JP7699354B2 - Analysis method, analysis device, and analysis program - Google Patents
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Description
実施形態は、解析方法、解析装置、及び解析プログラムに関する。 The embodiments relate to an analysis method, an analysis device, and an analysis program.
無線通信システムの高速化が進むにつれて、装置から発生する電磁界を適切に解析する必要性が高まっている。電磁界の解析方法の一つとしては、FDTD法(Finite-Difference Time-Domain method)が知られている。FDTD法は、解析領域を多数のブロック(以下、ボクセルと呼ぶ)に分割し、解析領域内の波源により生じる電界と磁界とをマクスウェル方程式に基づいて時間更新していく電磁界解析手法である。 As wireless communication systems become faster, there is an increasing need to properly analyze the electromagnetic fields generated by the devices. One method of analyzing electromagnetic fields is the finite-difference time-domain method (FDTD method). The FDTD method is an electromagnetic field analysis technique that divides the analysis domain into many blocks (hereafter called voxels) and updates the electric and magnetic fields generated by wave sources within the analysis domain over time based on Maxwell's equations.
しかしながら、FDTD法は、時間経過を再現するための繰り返し演算の開始(0時刻)から、設定された終了時刻に至るまで、解析領域の各ボクセルに対応して電界、磁界、媒質定数を保持するためのメモリ確保と、電界、磁界及び吸収境界の更新式演算とを要する。このため、FDTD法は、大規模な解析領域を解析する場合や、第5世代移動通信のような高い周波数帯を対象とした伝搬特性を解析する場合に、大容量のメモリの確保が必要であり、計算時間が長くなるという課題を有する。 However, the FDTD method requires the allocation of memory to hold the electric field, magnetic field, and medium constants for each voxel in the analysis domain from the start (time 0) of the repeated calculations to reproduce the passage of time until the set end time, and requires calculation of update equations for the electric field, magnetic field, and absorbing boundary. For this reason, when analyzing a large analysis domain or when analyzing propagation characteristics targeting high frequency bands such as 5th generation mobile communications, the FDTD method requires the allocation of a large amount of memory, which results in long calculation times.
そこで、本発明は、FDTD法における電磁界の計算時間を短縮し且つメモリの使用量を抑制することができる解析方法、解析装置、及び解析プログラムを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide an analysis method, an analysis device, and an analysis program that can shorten the calculation time for electromagnetic fields in the FDTD method and reduce memory usage.
実施形態の解析方法はFDTD法(Finite-Difference Time-Domain method)を用いて電磁界解析を行う解析方法である。実施形態の解析方法は、解析領域に複数のボクセルを設定することと、解析領域のモデルに基づいて複数のボクセルのうち少なくとも一つを解放ボクセルに設定することと、時間ステップの更新と複数のボクセルのそれぞれを対象とした電磁界成分の計算処理とを繰り返し実行することと、を含む。計算処理は、複数のボクセルを対象とした電界成分の計算と電界成分に対する吸収境界条件の適用とを含む。計算処理では、少なくとも一つの解放ボクセルを対象とした電界成分の計算が省略される。 The analysis method of the embodiment is an analysis method that performs electromagnetic field analysis using the FDTD method (Finite-Difference Time-Domain method). The analysis method of the embodiment includes setting a plurality of voxels in an analysis domain, setting at least one of the plurality of voxels as a free voxel based on a model of the analysis domain, and repeatedly updating the time step and performing calculation processing of the electromagnetic field components for each of the plurality of voxels. The calculation processing includes calculation of the electric field components for the plurality of voxels and application of an absorbing boundary condition to the electric field components. In the calculation processing, the calculation of the electric field components for at least one free voxel is omitted.
実施形態の解析方法は、FDTD法における電磁界の計算時間を短縮し且つメモリの使用量を抑制することができる。 The analysis method of the embodiment can reduce the calculation time of the electromagnetic field in the FDTD method and reduce memory usage.
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。実施形態は、発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示している。図面は、模式的又は概念的なものである。以下の説明では、略同一の機能及び構成を有する構成要素に同一の符号が付されている。X方向、Y方向、Z方向は、互いに交差する方向に対応している。 The following describes embodiments with reference to the drawings. The embodiments illustrate devices and methods for embodying the technical ideas of the invention. The drawings are schematic or conceptual. In the following description, components having substantially the same functions and configurations are given the same reference numerals. The X, Y, and Z directions correspond to directions that intersect with each other.
<1>FDTD法の概要
図1は、FDTD法を用いた電磁界の解析処理で決定される解析領域ARの一例を示す斜視図である。図1に示すように、解析領域ARは、例えば、X方向に沿った幅がLxであり、Y方向に沿った奥行きがLyであり、Z方向沿った高さがLzである三次元領域である。解析領域ARは、例えば、波源1と、少なくとも一つの物体2とを含む。波源1は、電波(電磁界)の送信点である。波源1から送信される電波は、解析領域AR内の媒質定数が均一である場合には、波源1を中心とする球面状(電界強度コンター図では放射状)に伝搬する。媒質定数としては、導電率や透磁率などが使用される。物体2は、解析領域AR内の空間と異なる媒質定数を有する。物体2は、例えば建物である。解析領域ARに設定される物体2の数、物体2の形状、物体2毎の媒質定数などは、解析対象のモデルに応じて適宜設定される。解析領域ARには、複数のモデルが適用され得る。
<1> Overview of FDTD method FIG. 1 is a perspective view showing an example of an analysis area AR determined by an analysis process of an electromagnetic field using the FDTD method. As shown in FIG. 1, the analysis area AR is a three-dimensional area having, for example, a width along the X direction of Lx, a depth along the Y direction of Ly, and a height along the Z direction of Lz. The analysis area AR includes, for example, a wave source 1 and at least one object 2. The wave source 1 is a transmission point of an electric wave (electromagnetic field). When the medium constant in the analysis area AR is uniform, the electric wave transmitted from the wave source 1 propagates in a spherical shape (radial shape in the electric field intensity contour diagram) centered on the wave source 1. As the medium constant, conductivity, magnetic permeability, etc. are used. The object 2 has a medium constant different from that of the space in the analysis area AR. The object 2 is, for example, a building. The number of objects 2 set in the analysis area AR, the shape of the object 2, the medium constant for each object 2, etc. are appropriately set according to the model to be analyzed. A number of models can be applied to the analysis region AR.
