Amélioration de la précision des cartes de couverture réseau par des techniques de lancer de rayons

Enhancing outdoor radio frequency mapping with Ray Tracing techniques

• Auteur / Autrice : Bernard Tamba Sandouno
• Direction : Chadi Barakat, Thierry Turletti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/06/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Urvoy-Keller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chadi Barakat, Thierry Turletti, Guillaume Urvoy-Keller, André-Luc Beylot, Marcelo Dias de Amorim, Hossam Afifi, Leonardo Lizzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : André-Luc Beylot, Marcelo Dias de Amorim
• DOI : 10.70675/756014a0z9687z48a8zaaa0z81da91159343

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Cartographie

Radiofréquences

Traitement du signal

Mots clés libres

Modèles de propagation

Modèle déterministe

Lancer de rayons

Cartographie radio fréquence

Réseaux cellulaires

Estimation de puissance

Propagation models

Deterministic model

Ray tracing

RF mapping

Cellular networks

Power estimation

Résumé

Le lancer de rayons est un modèle de propagation déterministe qui estime la puissance du signal reçu en des emplacements géographiques spécifiques, en prenant en compte de manière exhaustive des facteurs environnementaux en 3D qui influencent la propagation du signal. Cette grande précision du lancer de rayons se fait toutefois au prix d'une charge de calcul élevée due aux complexités de ses processus. Cette charge de calcul se caractérise par une consommation élevée de la mémoire vive et un temps d'exécution élevé, rendant difficile le calcul efficace de la puissance du signal reçu.Conscients de la complexité inhérente au lancer de rayons, diverses techniques d'accélération ont émergé au fil du temps pour améliorer son efficacité computationnelle. Ces techniques optimisent les processus au sein du lancer de rayons, permettant ainsi des réductions significatives du temps d'exécution pour l'estimation de la puissance du signal à des emplacements individuels. Cependant, lorsqu'elles sont appliquées à la génération de cartes de fréquences radio sur des régions étendues telles que des villes ou des pays, ces techniques d'accélération perdent leur efficacité. Cette limitation découle de la conception initiale du lancer de rayons, conçue pour l'évaluation de la réception du signal en point à point plutôt que pour la cartographie radio fréquence à grande échelle.En réponse à cette problématique, cette thèse propose des optimisations adaptées spécifiquement à la génération de cartes de fréquences radio précises à grande échelle sans entraîner de surcharge computationnelle excessive. En affinant tous les aspects du pipeline du lancer de rayons avec un accent particulier sur la cartographie radio fréquence, nos optimisations visent à résoudre les inefficacités prédominantes dans les solutions actuelles de cartographie radio fréquence à grande échelle. Tout au long de ce travail, nous démontrons les lacunes des approches existantes et validons l'efficacité de nos optimisations en réduisant considérablement les temps d'exécutions tout en maintenant la précision de l'estimation dans des limites acceptables.Nous proposons d'abord une approche innovante du processus traditionnellement complexe de génération de rayons, en minimisant efficacement le nombre de rayons lancés à partir d'une antenne tout en préservant la précision. Adaptée aux conditions spécifiques du site, cette méthode prend en compte l'environnement de propagation lors du lancement des rayons, contrairement à l'approche traditionnelle qui lance les rayons dans tous les sens possibles. En mettant en œuvre cette technique de génération de rayons spécifique au site et en réimaginant le processus de test de réception, nous réalisons une réduction remarquable de près de 1200 fois du temps d'exécution du lancer de rayons pour la génération de cartes radio fréquence dans des terrains avec de légères variations d'altitude. En étendant cette solution à des terrains divers, nous introduisons des optimisations complètes à travers tous les processus de lancer de rayons, méticuleusement adaptées aux objectifs de la cartographie radio fréquence. Ces améliorations aboutissent à une augmentation de 50 fois de la vitesse de génération de cartes radio fréquence à grande échelle sur des terrains variés, démontrant la polyvalence et l'efficacité de notre approche.

Ray Tracing is a deterministic propagation modeling approach that estimates the signal power received in specific geographical locations based on a thorough consideration of the 3D environmental factors that influence signal propagation. This high accuracy of Ray Tracing is however at the cost of a high computational load due to the complexities of the processes within its workflow. This computational demand is characterized by a high memory consumption and a high execution time, making it challenging to efficiently compute the received signal power.Acknowledging the complexity inherent in Ray Tracing, various acceleration techniques have emerged over time to enhance its computational efficiency. These techniques optimize processes within Ray Tracing, facilitating significant reductions in execution time for signal power estimation at individual locations. However, when applied to the generation of Radio Frequency (RF) maps across expansive regions like cities or countries, these acceleration techniques lose their efficiency. This limitation arises from Ray Tracing's original design, tailored for point-to-point signal reception assessment rather than large-scale RF mapping.In response, this thesis proposes optimizations designed specifically for generating accurate and precise RF maps at large scale without incurring excessive computational overhead. By refining all aspects of the Ray Tracing pipeline with a focus on RF mapping, our optimizations aim to address the inefficiencies prevalent in current large-scale RF mapping solutions. Throughout this work, we demonstrate the shortcomings of existing approaches and validate the effectiveness of our optimizations in significantly reducing execution times while maintaining estimation accuracy within acceptable bounds.We first propose an innovative approach to the traditionally complex ray generation process, by effectively minimizing the number of rays launched from an antenna while preserving the accuracy. Tailored to specific site conditions, this method considers the propagation environment when launching rays, in contrast to the traditional approach that launches rays in a brute-force fashion. Further, by implementing this site-specific ray generation technique and re-imagining the reception test process, we achieve a remarkable reduction of nearly 1200 times in Ray Tracing execution time for RF map generation in terrains with slight altitude variations. Extending this solution to diverse terrains, we then introduce comprehensive optimizations across all Ray Tracing processes, meticulously tailored for RF mapping objectives. These enhancements culminate in a 50-fold increase in the speed of large-scale RF map generation across varied terrains, showcasing the versatility and efficiency of our approach.