Napredno modeliranje radijskih kanalov z žarkovno-optičnimi in numeričnimi brezmrežnimi metodami

Nazaj na seznam za leto 2021

---

Oznaka in naziv projekta

J2-3048 Napredno modeliranje radijskih kanalov z žarkovno-optičnimi in numeričnimi brezmrežnimi metodami
J2-3048 Advanced modelling of radio channels using ray-optical and numerical meshless methods

Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev

Projektna skupina

Vodja projekta: dr. Tomaž Javornik (07109) - IJS

Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS

Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS

• dr. Roman Novak (12765) - IJS

• dr. Andrej Hrovat (26025) - IJS

• prof. dr. Aleš Švigelj (17167) - IJS

• dr. Gregor Kosec (28366) - IJS

• dr. Matjaž Depolli (26454) - IJS

• prof. dr. Mihael Mohorčič (15087) - IJS

• prof. dr. Boštjan Batagelj (18174) - FE

• dr. Peter Miklavčič (50655) - FE

• Aljaž Blatnik (50192) - FE

• dr. Tomi Mlinar (36309) - FE

Institut "Jožef Stefan", Odsek za komunikacijske sisteme (0106-004), (IJS)

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Laboratorij za sevanje in optiko, (1538-018), (FE)

Vsebinski opis projekta

Vsestransko razumevanje širjenja radijskih valov je ključnega pomena za nadaljnji razvoj in načrtovanje brezžičnih telekomunikacijskih omrežij. V brezžičnih telekomunikacijskih omrežjih je razdalja med sprejemnikom in oddajnikom mnogo večja od valovne dolžine radijskega signala, hkrati pa je valovna dolžina signala bistveno manjša od velikosti objektov med oddajnikom in sprejemnikom, zato lahko radijsko valovanje ponazorimo z radijskim žarkom, širjenje radijskega valovanja v prostoru pa ocenimo z metodo sledenja žarkom. Vendar deterministično sledenje žarkom upošteva le podmnožico faktorjev realnega okolja in v sedanji obliki ne zagotavljajo najbolj primernega modeliranja radijskega kanala za bodoče brezžične komunikacijske sisteme. Z rastjo računske moči sodobnih računalniških sistemov se odpira vprašanje, ali lahko za bolj natančno modeliranje radijskih kanalov uporabimo numerično reševanje temeljnih Maxwellovih enačb, ki se trenutno uporabljajo le na problemih, kjer dimenzije računske domene ne presegajo nekaj sto valovnih dolžin.

V projektu tako preučujemo metode in pristope za modeliranje širjenja radijskega signala na frekvencah, ki so predvidene za prihajajoče mobilne komunikacijske sisteme. Osnovni cilj projekta je raziskati načine prilagoditve numeričnih metod reševanja Maxwellovih enačb za njihovo uporabo v električno velikih problemih in povečanje natančnosti determinističnih metod, na primer metodo sledenja žarkom, za modeliranje radijskih kanalov na frekvenčnih področjih naslednje generacije mobilni radijskih sistemov. Raziskali bomo načine premoščanja enormnih časovnih zahtev tako numeričnih metod kot tudi tehnik sledenja žarkom pri še sprejemljivi natančnosti modeliranja razširjanja radijskih signalov. Pozornost bomo usmerili tudi v ustrezen opis geometrije okolij z veliko detajli in raznovrstnimi materiali. Rezultate modeliranja radijskega okolja bomo preverili z meritvami ter izbrane metode vključili v programsko rešitev za izračun nivoja radijskega valovanja v notranjih prostorih Signal3D.

Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.

Delovni sklopi projekta:

Sklop S1 - Brezmrežne metode reševanja diferencialnih enačb za izračun širjenja radijskih signalov

• Aktivnost A1.1 - Prilagoditev splošne brezmrežne metode na specifični telekomunikacijski problem pokritja signala v še izvedljivem velikostnem redu v časovni in/ali frekvenčni domeni (M1 - M24)

• Aktivnost A1.2 - Razširitev lastnega geometrijsko-optičnega simulacijskega orodja Signal3D za račun širjenja valovanja v zaprtih prostorih z izbrano numerično metodo (M19 - M30)

Sklop S2 - Tehnike sledenja žarkom za modeliranje razširjanja radijskega signala v razgibanih geometrijah

