II. ETABLISSEMENT D’UNE LIAISON

II.1. Phénomènes pris en compte 322- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte II.1.a. Bande de fréquence Dans les communications guidées, différents utilisateurs peuvent transmettre des données sur la même bande de fréquence dans des câbles isolés. Pour les communications sans fils, l’espace libre devient le medium commun. Deux émissions utilisant la même fréquence peuvent alors se perturber. Le spectre de fréquence est donc découpé en bandes, et chaque norme de communication possède sa bande allouée.

II.1. Phénomènes pris en compte 323- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte

II.1. Phénomènes pris en compte 324- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Le choix d’une bande de fréquences dépend essentiellement : des distances de couverture souhaitées du débit nécessaire du mode de propagation privilégié de la congestion du spectre EM

II.1. Phénomènes pris en compte 325- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte ONU http://www.itu.int - Europe,Afrique,Moyen-Orient - Amérique,Groenland - Asie, Océanie ITU-D ITU - WTSC - normalisations - radiocoms - organise WRC - technique - réglementation ITU-T (ex CCITT) ITU-R TSB L ’ITU (International Telecommunications Union, initialement Union Télégraphique Internationale, 1865) est une agence de l ’ONU (basée à Genève). 150 membres des différents gouvernements. 3 régions. 3 groupes : UIT-R, UIT-D, UIT-T Acronymes : ITU (International Telecommunications Union), WRC (World Radiocommunications Conference), WTSC (World Telecom. Standardisation Conference), IFRB (International Frequency Registration Board), TSB (Telecom. Standardisation Office), GCNT (Groupe Consultatif de la Normalisation des Télécoms). IFRB - gardien du spectre - enregistre les fr.radio - liens avec admin locales GCNT

II.1. Phénomènes pris en compte 326- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte CEPT http://www.etsi.org ... ... France (ART) - Rapports -Recommandations -Décisions ... ... TC ETSI CEPT : regroupe les administrations régulatrices de tous les pays membres. Pour la partie radio, elle est composée du Comité Européen des Radiocommunications (ERC) qui comprend 3 groupes de travail permanents. 3 types de documents : - les rapports = étude technique sur un sujet particulier - les recommandations = conseils pour le développement des com radios - décisions = recommandations que les états s ’engagent à appliquer LA CEPT travaille avec l ’ETSI : ETSI(European Technical Standard Institute)=opérateurs+administrations+constructeurs. Exple : LA CEPT a décidé en 1982, l ’étude d ’un système pan-européen de communications avec les mobiles. L ’ETSI établi des comités techniques, qui eux-mêmes établissent des sous-comités. Ces sous-comités élaborent, rédigent, assurent la maintenance des normes européennes de télécoms. =ETS European Telecommunication Standard L ’ETSI rédige également des rapports techniques = ETR European Technical Report Par exemple, l ’ETSI a déjà publié les recommandations : GSM, DECT, ERMES, TETRA, HYPERLAN. Acronymes : ART : Autorité de Régulation des Télécoms, CEPT : Conférence Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications), ERC (European Radio Committee) administration STC STC ... opérateurs constructeurs - standards (ETS) - rapports (ETR)

II.1.b. Modes de propagation 327- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte II.1.b. Modes de propagation Le principaux modes de propagation utilisés son : les ondes de sol la réfraction troposphérique la réflexion ionosphérique la réfraction ionosphérique la visibilité directe

II.1. Phénomènes pris en compte 328- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Les ondes de sol ou ondes de surface L'onde de surface suit la courbure de la terre. Sa portée dépend de la nature du sol rencontré, de la fréquence et, bien sûr, de la puissance de l'émission. Une partie de l'énergie de l'onde de surface est absorbée par le sol et y provoque des courants induits; l'absorption d'énergie est beaucoup plus importante en polarisation horizontale et c'est pourquoi les émissions s'effectueront en polarisation verticale.

