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Ray-Tracing-Methoden und Simulationen

Ray-Tracing-Methoden verwenden diskrete Strahlen, um sich ausbreitende Wellenfronten darzustellen, während sie sich von einem Sender durch eine Szene ausbreiten.

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Strahlen interagieren mit der Geometrie in der Szene durch Reflexionen, Beugungen und Übertragungen. Die Strahlen, die einen Empfänger erreichen, stellen die Wege dar, die die Wellen vom Sender zum Empfänger zurücklegen können. Das elektrische Feld, die empfangene Leistung und andere elektromagnetische Größen können durch die Überlagerung der Beiträge aller sich ausbreitenden Wellen, die den Empfängerpunkt erreichen, berechnet werden.

Bei der Strahlenverfolgung gibt es zwei vorherrschende Methoden, die im Folgenden erläutert werden.

Schießende und hüpfende Strahlen (SBR):

Bei diesem Ansatz werden Strahlen in alle Richtungen geschossen, in der Regel mit einem festen Winkelabstand, und verfolgt, wie sie interagieren und sich in weitere Pfade aufspalten, indem sie von Oberflächen reflektiert, durch sie hindurchgelassen oder an Keilen gebeugt werden.

Bildtheorie:

Ausgehend von einem vordefinierten Paar von Endpunkten (z. B. einem Sender und einem Empfänger) findet dieser Ansatz alle Pfade zwischen den Punkten, wobei die Methode der Bilder verwendet wird, um zu bestimmen, wo Raytracing-Interaktionen auftreten werden. Dieser Ansatz wird dann für jedes nachfolgende Punktpaar in einer Berechnung wiederholt.

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Abbildung 1: Schießende und abprallende Strahlen
Ray-Tracing_Diagramm_Bildtheorie
Abbildung 2: Bildtheorie

SBR ist ein relativ effizienter Ansatz, um Strahlenpfade durch eine komplexe Szene zu finden, aber wenn sich Strahlen ausbreiten, breiten sie sich kontinuierlich aus, und es besteht die Gefahr, dass Wechselwirkungen mit kleineren Objekten übersehen werden, während gleichzeitig die Fehlerquote bei der Berechnung von Pfadlänge und Phase steigt. Die Bildtheorie hingegen ist ein präziserer Ansatz, aber da sie für jedes Paar von Tx- und Rx-Punkten wiederholt werden muss, kann sie in einer Szene mit einer großen Anzahl von Facetten und einer großen Anzahl von Sende- und Empfangspaaren sehr rechenintensiv sein.

Aus diesen Gründen kombinieren die fortschrittlichsten Raytracing-Modelle von Remcom in Wireless InSite® und WaveFarer®, die auf dem X3D-Raytracer basieren, die beiden Techniken. SBR wird verwendet, um die anfänglichen Interaktionsketten mit Hilfe von GPU-beschleunigtem Raytracing zu finden. Mit Hilfe der Bildtheorie wird dann eine exakte Pfadkorrektur (EPC) durchgeführt, um die genauen Pfade zwischen jedem Punktpaar zu finden. Das Ergebnis ist die Fähigkeit, Ausbreitungspfade effizient zu finden und gleichzeitig präzise Berechnungen von Ankunftszeit, Phase und Polarisation zu liefern. Präzise Schätzungen dieser Größen werden für viele aktuelle Probleme immer wichtiger, wenn nicht sogar erforderlich, z. B. für MIMO-Analysen, mobilitätsbedingtes Fading und Doppler.

Die Art und Weise, wie die Strahlen verfolgt und die Ausbreitungswege verwendet werden, hängt wesentlich von den physikalischen Techniken ab, die zur Berechnung der elektromagnetischen Felder und der Leistung an den Empfängerantennen verwendet werden. Es gibt zwei große Kategorien von Techniken: (1) Geometrische Optik und die einheitliche Beugungstheorie und (2) Physikalische Optik, die durch die Methode der äquivalenten Ströme oder andere ähnliche Techniken ergänzt wird, um Randeffekte zu berücksichtigen.

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