UN NOUVEAU MODELE DE PROPAGATION BASE SUR UNE RAYTRACING 3D RAPIDE

UN NOUVEAU MODELE DE PROPAGATION BASE SUR UNE RAYTRACING 3D RAPIDE

Jean-François Legendre(1), Olivier Gesny(1), Jean-Christophe Bayetto(1),Laurent Roger(2)

(1)SILICOM Région Ouest, 4 rue de Jouanet 35700 Rennes, FRANCEEmail: [email protected]

(2)DGA, Centre d’Electronique de l’Armement, BP 7419, 35174 Bruz Cedex, FRANCEEmail: [email protected]

RESUME

Compte-tenu de l’essort des systèmes de communications cellulaires (UMTS, GSM, WiFi, Bluetooth), la prédiction de la propagation électromagnétique devient un enjeu stratégique et un sujet de recherche important. Afin d’obtenir des simulations précises et rapides du champ rayonné, SILICOM a développé le logiciel SLC(note), qui repose sur un raytracing 3D couplé avec les théories GO/UTD [1]. Ce document décrit notre solution qui est illustrée par une étude sur un hotspot WiFi.

Mots-Clés : propagation, raytracing, grille de voxels, WiFi

1 INTRODUCTION

SLC est un code de calcul disposant de modèles de propagation innovants qui permettent de traiter différents modes de propagation, comme le montre la Figure 1. :

Figure 1. Les quatre modèles de propagation intégrés dans le logiciel SLC

(note) Ce projet a été financé par la DGA (CELAR).

ECPS 2005 Conference, 15-18 March 2005, BREST, FRANCE

V

Emetteur Récepteur

Source de tension LISN

(mesure de courant)

1

2 4

3

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Afin de calculer le mode principal (mode 1 : ondes rayonnées se propageant entre deux antennes), nous utilisons un raytracing 3D et la méthode UTD. La principale application est la planification des systèmes de communications cellulaires.

SLC peut aussi traiter les modes de propagation par couplage et par conduction le long de câbles (modes 2 et 3), ainsi que le rayonnement des sources de courant induites (mode 4 en utilisant le modèle raytracing). Ces modes sont utilisés pour des applications dans le domaine de la CEM (dans les véhicules, les bateaux …) ou pour traiter des câbles rayonnants. Pour évaluer ces modes, notre raytracing est couplé (hybridation) à une méthode des moments filaire.

2 NOTRE APPROCHE

2.1 IntroductionIl est reconnu que les modèles de propagation basés sur des raytracing ont des temps de calculs importants si l’on souhaite traiter des très grandes zones urbaines ou des scénarii de type indoor. L’Université de Stuggart a mis au point un modèle rapide en supposant une scène décrite par un ensemble de faces rectangulaires verticales [2].

A partir des principes de ce travail, SILICOM a développé son propre modèle où la géométrie est complétement décrite par des faces triangulaires 3D. Ceci permet de modéliser tout type de scène (i.e. building, véhicules, bateaux …) sans avoir besoin d’une mémoire RAM importante nécessaire pour charger des DTM/DEM au format raster.

2.2 Utilisation de grilles de voxels hiérarchiquesL’une des améliorations importante de notre approche est l’introduction de concepts issus du domaine du traitement d’images synthétiques, comme les grilles de voxels hiérarchiques illustrées par la Figure 2. Ce pré-traitement améliore le temps de calcul de la procédure principale d’un raytracing : le calcul d’intersection d’un trajet avec la scène 3D.

Ce pré-traitement vise à sélectionner au préalable l’ensemble des facettes 3D interceptées par un rayon. Chaque voxel de cette grille contient la référence des facettes 3D. Ces voxels sont remplis en appliquant la technique de la ligne incrémentale et du remplissage de polygone 2D. Le choix de la résolution L d’un voxel est très important. Si L est trop grande, un voxel peut contenir une grande partie de la scène 3D et la méthode devient inefficace. Si L est trop petite, le stockage des facettes 3D demande beaucoup de mémoire et le temps de calcul des intersections est dégradé. En supposant une distribution uniforme des N facettes sur une surface totale S, SLC calcule dynamiquement la valeur optimale de L=0.5(S/N).

Cependant, lorsqu'un bâtiment très détaillé (avec des murs intérieurs, des objets …) est inclus dans la scène 3D (pour des applications outdoor/indoor), une grille de voxels unique n’est pas efficace. SILICOM a implémenté des grilles de voxels hiérarchiques [3] avec chacune différentes résolutions : typiquement, une grille pour le modèle numérique de terrain (MNT), une autre grille pour un bâtiment, etc.