図2は、FDTD法を用いた電磁界の解析処理におけるボクセルの設定の一例を示す斜視図である。図2に示すように、FDTD法を用いた電磁界の解析処理において、解析領域ARは、三次元に配列された複数のブロック(ボクセルVX)に分割される。ボクセルVXは、任意の大きさに設定される。各ボクセルVXには、座標値(x座標、y座標、z座標)が設定され、座標値に対応する物体2などの媒質定数が関連付けられる。なお、解析領域ARは、周囲に吸収境界条件が設定された解析対象であり、ボクセルVXの数は有限となっている。FDTD法では、電界と磁界の時間更新を行う際に、前時間ステップに計算された電界及び磁界と、ボクセルVX毎の媒質定数とを用いる。このため、FDTD法を用いて電磁界を計算するためには、ボクセルVX数に応じた電界、磁界、及び媒質定数を保持するためのメモリが必要である。 Figure 2 is a perspective view showing an example of voxel setting in the analysis of an electromagnetic field using the FDTD method. As shown in Figure 2, in the analysis of an electromagnetic field using the FDTD method, the analysis area AR is divided into a plurality of blocks (voxels VX) arranged three-dimensionally. The voxels VX are set to an arbitrary size. Coordinate values (x coordinate, y coordinate, z coordinate) are set for each voxel VX, and the medium constants of the object 2 corresponding to the coordinate values are associated with each voxel. The analysis area AR is an analysis target with an absorbing boundary condition set around it, and the number of voxels VX is finite. In the FDTD method, when updating the electric field and magnetic field over time, the electric field and magnetic field calculated in the previous time step and the medium constants for each voxel VX are used. Therefore, in order to calculate an electromagnetic field using the FDTD method, a memory is required to hold the electric field, magnetic field, and medium constants according to the number of voxels VX.
図3は、FDTD法を用いた電磁界成分の計算方法の概要を示す模式図である。図3に示すように、FDTD法において電磁界成分の計算が開始すると(計算開始)、解析領域ARにおける各ボクセルVXの電界及び磁界用の配列が設定される。この“配列”は、解析領域ARにおける電界及び磁界の計算に使用され、ボクセルVX毎に割り当てられるメモリ領域に対応する。そして、ボクセルVX毎に電界の3成分(Ex,Ey,Ez)及び磁界の3成分(Hx,Hy,Hz)が、所定の時間間隔で更新される。Ex、Ey、及びEzは、それぞれx方向、y方向、及びz方向に沿った電界成分に対応する。Hx、Hy、及びHzは、それぞれx方向、y方向、及びz方向に沿った磁界成分に対応する。電界成分及び磁界成分のそれぞれが収束すると、電磁界成分の計算が終了する(計算終了)。なお、複数のモデルを用いて電磁界が解析される場合には、例えば単一のモデル毎に計算が実行される。以下では、電磁界成分の計算及び更新回数のことを時間ステップ数と呼ぶ。例えば、1つのモデルのボクセル数がM個であり、時間ステップ数がT回である場合に、当該モデルが利用された場合のメモリへのアクセス回数はM×T回となる。 Figure 3 is a schematic diagram showing an overview of a method for calculating electromagnetic field components using the FDTD method. As shown in Figure 3, when the calculation of electromagnetic field components begins in the FDTD method (calculation start), an array for the electric field and magnetic field of each voxel VX in the analysis area AR is set. This "array" is used to calculate the electric field and magnetic field in the analysis area AR, and corresponds to a memory area allocated for each voxel VX. Then, the three components of the electric field (Ex, Ey, Ez) and the three components of the magnetic field (Hx, Hy, Hz) are updated at a predetermined time interval for each voxel VX. Ex, Ey, and Ez correspond to the electric field components along the x-direction, y-direction, and z-direction, respectively. Hx, Hy, and Hz correspond to the magnetic field components along the x-direction, y-direction, and z-direction, respectively. When each of the electric field components and magnetic field components converge, the calculation of the electromagnetic field components ends (calculation end). Note that when the electromagnetic field is analyzed using multiple models, the calculation is performed for each single model, for example. Hereinafter, the number of calculations and updates of the electromagnetic field components will be referred to as the number of time steps. For example, if a model has M voxels and T time steps, the number of memory accesses when that model is used will be M x T.
<2>構成
<2-1>解析装置10のハードウェア構成
図4は、実施形態に係る解析装置10のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図4に示すように、解析装置10は、例えば、入力部20、出力部21、通信部22、CPU(Central Processing Unit)23、ROM(Read Only Memory)24、RAM(Random Access Memory)25、記憶媒体26、及びバス27を備える。入力部20、出力部21、通信部22、CPU23、ROM24、RAM25、及び記憶媒体26は、バス27を介して接続され、コンピュータとしての機能を有する。
<2> Configuration <2-1> Hardware configuration of analysis device 10 Fig. 4 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of the analysis device 10 according to the embodiment. As shown in Fig. 4, the analysis device 10 includes, for example, an input unit 20, an output unit 21, a communication unit 22, a CPU (Central Processing Unit) 23, a ROM (Read Only Memory) 24, a RAM (Random Access Memory) 25, a storage medium 26, and a bus 27. The input unit 20, the output unit 21, the communication unit 22, the CPU 23, the ROM 24, the RAM 25, and the storage medium 26 are connected via the bus 27 and have a function as a computer.
