Présentation « Radio Mobile » Gaëtan, ON4KHG 11 février 2006 Section ATH

Agenda Première partie : Propagation troposphérique Troposphère Espace libre – « Line of sight » Réfraction Inversion de température et « Ducting » Diffraction Troposcatter Résumé Modèles de simulation de couverture Probabilité (variabilité) de liaison Deuxième partie : « Radio Mobile » Introduction Modèle Longley-Rice Caractéristiques d’un signal mobile Exemples Démonstration pratique

Propagation Troposphérique Première partie Propagation Troposphérique

Propagation - Troposphère VHF = Troposphère

Propagation – Espace libre / LOS (1) Perte en espace libre : Lp (dB) = 32,45 + 20 Log f (MHz) + 20 Log d (km) Bilan de liaison : Pr (dBm) = Pt (dBm) - Lp (dB) + Gt (dBi) + Gr (dBi) - Lt (dB) - Lr (dB) Exemple @ 144 MHz – distance 10 km – Antennes dipôles (2,15 dBi) – pertes dans les câbles négligeables (Lt & Lr = 0 dB) – Puissance Pt = 10W (ou 40 dBm) Quelle est la valeur de la puissance reçue Pr ? Lp = 32,45 + 20 Log (144) + 20 Log (10) = 32,45 + 43,20 + 20 = 95,65 (dB) Pr = 40 – 95,65 + 2,15 + 2,15 – 0 – 0 = -51,35 dBm Si seuil de bruit du RX = -138 dBm (2,5 kHz BW + 2 dB NF) => Pr est 86,65 dB au dessus du bruit. S0 = -138 dBm / S1 = -132 dBm / S2 = -126 dBm / ... / S9 = -84 dBm Pr = -51,35 dBm équivaut à S9+32 dB ( /seuil de bruit du RX)

Propagation – Espace libre / LOS (2) Perte en espace libre : Lp (dB) = 32,45 + 20 Log f (MHz) + 20 Log d (km) Si la distance est doublée, que se passe-t-il ? Lp (dB) = 32,45 + 20 Log f + 20 Log 2d Lp (dB) = 32,45 + 20 Log f + 20 Log d + 20 Log 2 20 Log 2 = 6 (dB) Chaque fois que la distance est doublée, la perte d’espace libre augmente de 6 dB

Propagation – Espace libre / LOS (3) Entre un TX et un RX à vue => la perte d’espace libre est applicable Horizon optique (km) : √(12,75.h) (h en m) Exemple : une antenne à 20 m de haut par rapport à un sol plat a son horizon optique à 15,9 km Pourtant, on peut « aller » (couvrir) plus loin, pourquoi ?

Réfraction (1) n1 n2 Incidence normale Pas de réfraction - réfringent -> + réfringent + réfringent -> - réfringent H n : indice de réfraction Quand l’altitude augmente, l’indice de réfraction de la Tropo diminue => moins réfringent n Troposphère

Réfraction (2) n3 n2 r n1 i n1 > n2 > n3 De TX -> RX : réfractions successives + réflection totale Réfraction : loi de Snell-Descartes => n1.sin (i) = n2.sin (r) Le signal TX est infléchi vers la terre

Réfraction (3) Indice de réfraction de la Troposphère : n ~1 Indice de réfraction radio de la Troposphère : N = (n-1).106 T : température (K) p : pression atmosphérique (mb) e : pression de vapeur d’eau (mb) Valeur typique en « atmosphère standard » : N = 301 et dN/m = 0,039 (décroissance de N en fonction de l’altitude)

Réfraction (4) On définit le Rayon Effectif de la Terre : RE = k.R (1) R : rayon de la Terre (6370 km) k = 0,157 / (0,157 – dN/m) (2) 4 cas : A : dN/m < 0 Sous-réfraction B : 0 ≤ dN/m < 0,079 Réfraction « normale » valeur moyenne = 0,039 C : 0,079 < dN/m < 0,157 Super-réfraction D : dN/m ≥ 0,157 « Ducting » En remplaçant dN/m par les valeurs ci-dessus dans (2) et (1), on trouve le facteur k et le rayon effectif de la terre RE Duct = « conduit » en français

Réfraction (5) dN/m k RE (km) -0,100 0,61 3886 Sous-réfraction 0,039 1,33 8475 Réfraction normale 0,100 2,75 17545 Super-réfraction 0,157 ∞ Ducting L’horizon optique correspond à k = 1 et RE = 6370 km Par réfraction (Troposphère) normale, l’horizon « Radio » vaut 1,15 fois l’horizon optique (perte d’espace libre ~ applicable)

Réfraction (6) Horizon optique Sous-réfraction Réfraction normale Super-réfraction

Inversion de température – Ducting (1) « Surface duct » Inversion Réfractions successives H dN/m = -0,039 Terre ou Mer dN/m = -0,100 Dépend de la réflectivité de la limite inférieure (Terre ou Mer) Mer = très bon réflecteur N Troposphère Inversion Situation typique : en été, le soir et la nuit, le sol (et les couches de la Tropo en contact avec le sol) se refroidit et au lever du soleil, les couches supérieures chauffent plus vite que le sol => inversion de température (de rayonnement) ! Autres facteurs : humidité, pression atmosphérique et réflectivité du sol (cf formule de N).