Le sol est un milieu dissipatif de permittivité équivalente : 329- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Le sol est un milieu dissipatif de permittivité équivalente : La conductivité du sol influe sur la portée des ondes de surface : pour une même puissance d'émission, la portée est beaucoup plus grande en mer qu'en terrain agricole ou qu'en terrain aride. Les conductivités de divers sols sont représentés dans le tableau suivant : Conductivité du sol (en S/m) Mer 5 Région forestière 8 x 10-3 Région aride ou sablonneuse 2 x 10-3 Villes 1 x 10-3

Une fréquence de transition est donnée par la formule suivante : 330- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Les émissions en onde de sol sont atténuées avec la fréquence: l'on peut atteindre une portée de plusieurs milliers de kilomètres en très basses fréquences (VLF) de quelques centaines de kilomètres en fréquences moyennes (MF) et quelques dizaines de kilomètres en hautes fréquences (HF). Une fréquence de transition est donnée par la formule suivante : Cette valeur correspond au passage d’un comportement conducteur à un comportement diélectrique ex. : 675 kHz pour l’eau douce, 1,2 MHz pour un sol moyennement sec, 900 MHz pour l’eau de mer.

II.1. Phénomènes pris en compte 331- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte L’atmosphère 400 km faible densité ionosphère gaz ionisés 50 km stratosphère densité moyenne T uniforme troposphère gaz denses 10 km T avec h

II.1. Phénomènes pris en compte 332- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Quand une onde passe d’un milieu à un autre de permittivité proche, il y a réfraction Cas E parallèle Cas E orthogonal au plan d’incidence

II.1. Phénomènes pris en compte 333- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte La troposphère ou basse atmosphère C’est la région située entre le niveau de la mer et au-dessus des plus hautes montagnes. C’est dans cette couche qu’ont lieu tous les phénomènes météorologiques. On trouve donc de fortes variations de pression, de température ou d’humidité, à l’origine de changements de l’indice de réfraction de l’air. Loi de variation de l’indice : altitude indice au niveau de la mer avec B formule de Booker :

II.1. Phénomènes pris en compte 334- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Simplification : on considère Atmosphère standard : conditions moyennes Atmosphère de référence : définie par les organismes internationaux

La réfraction troposphérique 335- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte La réfraction troposphérique Si on considère la formule la basse atmosphère est un milieu à stratification sphérique de variation régulière d’indice. variation par strates variation continue terre terre

II.1. Phénomènes pris en compte 336- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte dicte le comportement des ondes par rapport à la surface de la terre infraréfraction (atmosphère standard) supraréfraction (suivi du sol) terre guidage

II.1. Phénomènes pris en compte 337- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Cas d’un feuillet atmosphérique terre guidage ou super-réfraction Ce phénomène se produit dans de rares cas où une fine couche d’atmosphère présente une variation importante de température. Survient essentiellement au-dessus des mers ou des plaines au lever ou coucher du soleil. Il est plutôt pénalisant car non contrôlable et crée des champs intenses ou nuls. Remèdes : diversité spatiale ou de fréquence.

La réflexion ionosphérique 338- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte La réflexion ionosphérique Dans l’ionosphère, les rayons cosmiques ionisent les molécules de gaz formant ainsi une couche conductrice pouvant servir de réflecteur aux ondes EM. Les caractéristiques dépendent essentiellement de la fréquence considérée, de l’altitude et varient entre jour et nuit. Réflexion simple Réflexion double

On divise l’ionosphère en différentes couches : 339- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte On divise l’ionosphère en différentes couches : la couche D (#70 km) : réfléchie VLF et LF, absorbe partiellement les MF et laisse passer les HF la couche E (80 à 140 km) : ne laisse passer que des ondes de fréquence >25 MHz et réfléchit les HF le jour la couche F (200 à 400 km) : divisée en F1 et F2 qui se combinent la nuit, permet des transmissions éloignées en HF

f=30 MHz fréquence critique 340- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Plus on utilise une fréquence haute (donc une onde courte), plus on augmente la portée. Mais au-delà de la fréquence critique de 30 MHz, les ondes ne sont plus réfléchies. f=30 MHz fréquence critique f=20 MHz f=5 MHz f=3 MHz terre

II.1. Phénomènes pris en compte 341- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Quand on veut effectuer une transmission via un satellite, il faut alors dépasser cette fréquence critique pour que les ondes ne soient pas réfléchie. En pratique, on prend f>100MHz. De plus, pour des considération d’absorption, on reste la plupart du temps avec f<12 GHz. Par contre, il y a toujours phénomène de réfraction qui produit des changements de trajectoire à prendre en compte (plus problème de polarisation). terre

II.1. Phénomènes pris en compte 342- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte La visibilité directe Dans la plupart des télécommunications modernes, gourmandes en débit, on utilise des fréquences hautes avec une propagation en onde d’espace (ou visibilité directe). Dans ces systèmes, les portées sont relativement faibles et les sources de pertes importantes. Divers systèmes : point à point, point-multipoint ou multipoint-multipoint.