• Aktivnost A2.1 - Prilagoditev tehnik sledenja žarkom na mrežni opis okolij (M1 - M24)

• Aktivnost A2.2 - Primerjalna analiza in ovrednotenje kompromisov med numeričnimi in žarkovnimi metodami (M25 – M36)

Sklop S3 - Zajem mrežnih opisov razgibanih okolij in izvedba meritev

• Aktivnost A3.1 - Zajem geometrijskih opisov razgibanih okolij z natančnostjo pod valovno dolžino (M1-M18)

• Aktivnost A3.2 - Izvedba meritev v realnih scenarijih ter formalizacija in dopolnitev obstoječe zbirke radijskih eksperimentalnih podatkov (M7-M24)

• Aktivnost A3.3 - Ovrednotenje učinkovitosti in primerjava predlaganih metod z meritvami (M13-M36)

Mejniki projekta in opis njihove realizacije

• MS1 - Opis geometrije prostora in prilagoditve opisa numeričnim metodam in metodam sledenja žarkom (M18)

• MS2 - Prilagoditev numeričnih metod (M24)

• MS3 - Izboljšanje metod sledenja žarkom (M24)

• MS4 - Meritve radijskega kanala za izbrana radijska okolja (M24)

• MS5 - Evaluacija predlaganih metod v smislu hitrosti in natančnosti izračuna (M36)

Cilji projekta in opis njihove realizacije

Cilj 1: Prilagoditev numerične brezmrežne metode za modeliranje razširjanja radijskega valovanja za območje pokrivanja in frekvenčna področja predvidena za sedanje in bodoče radijske komunikacijske sisteme.

Razširjanje elektromagnetnega valovanja v prostoru natančno opišejo Maxwellove enačbe. Že vrsto let njihovo numerično reševanje predstavlja osnovni pristop pri določanju elektromagnetnega valovanja v prostoru velikem nekaj deset valovnih dolžin elektromagnetnega valovanja. Zaradi računske kompleksnosti metode niso primerne za reševanje klasičnih telekomunikacijskih problemov, kjer nas zanima razširjanje elektromagnetnega valovanja na področju nekaj deset tisoč valovnih dolžin. S pojavom zmogljivih računalnikov in novih numeričnih metod, kot so brezmrežne metode, se odpirajo možnosti ocene električnega polja z numeričnim reševanjem Maxwellovih enačb. V začetni fazi projekta smo podrobno analizirali probleme, ki se tipično pojavijo pri reševanju Maxwellovih enačb, kot so numerična disperzija, stabilnost metode ipd. ter se spoznali z najbolj razširjeno metodo za oceno elektromagnetnega valovanja – metodo končnih diferenc v časovni domeni (FDTD), njenimi prednostmi in slabostmi. Ko smo ozadje problema dodobra spoznali, smo se v naslednjem koraku lotili iskanja primernih metod za brezmrežno reševanje Maxwellovih enačb MIPRO-2022a in MIPRO-2022b. Za začetek preverjamo tako imenovano “upwind” shemo, ki je obetavna za ta tip enačb, saj je že v sami metodi upoštevana valovna narava elektromagnetnega valovanja.

Cilj 2: Nadgradnja metode sledenja radijskim žarkom za modeliranje razširjanja radijskega valovanja za okolja z razgibano geometrijo in frekvenčna področja predvidena za sedanje in bodoče radijske komunikacijske sisteme.

Sledenje radijskim žarkom je najpogosteje uporabljena deterministična metoda za modeliranje razširjanja radijskega valovanja v zaprtih prostorih. Temelji na principih geometrijske optike, kjer je planarni radijski val (valovna fronta) predstavljen z radijskim žarkom. Sledenje radijskim žarkom omogoča izračun naprednih karakteristik radijskega kanala, kot so razpršitev zakasnitve in izračun vpadnih kotov sprejetih radijskih žarkov. Metoda slik in pošiljanje žarkov sta osnovna pristopa, ki se uporabljata v algoritmih za sledenje radijskim žarkom. Ker se metoda pošiljanja žarkov uporablja tudi v računalniški grafiki, kjer že razvita in preizkušena programska in strojna oprema omogočata zavidljivo stopnje pohitritve, se omenjeni pristop vse bolj uporablja tudi pri sledenju radijskim žarkom.

