Analyse und Modellierung der Funkausbreitung in Passagierkabinen von Großraumflugzeugen

Analysis and Modeling of Radio Propagation in Passenger Cabins of big sized Aircrafts

  • Die Funktechnologie zur Steuerung verschiedener Kabinenapplikationen soll dazu beitragen, dem zunehmenden Verdrahtungsaufwand in Großraumflugzeugen entgegen zu wirken, um dadurch Gewicht und Entwicklungs- bzw. Installationsaufwände zu verringern. Ein weiteres Ziel ist es, dadurch die Modularität und Skalierbarkeit der Flugzeugsysteme zu erhöhen. Darüber hinaus werden durch die Funktechnik verschiedene zukunftsweisende Konzepte, wie etwa zur Prognose der strukturellen Integrität von Rumpfteilen, welche einen flächendeckenden Einsatz einer Vielzahl von Sensoren erfordern, überhaupt erst möglich. Eine entscheidende Rolle bei der Einführung dieser Technologie in die Umgebung Flugzeug spielt dabeDie Funktechnologie zur Steuerung verschiedener Kabinenapplikationen soll dazu beitragen, dem zunehmenden Verdrahtungsaufwand in Großraumflugzeugen entgegen zu wirken, um dadurch Gewicht und Entwicklungs- bzw. Installationsaufwände zu verringern. Ein weiteres Ziel ist es, dadurch die Modularität und Skalierbarkeit der Flugzeugsysteme zu erhöhen. Darüber hinaus werden durch die Funktechnik verschiedene zukunftsweisende Konzepte, wie etwa zur Prognose der strukturellen Integrität von Rumpfteilen, welche einen flächendeckenden Einsatz einer Vielzahl von Sensoren erfordern, überhaupt erst möglich. Eine entscheidende Rolle bei der Einführung dieser Technologie in die Umgebung Flugzeug spielt dabei das Wissen über den zugrunde liegenden Funkkanal bzw. das Vorhandensein eines aussagekräftigen Modells desselben. Damit ist die Grundlage für die Architektur des Funksystems und die Beurteilung dessen Koexistenz mit anderen absichtlich oder unabsichtlich sendenden Systemen in dessen Einflussbereich gegeben. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und Modellierung der Funkausbreitung in Passagierkabinen von Großraumflugzeugen mit dem Schwerpunkt auf drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerken. Dies erfolgte erstmals in einem ganzheitlichen Ansatz durch in Zusammenhang stehende und aufeinander abgestimmte Funkkanalmessungen, Materialcharakterisierungen und Raytracing-Simulationen. Für die Charakterisierung wurden zunächst Funkkanalmessungen in den Passagierkabinen zweier Flugzeuge der Typen A318 und A319 von Airbus durchgeführt. Dabei erfolgten die Messungen in bislang noch nicht angewendeter Gesamtbandbreite, wobei der Kanal mit einem MIMO-UWB-Channel-Sounder im Frequenzbereich zwischen 700MHz und 3,5GHz bzw. 3,5GHz bis 10,5GHz aufgezeichnet wurde. Aus dem erfassten Spektrum wurden zum einen statistische Large-Scale-Modelle in den ISM-Frequenzbereichen bei 2,4GHz und 5,8GHz bzw. im UWB-Bereich zwischen 3,5 und 8GHz und zum anderen für den UWB-Bereich zusätzlich ein neues detailliertes Small-Scale-Modell entwickelt. Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Arbeit war die Entwicklung eines deterministischen Kanalmodells, basierend auf der Raytracing-Methode. Vorbereitend für die Simulation wurde erstmals die relative Permittivität und elektrische Leitfähigkeit verschiedener Kabinenbaustoffe durch bekannte Materialcharakterisierungsverfahren, optimiert auf die Raytracing-Simulation in der Kabine, ermittelt. Für die komplexe Geometrie von Flugzeugsitzen wurde eine innovative Methode präsentiert, bei der durch Radarquerschnittsmessungen die dielektrischen Parameter der Sitze abgeschätzt werden, um diese schließlich durch stark vereinfachte homogene Ersatzkörper simulieren zu können. Als Grundlage für realitätsnahe Raytracing-Kabinenmodelle erfolgten zunächst Untersuchungen an vereinfachten Kabinengeometrien, um substanzielle Ausbreitungseigenschaften zu ermitteln und um den für die finalen Modelle unter Berücksichtigung einer akzeptablen Rechenzeit erforderlichen Detailgrad zu bestimmen. Anhand der finalen Modelle wurde erstmals im Bereich der Kabinen-Raytracing-Simulation ein detaillierter Vergleich bis auf Ebene der Impulsantwort durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die simulierbaren Impulsantworten zwar aufgrund von maximal drei, beim verwendeten Simulationsalgorithmus in endlicher Zeit berechenbaren Reflexionen deutlich kürzer sind, als die gemessenen, damit aber bereits das Pathloss-Verhalten bei direkter und bei leicht abgeschatteter Sichtverbindung in guter Weise prognostiziert werden kann. Unter diesen Voraussetzungen zeigten die finalen Raytracing-Kabinenmodelle sehr gute Übereinstimmung mit der Wirklichkeit.show moreshow less
