暗渠、鉱山、トンネルなどの閉鎖空間内の通信システムのモデリングは、閉鎖空間内に存在する相互作用のために困難な場合があります。このような複雑な相互作用には、多重反射、多重グランドバウンド、コーナー付近での回折などがあります。これらの相互作用はそれぞれ、受信電力を正確に計算するために不可欠な要素です。RemcomのWireless InSiteは、各相互作用をモデル化するだけでなく、密閉されたモデルを作成する効率的で合理的な方法を提供します。
暗渠やその他の閉鎖空間に焦点を当てた通信分析は、システム周辺の環境がより開放的な場所とは大きく異なるため、重要です。暗渠のさまざまな部分との通信は、作業の安全性と効率を確保するために不可欠です。通信機器が実際のシナリオでどのように機能するかを知ることは、設計エンジニアが暗渠全体を確実にカバーするのに役立ちます。
正確な通信が必要な用途のひとつは、鉱山での救助活動で、閉じ込められた人員や救助チームとの通信が不可欠な場合である。また、鉱山内のさまざまな場所に人員や機器、製品を運搬するための、鉱山内の自動誘導台車や車両もそのひとつです。これらは、鉱山や暗渠内で信頼性の高い通信システムを必要とするアプリケーションのほんの一部です。機器を設置する前にこれらのシナリオをモデル化することは、これらのシステムを正しく設計するために非常に重要です。重く高価な機器を購入し、実際の測定を行う前に、さまざまな入力を修正して可能な限り最良のソリューションを実現できるため、時間の節約につながります。
Wireless InSiteには、Preference WindowのExtensionsタブで使用できる暗渠設計ウィザードがあります。作成ウィンドウでは、任意の長さ、任意の直径、4 ～ 32 面、0 度、45 度、-45 度、90 度、-90 度の単一ベンドでカルバートを定義できます。
この例では、Wireless InSite暗渠設計ウィザードを使用してまっすぐな正方形の暗渠を作成し、暗渠の入り口に送信機を設置します。その後、送信機がどの程度通信できるかを判断するため、暗渠全体の結果を示すカバレッジプロットが表示されます。これらのステップはすべてWireless InSiteで簡単かつ効率的に実行でき、現場でデータを測定するよりも迅速です。Wireless InSiteで得られる結果は、実測データとよく一致することが示されています[1]。
図1は、作成ウィンドウを示している。30m、4辺の直線カルバートが定義されている。割り当てられた材料はWet Earthで、その定義はWireless InSiteの材料ライブラリで確認できます。図2は、ソフトウェア内の暗渠を示しています。
図1：Wireless InSite内のカルバートモデリングツールウィンドウ。
図2：ワイヤレスInSiteウィンドウ内のカルバートモデリングツールウィンドウ。
次のステップは、モデル化するシステムに対応する送信機と受信機を定義することである。この場合、送信機は暗渠の入り口にあり、1.3GHzで動作する半波ダイポールとして定義される。最初の受信機セットは、暗渠の床から天井まで延び、暗渠の長さを縦に走る受信機の垂直ラインである。第二の受信機セットは、暗渠の開口部の直径にまたがる水平線で、送信機の高さで暗渠の長さを下っている。受信機セットは、1.3GHzで受信する等方性アンテナによって定義される。図3は、シーン内の送信機と受信機の位置を示している。
図3：Wireless InSite GUI内のトランスミッターとレシーバーの位置。
送信機と受信機が設置されたら、次のステップは調査エリアの境界を定義することである。これは、ソフトウェア内の計算空間の限界を設定します。この特定のケースでは、調査領域は暗渠の周囲に直接定義する必要があります。これにより、対象領域が暗渠内のみとなるため、計算を実行する際の時間とメモリが節約されます。暗渠の外側の領域は無視されます。図4は、暗渠周辺の調査領域を示している。
図4：Wireless InSite内の調査エリア境界。
図5：調査地域のプロパティ・ウィンドウ。
伝搬モデルは、図5に見られるように、調査エリアのプロパティメニューで選択する。この場合、Full 3Dが選択されています。Full 3DはWireless InSiteのSBR（Shooting and Bouncing Ray-tracing）モデルです。相互作用は、反射16回、透過0回、回折0回と定義しました。これらの制限は、レイがアクティブであると見なされなくなるまでに遭遇できる相互作用の数をエンジンに伝えます。レイの間隔は0.03°に設定され、エンジンにレイの間隔を指示します。シーン内の光線の密度が高いほど、光線とシーン内の面との相互作用の数が多くなり、理論的には結果の精度が高くなります。1つ目のトレードオフは、シーン内で撮影される光線の数が増えるほど、実行時間が長くなることです。2つ目のトレードオフは、レイセットの密度を上げても結果がほとんど変わらないという収穫逓減のポイントがあることです。ほとんどの暗渠の例では、Full 3Dのレイ間隔は0.1度に設定できます。このケースでは、より高密度のグリッドを使用して機能を示しました。
計算が実行されると、暗渠内でシステムがどのように動作するかを確認するために結果を調べることができます。図6は垂直方向の受信機セットからの受信電力を示している。図7は水平受信機セットからの受信電力です。この結果では、暗渠はほとんど導波管のように機能している。各図に見られるように、建設的干渉と破壊的干渉がある。図8は、ソフトウェア内で別の視点を使用して垂直方向の受信電力を示しています。
図6：受信機の垂直面における受信電力。
図7：受信機の水平面における受信電力。
図8：暗渠を覗き込んだときの受信機の垂直面の受信パワー。
受信パワーに加え、光線経路も見ることができる。図9は暗渠内の光線経路を示している。
図9：レシーバーの垂直面の光線経路。
Wireless InSiteには、ビデオ1に見られるように、空間全体を伝播する光線のムービーを作成する機能があります。EFieldもムービー形式で表示できます。ビデオ1は、暗渠内を伝播する光線を示しています。
このWireless Insiteの例では、暗渠環境で動作する送信機の性能を示しています。結果は、暗渠が送信機からのエネルギー分布にどのような影響を与えるかを示すために、2つの異なる平面で調べられました。さらに、受信グリッドに沿ったさまざまなポイントについて光線経路を調べました。Wireless InSiteは、暗渠やその他の密閉されたシナリオを正確な結果でモデル化する効率的な方法を提供します。この特定の例の次の作業段階としては、曲がり角やカートなどの障害物をシーンに追加することが考えられます。さらに、暗渠のマテリアル構成を変更することも、興味深い領域です。これらはすべて、Wireless InSiteソフトウェアで簡単に行うことができます。
参考
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Jamie Knapil Infantolino, Adam J. Kuhlman, Manoja D. Weiss, and Randy L. Haupt; "Modeling RF Propagation in Mines Using Wireless InSite," Applied Computational Electromagnetics Society Conference, Monterey, CA, March 24-March 29, 2013.