入力部20は、例えばキーボードやマウスなどの入力装置である。出力部21は、例えばディスプレイなどの表示装置である。通信部22は、例えば有線又は無線の通信に使用されるネットワークインターフェースである。CPU23は、様々なプログラムを実行することが可能な集積回路である。CPU23は、例えばRAM25に展開されたプログラムを実行することによって、後述される解析装置10の解析機能を実現する。ROM24は、不揮発性の半導体メモリである。ROM24は、解析装置10を制御するためのプログラムや制御データなどを記憶する。RAM25は、例えば、揮発性の半導体メモリである。RAM25は、CPU23の作業領域として使用される。記憶媒体26は、不揮発にデータを記憶する記憶装置である。記憶媒体26としては、例えばHDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)などが使用される。記憶媒体26は、解析装置10に内蔵されてもよいし、外付けされてもよい。 The input unit 20 is an input device such as a keyboard or a mouse. The output unit 21 is a display device such as a display. The communication unit 22 is a network interface used for wired or wireless communication. The CPU 23 is an integrated circuit capable of executing various programs. The CPU 23 executes a program deployed in the RAM 25, for example, to realize the analysis function of the analysis device 10 described later. The ROM 24 is a non-volatile semiconductor memory. The ROM 24 stores programs and control data for controlling the analysis device 10. The RAM 25 is a volatile semiconductor memory, for example. The RAM 25 is used as a working area for the CPU 23. The storage medium 26 is a storage device that stores data in a non-volatile manner. For example, a hard disk drive (HDD) or a solid state drive (SSD) is used as the storage medium 26. The storage medium 26 may be built into the analysis device 10 or may be attached externally.
<2-2>解析装置10の機能構成
図5は、実施形態に係る解析装置10の機能構成の一例を示すブロック図である。図5に示すように、解析装置10は、記憶部31、パラメータ設定部32、配列初期化部33、配列データ読取部34、計算部35、並びにバス100及び102を備える。記憶部31は、バス100を介してパラメータ設定部32と配列初期化部33と配列データ読取部34とのそれぞれと接続され、バス102を介して計算部35と接続される。
<2-2> Functional configuration of analysis device 10 Fig. 5 is a block diagram showing an example of the functional configuration of analysis device 10 according to an embodiment. As shown in Fig. 5, analysis device 10 includes a storage unit 31, a parameter setting unit 32, an array initialization unit 33, an array data reading unit 34, a calculation unit 35, and buses 100 and 102. Storage unit 31 is connected to each of parameter setting unit 32, array initialization unit 33, and array data reading unit 34 via bus 100, and is connected to calculation unit 35 via bus 102.
記憶部31は、バス100やバス102を介したデータの読み出し及び書き込みを実行可能なメモリ(例えばRAM25)により構成される。記憶部31は、例えば、解析空間情報記憶部310及びボクセルモデル記憶部312を有する。解析空間情報記憶部310は、解析領域ARに関する情報を記憶する。例えば、解析空間情報記憶部310は、各ボクセルVXの媒質定数を記憶する。ボクセルモデル記憶部312は、解析領域ARに関連付けられた少なくとも一つのモデルを記憶する。なお、記憶部31は、計算部35などの処理結果を記憶してもよい。 The storage unit 31 is composed of a memory (e.g., RAM 25) capable of reading and writing data via the bus 100 and the bus 102. The storage unit 31 has, for example, an analysis space information storage unit 310 and a voxel model storage unit 312. The analysis space information storage unit 310 stores information related to the analysis area AR. For example, the analysis space information storage unit 310 stores the medium constant of each voxel VX. The voxel model storage unit 312 stores at least one model associated with the analysis area AR. The storage unit 31 may also store the processing results of the calculation unit 35 and the like.
パラメータ設定部32は、解析領域ARに対して、解析空間サイズ、ボクセルサイズ、離散時間間隔の定義、解析モデル(アンテナや解析空間の条件など)を設定する。また、パラメータ設定部32は、解析モデルなどに基づいて解放ボクセルRVXを設定する。解放ボクセルRVXは、後述される電磁界の計算及び更新の対象外とされるボクセルVXである。そして、パラメータ設定部32は、これらの設定値を記憶部31に記憶させる。配列初期化部33は、解析処理に必要なサイズの配列を確保して、確保した配列を記憶部31に記憶させる。配列データ読取部34は、電界及び磁界の計算に使用される配列データを読み出し、記憶部31に記憶させる。 The parameter setting unit 32 sets the analysis space size, voxel size, definition of discrete time intervals, and analysis model (antenna and analysis space conditions, etc.) for the analysis region AR. The parameter setting unit 32 also sets free voxels RVX based on the analysis model, etc. Free voxels RVX are voxels VX that are not subject to the calculation and updating of the electromagnetic field described below. The parameter setting unit 32 then stores these set values in the memory unit 31. The array initialization unit 33 secures an array of a size required for the analysis process, and stores the secured array in the memory unit 31. The array data reading unit 34 reads out array data used in the calculation of the electric field and magnetic field, and stores it in the memory unit 31.
計算部35は、電界及び磁界を計算するための各部を有する。具体的には、計算部35は、電界成分計算部350、電界吸収境界条件計算部352、磁界成分計算部354、及び磁界吸収境界条件計算部356を有する。 The calculation unit 35 has various units for calculating the electric field and the magnetic field. Specifically, the calculation unit 35 has an electric field component calculation unit 350, an electric field absorption boundary condition calculation unit 352, a magnetic field component calculation unit 354, and a magnetic field absorption boundary condition calculation unit 356.
電界成分計算部350は、解析空間情報記憶部310からボクセルVX毎に媒質定数を読み出し、ボクセルモデル記憶部312からモデルを読み出す。そして、電界成分計算部350は、読み出したボクセルVX毎の媒質定数とモデルとに基づいて各ボクセルVXに対する電界成分を計算し、計算結果を記憶部31に記憶させる。電界吸収境界条件計算部352は、解析領域ARにおける電界成分の吸収境界条件を計算する。そして、電界吸収境界条件計算部352は、電界成分計算部350により計算された電界成分に対して吸収境界条件を適用する計算を実行し、計算結果を記憶部31に記憶させる。 The electric field component calculation unit 350 reads the medium constant for each voxel VX from the analysis space information storage unit 310, and reads the model from the voxel model storage unit 312. The electric field component calculation unit 350 then calculates the electric field component for each voxel VX based on the medium constant and model for each voxel VX that have been read, and stores the calculation results in the storage unit 31. The electric field absorption boundary condition calculation unit 352 calculates the absorption boundary condition for the electric field component in the analysis region AR. The electric field absorption boundary condition calculation unit 352 then performs a calculation to apply the absorption boundary condition to the electric field component calculated by the electric field component calculation unit 350, and stores the calculation results in the storage unit 31.
