏈路研究以場景需求為出發點，將寬頻帶、大規模天線陣列技術作為5G無線通信系統的重要核心技術，并且5G信道模型還需具備對頻率、天線維度的兼容性、從而滿足復雜場景分析的要求, 而為了支持復雜場景相關的傳輸算法的設計以及系統性能仿真評估, 能真實反映5G信道傳播特征的信道模型必不可少。

而Ansys立足于5G新通信時代背景，提出了以EMIT與HFSS 、SBR+和Designer RF相結合的工作流程。統一界面、統一接口，從部件級仿真設計、信道場景建模到系統級鏈路建模分析與優化，從而滿足5G新通信的設計需求，為5G通信系統級通信鏈路仿真提供了無縫工作流程，為廣大的5G從業者提供了便利的解決方案，為5G信道場景仿真開啟了全新的應用領域。