機内WiFiアクセスは、顧客満足度を高めるために多くの民間航空便に導入されている機能である。しかし、乗客の体格や座席レイアウトが異なる複雑な機内環境のため、電波の受信状態が悪くなる可能性がある。最近、低信号エリアをなくす試みとして、ポテトの袋を使って航空機内の乗客をシミュレートする実験が行われた。このような問題をコンピュータ上で全波法を用いてシミュレーションすることは、航空機のキャビンが大きく、高周波が関係するため、これまでは事実上不可能でした。XFdtdは、60GB以上のメモリを必要とする非常に大規模な計算を可能にする大容量メモリ機能と、メッセージ・パッシング・インターフェースを介して別々のコンピュータにある複数の高性能グラフィカル・プロセッシング・ユニットを連携させる新しいMPI+GPU処理機能により、このようなシミュレーションを可能にします。
この例では、各座席の位置からデータを送受信するためのWiFiアンテナの位置を最適化するためのプラットフォームとしてXFdtdの機能を実証するために、民間旅客機の内部が使用されています。この例は、単にコンセプトを実証することを目的としており、特定のWiFiシステムや航空機の構成を暗示するものではありません。航空機内部のサイズが大きく、WiFiシステムの周波数が高いため、このシミュレーションはXFの大容量メモリ機能に適しています。
図1には、航空機の断面がCADモデルとして示されており、わかりやすくするために航空機の外皮は表示されていない。キャビンは導電性の箱の中に完全に密閉されていると想定されるため、信号が機外に放射されることはない。図2では、CADモデルの天井、壁、窓の描画も無効にしているため、航空機内部の座席配置を見ることができます。航空機モデルの大きさは約4.7 x 25.5 x 2.8メートルで、20万波長弱の立方体体積に相当する。WiFiアンテナは単純なダイポールアンテナと考え、航空機の天井付近の2カ所（1つは機内前方、もう1つは機内後方）に設置することにした。受信機の位置は、図3に示すように、飛行機の1列おきの座席の背もたれの位置にダイポールを3×3の格子状に配置した。合計405個のセンサーの追加を簡素化するために、スクリプトが作成され、実行された。このシミュレーションに保存されたデータには、405個のポート位置と、機内の重要なエリアにおける定常状態の電界の大きさのいくつかの平面が含まれる。
図1：外装の一部を取り除いた機内の3次元CAD図。
図2：天井、壁、窓、荷物室を取り除いた後の機内のCAD図。
図3：ダイポールとして定義されたセンサー位置の3x3グリッドは、シートバック位置の1つの後ろに示されている。センサーグリッドは、キャビンの最初の3列のシートに対して、1列おきにシートの後ろに配置されている。
最初のシミュレーションは、航空機の座席、荷物コンパートメント、その他の内部機能のみを含む空のキャビンを使用したものである。このシミュレーションは、航空機全体のフィールド伝播のベースラインを提供し、座席に乗客を追加した場合の影響を測定するために使用されます。つ目のシミュレーションでは、Remcom社のVariPoseソフトウェア製品を使用して作成した大型の男性乗客を航空機の各座席に配置します。乗客は座った姿勢で、座席のトレイテーブルの上に置かれたラップトップコンピュータをホバリングするように腕を伸ばしている。図4には乗客のクローズアップ図を、図5には満席のキャビン全体の図を示す。図6には機内の側面図が示されており、天井付近の2つの送信機の位置と、シートバックの受信機の位置が赤で示されている。左右対称のため、センサーデータは航空機の左側のみ保存された。
図4：座席に配置されたVariPoseの男性がいる機内の立体図。最前列と最後列を除くすべての座席に男性が座っている。
図5：男性がシートに座った状態のキャビン全景。
図6：この側面図では、男性が座席に座り、Sパラメータデータの収集に使用されたセンサーアレイが赤い楕円で示されている。2つの送信アンテナは天井レベルにある。
シミュレーションは、5mm立方体のFDTDメッシュサイズを使用し、2.5GHzで実行されました。航空機のキャビンのサイズが大きいため，これらのシミュレー ションには 94 GB のメモリが必要であり，約 28 億 4,000 万個の未知数 が含まれています．これらのシミュレーションは，NVIDIA 社の提供による NVIDIA PSG クラスタにある 24 枚の NVIDIA M2090 GPU カード上で，XFdtd の MPI+GPU 機能を使用して実行されました．各シミュレーションは30,000回の反復で実行され，約1時間43分かかりました．
シミュレーション後、機内のいくつかのサンプル平面を通る定常状態の電界分布を見ることができる。図7では、空席の航空機について、通路側座席の中央（垂直方向）とヘッドレスト（水平方向）を通る電界の大きさを示している。カラースケールは、0dBの赤で示したピーク値から、黒で示した-70dBまでである。空のキャビンのフィールドは、空間の大部分で0～-30dBの範囲の信号レベルを示している。図8では、図7と同じ平面を、男性が座席に座っている機内について示している。ここでは、場のレベルが低下し、ピークから-50dB以下に下がっている場所がある。
図7：この図は、フロント・トランスミッタが2.5GHzで作動しているときの機内の定常状態の電界の大きさを示している。電界は、垂直方向は通路側座席の中央、水平方向は3x3センサグリッドの中央を通る平面内にある。フィールドは、ピークから0～-30dBレベルの信号強度を示している。
図8：この図は、図7と同じ平面定常状態の電界位置を示しているが、ここでは男性が座席に座っているキャビンの場合である。ここでは、電界レベルはピークから-50～-10dBの範囲で低くなっている。
サンプル位置のSパラメータSN,1も計算される。この場合、図9に示すプロットのために選択された位置は、機内の前列から後列までの各列の3x3グリッドの中央のサンプルポイントである。このプロットは、空席の航空機の透過レベルが比較的平坦で、主に-40 dB 付近で変動していることを示している。対照的に、図10に示す座席に乗客がいる満席の航空機では、信号レベルのばらつきが大きく、キャビンの後方に向かって信号が明らかに低下している。
図9：このプロットは、3x3サンプリンググリッドの中央のセンサー位置の送信SパラメータSN,1を、空の航空機の前方から後方への面内の行の関数として示している。
図10：このプロットは、3x3のサンプリンググリッドの中央に位置するセンサー位置の透過SパラメータSN,1を、男性が座る席の前から後ろへの平面上の列の関数として示している。
ここに示したシミュレーションは、より優れたアンテナモデル、他の周波数、異なる座席構成などを導入することで、大幅に拡張することができます。この例は、XFdtdの大容量メモリと高速処理能力によって可能になったシミュレーションの一例を示したに過ぎません。
