Simulation vernetzter Systeme
Die Simulation vernetzter Systeme und Geräte ermöglicht effizientes Produktdesign und effiziente Produktzertifizierung
5G/6G-Simulation ermöglicht effizientes Produktdesign und effiziente Produktzertifizierung
5G-Kommunikationssysteme versprechen Verbindungen mit extrem hoher Bandbreite, ultra-zuverlässige Kommunikationsverbindungen mit geringer Latenz (URLLC) für Echtzeitkommunikation und -interaktion sowie Unterstützung einer sehr großen Anzahl vernetzter Geräte auf kleinem Raum. Die 5G-Kommunikation bietet nicht nur schnelleren Internetzugriff für mehr Anwender, sondern ermöglicht auch neue branchenübergreifende Geschäftsmodelle – von der erweiterten IIoT-gestützten (Industrial Internet of Things) intelligenten Fertigung bis hin zu sicherem autonomen Fahren und Fernchirurgie.
Hersteller von 5G-Geräten und Anbieter von Netzinfrastruktur stehen vor der anspruchsvollen Aufgabe, die erwartete hohe Leistung in kurzer Zeit, kostengünstig und ohne Kompromisse bei Compliance und Sicherheitsstandards zu liefern. Die technologischen Herausforderungen, vor denen Unternehmen stehen, die in diesen Bereichen investieren, sind beträchtlich und viele technische Probleme sind ungelöst.
Das Design von 5G/6G-Kommunikationsgeräten erfordert multiphysikalische Simulationen
Die allgegenwärtigen 5G-Kommunikationsverbindungen im Sub-6-GHz- und Millimeterwellen-Frequenzbereich erfordern den Einsatz von Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) und Antennenarray-Technologie. Diese Technologien werden sowohl in Kleinzellen als auch in Endgeräten wie Smartphones eingesetzt.
Die Integration von 5G-Kommunikationsstandards in bereits überfüllte Kompaktgeräte stellt Ingenieure vor enorme Herausforderungen. Sie müssen innovative Hochleistungslösungen entwickeln, die keine Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit oder elektromagnetischen Störungen (EMV/EMI) verursachen, z. B. die Desensibilisierung anderer Kommunikationssysteme. Geräte mit höherer Packdichte erfordern mehr Aufmerksamkeit hinsichtlich ihrer thermischen Leistung. Komponenten, die mit Millimeterwellenfrequenzen betrieben werden, erfordern außerdem feinere mechanische Toleranzen. Diese Faktoren erhöhen den Bedarf an gut integrierten multiphysikalischen und multidisziplinären Produktdesigns.
Genaue 5G-Simulationen sind für unterschiedliche Bereiche der Physik und in allen Phasen des Designprozesses – von der frühen Konzepterforschung bis zum virtuellen Compliance-Testing – von entscheidender Bedeutung. Das umfangreiche SIMULIA Portfolio an Simulationstechnologien von Dassault Systèmes umfasst Multiphysik-Technologien für ein vollständiges 5G-Systemdesign. Dazu gehören mechanische, strukturelle und Spannungsanalysen mit Abaqus, elektromagnetische Simulation mit CST Studio Suite-Technologie und andere Tools für thermische, Ermüdungs- und Systemsimulationen. Diese Technologie, unterstützt durch die 3DEXPERIENCE Plattform, ermöglicht die teamübergreifende Zusammenarbeit. Durch Simulationen können wettbewerbsfähige Produkte rechtzeitig und budgetgerecht auf den Markt gebracht werden – trotz der gestiegenen Herausforderungen, die sich durch die Entwicklung von 5G-Kommunikationslösungen stellen.
