平台化软件填补了5G/IoT研发中的设计/验证鸿沟

Software Platforms Bridge the Design/Verification Gap for 5G/IoT R&D

National Instruments，美国德克萨斯州奥斯汀

随着我们进入信息连接时代的第三个阶段，无线技术的使用方式将会发生翻天覆地的变化。第一个阶段通过有线电话和基于拨号调制解调器的早期互联网来连接家庭和企业。过去几十年来，通信网络的发展已经被无线移动技术所主宰，地点间的互连也被人与人之间的互连所取代。目前，全球有超过70亿台移动设备将38亿人联系在一起。从地点之间的连接到人与人之间的连接转变的一个典型例子是桌面电话的消失。由于移动设备和互联网视频如Skype等连接技术的出现，桌面电话已经成为了历史遗迹。而下一个趋势将是物物互连。可以肯定的是，未来十年内预计互连的“物”的数量将至少是人口数量的10倍。

目标和需求

这个崭新的时代将会催生各种新无线技术来支持定义正处在早期概念阶段的第5代网络标准（也称为5G）所需的物联网(IoT)和底层基础设施。更高信息带宽、更快响应时间（低延迟）且更低功耗的实时无线控制都是非常有吸引力的系统目标（图1）。这些目标给正在开发半导体技术和基础设施来定义未来5G网络物理(PHY)媒介、访问控制(MAC)和路由层的设计团队带来显著的挑战。虽然实现5G和IoT商业化所需的技术要求非常严苛，但其经济潜力和商机是非常巨大的。因此，数十亿美元正投入到工业和学术研究中。

图1、支持IoT无线控制的5G通信速度和响应时间（延迟）目标。（图片来源： 德累斯顿理工大学Gerhard Fettweis博士）。

5G网络很可能会基于现有的蜂窝基站，采用多址无线电接入技术(Multi-RAT)来确保大覆盖面积、高移动性以及分散的小型单元来提高容量和室内服务质量。这些未来的网络将采用小型蜂窝+宏蜂窝基站组合以及蜂窝数据+WiFi组合。业界对WiFi技术投入了大量的研究来实现蜂窝数据流量转移。虽然目前关于哪项技术将会解决5G挑战这一问题还没有完全达成一致，但研究人员正朝四个方向进行研究：

•  大规模多输入多输出(MIMO)旨在大幅增加基站采用的天线数量，以增大移动设备的覆盖范围以及实现高速回程链路。

•  网络密集化，包括空间（例如，密集部署小型蜂窝，通过使用更多节点来实现更大的覆盖范围）和频谱（利用不同频段的更多无线电频谱）。

•  5G波形旨在通过对信号和调制技术进行结构性的改进来提高带宽利用效率。

•  毫米波频率将利用新的频谱（3至300 GHz），这一频率范围曾经一度被认为无法用于商业用途，但现在却有望提供非常高的带宽来实现数Gbps的数据速率，同时还有望实现极为密集的空间复用来增加容量。

每个无线电组件，无论是功率放大器、滤波器还是天线，对实现5G/IoT连接都发挥着关键的作用。系统性能将要求这些电气组件作为微型系统运行，并提供前所未有的高水平集成和功能密度。图2所示的是5G标准规范制定的3GPP和ITU时间表。第一阶段希望在低于40 GHz的频段下实现超过100 MHz带宽。而第二阶段则纳入了对100 GHz以内频段的研究。第二阶段的时间只有15个月，相当紧迫。如果研究人员要成功完成第二阶段的目标，并提交满足IMT 2020规范的成果，必须从现在开始进行研究。

图2、5G标准规范的3GPP和ITU时间表。

技术与挑战

幸运的是，微波和信号处理技术的进步，比如氮化镓(GaN)晶体管、新型MMIC/Extreme MMIC器件、“新摩尔定律”的异构集成、前端模块/封装尺寸的降低、新型毫米波硅集成电路和先进的天线集成/电子束控制技术等，将有助于实现802.11ax、Wi-Gig等新无线技术标准以及与5G相关的远大目标。集成电路和系统设计的挑战包括功率放大器的非线性失真、相位噪声、IQ失衡和高度定向天线设计等。