磁界成分計算部354は、解析空間情報記憶部310からボクセルVX毎に媒質定数を読み出し、ボクセルモデル記憶部312からモデルを読み出す。そして、磁界成分計算部354は、読み出したボクセルVX毎の媒質定数とモデルとに基づいて各ボクセルVXに対する磁界成分を計算し、計算結果を記憶部31に記憶させる。磁界吸収境界条件計算部356は、解析領域ARにおける磁界成分の吸収境界条件を計算する。そして、磁界吸収境界条件計算部356は、磁界成分計算部354により計算された磁界成分に対して吸収境界条件を適用する計算を実行し、計算結果を記憶部31に記憶させる。 The magnetic field component calculation unit 354 reads the medium constant for each voxel VX from the analysis space information storage unit 310, and reads the model from the voxel model storage unit 312. The magnetic field component calculation unit 354 then calculates the magnetic field component for each voxel VX based on the medium constant and model for each voxel VX that it has read, and stores the calculation results in the storage unit 31. The magnetic field absorbing boundary condition calculation unit 356 calculates the absorbing boundary conditions for the magnetic field components in the analysis region AR. The magnetic field absorbing boundary condition calculation unit 356 then performs a calculation to apply the absorbing boundary conditions to the magnetic field components calculated by the magnetic field component calculation unit 354, and stores the calculation results in the storage unit 31.
<3>動作
<3-1>比較例における解析処理
図6は、比較例における電磁界の解析処理の流れの一例を示すフローチャートである。以下に、図6を参照して、比較例における電磁界の解析処理の流れの一例について説明する。
<3> Operation <3-1> Analysis Processing in Comparative Example Fig. 6 is a flowchart showing an example of the flow of the analysis processing of the electromagnetic field in the comparative example. Hereinafter, an example of the flow of the analysis processing of the electromagnetic field in the comparative example will be described with reference to Fig. 6.
CPU23は、例えばユーザの操作に応じて解析処理を開始する(開始)。 The CPU 23 starts the analysis process (starts), for example, in response to a user operation.
まず、CPU23は、計算対象モデルを読み出す(S100)。言い変えると、ボクセルモデル記憶部312に、今回の計算対象に関連付けられたモデルが読み出され、ボクセルモデルが生成される。 First, the CPU 23 reads the calculation target model (S100). In other words, the model associated with the current calculation target is read into the voxel model storage unit 312, and a voxel model is generated.
次に、CPU23は、解析領域ARを決定する(S102)。言い換えると、例えばパラメータ設定部32が、計算対象に対して解析領域ARを設定する。 Next, the CPU 23 determines the analysis area AR (S102). In other words, for example, the parameter setting unit 32 sets the analysis area AR for the calculation target.
次に、CPU23は、解析領域ARにボクセルVXを設定する(S104)。具体的には、例えば、パラメータ設定部32が、各ボクセルVXに設定した3次元(i,j,k)絶対座標値を、ボクセルモデル記憶部312に入力する。“i”は、x軸インデックス(i=1,2,…,Nx)に対応し、“j”は、y軸インデックス(j=1,2,…,Ny)に対応し、“k”は、z軸インデックス(k=1,2,…,Nz)に対応している。 Next, the CPU 23 sets the voxel VX in the analysis region AR (S104). Specifically, for example, the three-dimensional (i, j, k) absolute coordinate values set by the parameter setting unit 32 for each voxel VX are input to the voxel model storage unit 312. "i" corresponds to the x-axis index (i = 1, 2, ..., Nx), "j" corresponds to the y-axis index (j = 1, 2, ..., Ny), and "k" corresponds to the z-axis index (k = 1, 2, ..., Nz).
次に、CPU23は、配列を確保する(S106)。具体的には、配列初期化部33が、電界の3成分(Ex,Ey,Ez)と磁界の3成分(Ex,Ey,Ez)との計算に用いる領域をメモリ(例えばRAM25)上に確保する。 Next, the CPU 23 secures an array (S106). Specifically, the array initialization unit 33 secures an area in a memory (e.g., the RAM 25) to be used for calculating the three components of the electric field (Ex, Ey, Ez) and the three components of the magnetic field (Ex, Ey, Ez).
次に、CPU23は、各ボクセルVXに対して媒質定数を割り当てる(S108)。具体的には、配列データ読取部34が、設定された各座標値に対応する媒質定数をボクセルモデル記憶部312から読み出す。 Next, the CPU 23 assigns a medium constant to each voxel VX (S108). Specifically, the array data reading unit 34 reads out the medium constant corresponding to each set coordinate value from the voxel model storage unit 312.
次に、CPU23は、時間ステップを更新する(S110)。なお、S110の処理が初回である場合には、時間ステップ数として初期値(例えば“1”)が適用される。S110の処理が当該解析処理において2回目以降である場合には、時間ステップ数は、S110の処理が実行された回数に応じた数値になる。 Next, the CPU 23 updates the time steps (S110). If the process of S110 is the first time, an initial value (e.g., "1") is applied as the number of time steps. If the process of S110 is the second or subsequent time in the analysis process, the number of time steps becomes a value according to the number of times the process of S110 has been executed.
次に、CPU23は、電界成分を計算する(S112)。電界成分の計算では、電界成分計算部350が、マクスウェルの方程式を空間及び時間の領域で展開した差分方程式と、S100の処理で生成されたボクセルモデルとを用いて、解析領域ARにおける電界成分を計算する。 Next, the CPU 23 calculates the electric field components (S112). In calculating the electric field components, the electric field component calculation unit 350 calculates the electric field components in the analysis area AR using a difference equation that expands Maxwell's equations in the spatial and temporal domains and the voxel model generated in the processing of S100.
