基于成本和性能目标的5G网络设计、测试和部署

大多数关于5G的讨论都集中在标准的技术魔法和对用户的潜在好处上——新技术的带宽和范围将如何带来神奇的功能和内容，等等。然而，这些故事所避免的是对设计团队所面临的无数工程困难的探索，这些设计团队试图实现标准的隐含承诺。

服务提供商必须提供所需的性能水平，以满足客户对服务质量和功能的期望。与此同时，这些供应商需要提供对用户有吸引力的价格，以保持竞争力。这种市场压力的组合产生了总拥有成本(TCO)，服务提供商必须遵守这个成本才能保持生存。TCO由两大类关键性能指标(KPI)衡量:技术能力(即覆盖范围、容量、MIMO性能)和产品寿命(即长期可靠性、功耗和总重量)。

这些kpi成为级联到开发5G网络设备的系统房屋的需求:基站和较小的蜂窝(城域、微蜂窝、飞蜂窝和皮蜂窝)及其相关的天线阵列。反过来，系统房屋将这些kpi分解为他们开发的通信节点的详细规范，通信节点本质上是天线，其支持电路在一个印刷电路板(PCB)，以及一个装有PCB和携带天线的盒子或盒子。

关键部件当然是天线。系统设计中的其他一切都遵循并依赖于它。让我们来分析一下面临的挑战5G系统设计开发最好的天线的团队。

设计团队的观点

工程师主要关心的是从事5G天线设计可以分为三大类:设计、验证和测试，以及部署。然而，这些范畴并不是独立自主的，而是相互依存的。

天线设计

5G将把多用户多输入多输出(MU-MIMO)阵列推向新的能力水平。然而，为了满足网络需求而设计这样的天线是充满了危险的。辐射元件必须在其给定的物理孔径下达到最大性能，覆盖其指定的广播范围和用户负载，清晰地支持多个带宽，适当地形成波束，并支持带宽效率能力，如固定卫星业务(FSS)和自适应调制和编码(AMC，有时称为链路自适应)。同时，设计人员必须解决由天线操作引起的任何耦合效应，以及识别和补偿随机效应或其他信号损失来源，如阻抗失配、射频干扰(RFI)等。创建这样一个复杂的组件需要设计师的灵活性、适应性和实验技巧。

天线验证与测试

在系统的预期寿命期间，有多种因素使天线的完整功能验证复杂化。这种核查的一部分涉及系统本身的基本操作;不仅是天线，还有支持它的电路元件和电路板。然而，更紧迫的因素是工作环境对天线和整个系统的影响，包括风、雨、雪、冰、静电荷积累、酷暑、灰尘、冰雹、沙尘暴、雷击和严寒。

更糟糕的是，这些影响可能会相互叠加。来自信号传导或天气的热量会使组件膨胀，产生机械应力，从而反馈到传导性。风会扭曲天线的形状，影响信号环境。随着时间的推移，系统的重量也会影响其生存能力。

设计人员采用多种方法来缓解这些问题的来源。重量成为天线和系统的设计限制，风荷载的估计是进一步的限制。电源管理方案可以延长芯片、板和系统级别的故障时间。从可靠性的角度可以估计出大量的变量，例如组件和电路板的可靠性、功耗、备用电源的周期、工作频率、传播效应、对数据覆盖和干扰的热/电热效应，以及电气性能漂移——即使有环境、功率和性能“角落”作为约束。

不幸的是，上述方法也成为及时完成设计和部署的障碍。它们最终成为通过实验进行设计优化的障碍，因为每次迭代都必须重复(至少部分重复)测试和验证工作。

天线部署

一旦部署了网络，它就应该可靠地工作并按需执行规范——包括支持各种各样的用户平台，有效和最大限度地利用带宽和通道，高信号强度，最高的数据速率以及最小的信号延迟。然而，阻碍这些目标的因素太多了。

用户负载变化很大，而且是动态的。在基站、较低层次单元和用户平台之间存在不必要的天线交互风险。广播环境本身存在许多潜在的问题，因为它是电活动的。此外，城市环境中存在的物理障碍可能会吸收或偏转传输，造成死区、信号中断和传播延迟。现有的基础设施甚至会给有效的小区部署带来问题。

服务提供商希望系统公司能够开发出能够弥补所有这些问题的蜂窝和天线。他们希望5G硬件能够让他们为客户提供低成本、高质量的通信和数据服务，无论环境如何。

仿真解决方案

Ansys拥有近50年的计算多物理场发展历史，提供了广泛而深入的丰富仿真技术。Ansys基于提供了大量的求解器和数值方法，支持电磁现象的建模和仿真，从离散组件和封装芯片到整个飞机和城市无线网络-从微观到宏观。这包括有限元、矩量法和SBR求解器;3D组件库和布局功能;自适应网格;以及区域分解。

HFSS的皇冠上的宝石是其独特的网格融合功能，可以捕获大小几何形状，具有数学精度，而不会出现估计或妥协的错误。有了Mesh Fusion，一个既大又复杂的对象可以包含在一个单一的模型中进行仿真，具有行业公认的黄金标准精度。

HFSS可以与许多其他Ansys仿真工具结合使用。总之，这些模拟器提供了在每个物理维度(机械、热、结构和电磁)对5G网络及其所有组件进行建模和模拟的能力，为高复杂性、高功能产品和系统的虚拟原型提供真正的计算多物理场支持。

所有这些结合在一起，以支持开发和部署5G无线网络的严格要求。在天线设计层面，仿真工具和工作流程可以指导设计人员在频率、天线配置和材料方面找到最佳解决方案。设计可以跨多个参数(如数据速率、容量、吞吐量、延迟、连接和覆盖范围)进行优化和动态微调，同时保持迭代和快速创新和实验的能力。这使得Ansys能够提供独特的仿真能力水平，以支持大规模MU-MIMO天线阵列的设计。

这样的模拟还可以纳入所有环境对这些系统的结构、热学和电气完整性的影响。您甚至可以跳过风洞试验-天线变形和故障以及结构负载的机械应力可以完全详细地模拟。

从仿真结果可以完全规划出网络节点的理想布局和运行方式。可操纵的光束可以与可调节的宽度和功率水平一起建模。可以对信号进行3D分析，以减轻城市地区复杂射频(RF)环境带来的潜在问题，以及多路径传播、反射、吸收、阴影、阻塞区域和死区等危害。可以计划单元/节点的放置，以理想地容纳或利用现有的基础设施。系统尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)对网络部署的影响可以针对所有因素进行优化，同时考虑在各种潜在环境压力下的性能和坚固性。

通过工作流自动化，模拟可以跨几何形状和区域的变化进行扩展，并且可以快速运行。此外，Ansys模拟器为分布式计算提供了广泛的支持，可以并行计算并有效地使用系统内存资源。

将计算多物理场仿真作为5G系统设计、可靠性评估和节点部署方法的组成部分，其诸多优势源于Ansys工具能够对开发的各个方面进行原型化。构建物理原型来测试功能、可靠性和空中(OTA)操作既缓慢又昂贵。通过虚拟化，设计选择和功能增强的实验基本上没有风险，同时可以减少开发时间表的时间和成本。设计团队最终会比他们的竞争对手更早地推出更好的产品。

在我们定于2023年4月6日举行的网络研讨会上了解更多信息:5G/6G通信基站天线系统设计．