Diseño, Prueba e Implementación de 5G pensando en Costo y Rendimiento

La mayoría de las discusiones sobre 5G se centran en la magia tecnológica del estándar y los beneficios potenciales para los usuarios: cómo el ancho de banda y el alcance de la nueva tecnología conducirán a una funcionalidad y contenido mágicos, y así sucesivamente. Lo que tales historias evitan, sin embargo, es una exploración de la miríada de dificultades de ingeniería que enfrentan los equipos de diseño que intentan cumplir las promesas implícitas del estándar.

Los proveedores de servicios deben cumplir con el nivel de desempeño requerido para cumplir con las expectativas del cliente en cuanto a la calidad y las capacidades del servicio. Al mismo tiempo, estos mismos proveedores deben ofrecer precios atractivos para los usuarios para ser competitivos. Esta combinación de presiones del mercado genera un costo total de propiedad (TCO) al que los proveedores de servicios deben ajustarse para seguir siendo viables. El TCO se mide mediante una serie de indicadores clave de rendimiento (KPI) en dos amplias categorías: capacidad técnica (es decir, cobertura, capacidad, rendimiento MIMO) y la vida útil del producto (es decir, confiabilidad a largo plazo, consumo de energía y peso total).

El componente crítico es, por supuesto, la antena. Todo lo demás en el diseño del sistema se ajusta y depende de él. Analicemos los desafíos que enfrentan los equipos de diseño de sistemas 5G para desarrollar la mejor antena posible.

Las principales preocupaciones de los ingenieros que participan en el diseño de antenas 5G se dividen en tres categorías generales: diseño, verificación y prueba, y despliegue. Las categorías, sin embargo, no son soberanas ni autónomas, sino interdependientes.

5G impulsará las matrices multiusuario de múltiples entradas y múltiples salidas (MU-MIMO) a nuevos niveles de capacidad. Sin embargo, el diseño de una antena de este tipo para satisfacer los requisitos de la red está plagado de peligros. Los elementos radiantes deben alcanzar el rendimiento máximo para su apertura física dada, cubrir su rango de transmisión y carga de usuario especificados, admitir sin problemas múltiples anchos de banda, formar haces adecuadamente y admitir capacidades de eficiencia de ancho de banda como el servicio fijo por satélite (FSS) y la modulación y codificación adaptables (AMC). , a veces denominada adaptación de enlace). Al mismo tiempo, los diseñadores deben abordar los efectos de acoplamiento inducidos por el funcionamiento de la antena, así como identificar y compensar los efectos aleatorios u otras fuentes de pérdida de señal, como los desajustes de impedancia, la interferencia de radiofrecuencia (RFI), etc.

Existen múltiples factores que complican la verificación del funcionamiento completo de la antena durante la vida útil prevista del sistema. Parte de esta verificación implica el funcionamiento básico del propio sistema; no solo la antena, sino también los componentes del circuito de soporte y la placa. Sin embargo, el factor más apremiante es el efecto del entorno operativo en la antena y el sistema en su conjunto, incluidos el viento, la lluvia, la nieve, el hielo, la acumulación de carga estática, el calor abrasador del verano, el polvo, el granizo, las tormentas de arena y los rayos. , y frío helado.

Lo que es peor es que estos efectos pueden agravarse entre sí. El calor de la conducción de señales o del clima hará que los componentes se expandan, creando tensiones mecánicas que retroalimentan la conductividad. El viento puede distorsionar las formas de las antenas, afectando el entorno de señalización. El propio peso del sistema también afecta a su viabilidad a lo largo del tiempo.

Los métodos que emplean los diseñadores para mitigar estas fuentes de problemas son múltiples. El peso se convierte en un límite de diseño tanto para la antena como para el sistema, y ​​las estimaciones de la carga del viento sirven como una restricción adicional. Los esquemas de administración de energía pueden extender el tiempo hasta la falla (TTF) a nivel de chip, placa y sistema. Se puede estimar una gran cantidad de variables desde una perspectiva de confiabilidad, como la confiabilidad de los componentes y la placa, el consumo de energía, los períodos de energía de respaldo, las frecuencias de operación, los efectos de propagación, los efectos térmicos/electrotérmicos en la cobertura e interferencia de datos y la desviación del rendimiento eléctrico, incluso con “esquinas” ambientales, de energía y de desempeño como restricciones.

Desafortunadamente, los métodos anteriores también se convierten en un impedimento para completar e implementar el diseño a tiempo. Terminan siendo un obstáculo para la optimización del diseño a través de la experimentación, ya que el esfuerzo de prueba y verificación debe repetirse (al menos parcialmente) para cada iteración.

Una vez que se implementa una red, se espera que funcione de manera confiable y cumpla con las especificaciones bajo demanda, incluido el soporte para una amplia variedad de plataformas de usuario, uso eficiente y máximo del ancho de banda y los canales, alta intensidad de señal y velocidades de datos superlativas junto con señal mínima. retrasos Sin embargo, existe una plétora de factores que frustran estos objetivos.