次に、CPU23は、電界成分に対して吸収境界条件を適用する(S114)。電界成分に対する吸収境界条件の適用では、電界吸収境界条件計算部352が、S112の処理で計算された電界成分と、後述するS116の処理で計算された磁界成分とを用いて、解析領域ARの境界で電磁波が反射しないように、電界成分の吸収境界条件を計算する。なお、電界吸収境界条件計算部352は、最初に電界成分の吸収境界条件を計算する場合の磁界成分として、例えば“0”又は予め設定された初期値の磁界成分を用いる。 Next, the CPU 23 applies the absorbing boundary condition to the electric field component (S114). In applying the absorbing boundary condition to the electric field component, the electric field absorbing boundary condition calculation unit 352 uses the electric field component calculated in the process of S112 and the magnetic field component calculated in the process of S116 described below to calculate the absorbing boundary condition of the electric field component so that the electromagnetic wave is not reflected at the boundary of the analysis area AR. Note that the electric field absorbing boundary condition calculation unit 352 uses, for example, "0" or a magnetic field component with a preset initial value as the magnetic field component when first calculating the absorbing boundary condition of the electric field component.
次に、CPU23は、磁界成分を計算する(S116)。具体的には、磁界成分計算部354が、マクスウェルの方程式を空間及び時間の領域で展開した差分方程式と、S100の処理で生成されたボクセルモデルとを用いて、解析領域ARにおける磁界成分を計算する。 Next, the CPU 23 calculates the magnetic field components (S116). Specifically, the magnetic field component calculation unit 354 calculates the magnetic field components in the analysis area AR using a difference equation obtained by expanding Maxwell's equations in the spatial and temporal domains and the voxel model generated in the processing of S100.
次に、CPU23は、磁界成分に対して吸収境界条件を適用する(S118)。具体的には、磁界吸収境界条件計算部356が、S112の処理で計算された電界成分と、S116の処理で計算された磁界成分とを用いて、解析領域ARの境界で電磁波が反射しないように、磁界成分の吸収境界条件を計算する。なお、電界吸収境界条件計算部352は、最初に電界成分の吸収境界条件を計算する場合に、“0”又は予め設定された初期値の磁界成分を用いる。 Next, the CPU 23 applies the absorbing boundary condition to the magnetic field component (S118). Specifically, the magnetic field absorbing boundary condition calculation unit 356 uses the electric field component calculated in the process of S112 and the magnetic field component calculated in the process of S116 to calculate the absorbing boundary condition of the magnetic field component so that the electromagnetic wave is not reflected at the boundary of the analysis area AR. Note that when initially calculating the absorbing boundary condition of the electric field component, the electric field absorbing boundary condition calculation unit 352 uses a magnetic field component of "0" or a preset initial value.
次に、CPU23は、電磁界成分の計算が収束したか否かを判定する(S120)。具体的には、例えば、CPU23が、現在の時間ステップにおける電界成分(Ex,Ey,Ez)と磁界成分(Hx,Hy,Hz)とのそれぞれの数値と、以前の時間ステップにおける電磁界成分の計算結果とを比較することによって、電磁界成分の計算が収束したか否かを判定する。 Next, the CPU 23 determines whether the calculation of the electromagnetic field components has converged (S120). Specifically, for example, the CPU 23 determines whether the calculation of the electromagnetic field components has converged by comparing the numerical values of the electric field components (Ex, Ey, Ez) and the magnetic field components (Hx, Hy, Hz) at the current time step with the calculation results of the electromagnetic field components at the previous time step.
S120の処理において電磁界成分の計算が収束していない場合に(S120,NO)、CPU23は、S110の処理に進む。つまり、CPU23は、次の時間ステップにおける電磁界成分の計算及び更新を実行する。 If the calculation of the electromagnetic field components has not converged in the process of S120 (S120, NO), the CPU 23 proceeds to the process of S110. In other words, the CPU 23 executes the calculation and update of the electromagnetic field components in the next time step.
S120の処理において電磁界成分の計算が収束している場合に(S120,YES)、CPU23は、図6の一連の処理を終了する(終了)。その後、解析装置10は、解析結果を、例えば記憶媒体26に記憶させる。なお、解析装置10は、解析結果を出力部21に表示させてもよい。 If the calculation of the electromagnetic field components has converged in the process of S120 (S120, YES), the CPU 23 ends the series of processes in FIG. 6 (END). After that, the analysis device 10 stores the analysis results in, for example, the storage medium 26. The analysis device 10 may also display the analysis results on the output unit 21.
<3-2>実施形態における解析処理
図7は、実施形態における電磁界の解析処理の流れの一例を示すフローチャートである。図7に示すように、実施形態の解析処理は、図6に示された比較例の解析処理に対して、S106及びS108の間にS200及びS202が追加され、S114がS204に置き換えられた構成を有する。
<3-2> Analysis process in the embodiment Fig. 7 is a flowchart showing an example of the flow of the analysis process of the electromagnetic field in the embodiment. As shown in Fig. 7, the analysis process of the embodiment has a configuration in which S200 and S202 are added between S106 and S108 and S114 is replaced with S204, compared to the analysis process of the comparative example shown in Fig. 6.
具体的には、まずCPU23は、比較例と同様に、解析処理を開始すると(開始)、計算対象モデルを読み出し(S100)、解析領域ARを決定し(S102)、解析領域ARにボクセルVXを設定し(S104)、配列を確保する(S106)。 Specifically, as in the comparative example, when the CPU 23 starts the analysis process (START), it reads the model to be calculated (S100), determines the analysis area AR (S102), sets the voxel VX in the analysis area AR (S104), and secures the array (S106).
次に、CPU23は、解析領域ARから解放ボクセルRVXを抽出する(S200)。解放ボクセルRVXの抽出方法の一例としては、まず、CPU23(例えばパラメータ設定部32)は、解析対象の周波数に対応した波長λを算出する。そして、CPU23は、ビルなど建物構造物の内部や、建物の表面から波長λの数倍より大きい距離となる内側の3次元の空間に含まれる領域を削除領域として導出する。それから、CPU23は、削除領域に該当するボクセルVXを解放ボクセルRVXに設定する。その後、CPU23は、削除領域(解放ボクセルRVX)と接する境界面のボクセルVXに、各軸方向に対応した2次元吸収面を設定する。この2次元吸収面の計算方法の詳細については後述する。 Next, the CPU 23 extracts free voxels RVX from the analysis area AR (S200). As an example of a method for extracting free voxels RVX, first, the CPU 23 (for example, the parameter setting unit 32) calculates a wavelength λ corresponding to the frequency of the analysis target. The CPU 23 then derives, as the deletion area, an area included in the interior of a building structure such as a building, or an inner three-dimensional space that is a distance from the surface of the building that is greater than several times the wavelength λ. The CPU 23 then sets the voxels VX that correspond to the deletion area as free voxels RVX. After that, the CPU 23 sets two-dimensional absorption surfaces corresponding to each axis direction to the voxels VX of the boundary surface that contacts the deletion area (free voxels RVX). The calculation method of this two-dimensional absorption surface will be described in detail later.