Metoda pošiljanja žarkov zahteve uporabo sprejemne sfere, katere središče je lokacija sprejemnika. Žarki, ki sekajo sprejemno sfero prispevajo k nivoju sprejetega signala. Velikost sprejemne sfere je odvisna od dolžine poti žarka, kar pomeni, da moramo v primeru odbitih, razpršenih in lomljenih radijskih žarkov na mestu enega sprejemnika uporabiti več različnih velikosti sprejemnih sfer. Vse velikosti sprejemnih sfer, katerih radij je večji od nič vnašajo v oceno nivoja sprejetega radijskega signala sistematske napake. Zato smo v IEEEAccess identificirali vrsto sistemskih napak, ki nastopijo pri uporabi metod pošiljanja žarkov. Analiza je opravljena v pravokotnem predoru, ki omogoča eksaktno ovrednotenje napak. Napake se sicer pojavijo tudi v splošnejših scenarijih, a so težko prepoznavne zaradi prisotnosti drugih virov napak. Poleg napak zaradi dvojnega štetja radijskega žarka in napake zaradi nenatančne poti žarka smo odkrili še napako nekonsistentnih radijskih žarkov. Ugotovili smo, da napako zaradi nenatančne poti žarka zmanjšamo s povečanjem gostote poslanih žarkov, napako dvojnega štetja z metodami na osnovi karakterističnih zaporedij ali Bloomovih filtrov in napako nekonsistentnih radijskih žarkov z integracijo slik v metodo za odpravljanje dvojnega štetja. Zaradi preostale napake nenatančnih poti in napak zaokrožanja je sledenje žarkom, ki temelji na pošiljanju žarkov oziroma grobi sili v predorih primerno le za frekvence višje od 1 GHz.

Metode sledenja radijskim žarkom zahtevajo podroben opis radijskega okolja. Sodobna orodja za zajem mrežnega opisa geometrije okolja omogočajo natančen opis, ki pa ni prilagojen metodam sledenja radijskim žarkov. Pri nizkih nosilnih frekvencah se lahko zgodi, da je velikost odbojne ploskve v rekonstruirani mreži manjša od prve Fresnelove cone, kar privede do napačne ocene jakosti odbitega žarka. Zato smo v Electronics-2021a analizirali vpliv velikosti odbojnih površin pri mrežnem 3D opisu dveh jam v Združenem kraljestvu na točnost ocene nivoja radijskega signala. Poiskali smo kompromis med velikostjo odbojne površine in natančnostjo modeliranja ter pokazali da je mogoče z zmanjšanjem števila ploskev znatno skrajšati čas simulacije. Velikost odbojnih površin mora biti večja od prve Fresnelove cone. Z metodo sledenja radijskim žarkom za izbrano okolje izračunamo impulzni odziv radijskega kanala in kote prihoda in dohoda radijskih žarkov. V Electronics-2021b in SoftCom-2022 smo impulzni odziv radijskega kanala uporabili za določitev geometrije in lastnosti odbojnih površin gradnikov enostavnega okolja.

Za merjenje radijskega kanala potrebujemo radijski vir katerega lastnosti natančno poznamo. Pri višjih frekvencah fazni šum radijskega vira vpliva na točnost meritev radijskega kanala. Tako smo v Photonics-2022 predstavili metodo za umerjanje mikrovalovnega merilnika faznega šuma s fotonsko zakasnilno linijo.

Bibliografske reference

• M. Jančič, F. Strniša, G. Kosec. Implicit-explicit error indicator based on approximation order. V: Šolić, Petar (ur.). 7th Multidisciplinary Conference on Computer and Energy Science, (SpliTech), hybrid, 5-8 July 2022, Split, Croatia. [S. l.]: IEEE = International Conference on Communications: IEEE Communications Society, 2022. 4 str. ISBN 978-953-290-116-0. [COBISS.SI-ID 118739203]. (ArXiv).

• M. Jančič, G. Kosec. A hybrid RBF-FD and WLS mesh-free strong-form approximation method. V: Šolić, Petar (ur.). 7th Multidisciplinary Conference on Computer and Energy Science, (SpliTech), hybrid, 5-8 July 2022, Split, Croatia. [S. l.]: IEEE = International Conference on Communications: IEEE Communications Society, 2022. 6 str. ISBN 978-953-290-116-0. [COBISS.SI-ID 118737923]. (ArXiv).

