GPU accelerated radio wave propagation modeling using ray tracing

Abstract

Çoğunlukla savunma sanayi alanında faaliyet gösteren radar üreticileri, geliştirmekte oldukları ürünleri denemek için radar ortam simülatörüne ihtiyaç duyarlar. Bu tarz bir simülatör, üreticilerin pahalı saha testlerinden kurtulmalarına yardımcı olur. Radar ortam simülatörü geliştirmek için, radyo dalgalarının yayılımının modellenmesi gerekmektedir. Yalnız bu, bilgisayarlar için hesaplanması zor ve zaman alıcı bir işlemdir. Yayılım modellemesi işleminin hızlandırılması radar üretimine katkı sağlar. Işın izleme, elektromanyetik dalga yayılımı modelleme yöntemlerinden biridir. Dalganın, arazinin her noktasındaki toplam katettiği yolu, gecikmesini ve gücünü hesaplamaya olanak sağlar. Bu çalışmamızda, ışın izleme yöntemi ile radyo dalgaları yayılımını modelleyen bir uygulama geliştirdik. Yansıma, kırılma ve boş alan kaybı hesapları bu proje kapsamında geliştirilmiştir. Bununla birlikte, uygulamamızda kırılmayı etkileyen öntanımlı atmosfer tipleri ve yansımayı etkileyen öntanımlı yüzey tipleri kullanıcı seçimleri için bulunmaktadır. Ayrıca kullanıcıya yeni bir atmosfer tipi ve zemin tipi tanımlama esnekliği sağlanmıştır. Uygulamamız 2 boyutlu haritalarda çalışmak üzere geliştirilmiştir. Ancak 3 boyutlu haritalardan 2 boyutlu dilimler hesaplayarak bu 2 boyutlu dilimler üzerinde çalışma yeteneğine de sahiptir.Uygulamamızı ekran kartı programlama yöntemleri ile paralel biçimde hızlandırdık. Geliştirmiş olduğumuz uygulamayı işlemci üzerinde seri, işlemci üzerinde paralel ve ekran kartı üzerinde paralel olarak çalıştırdık. Uygulamanın farklı ortamlardaki çalışma sürelerini karşılaştırıp analiz ettik. Bu çalışma kapsamında, yüksek teknik özellikli işlemci ve ekran kartları arasında 18.14 kata kadar hızlanma yakaladık.

Radar producers, which are mostly in defense industry, need radar environment simulator to test their products during the development. Such a simulator helps them to be able to get rid of costly field tests. For developing a radar environment simulator, radio wave propagation should be modeled. However, this is a computationally expensive and time consuming process. Improving the performance of propagation modeling contributes to the radar development work. Ray tracing is one of the several electromagnetic wave propagation techniques. It enables calculation of total range, delay and power of radio waves on each point of the field. In this study, we have developed a radio wave propagation modeling application using a parallel implementation of the ray tracing method. Reflection, refraction and free space path loss properties of radio waves are implemented. Predefined atmosphere types that affect the refraction and surface types that affect the reflection are included for user selection. Moreover, the user has the chance of defining special atmosphere and surface types. Our application works on two-dimensional (2D) maps. It also has the ability of converting three-dimensional (3D) maps to 2D slices and working on them.We have developed and accelerated the application using GPU computing and parallel programming concepts. We have run the proposed method sequential and parallel on CPU and parallel on GPU. We have compared and analyzed time measurements of the application on different domains. We have achieved up to 18.14 speedup values between high specification CPU and GPU cards within the scope of this thesis.