Figure 2. Grilles de voxels hiérarchiques et méthode de la ligne incrémentale (en gris)

Les tests d’intersection du trajet (A,B) avec l’environnement implique trois étapes :

1. SLC vérifie si cette ligne traverse les bords de la grille avec l’algorithme « Liang Barsky parametric line-clipping ».

2. SLC génère la ligne incrémentale des voxels depuis le point A vers le point B pour récupérer l’ensemble des facettes 3D pouvant être intersectées par le trajet (A,B).

3. Enfin, le test d’intersection géométrique est réalisé sur cet ensemble de facettes.

Ce pré-traitement permet de gérer des scènes 3D complexes qui peuvent représenter quelques millions de facettes. La Figure 3. (en haut) montre une scène réelle avec trois niveaux de détails : outdoor, indoor (les murs intérieurs sont produits à partir des plans d’architecte sous IntelliCAD©) et les objets (PC, table, chaise … construits avec une librairie d’objets CAO). La Figure 3. (en bas) représente la grille de voxels correspondante ; une zone « rouge » s’il existe beaucoup de facettes en cet endroit, la zone devient « bleue » si le voxel est vide.


sol

bâtiment

L = résolution

A

B

arbres

mjgokfdoiuepotiupoeiuposjfspoçdspispoispofispoipodpreo

Figure 3. Modèle géométrique avec trois niveaux de détails et la grille de voxels du niveau 1


Niveau 1 : DEM / outdoor

Niveau 2 : indoor

Niveau 3 : objets

2.3 Principes du raytracingLa première étape de notre raytracing repose sur un pré-traitement de la base de données. Les rayons sont lancés depuis l’émetteur en direction du centre d’une facette (pour le calcul de réflexion) et vers le centre des trois bords (pour le calcul de diffraction).

Figure 4. Principes du raytracing

Pour chaque facette, l’image de l’émetteur est calculée et le faisceau 3D, formé par ce point et la facette, est stocké dans une grille de voxels dédiée (construite en projetant chaque faisceau dans le plan XY, comme son ombre avec le soleil au zenith). Pour un calcul de réflexion double, il suffit seulement de tester si le centre de la seconde facette repose dans un voxel contenant le faisceau ; ensuite, on calcule l’intersection [4] entre l’image précédente et le nouveau centre. Cette grille de voxels dédiée évite de tester tous les faisceaux (avec le test de la sphère). La Figure 5. montre un exemple de grille où une zone rouge contient un grand nombre de faisceaux, une zone bleue est pratiquement vide.

La technique est similaire pour la diffraction ; le cône de Keller est stocké dans la grille de voxels.

Pour les modèles indoor ou mixtes, la transmission à travers les murs est prise en compte.

Figure 5. Le faisceau de réflexion et la grille de voxels associée


Position de l’émetteur

Position du récepteur

Image

Facette

Facette virtuelle

Faisceau de réflexion

=voxel où la réflexion et possible

Récepteur(étape dynamique)

Emetteur(étape de pré-traitement statique)

Aucuneréflexion

80 m

Pour chaque position du récepteur, la phase de prédiction consiste à déterminer la capture des rayons diffractés ou réfléchis à partir de la technique des voxels. L’amplitude, la phase, et le retard de chaque rayon sont ensuite calculés avec les coefficients GO/UTD. Ils dépendent notamment des caractéristiques diélectriques du matériau stockés dans les attributs de chaque facette.

2.4 ValidationPour valider notre approche décrite précédemment, une campagne de mesure a été réalisée sur la zone de la Figure 3. en utilisant des sources large bande (de 10 à 1000 MHz) ; les deux antennes sont des antennes discone ARA. L’émetteur est placé à l’intérieur d’un bureau (où nous avons décrit complètement l’ensemble des objets, Figure 6). La hauteur du récepteur est de 1.5 m et il se situe à l’extérieur à environ 80 mètres du bureau (Figure 5.).

Notre modèle prend en compte les variations diélectriques des matériaux et du gain des antennes en fonction de la fréquence. La Figure 6. montre la puissance reçue pour une position du récepteur. Ceci illustre la bonne adéquation entre les mesures et les simulations sur une large bande de fréquences.