用于5G/IoT的电子器件将采用新的材料和半导体器件，同时基于现有的平台以及模块和子系统等不断变化的平台实现创新的互连和电路架构。开发和集成这些新技术说起来容易，做起来难。这一层次的技术集成需要大量的设计团队和工程学科的紧密合作才能实现。协调设计团队/学科之间的设计活动需要一种自上而下/自下而上的实用方法，能够了解整个系统的性能，同时详细理解物理设计中传输高频/高速信号的结构之间的电气交互。高频组件集成这一设计趋势正在迫使工程师采用与以往不同的电子设计方法。

对于产品开发团队，5G/IoT机遇带来的挑战是如何通过适当的前期规划、制定切实可行的无线电模块性能参数指标、列出详细的电路要求、基于电磁（以及可能的多物理场）仿真和早期原型测试的验证以及将结果关联到系统仿真来缩短设计周期和减少故障。对于任何规模的组织，自上而下/自下而上的方法都需要设计工具集成，包括基于代表各个组件（从各种仿真和/或测量源等）的数据对整体性能有着系统级的理解。

建模和仿真的作用

通过系统仿真管理设计项目有助于指导早期的开发过程，并帮助集成商生成链路预算（考虑到沿信号链的损耗和增益）、定义组件规范以及监测整体性能。当电路/EM仿真和/或测量设计细节制定出来后，还需要将其添加进去。可对电路/EM仿真结果和/或基于测量的结果进行系统级数据管理的设计平台应该能够通过工具的互操作直接访问这些数据。

对于上述过程，研发团队将使用针对其工艺技术（如代工厂和供应商）的特定数据流来管理整体开发项目，该流程应集成软件/测量所有阶段的模拟（如优化、良率分析）、物理设计（如布局、PDK、设计规则）和验证（如电磁测试）。电气设计阶段最好采用一个统一的设计平台，能够将物理层设计（如布局和进程堆栈）和以下功能集成在一起：

• 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）。

• 通信系统行为组件模型、波形源、数字调制。

• EM分析——使用高频信号激励模拟二维（平面）和三维结构的电气特性。当无线电模块紧密集成到一个小巧的结构，就无法通过远距离和/或屏蔽来防止电磁耦合导致的性能削弱行为，这时无线电模块之间就会普遍存在电气相互作用。

• 通过良率和容差分析等制造分析，了解制造允许误差的影响。

• 物理设计工具（例如布局）之间的互操作性、制造商/IC晶圆器件建模、测量数据和多物理场验证。

射频/微波设计和测量软件解决方案

NI通过其射频/微波设计软件和硬件/软件测量解决方案提供了这种互操作性。NI AWR Design Environment™平台集成了NI Visual System Simulator™ (VSS)、Microwave Office电路仿真软件、AXIEM平面EM仿真和Analyst™三维有限元法(FEM)电磁仿真，并可连接Sonnet和ANSYS等公司的第三方电磁仿真设备以及Cadence、Mentor Graphics和Zuken等公司的计算机辅助设计(CAD)工具。该平台还能够与NI LabVIEW这一可支持测试仪器控制、数据采集和工业自动化的系统设计平台和开发环境进行互操作，从而提供了从仿真到原型测试的完整链路，如图3。

图3、使用NI AWR Design Environment和LabVIEW设计平台实现的共享数据模型和设计自动化可加速高频产品的开发流程。

这两个平台提供的仿真技术集成、系统原型工具和自动化测试设备解决了开发新5G无线技术的复杂难题。设计团队必须依赖于仿真和原型测试才能保证设计的可靠性。虽然仿真对于设计测试台或原型非常重要，但是在制造之前也常常需要通过测量来验证假设，并使他人信服设计的可行性。例如，三星研发部主任Gary Xu在2015年德州奥斯汀举行的NI Week上首次公开展示了一个5G MIMO基站的全方位(Full Dimensional, FD)原型。

