软件平台弥合了5G通信设计/验证的差距

我们正在进入信息连接的第三个阶段，这将极大地改变无线技术的使用。第一阶段通过有线电话连接家庭和企业，早期通过拨号调制解调器连接互联网。在过去的几十年里，通信网络的发展已经被无线移动技术所取代，无线移动技术连接的是人而不是地方。今天，世界上有超过70亿台移动设备连接着超过38亿人。从连接地点到连接人的转变的一个例子是桌上电话的消亡。由于我们的移动设备和网络视频连接，如Skype，桌上电话已经逐渐成为过去的遗迹。下一个前沿将是连接事物。有报道称，在未来十年内，我们预计连接的事物数量将至少是人的10倍。

这个新时代将迎来一系列新的无线技术，以支持物联网(IoT)和底层基础设施，被定义为第五代网络标准，即5G，目前处于早期概念阶段。增加信息带宽和更快的响应时间(低延迟)以实现最小功耗的实时无线控制是极具吸引力的系统目标，如图1所示。实现这些目标将对致力于半导体技术和基础设施的设计团队提出重大挑战，这些技术和基础设施将定义未来5G网络的物理(PHY)、介质访问控制(MAC)和路由层。虽然5G和物联网取得商业成功所需的技术要求很高，但经济潜力和商业机会是巨大的。因此，数十亿美元被投入到工业和学术界的研究中。

图1:5G通信速度和响应时间(延迟)目标，以支持工业物联网(IIoT)和物联网所要求的无线控制。

5G网络可能会基于多无线电接入技术(multi-RAT)，使用现有的蜂窝基站，以确保广泛的覆盖范围和高移动性，并为容量和室内服务穿插小蜂窝。这些未来的网络将结合使用小型蜂窝和宏蜂窝基站，以及蜂窝和WiFi，并对使用WiFi进行蜂窝流量卸载进行了大量研究。尽管目前还没有就哪种技术将应对5G挑战达成完全一致，但研究人员正集中在四个方面:

• 大规模多输入/多输出(MIMO)技术探索了基站用于移动设备覆盖的天线数量的急剧增加，以及高速回程链路
• 网络致密化包括空间(小型单元的密集部署，以使用更多的节点实现更大的覆盖)和频谱(在不同波段中利用更大的无线电频谱)
• 5G波形希望通过信号和调制技术的结构改进来提高带宽利用率
• 毫米波(mmWave)频率将利用新的频谱(3-300 GHz)频率范围，提供能够传输多gbps数据速率的非常大的带宽，以及极其密集的空间重用以增加容量的机会

从功率放大器(pa)到滤波器，再到天线，每个无线电组件都将在实现5G/物联网连接方面发挥关键作用。系统性能将要求这些电子元件作为小型系统，具有不断提高的集成度和功能密度。图2显示了第三代合作伙伴项目(3GPP)和国际电信股(ITU) 5G标准规范时间表的组合。阶段1被定义为查看40 GHz以下频段和带宽大于100 MHz的频段。然而，第二阶段包括高达100 GHz的研究。第二阶段只有15个月，这是一个非常短的时间。如果研究人员希望在第二阶段取得成功，并提交相关工作以提交IMT 2020规范，那么现在就需要开始研究。

图2:3GPP和国际电联5G标准规范时间表。

幸运的是，微波和信号处理技术的进步，如氮化镓(GaN)晶体管、新型微波单片集成电路(MMIC)/极端MMIC器件、异构“超过摩尔”集成、前端模块/封装的成本降低、新型毫米波硅ic和先进的天线集成/电子波束转向，将使802.11ax、WiGig等新的无线技术标准成为可能，并实现5G的宏伟目标。集成电路和系统设计面临的挑战包括pa的非线性失真、相位噪声、IQ不平衡、高定向天线设计等等。

针对5G/物联网应用的电子产品将在现有和不断发展的平台(如模块和子系统)中结合新型材料、新型半导体器件、互连技术和电路架构。开发和整合这项新技术的任务说起来容易做起来难。在这个层次上的技术集成是由许多设计团队和工程学科协同工作来实现的。协调设计小组/学科之间的设计活动，需要一种务实的、自上而下/自下而上的方法来认识整体系统性能，同时保持对物理设计中传导高频/速度信号的结构之间详细的电气相互作用的认识。高频元件集成的设计趋势正在引导工程师以不同于过去的方式进行电子设计。

针对5G/物联网机遇的产品开发团队面临的挑战将是通过适当的预先规划缩短设计周期和减少故障，指定现实的无线电块性能，概述详细的电路要求，通过电磁(EM)(可能是多物理)仿真进行验证，并执行早期原型测试，并将结果整合回系统仿真中。对于任何规模的组织，自顶向下/自底向上的方法要求设计工具集成，其中包括基于表示来自一系列模拟和/或测量源的单个组件的数据对总体性能的系统级理解。

通过系统模拟管理设计项目有助于指导早期开发过程，并使集成商能够生成链路预算(通过信号链计算损失和收益)，定义组件规格，并监控整体性能。电路/电磁仿真和/或测量的设计细节被添加，因为它变得可用。支持电路/电磁仿真和/或基于测量结果的系统级数据管理的设计平台应该能够通过工具互操作性直接访问这些数据。

对于所描述的工艺，研发(R&D)团队将能够使用特定于其工艺技术(铸造厂，供应商)的数据流管理整个开发项目，在所有设计软件/测量阶段集成他们的仿真(优化，成品率分析)，物理设计(布局，pdk，设计规则)和验证(电磁，测试)。电气设计阶段最好由一个统一的设计平台提供服务，该平台集成了物理设计(布局和工艺堆栈)与以下功能:

• 高频电路-线性，稳态非线性(基于频率的谐波平衡)和瞬态(非稳态时域)
• 通信系统。行为部件模型，波形源，数字调制
• 电磁分析-模拟二维(平面)和三维结构的电行为与高频信号激励。无线电块之间的电相互作用更普遍，当它们紧密地集成在一个小的形状中，而没有距离和/或屏蔽的好处，以防止电磁耦合造成的性能损害。
• 制造分析，如良率和弯角分析，以获取制造公差的影响
• 物理设计工具(布局)、制造商/IC fab器件模型、测量数据和多物理验证之间的互操作性

NI是业界和学术界顶尖5G研究人员的领先合作伙伴，通过其RF/微波设计软件和硬件/软件测量解决方案提供这种互操作性。NI AWR设计环境是一个平台，集成了公司的视觉系统模拟器(VSS)系统设计软件，微波办公电路仿真软件，AXIEM平面EM仿真，分析师三维有限元方法(FEM) EM仿真，并链接到Sonnet和ANSYS的第三方EM模拟器，以及Cadence, Mentor Graphics和Zuken的计算机辅助设计(CAD)工具。该平台还通过与NI LabVIEW的互操作性提供了从模拟到原型测试的链接，LabVIEW是一个系统设计平台和开发环境，支持测试仪器控制、数据采集和工业自动化(图3)。

图3:使用NI AWR设计环境和LabVIEW设计平台，通过共享数据模型和设计自动化加速了高频产品开发流程。