次に、CPU23は、解放ボクセルRVXに対応する配列を解放する(S202)。言い換えると、CPU23は、解放ボクセルRVXに設定されたボクセルVXに割り当てられたメモリ領域を解放する。CPU23は、解放されたメモリ領域を、その他の処理に利用することができる。 Next, the CPU 23 releases the array corresponding to the released voxel RVX (S202). In other words, the CPU 23 releases the memory area allocated to the voxel VX set in the released voxel RVX. The CPU 23 can use the released memory area for other processing.
次に、CPU23は、比較例と同様に、各ボクセルVXに対して媒質定数を割り当て(S108)、時間ステップを更新し(S110)、電界成分を計算する(S112)。なお、実施形態の解析処理では、解放ボクセルRVXに対する電界成分の計算が省略される。 Next, the CPU 23 assigns a medium constant to each voxel VX (S108), updates the time step (S110), and calculates the electric field components (S112), as in the comparative example. Note that in the analysis process of the embodiment, the calculation of the electric field components for the released voxels RVX is omitted.
次に、CPU23は、解放ボクセルRVXの領域境界面を含む電界成分に対して吸収境界条件を適用する(S204)。言い換えると、CPU23は、隣り合うボクセルVX間の領域境界面だけでなく、解放ボクセルRVXとボクセルVXとの間の領域境界面に対しても吸収境界条件を適用する。 Next, the CPU 23 applies an absorbing boundary condition to the electric field components including the domain boundary surface of the released voxel RVX (S204). In other words, the CPU 23 applies an absorbing boundary condition not only to the domain boundary surface between adjacent voxels VX, but also to the domain boundary surface between the released voxel RVX and the voxel VX.
次に、CPU23は、比較例と同様に、磁界成分を計算し(S116)、磁界成分に対して吸収境界条件を適用し(S118)、電磁界成分の計算が収束したか否かを判定する(S120)。実施形態の解析処理のその他の動作は、比較例の解析処理と同様である。 Next, the CPU 23 calculates the magnetic field components (S116), applies an absorbing boundary condition to the magnetic field components (S118), and determines whether the calculation of the electromagnetic field components has converged (S120), as in the comparative example. The other operations of the analysis process of the embodiment are the same as those of the comparative example.
図8は、実施形態における電磁界の解析処理の概要を示す模式図である。図8に示すように、実施形態において電磁界成分の計算が開始すると(計算開始)、S100、S102、S104、及びS106の処理により、解析領域ARにおける各ボクセルVXの電界及び磁界用の配列が設定される。そして、S200、S202、及びS204の処理により、解放ボクセルRVXが抽出され、解放ボクセルRVXに割り当てられた配列が解放される。S110、S112、S206、S116、S118、及びS120の処理が実行され、ボクセルVX毎に電界の3成分(Ex,Ey,Ez)及び磁界の3成分(Hx,Hy,Hz)が、所定の時間間隔で更新される。この計算では、図7を参照して説明されたように、解放ボクセルRVXとボクセルVXとの間に2次元吸収面が設定され、解放ボクセルRVXに対する電界成分の計算が省略される。電界成分及び磁界成分のそれぞれが収束すると、電磁界成分の計算が終了する(計算終了)。 Figure 8 is a schematic diagram showing an overview of the electromagnetic field analysis process in the embodiment. As shown in Figure 8, when the calculation of the electromagnetic field components starts in the embodiment (calculation start), the processes of S100, S102, S104, and S106 set the arrays for the electric field and magnetic field of each voxel VX in the analysis area AR. Then, the processes of S200, S202, and S204 extract the released voxel RVX, and release the arrays assigned to the released voxel RVX. The processes of S110, S112, S206, S116, S118, and S120 are executed, and the three components of the electric field (Ex, Ey, Ez) and the three components of the magnetic field (Hx, Hy, Hz) are updated for each voxel VX at a predetermined time interval. In this calculation, as explained with reference to FIG. 7, a two-dimensional absorbing surface is set between the released voxel RVX and the voxel VX, and the calculation of the electric field component for the released voxel RVX is omitted. When the electric field component and the magnetic field component each converge, the calculation of the electromagnetic field component ends (end of calculation).
<3-3>2次元吸収面での定式化例
実施形態に係る解析方法では、電界に関する波動方程式(ヘルムホルツ方程式)を以下のように求めるものとする。まず、電界成分Ex、Ey及びEzに関する波動方程式を、式(1)、(2)及び(3)にそれぞれ示す。なお、以下の数式において、“νp”は、振動数を表している。
<3-3> Example of formulation for two-dimensional absorbing surface In the analysis method according to the embodiment, the wave equation (Helmholtz equation) for the electric field is calculated as follows. First, the wave equations for the electric field components Ex, Ey, and Ez are shown in equations (1), (2), and (3), respectively. In the following equations, "ν p " represents the frequency.
実施形態に係る解析方法において、解放ボクセルRVXの領域境界面に適用される2次元吸収面の満たすべき条件は、当該吸収面で反射される電界成分を“0”にすることで実現できる。例えば、x=0のyz平面においてx>0から伝搬してきた平面波(Ey及びEz)について、式(4)及び(5)を満足すればよい。 In the analysis method according to the embodiment, the condition to be satisfied by the two-dimensional absorbing surface applied to the domain boundary surface of the released voxel RVX can be realized by setting the electric field component reflected by the absorbing surface to "0". For example, for a plane wave (Ey and Ez) propagating from x>0 in the yz plane at x=0, it is sufficient to satisfy equations (4) and (5).
ここで、式(6)も満たされる。 Here, equation (6) is also satisfied.