该演示由一个小型基站组成，其中包含了FD-MIMO天线阵列和用于模拟四个“5G”终端的四台NI通用软件无线电外设(USRP)可重配置I/O (RIO)软件接收器。演示的核心焦点是三星新推出的3D波束成形算法技术。

该原型表明，三维波束成形可实现更高的吞吐量并且可支持更多的用户。在演示中，系统采用三维波束成形技术，将速率从一个用户2 Mbps提高到四个用户25 Mbps。Gary Xu博士的演示展示了无线电原型工具对于验证特定系统设计的可行性的重要性（图4）。

图4、基于四个NI USRP RIO软件接收器实现的三星FD 3D MIMO波束成形原型系统。

在仿真端，NI AWR Design Environment可帮助工程师在制造之前开发功率放大器、滤波器、天线、频率源（即压控振荡器）、控制电路（即混频器、转换器和开关）和互连技术等无线电组件。例如，5G将非常依赖于先进的天线技术。由于毫米波频率具有高带宽、低功率要求以及较高的信道损耗，因而需要天线设计采用多个定向波束以及极化分集和控制（如上面的例子所示）。相控阵列是满足这些要求的主要候选技术之一。这反过来需要电路仿真和系统环境来支持相控阵列的仿真。

过去，相控阵列先在EM仿真器中进行仿真，然后将所得到的S参数文件嵌入到电路仿真器中来完成设计。集成电路和EM仿真器可帮助设计人员了解天线和电路是如何进行交互的。特别是阵列端口的阻抗会随着光束扫描角的变化而变化。而由功率放大器驱动的天线性能会受到端口阻抗的显著影响。设计人员必须经常在天线仿真和模拟电路之间来回穿梭才能精确地模拟这一行为。Microwave Office现在可以自动将这两种仿真结合在一起。功率放大器会感应端口阻抗的不断变化，当输入端口的输入功率和相位发生变化时，天线会开始扫描波束。除了节省时间和避免错误外，设计人员现在还可以优化电路/天线系统并进行良率分析。EM协同仿真仍对高频电子产品的开发和互连特性分析起到重要作用（图5）。

图5、贴片天线阵列设计，使用Axiem实现平面EM仿真(a)和系统级相控阵仿真(b)。

设计实例

在魁北克瑞姆斯基大学(UQAR)最近开展的一项工作中，Chan-Wang Park博士带领学生将仿真和测试数据应用于5G设计。

设计团队为5G MIMO多载波信号开发了一个6W 1GHz功率放大器。由于希望在未来能够线性化功率放大器，该团队打算使用NI AWR Design Environment™和LabVIEW开发一个伏尔特拉级数神经网络预失真或多项式预失真线性电路来校正功率放大器的非线性行为。基带的数字预失真虽然会增大非线性度，但可由功率放大器的压缩特性进行补偿。

设计团队使用Microwave Office、AXIEM和Cree的GaN晶体管的可扩展高频模型（来自Modelithics公司）、导入Focus  Microwave的多谐波源和负载拉移数据（用于阻抗匹配和模型验证）、NI PXI RF仪器以及LabVIEW，通过详细的电路/EM协同仿真快速获得了基于PCB的原型测试结果（图6），一次就成功设计了功率放大器。团队使用NI LabVIEW软件编写了一个预失真线性化程序，并在Xilinx Virtex-6 FPGA执行该程序，由此开发了一个满足未来(5G MIMO)通信系统标准的简化版解决方案。

图6、用于模型验证和阻抗匹配（基波和三次谐波）的负载和源拉移数据和测试装置图(a)；用于4×4 MIMO的PXIe射频测量平台(b)。

总之，这些可互操作的平台将给设计团队提供所需的性能和灵活性来开发高频电子产品，进而推动5G和IoT的发展。