Diese 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 3.5 GHz bzw. 3.5 GHz bis 10.5 GHz aufgezeichnet wurde. Aus dem erfassten Spektrum wurden zum einen statistische Large-Scale-Modelle in den ISM-Frequenzbereichen bei 2.4 GHz und 5.8 GHz bzw. im UWB-Bereich zwischen 3,5 und 8 GHz 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.
The 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;5 GHz and 3;5 GHz and 10;5 GHz, respectively. The analysis of the measurements resulted in several large scale models for the ISM frequency ranges at 2;4 GHz and 5;8 GHz and the UWB frequency range between 3,5 und 8 GHz. 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.
Analyse und Modellierung der Funkausbreitung in Passagierkabinen von Großraumflugzeugen
2011
210 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Hochschulschrift
Deutsch