Ansys聯合Keysight共同開發5G網絡數字孿生

Ansys中國

2022年2月10日 14:22

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本文原刊登于semiwiki.com：《Can you Simulate me now? Ansys and Keysight Prototype in 5G》

作者：Shawn Carpenter and Sangkyo Shin

編輯整理：肖運輝 | Ansys中國高頻產品線技術經理

Ansys與Keysight都希望解決這樣一個問題： 如果把虛擬手機放在城市的不同位置，能否預測在這些位置接收的5G信號質量如何？為了找到答案，兩家公司共同創建并測試了一個細化的城市虛擬模型，包括在人口密集的市中心里常見的各種5G天線、接收器和發射器。結果證明這個問題可以解決。

該團隊使用Ansys HFSS為28GHz高帶寬系統構建了5G MIMO基站天線陣列模型和手機天線模型，并將其布置在逼真城市模型中的不同位置。在此基礎上，他們使用HFSS SBR+依據物理原理為基站和手機間的信號傳播建模，以確定天線間的真實性能。

Ansys聯合Keysight共同開發5G網絡數字孿生的圖1

5G信號在復雜城市環境中的傳播使用射線追蹤法（SBR）電磁場求解器進行建模，這些信號傳播仿真與細化的Ansys HFSS相控陣列基站和手機天線系統模型相關聯。

Ansys與Keysight聯合測試了高精度、基于物理的虛擬流程的概念驗證，以了解5G物理通道行為，該原型是Ansys與Keysight之間強強聯合的關鍵成果。Ansys方法用于對物理層進行建?！摂M天線、散射及其耦合趨勢在內，Keysight則用于實際5G射頻架構和波束選擇過程建模。

Ansys聯合Keysight共同開發5G網絡數字孿生的圖2

Ansys HFSS和HFSS SBR+用于計算已安裝的5G基站陣列和用戶設備天線的物理通道響應；而Keysight SystemVue可提取時域通道屬性，從而為MIMO波束成型重新創建用戶信號到達角。

最終，虛擬建模將取代安裝和調試5G基站以實現最大覆蓋的“被動部署”方法。

5G虛擬建?？梢越鉀Q什么問題？

5G有望實現能夠以極高速度傳輸海量數據的中高頻段信道。5G無線電設備廠商和無線服務提供商宣稱，28GHz和39GHz高頻段系統可達到令人驚嘆的功能，問題在于：這些系統只有在人口密集的區域（比如城市中心）才具有成本效益。

有四個主要因素讓5G系統復雜化，超出我們在較低頻段看到的情況：

信號衰落增加

在高頻率下，距離基站越遠，信號衰落越多，5G的信號衰落率增大約10倍。人口密集的區域需要大量增加接入點，為所有用戶提供服務。

信號穿透力弱

在毫米波這樣的高頻段下，信號難以穿透常見的建筑材料。建筑物內的4G手機可以接收數英里外的蜂窩塔發出的信號，因為這種頻率較低、波長較長的信號能穿透手機與蜂窩塔之間的結構與表面。在頻率更高的5G頻段，建筑物從允許信號穿透的海綿變成反射信號的鏡子。在常用的5G高頻段頻率28GHz下，平板玻璃（1.5厘米厚度）可降低信號穿透率1000倍，物理厚度更大的水泥和磚塊會造成更嚴重的衰減。外表面的鏡面效應造成另一個問題：信號延遲擴展。由于信號四處反射，接收器會接收到信號的延遲副本，這使得接收器設計更加復雜。

距離損耗

為了克服信號距離損耗比4G更快增加的問題，5G系統使用將信號能量集中在窄波束上的天線運行。確定接入點的正確位置至關重要，這樣每個用戶都能在最小重疊的情況下得到覆蓋?？梢詼y試真實環境下的安裝和位置，但這樣不僅非常耗時而且成本高昂，高頻、高帶寬測量設備的成本大幅增加，有時甚至高不可攀。

審批延遲

從市議會或其他政府機構獲得安裝5G天線系統的許可可能是一個異常艱難的過程。沒人希望獲得10個安裝位置的批準，然后發現其中5個位置都不理想，因此他們需要返回設計圖，并重新向市政申請。關鍵在于確定位置正確、數量正確的接入點，以盡可能少的接入點提供一致的覆蓋。

所有這些問題都可以通過虛擬化流程得以解決。我們可以用計算機展示我們為城市用戶提供服務的情況嗎？Ansys和Keysight的回答是肯定的。

Ansys聯合Keysight共同開發5G網絡數字孿生的圖3

400MHz帶寬的28GHz信號從相控陣列基站模型傳輸到城市環境的電場動畫。信號在街道（下方）和對面建筑物的墻上（右側）發生反射。左上角是2個剖面的單頻電場。

電子行業的未來前景如何？

簡而言之：合作。經歷過多年市場角逐后，Ansys和Keysight發現了更多通過取長補短、彼此合作推動行業向前發展的方法。

Ansys的5G & Space項目經理Shawn Carpenter表示： “通過與合作伙伴攜手合作，我們有機會創建出5G網絡的首個數字孿生，它能與實際運行的網絡協作?！?/p>

運用現有的原型，Ansys和Keysight可以告訴您發送和接收的信號。然而當用戶拿出智能手機使用導航應用時，對可能涉及到的5-6個網絡層進行仿真，難度會大得多。我們如何確定網絡到云端的最短路徑？我們如何將數據傳輸到云端，同時保持數據完整性？在獲取手機請求的數據時，我們預計會有什么延遲？

許多數據通信問題不在Ansys HFSS的范圍以內。我們用于電磁建模的環境對建模天線系統或射頻組件而言非常適用，但它的設計初衷并非用于仿真聯網汽車沿街道上下行駛、無人機穿行其間、飛機凌空飛越的整個城市。

2020年，Ansys收購了Analytical Graphics Incorporated（AGI），一家專業從事多域任務工程的公司。AGI超強的能力可以擴展到5G空間。該原型只包含了一些用戶，但真實環境中的用戶密度要大很多。AGI的專業技術將幫助評估復雜網絡，并開展大規模仿真。AGI還與Scalable Network Technologies進行合作，后者是解決這類問題的行業專家。就在最近，Keysight收購了Scalable Network。為了進一步解決此問題，AGI已經在Keysight的STK接口中為其網絡建模工具提供了一個現有接口。通過與Keysight、AGI、Scalable Network Technologies以及其他相輔相成的合作伙伴展開合作，Ansys掌握了開展大規模仿真和模擬所需的能力，并且我們將繼續優化我們的工作流程集成。