Hướng đi tương lai cho mạng không dây

Theo Fred German, Quản lý cấp cao Phòng Nghiên cứu và Phát triển, ANSYS

Nhu cầu kết nối của thế giới đang tăng trưởng mạnh mẽ đặc biệt là hệ thống kết nối không dây. Điều này làm gia tăng nguy cơ bị nhiễu loạn và suy giảm hiệu suất. Hệ lụy có thể chỉ ở mức đơn giản khi gây bất tiện cho giải trí cá nhân nhưng cũng có thể ở mức thảm họa khi ảnh hưởng tới các tàu vũ trụ hay thiết bị quốc phòng. Bằng việc xác định sớm vị trí có nguy cơ cao xảy ra nhiễu trong chu kỳ phát triển thông qua phần mềm mô phỏng chuyên dụng, các công ty có thể tránh được các vấn đề về nhiễu, giảm chi phí khắc phục các vấn đề phát sinh cũng như giảm thiểu rủi ro.

Sự phổ biến rộng rãi của các hệ thống không dây này cung cấp các dịch vụ liên lạc di động, điều hướng và dữ liệu, trải rộng khắp nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng, bao gồm điện tử cá nhân, tự động hóa gia dụng, viễn thông, ô tô, hàng không vũ trụ và quốc phòng. Đặc biệt là sự xuất hiện của những công nghệ không dây mới đầy tiềm năng, bao gồm các hệ thống kết nối không dây thế hệ thứ 5 (5G), vạn vật kết nối (IoT), các loại xe không người lái với hệ thống hỗ trợ lái xe thông minh (ADAS) và những tiến bộ nhanh chóng trong việc mở rộng ứng dụng và nâng cao hiệu suất của công nghệ không dây, đã mang đến những cơ hội kinh doanh khổng lồ. Đồng thời, những thách thức trong việc thiết kế và triển khai nhiều hệ thống không dây trong môi trường phức tạp cũng xuất hiện. Để có thể cạnh tranh, đòi hỏi các doanh nghiệp phải thiết kế, đánh giá và triển khai nhanh các hệ thống không dây có khả năng đạt được hiệu suất cao. Các hệ thống này phải hoạt động trong cùng môi trường với các hệ thống không dây khác gần đó có khả năng gây nhiễu và làm giảm hiệu năng. Các nguồn không xác định của tần số vô tuyến (RF) nhiễu (RFI) trong môi trường cũng phải được xem xét để đạt được một thiết kế hệ thống mạnh mẽ.

Một kho tự động hiện đại phụ thuộc vào nhiều liên kết không dây để đảm bảo giao tiếp và truyền dữ liệu có thể hoạt động tốt. Các mẫu ăng-ten cho biết vị trí của một số thiết bị không dây trong kho. Hệ thống phải được thiết kế để vận hành đồng thời nhiều ăng ten mà không làm ảnh hưởng lẫn nhau.

TIÊN LƯỢNG NHIỄU TẦN SỐ RADIO VỚI ANSYS EMIT

Việc phát triển các hệ thống không dây dựa trên mô phỏng (để tiên lượng hiệu suất trong các môi trường phức tạp) phải được bắt đầu rất sớm, ngay từ giai đoạn khái niệm của thiết kế hệ thống. Về mặt cốt lõi, thiết kế phải bao gồm tác động của các thiết bị và nguồn tín hiệu RF không dây khác trong môi trường không phải là một phần của hệ thống được thiết kế. Thất bại trong thiết kế môi trường dự kiến khả năng cao sẽ dẫn đến một hệ thống hoạt động tốt khi thử nghiệm nhưng lại suy giảm hiệu suất khi triển khai thực tế, dẫn đến có thể thất bại trong chiến lược kinh doanh.

Việc mô phỏng các hệ thống không dây trong các môi trường phức tạp trải dài qua nhiều miền tính toán và thuật giải, đòi hỏi một quy trình làm việc được tạo ra cho cả các kỹ sư thiết kế chứ không phải chỉ cho các chuyên gia phân tích. Để đạt năng suất và hiệu quả thiết kế cao, các phương pháp này cần làm việc cùng nhau trong một chu trình công việc liền mạch, cung cấp các thư viện mô hình với độ tin cậy cao cần thiết để mô phỏng có thể bắt đầu trước khi có thông tin thiết bị đầy đủ và chi tiết. Mô phỏng sẽ tạo ra các kết quả thúc đẩy yêu cầu thực hiện và lựa chọn linh kiện.