Von 5G zu 6G
Als Nachfolger des 5G-Netzes stellt die 6G-Technologie einen revolutionären Sprung in der Mobilfunktechnik dar und verspricht erhebliche Fortschritte in Bezug auf Datenraten, Latenz, Konnektivität und Netzwerkleistung. Im Wettlauf um 6G liegen die Schwerpunkte unter anderem auf der Erreichung extrem hoher Datenraten von möglicherweise mehreren Terabit pro Sekunde, der deutlichen Reduzierung der Latenz für sofortige Reaktionszeiten, der Unterstützung einer massiven Konnektivität für IoT-Geräte, der Erforschung höherer Frequenzbänder für eine höhere Kapazität, der Einführung neuer Netzwerkarchitekturen und der Integration fortschrittlicher KI- und Machine Learning-Technologien für eine optimierte Leistung. Darüber hinaus zielt 6G darauf ab, Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in den Vordergrund zu stellen und gleichzeitig eine höhere Kapazität, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu bieten. Trotz der Herausforderungen wie der Verfügbarkeit von Frequenzen, dem technologischen Fortschritt und den Kosten geht die Entwicklung hin zu 6G weiter, wobei die kommerzielle Einführung für die 2030er Jahre erwartet wird.
In diesen Entwicklungsphasen spielt die Simulation eine entscheidende Rolle. Sie ermöglicht es Experten, die komplexen Systeme, die 6G zugrunde liegen, zu modellieren und zu testen, mit Variablen zu experimentieren, Ergebnisse vorherzusagen und Technologien zu verfeinern, was dazu beiträgt, Risiken zu mindern, Innovationen voranzutreiben und die Markteinführung zu beschleunigen.
5G-Telekommunikationsinfrastruktur
Die Telekommunikationsinfrastruktur stellt sicher, dass Ihre Daten angenommen, transportiert und an den richtigen Empfänger geliefert werden. In der 5G-Mobilkommunikation wird der Zugang zur Infrastruktur durch eine Basisstation dargestellt. Die Basisstation empfängt das Signal eines Mobiltelefons über ein Antennenarray. Durch die Simulation und Vorhersage der installierten Leistung des Antennenarrays sowie der Interferenz mit anderen Kommunikationsgeräten kann eine kontinuierliche Konnektivität sichergestellt werden.
ADAS und autonomes Fahren
ADAS (Advanced Driver Assistance Systems, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme) benötigen umfassende Kenntnisse ihrer Umgebung, um ein Fahrzeug sicher zu steuern. Das umfasst alles von Fahrbahnmarkierungen und Verkehrszeichen bis hin zu Straßenbedingungen, anderen Fahrzeugen, Verkehrsteilnehmern und unerwarteten Hindernissen. Um dies zu erreichen, sind die Fahrzeuge mit einer Reihe von Sensoren ausgestattet, darunter Kameras, Radar- und Lidar-Entfernungsmesssysteme, Geolokalisierung und andere Geräte. Eine schnelle mobile Datenverbindung, wie beispielsweise robustes 5G, ist ebenfalls unerlässlich, damit ADAS-Systeme eine Verbindung zu Internetdiensten, intelligenter Straßeninfrastruktur, anderen Fahrzeugen und den Geräten der Insassen herstellen können. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Komponenten dieser Systeme empfindlich auf Interferenzen von anderen Antennen und Elektronik, Verschmutzung durch Schmutz und Schnee sowie Platzierungseffekte reagieren. Daher ist es entscheidend, all diese Faktoren auf Systemebene zu berücksichtigen, um sichere und zuverlässige ADAS- und autonome Fahrsysteme zu entwickeln.
Smart Factory und Fertigungs-IIoT
Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) und private Netzwerke bieten beispiellose Konnektivität und Datenaustauschfunktionen für die digitale Transformation von Branchen. Das IIoT nutzt vernetzte Geräte und Sensoren, um große Datenmengen von Industrieanlagen zu erfassen, die nach ihrer Analyse zu Effizienzsteigerungen, vorausschauender Wartung und innovativen Dienstleistungen führen können. Private Netzwerke bieten die dedizierte Bandbreite und die geringe Latenz, die für industrielle Echtzeitanwendungen erforderlich sind, und gewährleisten eine zuverlässige und sichere Datenübertragung. Die Entwicklung und Bereitstellung von IIoT-Lösungen über private Netzwerke stellt jedoch erhebliche Herausforderungen dar, darunter komplexe Integration, Skalierbarkeit und Sicherheitsbedenken. Simulationen helfen dabei, diese Probleme zu mindern, indem sie Ingenieuren ermöglichen, IIoT-Umgebungen und Netzwerkbedingungen genau zu modellieren. Durch Simulationen können Entwickler ihre Konstruktionen vor der tatsächlichen Bereitstellung in einer kontrollierten, virtuellen Umgebung testen und verfeinern, wodurch Entwicklungszeit, Kosten und das Risiko von Fehlern reduziert werden. Darüber hinaus helfen Simulationen dabei, potenzielle Sicherheitslücken und Leistungsengpässe zu identifizieren und sicherzustellen, dass die IIoT-Lösungen robust, sicher und skalierbar sind.