Las cargas de usuarios son ampliamente variables y dinámicas. Existen riesgos de interacciones de antena no deseadas entre estaciones base, celdas de menor jerarquía y plataformas de usuario. El entorno de transmisión en sí presenta muchos dolores de cabeza potenciales, ya que es eléctricamente activo. Además, los entornos urbanos presentan obstáculos físicos que pueden absorber o desviar transmisiones, creando zonas muertas, interrupciones de señal y retrasos en la propagación. La infraestructura existente puede incluso presentar problemas para un despliegue celular eficiente.

Los proveedores de servicios esperan que las casas de sistemas desarrollen celdas y antenas que compensen todos estos problemas. Quieren hardware 5G que les permita ofrecer servicios de comunicación y datos de alta calidad y bajo costo a sus clientes, sin importar cuáles sean las circunstancias ambientales. 

Con casi cinco décadas de historia en el desarrollo de la multifísica computacional, Ansys ofrece una gran cantidad de tecnología de simulación que es amplia y profunda. Ansys HFSS proporciona una multitud de solucionadores y métodos numéricos que respaldan el modelado y la simulación de fenómenos electromagnéticos, desde componentes discretos y chips empaquetados hasta aviones completos y redes inalámbricas urbanas, desde micro hasta macro. Esto incluye elementos finitos, método de momentos y solucionadores SBR; bibliotecas de componentes 3D y capacidades de diseño; mallado adaptativo; y descomposición de dominios.

La joya de la corona de HFSS es su exclusiva función Mesh Fusion que captura geometrías tanto grandes como pequeñas con precisión matemática y sin los errores de estimación o compromiso asociados. Con Mesh Fusion, un objeto que es a la vez grande e intrincado se puede incluir en un solo modelo para la simulación con una precisión estándar de oro reconocida en la industria.

HFSS se puede utilizar junto con otras herramientas de simulación de Ansys. Juntos, estos simuladores brindan la capacidad de modelar y simular una red 5G y todos sus componentes en todas las dimensiones físicas (mecánica, térmica, estructural y electromagnética) para proporcionar un verdadero soporte multifísico computacional para la creación de prototipos virtuales de alta complejidad y alta funcionalidad. productos y sistemas.

Todo esto se une para respaldar los rigurosos requisitos para desarrollar e implementar redes inalámbricas 5G. A nivel de diseño de antenas, existen herramientas de simulación y flujos de trabajo para guiar a los diseñadores a la mejor solución en frecuencias, configuraciones de antena y materiales. Los diseños pueden optimizarse y ajustarse dinámicamente a través de múltiples parámetros, como velocidades de datos, capacidad, rendimiento, latencias, conectividad y cobertura, mientras se mantiene la capacidad de innovar y experimentar de forma iterativa y rápida. Esto permite a Ansys ofrecer un nivel único de competencia de simulación para respaldar el diseño de matrices de antenas MU-MIMO masivas.

Tales simulaciones también pueden incorporar todos los efectos ambientales sobre la integridad estructural, térmica y eléctrica de estos sistemas. Incluso puede omitir las pruebas en el túnel de viento: las deformaciones y fallas de la antena junto con las tensiones mecánicas de las cargas estructurales se pueden simular con todo detalle.

La ubicación y el funcionamiento ideales de los nodos de la red se pueden planificar completamente a partir de los resultados de la simulación. Los haces orientables se pueden modelar junto con anchos ajustables y niveles de potencia. La señalización se puede analizar en 3D para mitigar los problemas potenciales de un entorno de radiofrecuencia (RF) complejo en un área urbana, junto con peligros como la propagación de trayectos múltiples, la reflexión, la absorción, el sombreado, las áreas de bloqueo y las zonas muertas. La colocación de celdas/nodos se puede planificar para acomodar o explotar idealmente la infraestructura existente. El impacto del tamaño, peso, potencia y costo del sistema (SWaP-C) en la implementación de la red se puede optimizar para todos los factores, junto con la consideración del rendimiento y la robustez bajo la gama completa de posibles tensiones ambientales.

Las simulaciones son escalables a través de variaciones en la geometría y el área con tiempos de ejecución rápidos a través de la automatización del flujo de trabajo. Además, los simuladores de Ansys brindan un amplio soporte para la computación distribuida que paraleliza los cálculos y utiliza los recursos de memoria del sistema de manera eficiente.

Las muchas ventajas de usar la simulación multifísica computacional como parte integral de la metodología para el diseño del sistema 5G, la evaluación de la confiabilidad y la implementación de nodos se derivan de la capacidad de las herramientas de Ansys para crear prototipos virtuales de todos los aspectos del desarrollo. La construcción de prototipos físicos para probar la funcionalidad, la confiabilidad y la operación inalámbrica (OTA) es lenta y costosa. A través de la virtualización, los experimentos sobre las opciones de diseño y las mejoras de funciones están básicamente libres de riesgos, mientras que los cronogramas de desarrollo pueden reducirse tanto en tiempo como en costos. Los equipos de diseño finalmente lanzan productos superiores antes que sus competidores.