< Terug naar vorige pagina

Project

Computationeel efficiente mm-wave scatteringmodellen

Het gebruik van millimetergolf (mm-golf) frequentiebanden voor het vijfde generatie netwerk (5G) voor cellulaire mobiele communicatie heeft geleid tot een intense belangstelling van de academische wereld en de industrie voor dit deel van het spectrum. Deze onderbenutte frequentieband brengt een aanzienlijk aantal uitdagingen met zich mee in termen van voortplantingseffecten, antennesystemen, circuitontwerp, capaciteit voor 5G-netwerken, etc.. Binnen deze visie zijn de afgelopen tien jaar wereldwijd uitgebreide mm-wave radiokanaalmeetcampagnes uitgevoerd in verschillende omgevingen en op meerdere frequenties. Deze studies benadrukken het belang van verstrooiing bij mm-golven.

Blokkering en terugverstrooiing door objecten zijn twee relevante verstrooiingsverschijnselen bij mm-golven. Daarom moet het modelleren van deze verschijnselen worden overwogen om zinvolle systeem- en linkniveau-voorspellingen te kunnen maken. In de literatuur zijn er verschillende rekenkundig efficiënte alternatieven beschikbaar voor het berekenen van blokkering door rechthoekige schermen. Voor terugverstrooiing zijn er bestaande oplossingen die een vergelijkbare benadering volgen, maar die echter alleen accuraat zijn in het verre veld. Deze benaderingen zijn typisch op basis van de radardwarsdoorsnede (RCS).

Ten eerste worden in dit proefschrift twee driedimensionale (3D) computationeel efficiënte methoden voorgesteld voor het berekenen van terugverstrooiing van gladde rechthoekige oppervlakken op basis van de Fresnel-integralen en de foutfunctie. Bovendien worden, door dezelfde methodologie toe te passen, bestaande blokkeringsmodellen aangepast om terugverstrooide velden te beschrijven. Ten tweede wordt, na identificatie van de gelijkenis tussen de verschijnselen van blokkering en terugverstrooiing, een gecombineerd model voorgesteld voor het berekenen van zowel geblokkeerde als terugverstrooide velden door rechthoekige gladde oppervlakken. Ten derde wordt een meervoudig verstrooiingsmodel voorgesteld voor het berekenen van terugverstrooide velden als gevolg van opeenvolgende interacties met verschillende rechthoekige oppervlakken. Bovendien wordt het meervoudige verstrooiingsmodel later uitgebreid om enkelvoudige blokkering tussen terugverstrooiingsgebeurtenissen te kunnen beschrijven.

Ten vierde, en als laatste, zijn de modellen uitgebreid om de belangrijkste aspecten van 5G-en-verder mobiele communicatie te ondersteunen, zoals multiple-input multiple-output (MIMO) antennesystemen, polarisatie-effecten en niet-rechthoekige vormen.
Alle bovengenoemde modellen zijn uitvoerig gevalideerd, zowel aan de hand van simulaties als metingen door middel van een aanzienlijk aantal testcases. De numerieke convergentie naar fysieke optica (PO)-modellen toe wordt aangetoond.

De voorgestelde modellen kunnen worden gebruikt als aanvulling op meer gedetailleerde elektromagnetische (EM) modellen en bieden een eerste-orde benadering met minimale conceptuele en computationele complexiteit, waardoor ze gemakkelijk te implementeren zijn en ze kunnen worden gebruikt in verkennende studies, bijvoorbeeld in combinatie met optimalisatietools. Deze modellen zijn zeer geschikt zijn voor simulaties van binnen- of buitenscenario's waar snelle, efficiënte berekeningen essentieel zijn, bijvoorbeeld bij systeem- en linkniveau-simulaties van draadloze systemen, met name wanneer Monte Carlo-simulaties worden toegepast. Bij dergelijke problemen zijn doorgaans enorm veel grote objecten betrokken (in termen van golflengtes), wat rigoureuze EM-modellering onmogelijk of onbetaalbaar tijdrovend maakt.

Ook met een modellering via ray-tracing, waar het aantal potentiële paden exponentieel groeit voor diffuse en diffractie-achtige straalinteracties van hogere orde, zijn methodes om de computationele effort te verminderen van essentieel belang. Geïntegreerde benaderende, maar rekenkundig efficiënte, padverliesmodellen kunnen worden gebruikt om niet-bijdragende kandidaatpaden on-the-fly weg te werken. Deze modellen kunnen ook worden toegepast op oppervlakken die ofwel een reëel scenario vertegenwoordigen of worden gegenereerd worden op basis van verdelingen voor positie, grootte, oriëntatie, enz.

Datum:9 jan 2017 →  29 mrt 2021
Trefwoorden:Electromagnetic scattering, Electromagnetic propagation, Wireless communications
Disciplines:Antennes en propagatie, Draadloze communicatie, Signaalverwerking
Project type:PhD project