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佈署5G網路的最大挑戰

Altair Feko佈署5G網路的最大挑戰

5G天線設計挑戰 | 5G中的無線覆蓋挑戰 | 將5G帶入智慧工廠

5G通訊網路的推出有望為全世界的電信公司帶來福音,然而這不代表沒有挑戰。
物聯網(IoT)的進展和互聯設備的普及將大量增加對行動數據的需求。包含支援網路的汽車(network-enabled automobiles)和機器對機器通訊(machine-to-machine communications)等新應用都需要大量的資料傳送。更低的等待時間(5G反應時間不超過一毫秒)可服務緊急設備(如醫療保健和智能公用事業)。更快的速度可為用戶提升更高的傳輸率,提高約為4G網路的十倍之多。3.5 GHz頻段用於區域服務,而26-28 GHz頻段則用於傳輸率極高的熱點。優化連通性可使一次連接設備數量增加,根據估計,每平方公里多達一百萬次的連接。
然而,天線製造商,無線設備製造商,汽車製造商和供應商以及無線運營商將如何應對這些挑戰?


5G天線設計挑戰

隨著無線技術從1G發展至4G,頻率方面無需進行大的技術更改或中斷。另一方面,天線有巨大的改變。天線技術已從外部天線遷移到內部天線。頻帶要求從單頻變為雙頻,從多頻變為多天線,天線變為多輸入和多輸出(MIMO)。5G一部分應用所使用頻段的頻率高達4G使用頻率的十倍之多。
相較於以前的技術,由於天線的變化很大,因此將帶來極大的挑戰和新的機遇。例如,假設在較高的頻率下單一個天線可以小得多,則波束成形(beam forming)和波束控制(beam steering)(使用天線陣列)是可能實現的。在這些高頻下,波長(λ)約為1 cm,然而行動設備的大小也就只有幾十個波長那麼大。因此天線的擺放位置就變得很關鍵。由於環境的多種變化,使得多樣的測試,並在測試中找到最佳的解決分案,對5G的發展顯得更為重要。
Altair Feko 是一個複合型運算電磁軟體,泛用於電信,汽車,航空和國防工業,並且是Altair HyperWorks的一部分,用於產品開發的CAE環境。由於5G需要更高的天線增益,因此通常在行動裝置和基地台上都需要天線陣列。除了更高的天線增益外,還需要面臨更複雜的電路回饋(sophisticated feeding)和控制電路(control circuits),因此必須在陣列元件(array elements)之間實現良好的隔離。Feko不僅包括多種頻域和時域的分析方法,而且還具有可以準確、快速地設計和優化天線陣列的功能。而且,Feko可以嘗試多種天線擺放位置以及分析與主機板的干擾,快速進行優化,相對於昂貴且費時的實際設計更為實用。甚至可以模擬複雜的波束成形和轉向能力(steering capabilities)以及在不同頻率下的效率,模擬結果都可以在3D模型中清楚地查看,例如下圖所示的2D 16 x 16天線陣列,傳送頻率為26 GHz。

5G中的無線覆蓋挑戰

新的5G技術可為消費者提供高達4G / LTE十倍的傳送率。在Wi-Fi環境中也有類似的場景,使用60 GHz頻段並採用802.11ad和802.11ay標準的Wi-Fi (大部分的Wi-Fi使用2.4G頻段),可以透過使用更高頻率來達到更高的傳送率。對於這些新技術,在城市和室內環境中達到穩定的網路品質將會是一大新的挑戰。網路的品質大多取決於城市和室內建築的結構(以及其他設備使用的頻率),進而影響無線電通道的品質。因此需要高精度的傳播模型,用於通道計算以及預測和優化無線電覆蓋範圍。而且針對不同的基地台部署方案,需使用不同的頻率和不同的環境來分析覆蓋範圍。若是要實際實踐這樣的環境,不僅耗時且昂貴,且如果沒有進行充分的分析,則可能會出現更昂貴的重新部署成本。再者,測試花費的時間過多,也可能會延遲進入市場並降低利潤。因此,需要找到最佳的平衡點。
Feko提供了一套完整的套件,可以定義各種電波傳播以符合不同的5G的環境。Feko可以快速且有效地計算出包含農村、城市、室內、隧道以及混合環境的各種場景。這些模擬現實環境的電波傳播模型不僅可以優化不斷發展的無線電接入網路,還可以創立一個虛擬的測試平台為產品進行權衡分析。
在5G網路中,覆蓋範圍和干擾的是頻寬容量的關鍵。Feko 可以讓使用者得知,模擬環境中使用不同傳輸方式的每一個裝置的最大接收功率和傳送率。並且可以輕鬆得知過載的裝置及頻寬,以便逕行後續的覆蓋範圍以及傳輸量的優化。另外,Feko的完善的模型,可以精確地計算使頻寬容量提高的MIMO或波束形成技術。
開發人員甚至可以在網路覆蓋範圍內使用Feko天線方向圖。下圖顯示了室外三向天線的方向圖,並分析了城市環境中的無線電覆蓋範圍。由於模擬的速度極為快速,因此可以進行多種模擬來最佳化產品的服務。

將5G帶入智慧工廠

5G技術加速專用網路(private network)和工業物聯網(Industrial IoT, IIoT)變革,推動工業4.0的實現。5G標準為許多IIoT應用建立基礎,然而建立能夠集中管理的特定區域內專用網路,對專用網路營運商來說是一大挑戰。為了能達到更高速度、更低延遲等等的5G的標準,一套高效的5G開發工具對於這些網路開發商以及工程師是不可或缺的。
Altair提供各種5G天線和多樣的5G網路模型。校園網路規劃人員可以在建置網路系統之前使用模擬,減少網路間的干擾,以及遮蔽物造成的衰減。
在工廠車廠間,利用模擬多種裝置、5G天線在5G網路環境中,進一步優化IIoT系統。
EM模擬可以實現每一個應用程序所需的傳輸率,最佳化網路品質。可以直接對模擬做變更,快速且有效的優化天線設計及位置,以避免無線通訊干擾造成的EMC問題(Electromagnetic compatibility problem)。大到整個環境系統,小到一個天線每一個參數都可以精確地表示。

5G不像以前的技術只注重在行動通訊上,而是將重心逐漸轉移到智能生活上。藉由超高可靠低延遲(ultra-reliable low latency)和即時的通訊,5G可以在未來的工廠內實現自動化和遠端存取。過渡到5G對於通訊系統而言是一場革命,還需要天線設計,基地台配置和網路部署等等的技術創新。Feko等軟體工具是成功開發5G產品和網路的關鍵。Altair 為產品設計師提供將網路資訊數字化的基石,使5G技術能夠更快速擴展,並隨著時間的推移不斷改良。
 

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