5G 網路的設計、測試和部署：在成本和性能目標下的挑戰

大多數關於 5G 的討論都集中在其標準的技術魔術以及對使用者可能帶來的潛在好處上 — 例如新科技的頻寬和範圍將如何帶來神奇的功能和內容等等。然而，這類的故事往往避開探討設計團隊在努力實現這個標準的隱含承諾時所面臨的眾多工程難題。

網路服務供應商必須提供足夠的效能，以達到客戶對服務品質和功能的期望。同時，這些服務提供商也需要提供吸引使用者的價格，以保持競爭力。這種市場壓力產生了服務供應商必須遵守的總擁有成本（Total Cost Of Ownership；TCO）。TCO 由兩大類別的關鍵績效指標（KPI）來衡量：技術能力（例如覆蓋範圍、容量、MIMO性能）和產品的壽命（例如長期可靠度、功耗和總重量）。

這些 KPI 成為流向開發 5G 網路設備，如基站和較小的細胞站（metro-, micro-, femto-, and picocells）以及其相關的天線陣列的系統設備製造商的要求。反之，系統設備製造商將這些 KPI 分解為他們開發通信節點設備的詳細規格，基本上是一個天線，在印刷電路板（PCB）上的支援電路，以及一個容納 PCB 並攜帶天線的盒子或外殼。

當然，最關鍵的元件就是天線。系統設計中的所有其他內容都必須符合並依賴於它。讓我們來深入探討 5G 系統設計團隊在開發最好的天線時所面臨的挑戰。

設計團隊的觀點

從事 5G 天線設計的工程師主要關注三個一般類別：設計、驗證與測試、以及部署。然而，這些類別並非各自獨立，而是彼此相互依賴。

天線設計

5G將把多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）陣列推向新的能力水平。然而，設計這樣的天線以滿足網路要求充滿了風險。輻射元件必須達到其給定物理口徑的最大效能，覆蓋其指定的廣播範圍和用戶負載，清楚地支援多個頻寬，正確形成波束，並支援固定衛星服務（FSS）和適應性調變和編碼（AMC，有時被稱為鏈路適應）等頻寬效率能力。同時，設計師必須解決由天線運作引起的任何耦合效應，並識別並補償隨機效應或其他信號損失源，例如阻抗不匹配、無線射頻干擾（RFI）等。創建這樣的複雜元件需要設計師的靈活度、適應性和對實驗的熱愛。

天線驗證與測試

有許多因素使得天線在系統預期壽命內的完全功能的驗證變得複雜。這個驗證的一部分涉及到系統本身的基本運作；不僅僅是天線，還包括它的支援電路元件和板子。然而，更迫切的因素是運營環境對天線和整個系統的影響，包括風、雨、雪、冰、靜電累積、炎熱的夏日、塵土、冰雹、沙塵暴、閃電，以及冷凍。

更糟的是，這些影響可能互相疊加。來自信號傳導或天氣的熱量會使元件膨脹，產生反饋到導電性的機械壓力。風可以扭曲天線形狀，影響信號環境。系統本身的重量也會影響其隨著時間的可行性。

設計師採用的方法來減輕這些問題來源是各式各樣的。重量對天線和系統都成為設計的限制，風載荷的估計作為進一步的約束。電源管理方案可以延長晶片、板和系統級別的失效時間（TTF）。從可靠度的角度來說，可以估計大量的變量，如元件和板的可靠性、功耗、備用電源期間、操作頻率、傳播效應、對數據覆蓋和干擾的熱/電熱效應，以及電性能的漂移，即使在環境、電源和效能的「角點」限制下也是如此。

不幸的是，上述的方法也成為了對設計完成和部署的及時性的阻礙。它們最終成為了通過實驗進行設計優化的障礙，因為每次迭代都需要（至少部分地）重複測試和驗證的努力。

天線部署

一旦網路部署，就預期它能可靠地工作，並根據需求達到規定的性能 - 包括支援各種用戶平台、有效且最大化地使用頻寬和頻道、高信號強度、超凡的數據傳輸速率以及最小的信號延遲。然而，卻存在大量的因素可以阻礙這些目標。

用戶負載廣泛變化且動態。基站、低階單元和用戶平台之間的天線交互可能產生無法預期的風險。廣播環境本身就帶來很多潛在的問題，因為它是電活的。此外，城市環境提供了可能吸收或偏轉傳輸的物理障礙，產生死區、信號中斷和傳播延遲。現有的基礎設施甚至可能對有效的單元部署構成問題。

服務提供商希望系統設計商開發可以彌補所有這些問題的單元和天線。他們希望有5G硬體讓他們可以提供低成本、高質量的通信和數據服務給他們的客戶，無論環境情況如何。

模擬解決方案

憑藉近五十年在計算多物理學發展中的歷史，Ansys提供了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，支持從單個元件和封裝晶片到整個飛機和城市無線網路的電磁現象的建模和模擬——從微觀到宏觀。這包括有限元方法、矩量法和射線邊界反射法求解器；3D元件庫和佈局功能；自適應網格劃分；和領域分解。

HFSS的獨特之處在於其獨特的Mesh Fusion功能，可以用數學精確度捕捉大型和小型的幾何形狀，而不會有估算或妥協帶來的錯誤。透過Mesh Fusion，可以將一個既大又複雜的對象封裝在一個模型中，用行業公認的黃金標準精度進行模擬。

HFSS可以與Ansys的多種其他模擬工具一起使用。這些模擬器一起提供了在所有物理維度——機械、熱、結構和電磁——中模擬和模擬5G網路及其所有元件的能力，從而為高複雜性、高功能的產品和系統的虛擬原型提供真正的計算多物理學支持。

所有這些都為發展和部署5G無線網路的嚴格要求提供了支持。在天線設計層面，存在模擬工具和工作流程來指導設計師找到最佳解決方案，涵蓋頻率、天線配置和材料。可以在多個參數（如數據速率、容量、吞吐量、延遲、連接性和覆蓋率）中優化和動態微調設計，同時保持創新和迭代快速的能力。這使得Ansys能夠提供一個獨特的模擬能力水平來支持大規模MU-MIMO天線陣列的設計。

這樣的模擬也可以包括所有環境效應對這些系統的結構、熱和電性能的影響。你甚至可以跳過風洞試驗——天線的變形和失效以及來自結構負載的機械壓力都可以被完全模擬出來。

網路節點的理想位置和運營可以完全根據模擬結果來規劃。可以模擬可調方向的光束以及可調寬度和功率水平。可以在3D中分析信號，以減輕城市區域中複雜的無線電頻率（RF）環境可能帶來的潛在問題，並考慮到多路傳播、反射、吸收、遮蔽、封鎖區域和死區等危險。可以規劃單元/節點的位置，以理想地適應或利用現有的基礎設施。可以優化系統尺寸、重量、功率和成本（SWaP-C）對網路部署的影響，並考慮在所有可能的環境壓力下的性能和堅固性。

模擬可以在幾何形狀和區域的變化中實現可伸縮性，並通過工作流自動化實現快速的運行時間。此外，Ansys模擬器還為分布式計算提供了廣泛的支持，使計算並行化並有效地使用系統記憶體資源。

使用數值多物理模擬作為5G系統設計、可靠性評估和節點部署方法論的一部分有許多優點，這些優點源於Ansys工具的能力，可以在開發的各個方面進行虛擬原型。建立物理實體原型來測試功能、可靠性和空中操作（OTA）是緩慢且昂貴的。通過虛擬化，設計選擇和功能增強的實驗基本上是零風險的，同時可以減少開發時間和成本。設計團隊最終會比競爭對手更早地推出優質產品。