Electromagnetic modelling in virtuo. Application to wave propagation prediction in complex environments for telecommunication systems.
Modélisation électromagnétique in virtuo. Application aux problèmes de propagation en milieux complexes pour les systèmes de télécommunication.
Résumé
Currently, most of electromagnetic simulators are based on the solution of Maxwell's equations or their equivalent forms. These simulators have benefited from the rapid evolution of the computer power that has compensated the rapid increase of the structure complexity and size to be simulated. However, the computer power increase can no longer compensate the future demands for larger size and more complex problems. In spite of much effort made to reduce electromagnetic calculations, the difficulty to take such challenging complex problems requires the quest for an important methodological breakthrough. The method called "enactive", proposed in these works, is an atypical approach to model dynamic systems of a natural environment and its simulation in a system of virtual reality. Coming from the modelling of multi-agent systems, it offers a specific method for modelling such complex systems where many phenomena must interact in multiple ways, at different space and time scales. We wish to follow the evolution of an electromagnetic wave and its possible interactions with objects in an environment in virtuo, i.e. in a virtual laboratory (virtuoscope). In this context, this work is interdisciplinary and combines the tools and techniques of virtual reality to model electromagnetic phenomena. In addition, phenomena are modelled by autonomous entities that interact. Therefore, our model must be based on both aspects a rigorous definition of entities, namely waves and media, and interactions that may occur to reconstitute "real" electromagnetic phenomena in a virtual environment. Also, we have no means to verify or validate our model other than by experiments. In a way, we make a bet, a challenge, to succeed in building an electromagnetic enactic system. For this, we have developed some scenarios of electromagnetic environments, followed by the development of two models, one unidimensional and one bidimensionnal. Results are compared to more conventional and appropriate methods or to the theory when it is possible.
Actuellement, la plupart des simulateurs électromagnétiques se basent sur une résolution des équations aux dérivées partielles ou leurs formes équivalentes. Ces simulateurs ont jusqu'à présent bénéficié d'une augmentation de la puissance informatique compensant les exigences de calcul nécessitées par la croissance de la complexité et de la dimension des objets à modéliser. Cependant la taille des problèmes cruciaux augmente beaucoup plus rapidement que la puissance informatique. Malgré les apports faits pour simplifier les calculs électromagnétiques, la difficulté à tenir compte de tels problèmes complexes nécessite un saut méthodologique important. La méthode dite " énactive ", proposée dans ces travaux, constitue une approche atypique pour la modélisation dynamique d'un environnement naturel et sa simulation en un système de réalité virtuelle. Issue de la modélisation des systèmes multi-agents, elle propose une méthode spécifique pour la modélisation de tels systèmes complexes où de nombreux phénomènes interagissent de nombreuses façons, à des échelles de temps et d'espace pouvant être très différentes. Nous cherchons à suivre l'évolution d'une onde électromagnétique et ses interactions éventuelles avec des objets d'un environnement in virtuo, i.e. à travers un laboratoire virtuel (virtuoscope). Dans ce contexte, cette thèse s'inscrit dans un cadre interdisciplinaire qui allie les outils et les techniques de la réalité virtuelle à la modélisation de phénomènes électromagnétiques. En outre, les phénomènes sont modélisés en tant qu'entités autonomes en interaction. Notre modèle doit donc reposer sur une définition rigoureuse des entités, à savoir les ondes et les milieux, et des interactions qui peuvent avoir lieu afin de reconstituer l'ensemble des phénomènes électromagnétiques " réels " au sein d'un environnement virtuel. Aussi, nous n'avons pas de moyens nous permettant de vérifier ni de valider autrement que par l'expérimentation notre modèle. En ce sens, nous faisons l'enjeu et le pari de parvenir à construire un tel système énactique électromagnétique. Pour cela, nous avons mis au point un ensemble de scénarios d'environnements électromagnétiques, suite au développement de deux modèles de propagation, l'un unidimensionnel et l'autre bidimensionnel. Les résultats seront comparés à des méthodes plus classiques appropriées voire à la théorie lorsque c'est possible.