Die 3DEXPERIENCE® Plattform bietet einen datengesteuerten, modellbasierten Ansatz, um die Komplexität der 5G-Entwicklung zu verwalten, und erleichtert das virtuelle Prototyping, um Risiken bei der Einführung des IIoT zu minimieren.
Wearables
Die Entwicklung von Wearable-Technologien wie Smartwatches und Fitness-Trackern bringt Herausforderungen wie Miniaturisierung, Energieeffizienz, nahtlose Konnektivität und die Optimierung der Antennenkonstruktion und Antennenplatzierung mit sich. Simulationen sind der Schlüssel zur Bewältigung dieser Probleme, da sie Konstrukteuren ermöglichen, Prototypen virtuell zu verfeinern, bevor sie physische Versionen herstellen. Mithilfe von Simulationen können Ingenieure die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Wearables für einen störungsfreien Betrieb in vernetzten Umgebungen sicherstellen. Simulationen sind auch für die Überprüfung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) von entscheidender Bedeutung, um die Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern innerhalb sicherer Grenzen zu halten. Simulationen helfen zudem beim Wärmemanagement des Geräts. Daher ist die Simulation für die Entwicklung von Wearable-Technologien unverzichtbar. Sie treibt Innovationen voran und gewährleistet gleichzeitig Sicherheit, Funktionalität und Anwenderzufriedenheit.
Kundenreferenzberichte
Erfahren Sie, wie führende Unternehmen Simulationslösungen von SIMULIA für die Konstruktion und Optimierung vernetzter Kommunikationssysteme verwenden.
5G-Antennenkonstruktion und Simulation
Antennenkonstruktion und Simulation spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung vernetzter Systeme und stellen sicher, dass Geräte in immer komplexeren Umgebungen effektiv kommunizieren können. Der Prozess umfasst die Nutzung fortschrittlicher elektromagnetischer Simulationen zur Analyse von Antennenstrahlungsmustern, Impedanz und Bandbreite. Simulationen erleichtern die Optimierung von Antennenkonstruktionen für bestimmte Anwendungen, von der mobilen Kommunikation bis hin zu Satellitennetzwerken, bevor physische Prototypen gebaut werden. Durch das frühzeitige Erkennen potenzieller Konstruktionsprobleme spart die Simulation Zeit und Ressourcen, sodass Ingenieure Antennenkonfigurationen verfeinern können, um strenge Anforderungen zu erfüllen.
Antennenplatzierung
Die Platzierung der Antenne ist ein kritischer Faktor bei der Konstruktion und dem Einsatz vernetzter Systeme. Jede Umgebung kann die Strahlungsmuster der Antennen und damit die Leistung dieser Systeme erheblich beeinflussen. Gehäuse, Montagesysteme und jede Form oder jedes Objekt können die Ausbreitung von Funkwellen verändern, was sich auf die Signalstärke und die Abdeckung auswirkt. Effiziente elektromagnetische Simulationswerkzeuge bieten eine ausgefeilte Hilfe bei der Analyse der Auswirkungen der Plattform auf das Antennenverhalten vor der physischen Installation. Durch die Simulation der Interaktion zwischen Antennen und ihrer Umgebung können Konstrukteure die Antennenplatzierung optimieren, um die bestmögliche Abdeckung und Leistung zu erzielen.
