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[转载]5G时局剖析及仿真的价值所在 | 附最新白皮书下载

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0楼发表于: 2019-08-16 17:23:16

5G时局剖析及仿真的价值所在 | 附最新白皮书下载

原创： ANSYS 肖运辉

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。国际上来看，5G也将是备受瞩目的新兴产业，影响巨大，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，是选择投入追赶，还是旁观，就看眼光了！

5G开启互联网智能新时代

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：

增强移动宽带（eMBB），如8k视频，VR等；
海量机器类通信（mMTC），如IoT，智慧城市，智慧家庭，工业应用等；
超可靠低时延（uRLLC），如远程医疗，自动驾驶等。

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。

ANSYS 5G系列白皮书即将陆续推出
在系统生态层面上，ANSYS梳理了相应的5G关键仿真技术及应用，接下来也将推出一系列技术白皮书，包括：
1.ANSYS®5G天线解决方案（已正式发布）
2.5G系统及芯片（SoC）多物理场仿真解决方案
3.ANSYS®5G移动设备/UE解决方案

以上白皮书对相关的仿真技术和解决方案进行了系统性的阐述和案例展示，相信对业内人士 ..

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