Modellierung der Ausbreitung von Radiowellen durch Kombination von Ray-Tracing-Verfahren und Integraldarstellungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Eibert
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443636075

Die Modellierung der Ausbreitung von Radiowellen gewinnt sowohl für den Mobilfunk als auch für die Radartechnik zunehmend an Bedeutung. Der Mobilfunk entwickelt sich hin zu Techniken wie Massive-MIMO mit einer Vielzahl von Antennen. Radar und insbesondere auch Radarabbildung werden zunehmend allgegenwärtig in unserem täglichen Leben. Insbesondere im Hinblick auf die Realisierung von Lösungen für autonomes Fahren ist es von großer Wichtigkeit, genaue Radardaten in realistischen Umgebungsszenarien per Simulation zu erzeugen, um zu vermeiden, dass die erforderlichen Radardaten in endlosen Fahrversuchen per Messung gesammelt werden müssen. Ray-Tracing ist ohne Zweifel das leistungsfähigste Modellierungsverfahren für die Wellenausbreitung in komplexen Umgebungen. Jedoch hat auch Ray-Tracing nach wie vor eine Reihe von Nachteilen, die insbesondere im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich die Nutzung erschweren. Vor allem in Szenarien, die viele (aufeinander folgende) Beugungsvorgänge erfordern, führt die üblicherweise als Vorteil genannte Hochfrequenz-Lokalisierung sehr schnell zu enormen Rechenzeiten und, noch viel schlimmer, zu erheblichen Genauigkeitsproblemen. Der wesentliche Grund dafür ist, dass die lokalisierte Beugungsberechnung durch Bestimmung der Beugungskoeffizienten für nur einen Punkt auf einer Kante einfach nicht brauchbar ist für realistische Umgebungsszenarien. Der Antragsteller hat kürzlich ein bidirektionales Ray-Tracing-Verfahren kombiniert mit dem Reziprozitätstheorem eingeführt, das bereits einige der Nachteile von konventionellen Ray-Tracing-Verfahren vermindert. Ein Kernelement dieses Verfahrens ist die Nutzung von Integraldarstellungen, um die strengen Erfordernisse der Lokalisierung der Strahldarstellung zu umgehen. Diese Vorgehensweise soll im vorgeschlagenen Projekt weitergeführt werden, indem komplexe Ausbreitungsszenarien auf Grundlage des Huygens- und Equivalenz-Prinzips in Kombination mit dem Reziprozitätstheorem in Teilbereiche zerlegt werden. Die einzelnen Teilbereiche werden über Ray-Tracing modelliert und die Wechselwirkungen zwischen den Teilbereichen werden aufgrund der entsprechenden Integraldarstellungen bestimmt. Insbesondere für Radarszenarien ist es so auch möglich, die elektromagnetische Modellierung der Radarziele und der Ausbreitungsumgebung voneinander zu entkoppeln. Die feldtheoretischen Formulierungen dieses Hybridverfahrens werden ausgearbeitet und leistungsfähige Algorithmen auf der Grundlage von Grafikkarten werden realisiert, validiert und optimiert, wobei Test- und Validierungsszenarien unterschiedlicher Komplexität genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen