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5G时局剖析及仿真的价值所在
材料来源:肖运辉,ANSYS中国           录入时间:2019/9/3 15:47:32

5G预示着无线通信系统将为我们展现一个超凡绝伦的精彩世界。在当下众多领域,它都是利益增长点的代名词,如消费类电子、物联网(IoT)、高级辅助驾驶系统(ADAS)、电信、娱乐、医疗以及交通等领域。然而,随之而来的工程难题也同样丰富而精彩!

5G已至,变革还是机遇?

每一代技术进步,都伴随着新旧技术的竞争和替代,如工业革命中,机器代替大部分人工劳动力,信息时代,计算机技术代替大部分脑力劳动,而到如今的移动互联网时代,各种app应用代替无穷无尽的商业交互和过程。

5G,作为时下热门的新技术代表,已被公认为未来社会的核心技术。这是一次技术革新,而每一次变革都将带来诸多的挑战,同时也意味更多的机遇。未来到底如何,只有到了未来才能知道,但可以肯定的是,5G将是一片蓝海,拥有无限的可能。

2019年6月6日上午,工信部正式发放了4张5G商用牌照,分别是中国移动,中国电信,中国联通及中国广电,这标志着我国正式进入5G商用元年。据媒体报道,国内几大运营商投资用于5G建设的资金规模将在近7年内达到1800亿元,而2013-2020年用于4G投资金额是1170亿元。预计到2022年,5G将成为千亿市场。5G带来的经济拉动作用将非常巨大,据预测,其带动规模将是万亿级,时间周期为5-10年,其产业红利期将持续10年甚至可能长达30年时间。据测算,到2030年,其对GDP贡献占比更是达到5.8%,5G将成为影响国家经济的重要因素。从当前国际形形势来看,5G俨然已经成为影响国家战略的焦点因素,一切事实面前,我们可以预计,5G必将是值得投入,值得深耕的高确定性高科技行业。

如此巨大的投入,如此长的投资周期,意味着产业链将长期从中受益。各大厂商都在加大5G的研发投入,争取在技术上领先从而获得商业优势,以期在5G产业机会中摘取更多的果实。华为,中兴,爱立信,诺基亚,以及各大终端厂商,都在5G上持续发力,并将持续保持高额战略投入。5G已至,在变革与机遇面前,是撸起袖子加油干,还是袖手旁观继续吃瓜,就看各自的眼光了。

ANSYS致力于通过业界性能最佳、最丰富的工程仿真软件帮助客户解决复杂的工程难题,帮助全球企业推出极具创新性和竞争力的产品。在5G来临之际已为市场玩家,准备了佐餐大料,将持续辅助行业用户深度挖掘软件应用潜力,提高产品研发能力,维护好产品生态,为广大用户提供强有力的技术保障。

挑战与关键技术

5G的应用场景将极为丰富,如超宽带媒体(8K视频),自动驾驶,远程医疗,公共服务和安全,智慧城市,智能电网等等,这些将给未来生活带来极其丰富而便捷的体验。综合来说,将有以下三大类的应用:

1.      增强移动宽带(eMBB),如8k视频,VR等;

2.      海量机器类通信(mMTC),如IoT,智慧城市,智慧家庭,工业应用等;

3.      超可靠低时延(uRLLC),如远程医疗,自动驾驶等。

而要实现这些丰富的应用场景,所要面临的主要技术挑战及关键技术可概括为以下几方面:

1.      频率高,根据不同的标准,频率将高达毫米波频段,毫米波频段带来的技术挑战是研发难度加大,设计和加工要求都特别高,后期可调试空间却极小;

2.      速率高,海量的数据通信意味着需要极其高速的芯片和电路,这将带来多方面的衍生问题,如热可靠性的问题,信号完整性的问题,电磁兼容的问题,前期设计阶段都需要全方位考虑和解决这些问题;

3.      高可靠应用场景,关系到人身安全等应用,需要系统设计上具有非常高的可靠性和安全性,从芯片到电路,到无线通信,到基站及边缘云计算,都需要具备高安全性和高可靠性的设计。包括两个方面可靠性,一是硬件系统的可靠性,如散热,风雨,寿命,人体影响等,二是软件生态系统的可靠性,如安全性机制,交互方式,决策系统等等;

4.      接入单元数量巨大,形式多样,这就要求产品尽量做到低成本,便于维护。这些都需要在前期进行深度优化和设计探索,因为后期无法解决这些问题。

在设计阶段,要更好的解决这些技术难题,找到更加完美的解决方案,仿真是不可替代的一种先进技术手段。现代仿真技术经过几十年突飞猛进的发展,已经迭代出生态完善的仿真体系,ANSYS提供的各大仿真技术,相互协作,共存共生,是解决设计阶段技术难题的绝佳选择。

5G产业生态

5G产业生态主要包括三个层面:设备生态,系统生态以及应用生态。

* 设备生态是从设备的供应链角度来看,比如无线主设备商的供应链,包括天线,射频,电路,滤波器,连接器,功放,芯片等一系列元器件的供应商生态。

* 系统生态是从5G系统的逻辑层面来看,比如整个5G通信系统包括运营商,核心网,基站覆盖,边缘计算,终端设备,网络管理等方面形成的系统层面的功能生态系统。

* 应用生态则是从使用者的角度来看,如娱乐电视应用系统,医疗应用系统,工业应用系统,智能电网系统,智慧城市应用系统,每一个应用都是一个相对独立的小生态系统,虽然都依存于5G的核心基础设施,但其供应链,客户,运营模式,都具有自身的特点,形成一个小的应用生态系统。

以上针对生态系统的描述,只是为了帮助研究者更好的理解和梳理5G相关的不同层面,归根到底,是一个建设过程中不同维度的逻辑表达。最终,我们还是要回到建设本身,仿真技术是助推研发系统有效和高效工作的核心支撑技术。

5G产业链

5G产业链可分为上游和下游两部分。上游主要包括网络规划,无线主设备以及传输设备三部分。其中无线主设备是玩家必争之地,也是前期投入最为集中的部分。下游主要包括终端设备和运营商,终端设备是以手机为首的各种使用设备,如智能手机,智能手表,智能眼镜,各种IoT终端等以及终端计算机。运营商就是有5G商用牌照能够运营5G网络的几大电信公司。

如前所述,5G产业链的两大支柱是无线主设备和终端设备,而无线主设备的产业链拉得比较长,技术门槛高,如核心网络建设,芯片模组研发,基站设备,视频设备的研发厂商等,最主要的如华为、中兴、爱立信、京信、摩比、通宇等。由于5G基础设施建设的需求量呈现巨量增长的态势,加之5G网络的设备数量,如基站及射频通道数量,其所需要的滤波器、连接器、功放等核心设备的需求数量都将带来巨大的增量空间,这也是从业者们看好的机会和发展的空间所在。前期网络建设阶段,无线主设备是5G产业链的掘金地。

同样,因为5G的海量设备互联需求,终端设备的数量极其庞大,其带来的产业发展也会空前繁荣。比如,5G手机的替换需求,从2019年到2025年,年复合增长率将超过200%,如此夸张的增长率意味着巨大的产业发展机会,这也是各大手机大厂不断爆“黑科技”夺取市场焦点的关键所在。此外,IoT终端的各种衍生终端应用,空间更加巨大。当然,终端的市场,相比主设备,是车和路的关系,先修路,再跑车,行业机会相对靠后一些,但是二者相互促进,相互依存。终端设备市场,也同样存在高频段,高带宽,高速率,多模式带来的技术挑战,相比主设备,其另外一个不可忽视的挑战就是,终端体积小,跟人体近,设计要求更高。

ANSYS产品及其方案在5G中的应用

ANSYS拥有业界最全的仿真产品体系和最先进的核心技术,已经在业界被广泛采用并获得巨大成功,具有非常多可供直接参考的行业应用典范。如PHAZR公司业务拓展主管 Paul Gilliland所说:“依托雄厚的行业知识,辅以 ANSYS 软件的强大功能,我相信PHAZR 能够跑赢这场竞赛,成为 5G 市场的领跑企业。”可见,各大产业界公司都在争先恐后的采用先进的仿真技术,投入到5G的研发和市场大战中去。

ANSYS产品可应用于5G产业链的设计、研发、生产前优化,以及生产工艺及故障诊断等各个阶段。从产业链应用的维度来看,主要的应用产品有如下一些种类:

1.      芯片及封装

2.      PCB板及互联结构

3.      射频电路与部件

4.      天线系统

5.      屏幕

6.      环境与覆盖

7.      其他部件:声光电,如扬声器,摄像头,红外感应器,NFC等

同样,ANSYS仿真方案可解决这些领域的关键技术挑战,如毫米波技术,大规模MIMO,波束赋形,相控阵,AiP(封装上天线技术),AoB(板上天线技术),AoD(屏上天线技术),芯片低功耗设计,热可靠性设计,结构可靠性设计等诸多问题

另外,从专业技术的维度来看,ANSYS在5G方面的主要产品和解决方案主要包括以下几个方面:

1.      高频高速产品,如电磁场分析,天线设计和优化,电路板电路信号完整性,电源完整性,电磁兼容问题分析等直接与高频电磁场,高速电路相关的设计和仿真优化问题;

2.      热可靠性产品,主要是Icepak,也包括结构热分析软件。ANSYS具有业界最完善的多物理场仿真平台,在新版本2019 R2中,甚至把热设计和电磁设计融合到统一的AEDT电子桌面环境下,直接完成电热耦合设计分析;

3.      CPS系统解决方案,解决芯片-封装-系统全流程的设计仿真问题,是一套经过验证的高效的集成设计仿真流程,在微系统,芯片系统(SoC,SiP)方面应用前景巨大;

4.      芯片低功耗设计产品,这主要是ANSYS公司SCBU产品,专注于芯片的低功耗和可靠性设计仿真;

5.      其他可靠性分析产品,包括结构,流体,疲劳,寿命等与产品可靠性分析有关的应用,如基站在极端环境下(大风,雨雪)的可靠性分析。

5G产业链长,涉及面宽广,在这里做的应用归纳也只是管中窥豹,还有很多应用场景等待广大用户去挖掘、去填补。比如,SAW/BAW(声表面波滤波器/体声波滤波器)在5G时代将大放异彩,而其仿真将用到ANSYS的结构仿真软件模拟其频率响应特征,然后用电路模拟软件RF option仿真其电路滤波特性,最后用电磁场仿真软件HFSS仿真其寄生参数等特性,做到多个学科的交叉耦合,无缝协作。


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