  • Wireless technology to control various cabin applications is expected to counter the increasing wire harness in commercial aircrafts. This targets to reduce weight and costs for development and installation and furthermore to foster modularity and scalability. For some future concepts wireless control of a huge amount of sensors will be the enabling technology. As an example a covering application of wireless sensors can be used to capture and predict the fuselage integrity The knowledge of the underlying wireless channel, respectively of a model of the channel plays a fundamental role in introducing radio technology in the aircraft environment. It is the groundwork of the radio system archiWireless technology to control various cabin applications is expected to counter the increasing wire harness in commercial aircrafts. This targets to reduce weight and costs for development and installation and furthermore to foster modularity and scalability. For some future concepts wireless control of a huge amount of sensors will be the enabling technology. As an example a covering application of wireless sensors can be used to capture and predict the fuselage integrity The knowledge of the underlying wireless channel, respectively of a model of the channel plays a fundamental role in introducing radio technology in the aircraft environment. It is the groundwork of the radio system architecture and the assessment of its coexistence to other unintentionally or intentionally transmitting systems in the environment. The present work covers the analysis and modelling of the wireless propagation in the passenger cabin of commercial aircrafts with emphasis on wireless sensor and actuator networks. For the first time a holistic approach was followed, which simultaneously combined mutually coordinated radio channel measurement, material characterization and raytracing simulation. The channel characterisation is based on measurements in the passenger cabins of two Airbus aircrafts of the type A318 and A319. The measurements were done in an up to now unprecedented total bandwidth. Therefore, MIMO-UWB-Channel-Sounder was used to record channel impulse responses in the frequency range between 700MHz and 3,5GHz and 3,5GHz and 10,5GHz, respectively. The analysis of the measurements resulted in several large scale models for the ISM frequency ranges at 2,4GHz and 5,8GHz and the UWB frequency range between 3,5 und 8GHz. A new detailed small scale model was developed for the UWB range. A further aspect was the development of a deterministic channel model based on a raytracing approach. Therefore, the relative permittivity and electrical conductivity of various cabin materials have been determined by standard methods for the first time optimized to the raytracing simulation of the cabin. Because of the complex geometry of an aircraft seat, an innovative method was developed to estimate its effective material parameters by measuring the radar cross section of the seat. Finally the aircraft seats have been modelled by a simplified homogeneous substitution body. As a first step to develop a cabin model close to reality, simplified cabin geometries have been investigated to identify the basic propagation characteristics. This also was done to estimate the required level of detail for the final realistic cabin models accounting for the available computation power. The final models of an A318 and an A319 cabin have been compared to the channel measurement results based on the impulse response level for the first time in the field of cabin raytracing simulation. Hereby it was shown that the simulated impulse responses are basically too short because of current computational performance does allow with the chosen simulation algorithm only the calculation of three reflexions. But this capability is already enough to sufficiently predict the pathloss behaviour of direct and slightly obstructed line of sight scenarios. With respect to these preconditions, the final raytracing cabin models matched to reality in a very good way.show moreshow less

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Metadaten
Author:Martin Bachhuber
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-25108
Advisor:Robert Weigel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/04/15
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/04/01
Release Date:2011/04/15
Tag:MIMO-UWB-Channel-Sounder; Passagierkabine; deterministisches Kanalmodell; statistisches Kanalmodell
MIMO UWB channel sounder; deterministic channel model; passenger cabin; statistical channel model
SWD-Keyword:Glasfaserverstärkter Kunststoff; Großraumflugzeug; Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff; Materialcharakterisierung; Ray traci; Rückstrahlfläche
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie

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