无线设计挑战

不断发展的无线标准和向5G的转变将需要采用多学科的方法来进行仿真和设计。

不断发展的无线标准和向5G的转变将需要采用多学科的方法来进行仿真和设计。

图片由Getty Images / Panuwat Sikham提供。


随着越来越多的设备需要多种类型的无线电,越来越多的产品和设备通过物联网(IoT)加入网络,并且运营商建立了更快的5G网络,无线通信在产品类别中激增。

当前的无线标准越来越复杂,必须确保其设计符合这些标准的工程团队正努力跟上。复杂的是,这些项目涉及的各个设计领域(射频[RF],模拟,天线,数字,软件)都是孤岛运作,对其他专业的合规性测试所需的需求缺乏基本的了解,’不能访问共享的建模平台。

这些标准也在不断发展。“紧跟最新版本的标准非常重要,这样您就可以遵循,”的5G计划经理Roger Nichols说 是德科技. “它移动非常快,因此可能是一个挑战。”

“如果您想要最好的设计,则必须保持标准之上,或雇用其他人来做,”沃尔特·麦克雷(Walt Maclay)补充说 沃尔勒系统.

窄带使用的增加也给无线领域的工程师带来了压力。“每个人都有这个需求,他们想与非常小的电池进行无限远距离的通信,” Maclay says. “他们正在设计必须具有非常低功耗的设备,但它们必须直接连接到互联网。”

缺乏统一的工作流程,使团队难以在生产前高效地仿真,测试和验证设计。使这个问题复杂化的事实是,为5G和IoT应用进行设计需要更多的多物理场建模。

“天线工程师’不了解驱动天线的智能算法,而人们却不了解’对天线一无所知”智能天线设计专家总裁Nick Buris补充说 内本斯.

孤立的方法可能会在此过程中进一步导致认证测试问题。由于发射器必须遵循字符串标准的一致性要求,因此公司必须设置测试以复制标准指定的内容。这些公司必须在经过仔细校准以执行测试的测试设备上花费大量资金。

“特别是5G面临的挑战是,必须考虑的操作和场景数量要比LTE大一个数量级,”肯尼·卡诺夫斯基(Ken Karnofsky)说, MathWorks. “测试次数更多,可能出错的次数也更多。”

此外,无线通信现在已成为以前未连接的产品和系统的一部分,因此,对于许多公司和工程师而言,对某种程度的RF专业知识的需求是新的要求。

这种转变引起了人们越来越多的兴趣,他们需要使用仿真来识别问题并确保在实际构建产品并将其发送到测试实验室或生产线之前进行一致性测试。如果在一致性测试阶段发现产品有问题,则返还并修复问题的成本和复杂性将大大增加。

下一代系统的挑战

尽管符合大多数无线标准可能会带来类似的挑战,但集成5G技术在制造新问题的同时加剧了其中一些现有问题。 5G使用可扩展数字学来支持不同的用例和服务,这增加了测试的复杂性,因为必须针对不同的用例场景测试更多的可能迭代。在最新的5G版本中,更高的频率和更宽的带宽还可能造成更大范围的潜在信号损伤。

“如果您想要最好的设计,则必须保持在标准之上,或雇用其他人来做。”

—沃尔特·麦克雷(Volt Systems)

5G还利用毫米波频率的波束控制技术,并且5G新无线电(NR)系统需要与其他商业和军事无线网络共存,同时还要减轻潜在的干扰。对于某些设备,5G也将导致信号路由复杂性增加和天线带宽更高。

“天线设计至关重要,尤其是当您需要更多天线和更高频率时,” Buris says. “设计变得更加精致。”

传统上,由于各种组件操作已被隔离,因此很难提供用于仿真和测试这些产品的全面框架。软件工程师,数字系统工程师,RF和模拟专家都在不同部门中使用不同的工具工作。

“5G和其他向更高频率和更高带宽发展的标准所面临的挑战是,过去曾经全部为模拟的系统部分都是以数字形式完成的,或者可能使用数字算法来补偿某些部分的非线性行为。射频系统。”

探索在工程和成本上最有效的折衷方案需要跨越这些界限的工具和技能。“工程师需要工具,使他们能够考虑某些方面,并在系统的RF /模拟部分中结合更多的见识来完成工作,并知道他们做得比过去正确,” Karnofsky says.