Abdeckungssimulation
Die Abdeckungssimulation für vernetzte Systeme ist ein wichtiger Prozess, um eine optimale Leistung von Kommunikationsnetzwerken zu gewährleisten. Je nach Anwendungsbereich können die Umgebungen Innenräume von Gebäuden und Werkstätten oder Fabrikgelände, Städte und Gebiete sein. Effiziente Simulationswerkzeuge ermöglichen es Ingenieuren und Systemdesignern, die Ausbreitung von Wellen in diesen unterschiedlichen Umgebungen virtuell abzubilden und zu testen. Basierend auf den realistischen Strahlungseigenschaften der installierten Antennen analysiert die Simulation, wie Signale mit physischen Strukturen, natürlichen Landschaften und atmosphärischen Bedingungen interagieren. Die Simulation kann Bereiche mit schwachem Signal oder Interferenzen vorhersagen und die effektivsten Standorte für die Platzierung von Antennen und anderer Kommunikationsinfrastruktur ermitteln, um eine umfassende und konsistente Abdeckung sicherzustellen. Durch den Einsatz solcher Simulationstechnologien können Netzwerkplaner die Zuverlässigkeit und Effektivität vernetzter Systeme erheblich verbessern, Funklöcher minimieren und die Konnektivität für Endanwender in allen Zielgebieten optimieren.
EMV-/EMI-Simulation
In der heutigen technologischen Landschaft müssen Geräte nahtlos im gleichen elektromagnetischen Spektrum funktionieren. Die Simulation der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und der elektromagnetischen Interferenz (EMI) ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass vernetzte Systeme ohne schädliche Störungen koexistieren können. Mit fortschrittlichen Simulationswerkzeugen können Ingenieure potenzielle Kompatibilitätsprobleme erkennen und beheben, bevor sie auftreten. Die Simulation analysiert die elektromagnetischen Emissionen eines Geräts und bewertet deren Auswirkungen auf benachbarte Systeme, um die Einhaltung gesetzlicher Standards und eine wirksame Abschirmung und Filterung sicherzustellen. Diese proaktive Strategie senkt das Risiko kostspieliger Nachbesserungen nach der Produktion erheblich und ermöglicht das reibungslose Funktionieren komplexer technologischer Systeme.
Zertifizierung
Zertifizierungen für vernetzte Geräte sind wichtige Maßstäbe für Sicherheit, Leistung und ökologische Nachhaltigkeit. Spezifische Zertifizierungen wie SAR (spezifische Absorptionsrate) und MPE (maximal zulässige Exposition) gewährleisten, dass Geräte innerhalb sicherer Grenzwerte für die Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern betrieben werden, um Anwender zu schützen. EMV-Zertifizierungen (Elektromagnetische Verträglichkeit) und EMI-Zertifizierungen (Elektromagnetische Störungen) bestätigen, dass ein Gerät reibungslos funktioniert, ohne benachbarte Geräte zu stören oder selbst anfällig für Störungen zu sein. Die ESD-Zertifizierung (Electrostatic Discharge, elektrostatische Entladung) belegt die Widerstandsfähigkeit eines Geräts gegenüber plötzlichen Hochspannungsspitzen, während Zertifizierungen für Wasserdichtigkeit und Staubschutz, wie die Normen IP67 und IP68, die Widerstandsfähigkeit eines Geräts gegenüber Umwelteinflüssen bestätigen. Die Standards für Robustheit und Ökodesign, einschließlich der neuen ESPR (Europäische Verordnung über das Ökodesign für nachhaltige Produkte), bewerten die Haltbarkeit und die Umweltverträglichkeit eines Produkts. Batteriezertifizierungen, die sich an Normen wie UN 38.3 und UL 2054 orientieren, gewährleisten die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Energiespeicherkomponenten. Simulationen helfen bei der Entwicklung vernetzter Geräte, die den Zertifizierungsstandards entsprechen.
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Häufig gestellte Fragen zur Simulation von vernetzten Systemen
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