平均化法に基づいて、以下のような電界の取り扱いをすることにより、2次元面において、十分な吸収特性が実現される。一例として、-x方向に伝搬する電波に対する吸収面(yz面に設定、x=0)の定式化を示す。-x方向に伝搬する電界成分Ey及びEzに適用された条件は、以下の式(7)により与えられる。 By treating the electric field as follows based on the averaging method, sufficient absorption characteristics can be achieved on a two-dimensional surface. As an example, the formulation of an absorption surface (set on the yz plane, x = 0) for radio waves propagating in the -x direction is shown below. The condition applied to the electric field components Ey and Ez propagating in the -x direction is given by the following equation (7).
電界成分Ezについては、式(7)の下付き添え字“y”を“z”に変更することにより導出される。また、y方向及びz方向に伝搬する電界成分に対する吸収境界条件は、各式において、ΔxをΔy又はΔzとし、吸収面の位置を代入すればよい。 The electric field component Ez is derived by changing the subscript "y" to "z" in equation (7). The absorbing boundary conditions for the electric field components propagating in the y and z directions can be determined by substituting the position of the absorbing surface for Δx in each equation, either Δy or Δz.
<4>実施形態の効果
WiFiや携帯電話周波数帯の屋外電波伝搬の評価において、主要な電磁界は空間を伝搬する成分である。ビル建物など比較的大きな構造物内部に侵入した電磁界成分は、構造物により吸収され、伝搬特性解析結果において主たる影響を及ぼさない。しかしながら、建物表面(建物境界面)で反射される電波や、建物内部へ侵入し吸収される電波が正しく取り扱わらなければ、解析結果の精度が大きく劣化するおそれがある。このため、比較例の解析処理では、建物内部の領域についても、計算開始時から終了時まで繰り返し電磁界の計算が行われている。
<4> Effects of the embodiment In the evaluation of outdoor radio wave propagation of WiFi and mobile phone frequency bands, the main electromagnetic field is a component propagating through space. The electromagnetic field components that penetrate into a relatively large structure such as a building are absorbed by the structure and do not have a major effect on the propagation characteristic analysis results. However, if the radio waves reflected by the building surface (building boundary surface) and the radio waves that penetrate and are absorbed inside the building are not properly handled, the accuracy of the analysis results may be significantly degraded. For this reason, in the analysis process of the comparative example, the electromagnetic field calculation is repeated from the start to the end of the calculation for the area inside the building.
これに対して、実施形態の解析装置10は、伝搬特性評価への影響が微少である空間のボクセルVX(例えば、市街地などの屋外において、無線器から放射される電波の伝搬特性評価を行う場合に、建物の内部など電磁界成分の値が小さくなるボクセルVX)を解放ボクセルRVXに設定する。そして、解析装置10は、FDTD計算の開始前に、解放ボクセルRVXの電磁界成分を記憶させるための配列を解放し、繰り返し演算を行わなくする。つまり、解析装置10は、伝搬特性解析結果において主たる影響を及ぼさない部分をあらかじめ抽出し、計算機資源を削減し、且つ繰り返し計算に使用される主記憶メモリを削減している。その結果、実施形態に係る解析装置10は、電磁界の計算時間を短縮し且つメモリの使用量を抑制することができる。さらに、解析装置10は、解放ボクセルRVXの境界面に2次元吸収領域を適用する。これにより、解析装置10は、ボクセルが不連続であることに起因して発生する不要な反射波の発生を抑制することができ、解放ボクセルの適用に起因した解析精度の劣化を抑制することができる。 In contrast, the analysis device 10 of the embodiment sets voxels VX in a space that has a small effect on the propagation characteristic evaluation (for example, voxels VX in which the value of the electromagnetic field component is small, such as inside a building, when performing a propagation characteristic evaluation of radio waves emitted from a wireless device outdoors, such as in an urban area) as released voxels RVX. Then, before starting the FDTD calculation, the analysis device 10 releases the array for storing the electromagnetic field components of the released voxels RVX, and does not perform repeated calculations. In other words, the analysis device 10 extracts in advance parts that do not have a major effect on the propagation characteristic analysis results, reduces computer resources, and reduces the main memory used for repeated calculations. As a result, the analysis device 10 of the embodiment can shorten the calculation time of the electromagnetic field and suppress memory usage. Furthermore, the analysis device 10 applies a two-dimensional absorbing region to the boundary surface of the released voxels RVX. This allows the analysis device 10 to suppress the generation of unnecessary reflected waves caused by discontinuous voxels, and suppresses the deterioration of analysis accuracy caused by the application of open voxels.
<5>その他
実施形態で解析処理の説明に使用されたフローチャートは、あくまで一例である。各フローチャートは、実施形態と同様の結果が得られるのであれば、可能な範囲で処理順番が入れ替えられても良いし、その他の処理が追加されても良い。解放ボクセルRVXの抽出方法は、実施形態で説明された方法に限定されない。CPU23は、解析結果への影響が微少であるような解放ボクセルRVXを設定することが可能であれば、実施形態で説明された方法以外の方法により解放ボクセルRVXを抽出してもよい。本明細書において、解析装置10は、“サーバ”、又は“処理サーバ”と呼ばれてもよい。CPU23は、“プロセッサ”と呼ばれてもよい。ROM24、RAM25、及び記憶媒体26のそれぞれは、“記憶回路”、または“メモリ”と呼ばれてもよい。
<5> Others The flowcharts used in the description of the analysis process in the embodiment are merely examples. As long as the same results as those in the embodiment can be obtained, the order of processing may be changed as much as possible, or other processing may be added. The method of extracting the released voxels RVX is not limited to the method described in the embodiment. If it is possible to set the released voxels RVX that have a small effect on the analysis result, the CPU 23 may extract the released voxels RVX by a method other than the method described in the embodiment. In this specification, the analysis device 10 may be called a "server" or a "processing server". The CPU 23 may be called a "processor". Each of the ROM 24, the RAM 25, and the storage medium 26 may be called a "storage circuit" or a "memory".
