Análisis de la propagación WiFi en el interior de aeronaves utilizando la tecnología MPI + GPU

El acceso WiFi en vuelo es una característica que se está introduciendo en muchos vuelos comerciales para aumentar la satisfacción del cliente. Sin embargo, debido al complejo entorno de cabina con diferentes tamaños de pasajeros y diseños de asientos, es posible que se produzca una recepción de señal deficiente. Recientemente se realizó un estudio experimental donde se utilizaron sacos de patatas para simular pasajeros en un avión en un intento de eliminar áreas de baja señal. Simular estos problemas en computadoras con métodos de ondas completas era virtualmente imposible en el pasado debido al gran tamaño de la cabina del avión y las altas frecuencias implicadas. XFdtd hace estas simulaciones posibles debido a la gran función de memoria que permite cálculos muy grandes que requieren más de 60 GB de memoria, y la nueva función de procesamiento de GPU MPI + que vincula múltiples unidades de procesamiento gráfico de alto rendimiento en diferentes equipo a través de una interfaz de paso de mensajes.

En este ejemplo, el interior de un avión comercial se utiliza para demostrar la capacidad de XFdtd como una plataforma para optimizar la ubicación de las antenas WiFi destinadas a transmitir y recibir datos de cada ubicación del asiento. Este ejemplo está pensado simplemente para demostrar el concepto y no se implica ninguna configuración específica del sistema WiFi o de la aeronave. Debido al gran tamaño del interior de la aeronave y a la alta frecuencia del sistema WiFi, esta simulación es muy adecuada para las grandes capacidades de memoria del XF.

La sección de aeronaves se muestra como un modelo CAD en la figura 1 con la piel exterior de la aeronave no mostrada para mayor claridad. Se presume que la cabina está completamente encerrada dentro de una caja de dirección, por lo que no se permite que la señal irradie fuera de la aeronave. En la figura 2, el dibujo del techo, las paredes y las ventanas del modelo CAD también están desactivados, por lo que se puede ver la disposición interior de los asientos de la aeronave. El modelo de avión es de aproximadamente 4,7 x 25,5 x 2,8 metros de tamaño que representa un volumen cúbico de apenas menos de 200.000 longitudes de onda. Las antenas WiFi se consideran como dipolos simples y se eligen para ubicarse en dos posiciones cerca del techo de la aeronave; uno en la parte delantera de la cabina y uno a la parte trasera. Las ubicaciones del receptor se colocan en una cuadrícula de 3 x 3 de dipolos en la ubicación posterior del asiento de cada otra fila del plano, como se muestra en la figura 3. Para simplificar la adición de estos sensores, 405 en total, se escribió y ejecutó un script. Los datos almacenados en esta simulación incluyen las ubicaciones de los puertos 405 y varios planos de las magnitudes de campo eléctrico de estado estacionario en áreas críticas de la cabina.

Figura 1

Vista tridimensional del CAD de la cabina del avión con algunas superficies exteriores quitadas.

Figura 2

Vista CAD de la cabina de avión después de que los techos, paredes, ventanas y compartimentos de equipaje se han eliminado.

 

Figura 3

La cuadrícula de 3x3 de las ubicaciones de los sensores definida como dipolos se muestra detrás de una de las ubicaciones de respaldo del asiento. Las rejillas del sensor se encuentran detrás de los asientos en cada otra fila de la cabina para las primeras tres columnas de asientos.

 

La primera simulación es con una cabina vacía que contiene sólo los asientos, compartimentos de equipaje y otras características internas de la aeronave. La simulación proporciona una línea de base para la propagación de campo en toda la aeronave y se utilizará para medir el impacto de la adición de pasajeros a los asientos. En la segunda simulación, un gran pasajero macho creado utilizando el producto de software VariPose de RemCom se coloca en cada asiento de la aeronave. El pasajero se coloca en una postura sentada con los brazos extendidos como si se cierne sobre un ordenador portátil ubicado en la mesa de la bandeja del asiento. Una vista de primer plano de un pasajero se muestra en la figura 4, mientras que una vista de toda la cabina llena se muestra en la figura 5. En la figura 6 se muestra una vista lateral de la cabina con las dos ubicaciones del transmisor cerca del techo y las ubicaciones del receptor en las partes traseras del asiento mostradas en rojo. Los datos del sensor se guardaron sólo para el lado izquierdo de la aeronave debido a la simetría.