(source : Ondim-CELAR)

Figure 6. Validation du modèle et champ simulé à l’intérieur du bureau

2.5 Analyse inter/intra systèmesLes interférences intra-système concernent les perturbations générées par le même système (typiquement, les interférences co-canal ou canal adjacent). Les interférences inter-système peuvent se produire avec plusieurs systèmes différents partageant une même bande de fréquences. Pour évaluer précisément le niveau de C/I, la puissance reçue (en dBm) est corrigée en appliquant une perte additionnelle, appelée FDR [5] - Frequency Dependent Rejection. Ce facteur prend en compte le spectre d’émission P(f), la sélectivité du récepteur H(f) et le décalage fréquentiel f = ft-fr entre l’émetteur et le récepteur (par exemple, pour les études WiFi, on a f=25 MHz).


(1)

3 ETUDE WIFI

De nouveaux modules ont été intégrés dans le logiciel SLC pour prédire les couvertures WiFi. Lorsque le champ reçu est supérieur à un seuil, la connexion WiFi est possible ; le débit maximum est alors évalué connaissant le niveau de C/I et les caractéristiques du matériel. La table 1 donne le débit maximum avec une carte Orinoco ; il dépend du niveau du signal C et du niveau d’interférence C/I :

Débits Valeur C recommandée

Valeur C/I recommandée

11 Mbps -82 dBm 16 dB5.5 Mbps -87 dBm 11 dB2 Mbps -91 dBm 7 dB1 Mbps -94 dBm 5 dB

Table. 1. Orinoco PCMCIA Silver/Gold

En janvier 2004, SILICOM a réalisé la planification complète du hotspot “Palais des Festivals” de Cannes. Nos résultats ont permis de réduire le nombre de points d’accès nécessaires (pour un seuil de couverture spécifié) de 52 à 40.


C (dBm)

Best AP

C/I (dB)

Rate (Mbps)

Palais des festivals (Cannes)

3D model

Figure 7. Résultats de la planification sur le « Palais des festivals » de Cannes


Dans un premier temps, les points d’accès sont disposés dans le bâtiment en appliquant des régles d’ingénierie indoor (utilisation des symétries géométriques, des effets de masques …). Une fois que le seuil de couverture est atteint (-78 dBm pour 90 % de la zone, Figure 6.), l’allocation des canaux est réalisée (Figure 8.) en se basant sur un motif indoor 1x3 (les canaux 1, 6 et 11 sont employés en indoor, et les canaux 10 et 12 sont réservés pour la couverture en extérieur). Le calcul des interférences C/I prend en compte la FDR avec le spectre WiFi de la Figure 9. Avec l’hypothèse d’une carte Orinoco (Table. 1.), nous avons obtenu enfin la couverture du débit maximum sur la zone.

Figure 8. Allocation des canaux WiFi Figure 9. Spectre WiFi

4 CONCLUSION

Nous avons présenté dans ce document un modèle de propagation déterministe s’appliquant aux zones outdoor et indoor. Ce modèle repose sur un raytracing optimisé par le concept de grille de voxels. Ce modèle de propagation est utilisé couramment par les ingénieurs SILICOM pour des applications militaires et civiles, notamment les besoins en couverture WiFi. A partir des plans de la zone, le modèle numérique de terrain est construit. On peut ensuite calculer la couverture WiFi et optimiser les nombres de points d’accès nécessaires.

5 REFERENCES

[1] J.F. Legendre, « Etude de modèles de prédiction de la propagation basés sur la théorie géométrique de la diffraction », Thèse, INSA, Rennes, 18 janvier 1995

[2] G. Wölfle, R. Hoppe, and F. M. Landstorfer, «A Fast and Enhanced Ray Optical Propagation Model for Indoor and Urban Scenarios, Based on an Intelligent Preprocessing of the Database», 10th IEEE Internat. Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC) 1999, Sept. 1999, Osaka, Japan F5-3

[3] P. Slusallek, « Computer graphics – RayTracing II », Universität des Saarlandes, 2003[4] D. Sunday, « Intersections of Rays and Segments with Triangles in 3D », mai 2001[5] « FDR PROGRAM », « National Telecommunications and Information Administration »,

www.ntiacsd.ntia.doc.gov/msam/FDR/


0 dB

-30 dB

-50 dB

44 MHz

22 MHz

25 MHz

C1 C6 C11

http://www.ntiacsd.ntia.doc.gov/msam/FDR/

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