• R. Novak. Inconsistent rays in propagation prediction by ray launching in rectangular tunnels. IEEE access. 2022, vol. 10, str. 122548-122559, ilustr. ISSN 2169-3536. https://ieeexplore.ieee.org/document/9956815, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3223868. [COBISS.SI-ID 131904771].

• R. Novak, A. Hrovat, M. D. Bedfor, T. Javornik. Geometric simplifications of natural caves in ray-tracing-based propagation modelling. Electronics, 2021, vol. 10, no. 23, str. 2914-1-2914-14. ISSN 2079-9292. DOI: 10.3390/electronics10232914. [COBISS.SI-ID 87183363].

• T. Kocevska, T. Javornik, A. Švigelj, A. Hrovat. Framework for the machine learning based wireless sensing of the electromagnetic properties of indoor materials. Electronics. 2021, vol. 10, no. 22, str. 2843-1-2843-24. ISSN 2079-9292. DOI: 10.3390/electronics10222843. [COBISS.SI-ID 85641475].

• T. Kocevska,, T. Javornik, A. Švigelj, K. Guan, A. Rashkovska , A. Hrovat. Comparison of machine learning models for predicting indoor materials from channel impulse response. V: 2022 International Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks, September 22-24, 2022, Split, Croatia. 6 str. SoftCOM. ISSN 2623-6559. [COBISS.SI-ID 123093251].

• A. Lavrič, B. Batagelj, M. Vidmar. Calibration of an RF/microwave phase noise meter with a photonic delay line. Photonics. Aug. 2022, iss. 8, 533, str. 1-13, ilustr. ISSN 2304-6732. DOI: 10.3390/photonics9080533. [COBISS.SI-ID 117664515].

• T. Mlinar, B. Batagelj. Pregled virov elektromagnetnih polj in njihovi učinki na ljudi ali kaj poleg 5G nas bi še utegnilo zanimati. V: ŽEMVA, Andrej (ur.), TROST, Andrej (ur.). Zbornik enaintridesete mednarodne Elektrotehniške in računalniške konference ERK 2022 = Proceedings of the 31st International Electrotechnical and Computer Science Conference ERK 2022 : Portorož, Slovenija, 19. - 20. september 2022. Ljubljana: Slovenska sekcija IEEE: Fakulteta za elektrotehniko, 2022. Str. 108-112, ilustr. Zbornik ... Elektrotehniške in računalniške konference (Online), 31. ISSN 2591-0442.[COBISS.SI-ID 132532995].

• B. Batagelj, T. Mlinar. Open RAN – nov model arhitekturno odprtega radijskega dostopovnega omrežja. V: ŽEMVA, Andrej (ur.), TROST, Andrej (ur.). Zbornik enaintridesete mednarodne Elektrotehniške in računalniške konference ERK 2022 = Proceedings of the 31st International Electrotechnical and Computer Science Conference ERK 2022 : Portorož, Slovenija, 19. - 20. september 2022. Ljubljana: Slovenska sekcija IEEE: Fakulteta za elektrotehniko, 2022. Str. 113-117, ilustr. Zbornik ... Elektrotehniške in računalniške konference (Online), 31. ISSN 2591-0442. [COBISS.SI-ID 132535299].

• B. Batagelj, T. Mlinar, S. Tomažič. Ugotavljanje položaja v sodobnih javnih mobilnih omrežjih. V: ŽEMVA, Andrej (ur.), TROST, Andrej (ur.). Zbornik enaintridesete mednarodne Elektrotehniške in računalniške konference ERK 2022 = Proceedings of the 31st International Electrotechnical and Computer Science Conference ERK 2022 : Portorož, Slovenija, 19. - 20. september 2022. Ljubljana: Slovenska sekcija IEEE: Fakulteta za elektrotehniko, 2022. Str. 41-44, ilustr. Zbornik ... Elektrotehniške in računalniške konference (Online), 31. ISSN 2591-0442. [COBISS.SI-ID 132634371].

