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 presenta a 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 mala recepción de la señal. Recientemente se realizó un estudio experimentalmente donde se utilizaron sacos de patatas para simular pasajeros en un avión en un intento de eliminar las áreas de baja señal. La simulación de estos problemas en los ordenadores con métodos de onda completa era prácticamente imposible en el pasado debido al gran tamaño de la cabina del avión y las altas frecuencias involucradas. XFdtd hace posible estas simulaciones debido a la gran característica 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 varias unidades de procesamiento gráfico de alto rendimiento en diferentes equipos juntos 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 pretende simplemente demostrar el concepto y no se implica ningún sistema WiFi específico o configuración de aeronaves. Debido al gran tamaño del interior del avión 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 conducción, por lo que no se permite que la señal se irradie fuera del avión. 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 del avión. El modelo de aeronave es de aproximadamente 4,7 x 25,5 x 2,8 metros de tamaño que representa un volumen cúbico de poco menos de 200.000 longitudes de onda. Las antenas WiFi se consideran como simples dipolos y se eligen para estar ubicadas en dos posiciones cerca del techo de la aeronave; una en la parte delantera de la cabina y otra en la trasera. Las ubicaciones del receptor se colocan en una cuadrícula de 3 x 3 de dipolos en la ubicación de respaldo 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, un guión fue escrito y ejecutado. Los datos almacenados en esta simulación incluyen las ubicaciones de Puerto 405 y varios planos de las magnitudes de campo eléctrico de estado estacionario en áreas críticas de la cabina.

Figura 1

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

Figura 2

La vista de CAD de la cabina del avión después de los techos, las paredes, las ventanas y los compartimentos de equipaje han sido retirados.

 

Figura 3

La rejilla 3x3 de las ubicaciones del sensor definidas como dipolos se muestra detrás de uno de los lugares 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 todo el avión y se utilizará para medir el impacto de la adición de pasajeros a los asientos. En la segunda simulación, un gran pasajero masculino creado con 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 revoloteando sobre un ordenador portátil ubicado en la mesa de la bandeja del asiento. Una vista de cerca de un pasajero se muestra en la figura 4, mientras que una vista de toda la cabina rellena 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 los respaldos de los asientos mostrados 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 VariPose posicionados 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 cabina 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 recoger 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 del avión, estas simulaciones requieren 94 GB de memoria y contienen alrededor de 2,84 mil millones desconocidos. Se realizaron utilizando la función de GPU MPI + de XFdtd en 24 tarjetas GPU NVIDIA M2090 ubicadas en el cluster NVIDIA PSG proporcionado cortesía de NVIDIA Corporation. Cada simulación se ejecuto para 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 aviones de muestra en la cabina están disponibles para su visualización. En la figura 7, las magnitudes de campo eléctrico 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 de pico que se muestra en rojo a 0 dB hasta-70 dB se muestra 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, se muestran los mismos planos de la figura 7 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 hacia abajo desde el pico.

Figura 7

Esta figura muestra las magnitudes de campo eléctrico de estado estacionario en la cabina cuando el transmisor delantero 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 del campo de estado estacionario que la figura 7, pero aquí para la cabina con los hombres en los asientos. Aquí los niveles de campo son más bajos en el rango de-50 a-10 dB hacia abajo desde el pico.

 

También se calcula el parámetro S SN, 1 para las ubicaciones de ejemplo. En este caso, las ubicaciones seleccionadas para la gráfica mostrada en la figura 9 están en el punto central de la muestra de la cuadrícula de 3x3 para cada fila de adelante hacia atrás en la cabina. Las parcelas muestran que los niveles de transmisión de los aviones vacíos son relativamente planos, con variaciones principalmente alrededor de-40 dB. En contraste, 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 definitiva en la señal hacia la parte posterior de la cabina.

Figura 9

Esta gráfica muestra el parámetro S SN transmitido, 1 para la ubicación del sensor en el centro de la rejilla 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 parámetro S SN transmitido, 1 para la ubicación del sensor en el centro de la rejilla 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 mejores modelos de antenas, otras frecuencias, diferentes configuraciones de asientos y más. Este ejemplo simplemente presenta una posible simulación que es posible mediante la gran memoria y las capacidades de procesamiento rápido introducidas en XFdtd Release 7.3.1.