Kết quả hiển thị mô phỏng ma trận kịch bản cho thấy một lược đồ được mã hóa màu để biểu thị các vấn đề tiềm năng. Các ô vuông màu đỏ cho biết có nhiễu giữa các hệ thống bị ảnh hưởng và chứng nhận cần phải xử lý thêm để giải quyết vấn đề này. Sau khi thực hiện quy hoạch tần số thích hợp, giảm thiểu nhiễu và các lệnh vận hành, ma trận kịch bản hoàn toàn màu xanh lá cây cho thấy toàn bộ các hệ thống hoạt động tốt trong môi trường kho.

Tự động chuẩn đoán, tín hiệu phản hồi và các màn hình hiển thị được gắn thẻ tự động nhanh chóng xác định nguyên nhân gốc rễ của các vấn đề về hiệu năng của hệ thống không dây để có thể thiết kế và đánh giá các biện pháp giảm nhẹ.

MÔ PHỎNG CÁC TRƯỜNG HỢP PHỨC TẠP

ANSYS cung cấp các giải pháp mô phỏng đẳng cấp thế giới bao gồm tất cả các nguyên tắc cần thiết, bao gồm phân tích điện từ sử dụng ANSYS HFSS để thiết kế và bố trí ăng- ten, mô phỏng mạch và hệ thống sử dụng tùy chọn RF ANSYS để tiên lượng hiệu suất của các cảm biến không dây khi kết nối với ăng- ten. Tùy chọn ANSYS RF bao gồm ANSYS EMIT, được tích hợp tất cả các công nghệ về điện từ và mạch / hệ thống để mô phỏng hoàn toàn hiệu suất của tất cả các hệ thống không dây trong môi trường phức tạp. ANSYS EMIT cung cấp các thư viện mô hình theo tiêu chuẩn công nghiệp cho nhiều loại hệ thống không dây. Cách tiếp cận mô hình độc đáo đa chiều này cung cấp các mô phỏng hữu ích giúp đưa ra các quyết định thiết kế sớm ngay khi mới chỉ có một bộ thiết kế không hoàn chỉnh và các tham số hiệu suất có sẵn.

Ví dụ: một kho tự động hiện đại có thể nhận được đơn đặt hàng và gửi chúng qua máy bay không người lái. Nhà kho sử dụng nhiều thiết bị vô tuyến để kết nối không dây các phần khác nhau của trình tự và quá trình phân phối này. Các hệ thống không dây trong kho bao gồm các thẻ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) và các đầu đọc để kiểm soát hàng tồn kho, các liên kết không dây hoạt động trong các dải tần số chưa được cấp phép để nhận và gửi lệnh cho robot, máy tự động, GPS để nhận thông tin vị trí và cho Wi-Fi, Bluetooth® kết nối các thiết bị.

Ngoài ra, các nguồn khác của tín hiệu RF, chẳng hạn như radio cầm tay dùng để liên lạc giữa các nhân viên trong kho, sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của các kết nối không dây được sử dụng để vận hành kho. Trong một môi trường không dây phức tạp như vậy, nguy cơ xảy ra nhiễu và giảm hiệu suất của hệ thống là rất cao. Sử dụng mô phỏng trong quá trình thiết kế ban đầu của các hệ thống không dây cho nhà kho giúp xác định và ngăn chặn thời gian chết tốn kém trước khi hệ thống được triển khai. Một nhà phân tích có thể tận dụng ANSYS HFSS và Tùy chọn ANSYS RF để mô phỏng hiệu suất của tất cả các ăng- ten và các thiết bị không dây hoạt động trong môi trường kho thậm chí trước khi cấu trúc này được xây dựng. Các kết quả cấp cao nhất có thể được tóm tắt trong một ma trận kịch bản, nơi mỗi hình vuông trong ma trận đại diện cho sự tương tác giữa các hệ thống không dây. Một lược đồ mã hóa màu sẽ xác định các vấn đề về hiệu năng với một hình vuông màu đỏ. Các mục màu xanh lá cây cho biết yêu cầu về hiệu suất đang đạt được. Các kết quả chi tiết từ mô phỏng sẽ thúc đẩy quy hoạch tần số thích hợp, xác định các tham số hoạt động và đề xuất các biện pháp giảm nhẹ cần thiết để đảm bảo vận hành tốt các chức năng đồng thời của tất cả các hệ thống không dây được hiển thị bằng một kịch bản ma trận màu xanh hoàn toàn.