Figura 4

Vista tridimensional de la cabina del avión con algunos de los hombres posicionados VariPose en los asientos. Todos los asientos del avión, excepto la primera y la última fila, tienen a los hombres sentados en ellos.

Figura 5

Vista general de la cabaña con los hombres colocados en los asientos.

 

Figura 6

En esta vista lateral, los hombres se muestran colocados en los asientos y los arrays de sensores utilizados para la recolección de los datos del parámetro S se muestran como óvalos rojos. Las dos antenas transmisoras están en el nivel del techo.

 

Las simulaciones se realizan a 2,5 GHz utilizando un tamaño de malla FDTD de cubos de 5 mm. Debido al gran tamaño de la cabina de avión, estas simulaciones requieren 94 GB de memoria y contenían aproximadamente 2,84 mil millones desconocidos. Se realizaron utilizando la función MPI + GPU de XFdtd en 24 tarjetas GPU NVIDIA M2090 ubicadas en el cluster NVIDIA PSG proporcionadas por cortesía de la NVIDIA Corporation. Cada simulación se ejecuto durante 30.000 iteraciones de tiempo y tardó aproximadamente 1 hora, 43 minutos.

Después de las simulaciones, la distribución del campo eléctrico de estado estacionario a través de varios planos de muestra en la cabina están disponibles para su visualización. En la figura 7, el campo eléctrico magnitudes a través del centro del asiento del pasillo (verticalmente) y a través del reposacabezas (horizontalmente) se muestran para el avión vacío. La escala de color va desde un valor pico mostrado en rojo a 0 dB hasta-70 dB mostrado en negro. Los campos de la cabina vacía dan nivel de señal en el rango de 0 a-30 dB para gran parte del espacio. En la figura 8, los mismos planos de la figura 7 se muestran para la cabina del avión con los hombres en los asientos. Aquí los niveles de campo se reducen y hay lugares donde el campo está cayendo por debajo de-50 dB abajo desde el pico.

Figura 7

Esta figura muestra las magnitudes de campo eléctrico de estado estacionario en la cabina cuando el transmisor frontal está activo a 2,5 GHz. Los campos mostrados están en el plano del centro del asiento del pasillo verticalmente y a través del centro de la rejilla del sensor 3x3 horizontalmente. Los campos muestran la intensidad de la señal en el nivel de 0 a-30 dB hacia abajo desde el pico.

Figura 8

Esta figura muestra las mismas ubicaciones planas de campo de estado estacionario que la figura 7, pero aquí para la cabina con los hombres en los asientos. Aquí los niveles del campo son más bajos en-50 a-10 dB gama abajo del pico.

 

El S-parámetro SN, 1 para las localizaciones de la muestra también se computa. En este caso, las ubicaciones seleccionadas para la gráfica mostrada en la figura 9 se encuentran en el punto de muestra central de la cuadrícula 3x3 para cada fila desde adelante hacia atrás en la cabina. Las parcelas muestran que los niveles de transmisión para el avión vacío son relativamente planos con variación principalmente alrededor de-40 dB. En cambio, el avión completo con pasajeros en los asientos mostrados en la figura 10 muestra una mayor variación en los niveles de señal con una caída definida en la señal hacia la parte posterior de la cabina.

Figura 9

Esta gráfica muestra el SN del parámetro S transmitido, 1 para la ubicación del sensor en el centro de la cuadrícula de muestreo 3x3 como una función de la fila en el plano de adelante hacia atrás para el avión vacío.

Figura 10

Esta gráfica muestra el SN del parámetro S transmitido, 1 para la ubicación del sensor en el centro de la cuadrícula de muestreo 3x3 como una función de la fila en el plano de adelante hacia atrás con los asientos ocupados por los hombres.

 

Las simulaciones mostradas aquí podrían ampliarse enormemente introduciendo modelos de antenas mejores, otras frecuencias, diferentes configuraciones de asientos y más. Este ejemplo simplemente presenta una posible simulación que es posible gracias a la gran memoria y a las capacidades de procesamiento rápido introducidas en la versión 7.3.1 de XFdtd.