実施形態で説明された解析装置10のハードウェア構成は、その他の構成であってもよい。例えば、CPU23の替わりに、MPU(Micro Processing Unit)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、あるいはFPGA(field-programmable gate array)などが使用されてもよい。解析装置10が有する各機能は、一部又は全部が専用のハードウェアによって実現されてもよいし、CPU23などのプロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。すなわち、解析装置10が有する各機能は、コンピュータとプログラムとを用いて実現することができ、プログラムが記憶媒体に記録されてもよいし、プログラムがネットワークを介して提供されてもよい。 The hardware configuration of the analysis device 10 described in the embodiment may be other configurations. For example, instead of the CPU 23, an MPU (Micro Processing Unit), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an FPGA (Field-Programmable Gate Array) may be used. Some or all of the functions of the analysis device 10 may be realized by dedicated hardware, or may be configured as a program executed by a processor such as the CPU 23. In other words, each function of the analysis device 10 can be realized using a computer and a program, and the program may be recorded on a storage medium, or the program may be provided via a network.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は、適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made in the implementation stage without departing from the gist of the invention. The embodiments may be implemented in appropriate combination, in which case the combined effects can be obtained. Furthermore, the above-described embodiment includes various inventions, and various inventions can be extracted by combinations selected from the multiple constituent elements disclosed. For example, if the problem can be solved and an effect can be obtained even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiment, the configuration from which these constituent elements are deleted can be extracted as an invention.
1…波源
2…物体
10…解析装置
20…入力部
21…出力部
22…通信部
23…CPU
24…ROM
25…RAM
26…記憶媒体
27,100,102…バス
31…記憶部
32…パラメータ設定部
33…配列初期化部
34…配列データ読取部
35…計算部
310…解析空間情報記憶部
312…ボクセルモデル記憶部
350…電界成分計算部
352…電界吸収境界条件計算部
354…磁界成分計算部
356…磁界吸収境界条件計算部
Reference Signs List 1: Wave source 2: Object 10: Analysis device 20: Input section 21: Output section 22: Communication section 23: CPU
24...ROM
25...RAM
26... storage medium 27, 100, 102... bus 31... storage unit 32... parameter setting unit 33... array initialization unit 34... array data reading unit 35... calculation unit 310... analysis space information storage unit 312... voxel model storage unit 350... electric field component calculation unit 352... electric field absorption boundary condition calculation unit 354... magnetic field component calculation unit 356... magnetic field absorption boundary condition calculation unit
Claims (6)
解析領域に複数のボクセルを設定することと、前記解析領域のモデルに基づいて前記複数のボクセルのうち少なくとも一つを解放ボクセルに設定することと、時間ステップの更新と前記複数のボクセルのそれぞれを対象とした電磁界成分の計算処理とを繰り返し実行するプロセッサを備え、
前記計算処理は、前記複数のボクセルを対象とした電界成分の計算と前記電界成分に対する吸収境界条件の適用と前記少なくとも一つの解放ボクセルと隣り合うボクセルとの間の領域境界面に対する吸収境界条件の適用とを含み、前記計算処理では、前記少なくとも一つの解放ボクセルを対象とした電界成分の計算が省略される、
解析装置。 An analysis device that performs electromagnetic field analysis using a finite-difference time-domain method (FDTD method),
a processor that repeatedly executes the steps of: setting a plurality of voxels in an analysis domain; setting at least one of the plurality of voxels as a released voxel based on a model of the analysis domain; updating a time step; and calculating an electromagnetic field component for each of the plurality of voxels;
the calculation process includes calculating an electric field component for the plurality of voxels, applying an absorbing boundary condition to the electric field component, and applying an absorbing boundary condition to a domain boundary surface between the at least one released voxel and an adjacent voxel, and in the calculation process, the calculation of the electric field component for the at least one released voxel is omitted.
Analysis device.
前記プロセッサは、前記複数のボクセルの計算に使用するメモリ領域を前記メモリに割り当て、前記メモリ領域のうち前記少なくとも一つの解放ボクセルに設定されたボクセルに対応する部分を解放する、
請求項1に記載の解析装置。 Further comprising a memory;
the processor allocates a memory area to be used for calculation of the plurality of voxels in the memory, and releases a portion of the memory area corresponding to the voxel set as the at least one released voxel;
The analysis device according to claim 1 .
請求項1に記載の解析装置。 The processor performs calculations in the calculation process so that the electric field component reflected at the region boundary surface becomes zero.
The analysis device according to claim 1 .
コンピュータに、
解析領域に複数のボクセルを設定することと、
前記解析領域のモデルに基づいて前記複数のボクセルのうち少なくとも一つを解放ボクセルに設定することと、
時間ステップの更新と、前記複数のボクセルのそれぞれを対象とした電磁界成分の計算処理とを繰り返し実行することと、を実行させ、
前記計算処理は、前記複数のボクセルを対象とした電界成分の計算と前記電界成分に対する吸収境界条件の適用と前記少なくとも一つの解放ボクセルと隣り合うボクセルとの間の領域境界面に対する吸収境界条件の適用とを含み、前記計算処理では、前記少なくとも一つの解放ボクセルを対象とした電界成分の計算が省略される、
解析プログラム。 An analysis program for performing electromagnetic field analysis using the finite-difference time-domain method (FDTD method),
On the computer,
Setting a plurality of voxels in an analysis region;
setting at least one of the plurality of voxels as a free voxel based on a model of the analysis region;
repeatedly updating the time step and calculating the electromagnetic field components for each of the plurality of voxels;
the calculation process includes calculating an electric field component for the plurality of voxels, applying an absorbing boundary condition to the electric field component, and applying an absorbing boundary condition to a domain boundary surface between the at least one released voxel and an adjacent voxel, and in the calculation process, the calculation of the electric field component for the at least one released voxel is omitted.
Analysis program.
前記複数のボクセルの計算に使用するメモリ領域をメモリに割り当てることと、
前記メモリ領域のうち前記少なくとも一つの解放ボクセルに設定されたボクセルに対応する部分を解放することと、をさらに実行させる、
請求項4に記載の解析プログラム。 On the computer,
allocating a memory area in a memory for use in computing the plurality of voxels;
and freeing a portion of the memory area corresponding to the voxel set as the at least one free voxel.
The analysis program according to claim 4 .
前記計算処理において、前記領域境界面で反射される電界成分がゼロになるように計算することをさらに実行させる、The calculation process further includes calculating so that the electric field component reflected at the region boundary surface becomes zero.
請求項4に記載の解析プログラム。The analysis program according to claim 4.
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