Optimizing antenna placement on ships for 5G NR using 3D Ray Tracing tools

Abstract

This master’s thesis aims to optimize the positioning of antennas on ships. The impact of the metallic body on the antenna performance is difficult to calculate, making it hard to determine ideal positioning. Until recently, the only way to solve this problem was by trial and error, placing and testing the antenna. However, with the advancement of computer processing power and the introduction of new technologies such as 3D ray tracing, computer modeling now offers a new and reliable way of testing an antenna’s performance. In this thesis, we explore methodologies for optimizing antenna performance in maritime environments through the integration of two simulation tools: XGtd for an initial analysis of antenna behavior based on its placement on the ship and Wireless InSite for evaluating the effectiveness of communication between antennas mounted on the ship and base stations. Ray-tracing technology is used to better simulate the propagation of electromagnetic waves in real scenarios, providing an analysis of the antenna’s performance at various angles and distances from a base station on the coast. In this dissertation, the behavior of an omnidirectional antenna in the horizontal plane was analyzed in three different positions on a ship. Using XGtd, the performance of the antenna was simulated in different positions on the ship, one position situated at the bow of the ship, another on a mast in the middle of the ship, and finally at the stern. The behavior of the antenna in the different positions was then imported into Wireless InSite, where the performance of the three positions was simulated in a topographical scenario representative of the Aveiro region. In this scenario, the antenna’s behavior in the different positions was tested as a transmitter and receiver in different alignments with a base station on the coast. These simulations also considered the ship’s movements due to the sea’s choppiness, namely pitch and roll. The simulations carried out made it possible to optimize the placement of the antenna and better understand how the ship’s body affects its performance, revealing that the effects are often unpredictable, making it very difficult to assess the suitability of a position without first testing it. From the simulations carried out, it was possible to clearly identify the best position for the antenna and evaluate its performance in a real environment.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo otimizar o posicionamento de antenas em navios. A estrutura metálica influencia o desempenho da antena de forma imprevisível, dificultando a determinação da melhor posição para a sua colocação. Até recentemente, a única forma de solucionar este problema era por tentativa e erro, colocando e testando a antena. No entanto, com o avanço do poder de processamento dos computadores e a introdução de novas tecnologias, como o 3D ray tracing, a modelação por computador passou a oferecer uma nova e fiável forma de testar a performance de uma antena. Nesta tese, exploramos metodologias para otimizar a performance de antenas em ambientes marítimos através da integração de duas ferramentas de simulação: XGtd para uma análise inicial do comportamento da antena com base na sua colocação no navio e Wireless InSite para avaliar a eficácia da comunicação entre as antenas montadas no navio e as estações de base. A tecnologia Ray-tracing é utilizada para melhor simular a propagação de ondas eletromagnéticas em cenários reais, fornecendo uma análise do desempenho da antena em vários ângulos e distâncias relativamente a uma estação base na costa. Assim, nesta dissertação, foi analisado o comportamento de uma antena omnidirecional no plano horizontal em três posições distintas num navio. A partir do XGtd, foi simulada a performance da antena em diferentes posições do navio, uma posição situada na para do navio outra num mastro a meio do navio e finalmente na popa. O comportamento da antena nas diferentes posições foi posteriormente importado para o Wireless InSite, onde a performance das três posições foi simulado num cenário topográfico representativo da região de Aveiro. Neste cenário o comportamento da antena nas diferentes posições foi testado transmitir e como receber em diferentes alinhamentos com uma estação base na costa. Estas simulações também tiveram em conta os movimentos do navio por causa da agitação do mar nomeadamente pitch and roll. As simulações levadas a cabo permitiram otimizar a colocação da antena e melhor compreender o modo como o corpo do navio afeta a sua performance, revelando que os efeitos são frequentemente imprevisíveis, tornando muito difícil avaliar a adequação de uma posição sem a primeiro testar. A partir das simulações efetuadas foi possível identificar claramente a melhor posição para a antena e avaliar o seu desempenho num ambiente real.