Inversion de température – Ducting (2) « Elevated duct » H Terre ou Mer Ne dépend pas de la réflectivité du sol N Troposphère Signal emprisonné dans un conduit avec ± atténuation d’espace libre Distance : jusqu’à 4000 km sur trajet maritime; 2000 km sur trajet terrestre

Inversion de température – Ducting (3) Un « Duct » ne canalise pas toutes les fréquences de la même manière Fréquence Epaisseur Min du Duct 50 MHz 400 m 144 MHz 200 m 432 MHz 100 m 1296 MHz 50 m Un Duct est plus fréquent sur les fréquences supérieures Il faut des situations favorables (angle d’incidence) pour entrer dans un Duct Duct ≈ Guide d’onde Des Ducts exploitables sont présents quelques % du temps seulement Mais alors comment peut-on réaliser des QSO’s à 600-800 km même par propagation normale ?

Inversion de température – Ducting (4) Inversion de subsidence : haute pression > air froid (lourd) descend vers le sol > remplacé plus haut par de l’air chaud (plus léger) > au niveau du sol, l’air comprimé s’échauffe > chaud/froid/chaud = inversion et « elevated duct » Inversion d’advection : (advection = déplacement horizontal) Air chaud et humide (océan) arrive sur sol froid et se refroidit à sa base > inversion et « surface duct » Si condensation de l’humidité > brouillard typique de bonne propagation Inversion de rayonnement : Cf slide inversion de température – Ducting (1) Inversion de passage de front : masse d’air chaud légère et humide poussée par une masse froide et dense > air chaud plus léger passe au dessus de l’air froid > inversion et « surface duct ». Courte durée et changement de temps

Diffraction (1) Diffraction de couteau (« Knife-edge diffraction ») : Après l’obstacle, pas de zone d’ombre (sans signal) mais présence d’un signal diffracté (atténué) Cf analogie hydraulique Obstacle

Diffraction (2) Diffraction sur la surface terrestre et son relief => portée supérieure à l’horizon radio sans l’aide « ducting » ou super-réfraction ! Mais perte d’espace libre plus applicable (« diffraction losses ») car signal dirigé dans plusieurs directions > une partie seulement du signal est dirigé dans une direction utile (atténuation élévée) Exemple : « Trans-Alp Propagation » (TAP) => diffraction sur sommets des Alpes

Troposcatter (1) Troposphère : Pas uniforme Différences de température, pression et humidité toujours présentes Turbulences, cellules de convection, vents, nuages En haute Troposphère (Tropopause), moins d’humidité => Variations locales et ponctuelles de l’indice de réfraction N => Diffusion (« scattering ») des signaux RF => Scattering est fonction de la taille de l’irrégularité / λ => Atténuation élévée Scattering

Troposcatter (2) Irrégularités locales de N Diffusion (« scattering ») 10 km 357 km @ 10 km => horizon optique = 357 km Limite A-B : 700-800 km

Propagation VHF = phénomènes Météo Résumé (1) Quand ? Propagation QSB Signaux Distance Station Tous les jours Horizon radio Diffraction relief Troposcatter Moyen Faibles 700-1000 km Moyenne - QRO Rare ou peu fréquent Ducting Lent Moyens - Puissants 2000 km (T) 4000 km (M) QRP - Moyenne Propagation VHF = phénomènes Météo

Autres modes de propagation VHF : Résumé (2) Autres modes de propagation VHF : E sporadic (été) Aurore boréale (autour du max du cycle solaire) Meteor-scatter (tous les jours) EME (Earth-Moon-Earth) – (tous les jours ) FAI (Field-Aligned Irregularities) – (été) Iono-scatter (été) TEP (Trans-Equatorial Propagation) – (pas en ON) RS (Rain-Scatter) – (été, orage) Airplane-scatter (tous les jours) ... ?

