Analyse der WiFi-Ausbreitung im Flugzeuginnenraum mittels MPI + GPU-Technologie

Der WiFi-Zugang während des Fluges ist ein Merkmal, das bei vielen Werbeflügen eingeführt wird, um die Kundenzufriedenheit zu erhöhen. Aufgrund der komplexen Kabinenumgebung mit unterschiedlichen Passagiergrößen und Sitzplänen kann es jedoch zu einem schlechten Signalempfang kommen. Vor kurzem wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, bei der Kartoffelsäcke verwendet wurden, um Passagiere in einem Flugzeug zu simulieren, um Low-Signal-Bereiche zu eliminieren. Die Simulation solcher Probleme auf Computern mit Vollwellenverfahren war in der Vergangenheit aufgrund der großen Größe der Flugzeugkabine und der damit verbundenen hohen Frequenzen praktisch unmöglich. XFdtd ermöglicht diese Simulationen aufgrund der großen Speicherfunktion, die sehr große Berechnungen mit einem Speicherbedarf von über 60 GB ermöglicht, und der neuen MPI+GPU-Verarbeitungsfunktion, die mehrere leistungsstarke grafische Verarbeitungseinheiten in separaten Computern über ein Message Passing Interface miteinander verbindet.

In diesem Beispiel wird das Innere eines Verkehrsflugzeugs verwendet, um die Leistungsfähigkeit von XFdtd als Plattform zur Optimierung der Position von WiFi-Antennen zu demonstrieren, die zum Senden und Empfangen von Daten von jedem Sitzort aus bestimmt sind. Dieses Beispiel dient lediglich der Demonstration des Konzepts und beinhaltet keine spezifische WiFi-System oder Flugzeugkonfiguration. Aufgrund der großen Größe des Flugzeuginnenraums und der hohen Frequenz des WiFi-Systems ist diese Simulation gut für die großen Speicherfähigkeiten des XF geeignet.

Der Flugzeugabschnitt ist in Figur 1 als CAD-Modell dargestellt, wobei die Außenhaut des Flugzeugs nicht zur besseren Übersichtlichkeit dargestellt ist. Es wird davon ausgegangen, dass die Kabine vollständig in einer leitenden Box eingeschlossen ist, so dass kein Signal außerhalb des Flugzeugs abgestrahlt werden darf. In Abbildung 2 sind auch die Zeichnung der Decke, der Wände und Fenster des CAD-Modells deaktiviert, so dass die Anordnung der Innenplätze des Flugzeugs zu sehen ist. Das Flugzeugmodell ist etwa 4,7 x 25,5 x 2,8 Meter groß, was einem Kubikvolumen von knapp 200.000 Wellenlängen entspricht. Die WiFi-Antennen gelten als einfache Dipole und werden an zwei Positionen in der Nähe der Decke des Flugzeugs platziert, eine im vorderen Teil der Kabine und eine im Heck. Die Empfängerstandorte werden in einem 3 x 3 Raster von Dipolen an der Rückenlehnenposition jeder anderen Reihe der Ebene platziert, wie in Figur 3 dargestellt. Um die Ergänzung dieser insgesamt 405 Sensoren zu vereinfachen, wurde ein Skript geschrieben und ausgeführt. Die in dieser Simulation gespeicherten Daten umfassen die 405 Portpositionen und mehrere Ebenen der stationären elektrischen Feldgrößen in kritischen Bereichen der Kabine.

Abbildung 1

Dreidimensionale CAD-Ansicht der Flugzeugkabine mit teilweise entfernten Außenflächen.

Abbildung 2

CAD-Ansicht der Flugzeugkabine nach dem Entfernen der Decken, Wände, Fenster und Kofferräume.

 

Abbildung 3

Das 3x3 Raster der als Dipole definierten Sensorpositionen wird hinter einer der Positionen der Rückenlehne dargestellt. Die Sensorgitter befinden sich hinter den Sitzen in jeder zweiten Reihe der Kabine für die ersten drei Sitzreihen.

 

Die erste Simulation ist mit einer leeren Kabine, die nur die Sitze, Gepäckräume und andere interne Merkmale des Flugzeugs enthält. Die Simulation liefert eine Grundlage für die Feldausbreitung im gesamten Flugzeug und wird verwendet, um die Auswirkungen des Hinzufügens von Passagieren zu den Sitzen zu messen. In der zweiten Simulation wird ein großer männlicher Passagier, der mit dem Softwareprodukt VariPose von Remcom erstellt wurde, auf jedem Platz im Flugzeug platziert. Der Beifahrer wird in sitzender Haltung mit ausgefahrenen Armen positioniert, als ob er über einen Laptop schwebt, der sich auf dem Tabletttisch des Sitzes befindet. Eine Nahaufnahme eines Fahrgastes ist in Abbildung 4 dargestellt, während eine Ansicht der gesamten gefüllten Kabine in Abbildung 5 dargestellt ist. In Abbildung 6 ist eine Seitenansicht der Kabine mit den beiden Senderstandorten in Deckennähe und den Empfängerstandorten in den rot dargestellten Sitzlehnen dargestellt. Sensordaten wurden aus Symmetriegründen nur für die linke Seite des Flugzeugs gespeichert.