• V. Prodnik Pepevnik, T. Mlinar, Č. Tavčer, B. Batagelj. Pregled protokolov za vključevanje 5G v GPON. V: ŽEMVA, Andrej (ur.), TROST, Andrej (ur.). Zbornik enaintridesete mednarodne Elektrotehniške in računalniške konference ERK 2022 = Proceedings of the 31st International Electrotechnical and Computer Science Conference ERK 2022 : Portorož, Slovenija, 19. - 20. september 2022. Ljubljana: Slovenska sekcija IEEE: Fakulteta za elektrotehniko, 2022. Str. 94-99, ilustr. Zbornik ... Elektrotehniške in računalniške konference (Online), 31. ISSN 2591-0442. [COBISS.SI-ID 132556547].

• V. Prodnik Pepevnik, J. Krč, B. Batagelj. Convergence of optical and radio access networks. V: 2022 International Workshop on Fiber Optics in Access Networks (FOAN) : 11-12 Oct. 2022. Valencia, Spain. [Danvers]: IEEE Xplore, cop. 2022. Str. 26-29, ilustr. ISBN 978-1-6654-6503-8. DOI: 10.1109/FOAN56774.2022.9939694. [COBISS.SI-ID 130140675].

• K. Vuk Baliž, B. Batagelj. Stabilization concept for maintaining maximum suppression of the undesired sideband in a radio-over-fiber link using a single add/drop micro-ring resonator. V: 2022 International Workshop on Fiber Optics in Access Networks (FOAN) : 11-12 Oct. 2022. Valencia, Spain. [Danvers]: IEEE Xplore, cop. 2022. Str. 16-19, ilustr. ISBN 978-1-6654-6503-8. DOI: 10.1109/FOAN56774.2022.9939695. [COBISS.SI-ID 130137347].

• M. Jančič, G. Kosec. Strong form mesh‑free hp‑adaptive solution of linear elasticity problem. Engineering with computers. [Online ed.]. [in press] 2023, vol. 39, iss. , str. [1-21], ilustr. ISSN 1435-5663. , DOI: 10.1007/s00366-023-01843-6. [COBISS.SI-ID 153678339].

• A. Simončič, T. Javornik, A. Sešek, A. Hrovat. Direction of arrival estimation for BLE: antenna array design and evaluation. AEÜ: International Journal of Electronics and Communications. Aug. 2023, vol. 168, [article no.] 154722, str. 1-9, ilustr. ISSN 1618-0399. DOI: 10.1016/j.aeue.2023.154722. [COBISS.SI-ID 153120259].

• R. Novak. Quantum algorithms in electromagnetic propagation modelling for telecommunications. IEEE Access. 2023, vol. 11, str. 111545-111565, ilustr. ISSN 2169-3536. DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3322446. [COBISS.SI-ID 168864515].

• T. Kocevska, A. Hrovat, T. Javornik, Indoor UWB CIR data set for material prediction. Ljubljana: Institut Jožef Stefan, 18. apr. 2023. DOI: 10.5281/zenodo.7840705. [COBISS.SI-ID 149750275].

• T. Kocevska, A. Hrovat, T. Javornik. Processing of 3-D Polygon Mesh Model and Radio Propagation Simulations in a Cave: Surface Reconstruction from Point Cloud, Simplification of the Mesh, and Ray Tracing”. Zenodo, Dec. 05, 2023. doi: 10.5281/zenodo.10261021.

• T. Mlinar, Tomi, U. Podgrajšek, B. Batagelj. Comparison of coverage-prediction models for modern mobile radio networks. Electronics. Nov.-2 2023, vol. 12, iss. 22, [article no.] 4554, str. 1-17, ilustr. ISSN 2079-9292. DOI: 10.3390/electronics12224554. [COBISS.SI-ID 171331843].

• K. Vuk Baliž, A. Debevc, M. Vidmar, B. Batagelj. Analog Wavelength Locking in an Optical Single-Sideband Transmitter of a Millimeter-Wave Radio-Over-Fiber Link Featuring a Micro-Ring Resonator and a Heat-Pump-Controlled Laser. Photonics 2023, 10, 1341. https://doi.org/10.3390/photonics10121341. [COBISS.SI-ID xxxxxx] .

---

Nazaj na seznam za leto 2021

---

Zadnji popravek strani: 09.12.2022