跨学科的方法

正在出现一些工具,以帮助公司为工程师提供更全面的系统外观,以便他们可以优化整个设计—不只是单个组件。 MathWorks采用从仿真到测试的方法,该方法为工程师提供了一个工具箱,使他们可以将单个模型放在一起以帮助预测系统性能。

“例如,RF工程师可以向系统架构师或数字设计师提供他们正在设计的精确模型,并且他们可以在开发系统的一部分时将其纳入仿真中,” Karnofsky says. “They aren’做出错误的假设。”

内本斯提供了MIMObit,这是一种仿真工具,可让用户评估容量和吞吐量水平下的多输入/多输出(MIMO)天线系统的性能,以及使用实际天线系统的通信算法的动态范围。它还有助于模拟频谱共享,动态频谱访问和系统共存。

根据Buris的说法,Nebens帮助在天线设计和容量/吞吐量测试之间建立了联系。“目前,人们遵循的天线设计规范是基于中间性能指标,但是这些指标并没有’它必然与容量和吞吐量有关,” he says. “结果,他们可能通过了这些中间测试,但是他们没有通过’通过最终认证测试。在我们的工具中,我们可以在设计天线系统时在吞吐量和认证测试级别上预测性能。”

Karnofsky在MathWorks上表示,该公司已经开发了简化的接口,以便RF或天线工程师可以引用标准数字内容的简化版本。“They don’不需要所有细节,只要有足够的细节与他们作为RF工程师所面临的挑战相关,” Karnofsky says. “在数字方面,他们获得了标准的所有细节。但是,还有一个图形工具可以简化到RF或天线工程师需要使用的工具。”

COMSOL 最近还发布了COMSOL Multiphysics工具,以便RF设计人员可以将电磁仿真与传热,结构力学,流体流动和仿真集成在一起。使用此工具,设计人员还可以对耦合物理效果进行建模,就像在实际应用中会发生的那样。

Nichols在Keysight上表示,该公司强调拥有可以模拟整个系统的解决方案,这有助于减少测试阶段的设计问题。“It’更像是一种综合方法,而不是衡量特定的刺激和反应方法,” Nichols says. “我们拥有一个网络仿真系统,它不仅可以进行射频测量,还可以进行测量以确保整个系统正常工作。”

是德科技还降低了测量过程的复杂性,并参与了许多现场培训,以帮助用户快速获得所需的信息。

Buris说,更多的公司将需要转向这种多学科方法来应对这些不断发展的无线标准挑战。“通过这种方法,您可以针对最终目标进行优化,” he says. “这使您的产品性能更好,更小,更便宜。 RF和天线人员需要更多地了解通信,反之亦然。通信侧的所有算法完全简化了天线系统。”

在某些情况下,公司会将设计工作的某些元素外包给已经具备桥接这些不同设计领域能力的专家。“我们吸引了曾经做过这类设计的客户,或者说他们做过机械设计,但没有无线设计,” Voler’s Maclay says. “在某些情况下,他们没有’不想雇用一个团队并对其进行培训,否则他们将面临截止期限的压力。”

共享仿真环境的好处

让工程师进行协作或访问共享的框架还有助于消除无线设计中的一个常见问题:过度设计。例如,在进行假设工作时,设计人员有时会采取不必要的过度补偿措施来避免干扰。这增加了成品的成本。利用其他部门的准确模拟数据,他们可以更有效地优化设计。

“如果您对中间性能规范进行了过度设计,那么以后就不可能获得优化的性能和吞吐量,” Buris says.

当修复任何问题的成本更高时,这种方法还可以通过在物理测试阶段之前识别问题来节省时间和其他成本。

它还可以进行设计优化,从而产生更好的产品。“MIMO技术是5G的一个很好的例子,它使您能够控制和聚焦信号,” Karnofsky says. “这需要代码设计,数字,RF和天线技术,并且必须将它们一起完成以在这些领域中进行优化。除了获得更便宜,更快的过程外,您还可以通过仿真获得更好的过程。”

“这不是火箭科学,而是’s getting closer.”

— Roger Nichols, 

是德科技

实施这种方法需要时间和培训—一个繁忙的组织中的一个难题。“您如何使人们赶上新事物?” Karnofsky says. “您确定试点项目并尝试新方法,以便人们可以合理地管理学习曲线。”

Buris进一步指出,跨学科方法将需要限制从一开始就培训工程师的方式。“从教育系统层面开始,” Buris says. “该教育系统分为机械,射频和通信三部分,该部分渗透到工作环境中。你可以’真正在公司级别上有效地修复它,而无需首先进入学术级别。”

Keysight的Nichols表示,该公司致力于使仿真和测试工具在整个设计过程中更易于访问和使用。这包括寻找为毫米波系统的空中测试提供可视化的方法,以便他们可以理解结果。是德科技还试图找到方法,使更多的专业人士可以更轻松地进行这些无线测试’一定具有深厚的RF专业知识。

“这不是火箭科学,而是’s getting closer,” Nichols says. “While it’可以很容易地将理解提供给RF工程师,’对于不这样做的人来说要困难得多’对电磁物理学有基本的了解。我们必须使这些事情变得更简单。”

随着越来越多的设备通过IoT应用程序链接到无线网络,软件的可用性和通信将变得更加重要。“如果您的设备具有主要功能,请执行通讯以外的其他操作—像测量或监控—那么您如何在不影响主要功能的情况下引入该通信部件呢?” Karnofsky asks. “您必须以降低成本并延长电池寿命的方式来构建它。随着其他类型的工程师需要将通信元素纳入其设计中,它将变得越来越普遍。他们不’需要该标准的所有细节,但需要了解其实质和影响范围,以至影响整个系统。”

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