Abbildung 4

Dreidimensionale Ansicht der Flugzeugkabine mit einigen der positionierten VariPose Männer in den Sitzen. Alle Sitze im Flugzeug mit Ausnahme der ersten und letzten Reihe sind mit den Männern besetzt.

Abbildung 5

Gesamtansicht der Kabine mit den Männern in den Sitzen.

 

Abbildung 6

In dieser Seitenansicht werden die Männer in den Sitzen positioniert und die Sensorarrays, die zur Erfassung der S-Parameterdaten verwendet werden, als rote Ovale dargestellt. Die beiden Sendeantennen befinden sich in Deckenhöhe.

 

Die Simulationen werden bei 2,5 GHz mit einer FDTD-Maschengröße von 5 mm Würfeln durchgeführt. Aufgrund der großen Größe der Flugzeugkabine benötigen diese Simulationen 94 GB Speicherplatz und enthielten etwa 2,84 Milliarden Unbekannte. Sie wurden mit der MPI+GPU-Funktion von XFdtd auf 24 NVIDIA M2090 Grafikkarten durchgeführt, die sich im NVIDIA PSG Cluster befinden und mit freundlicher Genehmigung der NVIDIA Corporation erstellt wurden. Jede Simulation wurde über 30.000 Mal wiederholt und dauerte etwa 1 Stunde und 43 Minuten.

Im Anschluss an die Simulationen steht die stationäre elektrische Feldverteilung durch mehrere Probenebenen in der Kabine zur Betrachtung zur Verfügung. In Figur 7 sind die elektrischen Feldgrößen durch die Mitte des Gangsitzes (vertikal) und durch die Kopfstütze (horizontal) für das leere Flugzeug dargestellt. Die Farbskala reicht von einem rot markierten Spitzenwert bei 0 dB bis hinunter zu -70 dB bei Schwarz. Die Felder in der leeren Kabine geben den Signalpegel im Bereich von 0 bis -30 dB für einen Großteil des Raumes an. In Abbildung 8 sind die gleichen Flugzeuge aus Abbildung 7 für die Flugzeugkabine mit den Männern auf den Sitzen dargestellt. Hier werden die Feldpegel reduziert und es gibt Stellen, an denen das Feld unter -50 dB vom Peak fällt.

Abbildung 7

Diese Abbildung zeigt die stationären elektrischen Feldgrößen in der Kabine, wenn der vordere Sender bei 2,5 GHz aktiv ist. Die dargestellten Felder befinden sich in der Ebene der Mitte des Gangsitzes vertikal und durch die Mitte des 3x3-Sensorgitters horizontal. Die Felder zeigen die Signalstärke im Bereich von 0 bis -30 dB vom Peak abwärts.

Abbildung 8

Diese Abbildung zeigt die gleichen planaren stationären Feldpositionen wie in Abbildung 7, jedoch hier für die Kabine mit den Männern auf den Sitzen. Hier sind die Feldpegel im Bereich von -50 bis -10 dB vom Peak her niedriger.

 

Der S-Parameter SN,1 für die Probenorte wird ebenfalls berechnet. In diesem Fall befinden sich die für das in Abbildung 9 dargestellte Diagramm ausgewählten Positionen im mittleren Abtastpunkt des 3x3-Rasters für jede Reihe von vorne nach hinten in der Kabine. Die Diagramme zeigen, dass die Übertragungspegel für das leere Flugzeug relativ flach sind und hauptsächlich um -40 dB variieren. Im Gegensatz dazu zeigt das volle Flugzeug mit Passagieren in den in Abbildung 10 dargestellten Sitzen eine größere Variation der Signalpegel mit einem deutlichen Signalabfall nach hinten in der Kabine.

Abbildung 9

Dieses Diagramm zeigt den übertragenen S-Parameter SN,1 für die Sensorposition in der Mitte des 3x3-Stichprobenrasters als Funktion der Reihe in der Ebene von vorne nach hinten für das leere Flugzeug.

Abbildung 10

Dieses Diagramm zeigt den übertragenen S-Parameter SN,1 für die Sensorposition in der Mitte des 3x3-Abtastrasters in Abhängigkeit von der Reihe in der Ebene von vorne nach hinten mit den von den Männern besetzten Sitzen.

 

Die hier gezeigten Simulationen könnten durch die Einführung besserer Antennenmodelle, anderer Frequenzen, unterschiedlicher Sitzkonfigurationen und mehr stark erweitert werden. Dieses Beispiel stellt lediglich eine mögliche Simulation dar, die durch den großen Speicher und die schnellen Verarbeitungsmöglichkeiten ermöglicht wird, die mit XFdtd Release 7.3.1 eingeführt wurden.