PHÒNG TRÁNH NHIỄU SÓNG

Việc tích hợp nhiều hệ thống RF vào một nền tảng máy bay, chẳng hạn như máy bay trực thăng là một thách thức chung đối với các nhà tích hợp hệ thống- những người cần đảm bảo rằng tất cả các hệ thống có thể hoạt động trong cùng môi trường mà không ảnh hưởng lẫn nhau. Các mẫu bức xạ cho biết vị trí của 9 ăng-ten trên máy bay.

Một thách thức điển hình khác đối với việc tích hợp hệ thống trong các môi trường phức tạp là đảm bảo hoạt động tốt đối với tất cả các máy phát và thu sóng vô tuyến trên máy bay, chẳng hạn như trực thăng. Tất cả ăng ten phải hoạt động đồng thời mà không làm giảm hiệu suất lẫn nhau. Để đánh giá mức độ phức tạp phải được giải quyết, trong một môi trường máy bay điển hình có thể có hàng chục triệu (hoặc nhiều hơn) cách để xảy ra nhiễu. Ma trận kịch bản cung cấp một cái nhìn tổng quan cấp cao để nhanh chóng xác định các vấn đề trong các tương tác hệ thống, nhưng nó không giúp hiểu rõ nguyên nhân gốc rễ của vấn đề hoặc các đường dẫn của tín hiệu nhiễu. Chức năng tự động chẩn đoán và hiển thị kết quả của ANSYS EMIT cung cấp cho các nhà thiết kế các công cụ cần thiết để nhanh chóng xác định các vấn đề và thiết kế các biện pháp giải quyết. Ví dụ, nếu một trong những radio trên máy bay trực thăng bị nhiễu do hoạt động cùng lúc với các máy phát khác trong khu vực, công cụ chẩn đoán hiển thị tín hiệu phản hồi cùng với các thẻ nhiễu được đặt trên các dải phổ băng thông rộng. Các nhà thiết kế ngay lập tức có thể phát hiện rằng vấn đề này là do một sản phẩm chuyên điều chế bậc cao phát sinh từ sự không tuyến tính của một bộ khuếch đại công suất hoạt động dựa trên sự kết hợp giữa hai hệ thống truyền sóng. Sự tương tác này có thể vô cùng khó chẩn đoán nếu không có chẩn đoán tự động. Sử dụng phương pháp kiểm tra và đo lường là một quá trình rất tốn kém, chưa kể đến việc phải kiểm tra toàn bộ môi trường với tất cả các thiết bị RF hoạt động. Gần đây, một ứng dụng quản lý chương trình tích hợp hệ thống của một nhà thầu hàng không vũ trụ lớn ước tính đã đạt được khoản tiết kiệm trên 1 triệu đô la Mỹ nhờ sớm xác định và giải quyết các vấn đề RFI trên máy bay trong giai đoạn thiết kế khái niệm cho một nền tảng không người lái mới.

CHU TRÌNH LÀM VIỆC TÍCH HỢP

Các ví dụ này chứng minh sự cần thiết của việc sử dụng mô phỏng để điều khiển thiết kế hệ thống không dây trong môi trường phức tạp. Số lượng thiết bị không dây tăng lên kèm theo tầm quan trọng đặc biệt của việc đánh giá tác động của các thiết bị hoạt động trong cùng môi trường đối với hiệu suất của hệ thống được thiết kế ở các vị trí đã được cài đặt. Mô phỏng hiệu quả và chính xác hiệu suất hệ thống không dây trong môi trường phức tạp đòi hỏi một quy trình làm việc chặt chẽ của các nhà thiết kế hệ thống. Nó phải thúc đẩy công nghệ giải tốt nhất trong nhiều miền và cung cấp chẩn đoán tự động để hỗ trợ việc đánh giá nhanh các quyết định thiết kế trong suốt quá trình thiết kế và tích hợp các hệ thống không dây.

 


Nguồn: ANSYS Advantage V11I3, 2017

Lược dịch: Nguyễn Công Đức - Cộng tác viên tại Advantech.

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

LIÊN HỆ

VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
Tầng 8, số 1 Đỗ Hành, Q.Hai Bà Trưng, Hà Nội
Tel: (84-24)36 649 066 Fax: (84-24)39 727 464
Email: info@advantech.vn

HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
Email: support@advantech.vn

Họ tên
E-Mail