Modèles de simulation de couverture Equations mathématiques (algorithmes) Calculs facilités par l’emploi d’ordinateurs Différents modèles : BBC, Okumura-Hata, Longley-Rice, ITU xx,... Utilisé par les opérateurs de réseaux radio (GSM, PMR,...) Servent à planifier (établir) des réseaux radio Les modèles en général sont utilisés dans beaucoup de domaines Calculs Paramètres (stations, terrain) Simulation de couverture, interférences Modèle

Probabilité (variabilité) de liaison (1) La variabilité du niveau de signal simulé (shadowing) suit une loi « normale » Variabilité => définition d’une marge statistique telle que le niveau de signal simulé (signal moyen) répond à des conditions : x % du temps, y % des localisations, z % des situations Loi statistique normale – de Gauss – en cloche Surface sous la « cloche » = probabilité 100 % Exemple : si statistique choisie est 50% du temps => pendant une heure, le niveau du signal réel sera supérieur au signal moyen (simulé sans marge statistique) pendant 30 min et sera inférieur pendant les 30 autres minutes. Autrement dit, la Probabilité d’obtenir, sur le terrain, un signal réel inférieur au signal moyen simulé est de 50 %

Probabilité (variabilité) de liaison (2) Variabilité de temps tient compte de : changements de l’indice de réfraction, turbulences,... Variabilité des localisations tient compte de : imprécision du profil de terrain, différences environnementales,... Variabilité des situations : toutes autres sources de variabilité incontrôlables RM a été calibré et le mode statistique recommandé est « Essai – 70 % des situations »

Deuxième partie « Radio Mobile »

Introduction Programme de cartographie et simulation de couvertures / liens radio Point-à-point ou réseaux Stations fixes ou mobiles Programme et données cartographiques gratuits ! Auteur VE2DBE Dernière version au 11/02/2006 : 7.0.5 Pour télécharger : http://www.cplus.org/rmw

Modèle Longley-Rice (1) C’est le modèle (aussi appelé ITM – Irregular Terrain Model) utilisé par Radio Mobile Prédit (simule) le signal moyen (« long-term median ») Ne tient pas compte du « fast fading » (Cf plus loin) Tient compte du relief (« irregular terrain ») Modèles statistiques et variabilité inclus : Essai, Accidentel, Mobile, Diffusion Inclus les modes de propagation troposphériques quotidiens (pas le « ducting ») Plage de fréquences : 20 MHz – 20 GHz Plage de distances : 1-2000 km Ne tient pas compte de l’occupation du terrain (« Clutter ») : zones urbaines forêts, zones rurales Inclus les propriétés de la nature du sol (Cf slide suivant) Inclus des modèles climatiques (équatorial, maritime tempéré,...)

Modèle Longley-Rice (2) Sol Permittivité relative Conductivité (S/m) Moyen 15 0,005 Pauvre 4 0,001 Bon 25 0,02 Eau douce 81 0,01 Eau de mer 5 Recommandation : choisir un sol moyen et le modèle climatique « maritime tempéré sur terre » pour la Belgique

Caractéristiques d’un signal mobile (1) FS MS Entre station fixe et mobile => réflections multiples (« Multipath ») Variable (dynamique) en fonction du déplacement du mobile FS : Fix Station – MS : Mobile Station

Caractéristiques d’un signal mobile (2) Signal reçu à la MS : Niveau de signal dû aux obstacles et au relief => « slow fading » (= « shadowing » ou « long-term fading ») Niveau dû au « Multipath » => « fast fading » (= « Rayleigh fading ») Fading = évanouissement

Caractéristiques d’un signal mobile (3) Fast fading : Dip Entre 2 Nulls : λ/2 Entre 1 Dip et 1 Null : λ/4 Cas typique de la MS à un feu rouge : A l’arrêt pas de signal et 50 cm plus loin le repeater local est S9 ! Null 50 cm = λ/4 sur 144 (sur 432, il faudrait 17,5 cm) Passage Dip – Null – Dip – Null -... = « Flutter » (Flutter 432 est plus rapide que Flutter 144) FS – MS : slow & fast fading sont présents ensemble FS – FS : uniquement slow fading (relief, obstacles), pas de fast fading FS – FS DX : uniquement slow fading (relief, obstacles, propag.), pas de fast fading

Caractéristiques d’un signal mobile (4) Pas modélisé Modélisé Les modèles de simulation ne tiennent pas compte du fast fading ! (trop ponctuel et dynamique)

Exemple 1 : carte d’altitude

Exemple 2 : carte d’horizon optique

Exemple 3 : mélange d’images

Exemple 4 : carte 3D

Exemple 5 : simulation de couverture

Exemple 6 : bilan de liaison pt-à-pt

Exemple 7 : graphique horizon optique

Mais aussi ... Calculs d’interférences Réseaux avec de multiples stations Peut-être lié à un GPS

Démonstration pratique

Merci pour votre attention !