343- Liaison II.2. Bilan de liaison Quand on cherche à effectuer une transmission sans fils, on veut pouvoir évaluer la puissance captée par un récepteur en fonction de la puissance envoyée par un émetteur à une distance donnée. C’est le but de l’équation du bilan de liaison. Ce bilan tient compte de la puissance fournie, du gain des antennes, de la distance et des pertes.

Rq : une antenne est réciproque en émission/réception 344- Liaison II.2. Bilan de liaison II.2.a. Gain d’une antenne Une antenne est un dispositif permettant de transformé une énergie guidée en une onde EM rayonnée en espace libre. Suivant sa forme et son mode de fonctionnement, l’énergie est rayonnée dans certaines directions privilégiées de l’espace. La représentation de ces directions dans tout l’espace est appelée diagramme de rayonnement. Rq : une antenne est réciproque en émission/réception

345- Liaison II.2. Bilan de liaison Le gain d’une antenne est défini comme le rapport entre l’intensité du champ rayonnée dans une direction donnée et l’intensité rayonnée par une antenne isotrope recevant la même puissance.

II.2. Bilan de liaison II.2.b. Bilan de liaison Pr : puissance reçue par le récepteur Pe : puissance envoyée par l’émetteur Ge : gain de l’antenne d’émission Gr : gain de l’antenne de réception r : distance émetteur/récepteur

II.2. Bilan de liaison Equation du radar : Bilan de liaison en dBm : PdBm=10 log(PmW) Pr(dBm)=Pe(dBm)+Ge(dB)+Gr(dB)+ap(dB) ap(dB)= -92.5 - 20logRkm-20logFGHz Equation du radar : SER

II.2. Bilan de liaison II.2.c. Sources de pertes Les pertes dans une telle liaison peuvent être dues : à l’affaiblissement en espace libre; à des désadaptations; au bruit; aux réflexions multiples; à la diffraction; au climat (pluie, brouillard…) à de la végétation…

Affaiblissement en espace libre 349- Liaison II.2. Bilan de liaison Affaiblissement en espace libre

II.2. Bilan de liaison Désadaptations feeder feeder A A Les pertes de puissance par réflexion entre le système et les antennes sont à prendre en compte (particulièrement dans les systèmes large bande).

bruit dû au système (interférences, bruit des amplis…). 351- Liaison II.2. Bilan de liaison Le bruit feeder feeder A A Deux types de bruits : bruit dû à l’environnement (bruit atmosphérique, bruit cosmique, parasites dus aux appareillages électriques); bruit dû au système (interférences, bruit des amplis…).

II.2. Bilan de liaison Réflexions multiples Emetteur Obstacle : mur, bâtiment,sol… E1 Récepteur E2 Selon les valeurs des coefficients de réflexion et des distances relatives, le champ peut être soit renforcé soit atténué. De plus, les trajets peuvent s’effectuer dans des milieux d’indices différents.

Couverture cellulaire 353- Liaison II.2. Bilan de liaison Exemple d’une transmission BLR à 40 GHz : Système LMDS de distribution de haut débit sans fils fixe (portée de plusieurs km) Couverture cellulaire

354- Liaison II.2. Bilan de liaison Nette influence de la hauteur des stations sur l’impact des multitrajets.

II.2. Bilan de liaison Diffraction Le point d’une arête frappé par un rayon de champ devient source de plusieurs rayons (principe de Huyghens). Cela va également modifier les amplitudes des champs rayonnés ainsi que leur direction.

Exemple d’étude des champs rayonnés pour une configuration urbaine 356- Liaison II.2. Bilan de liaison Retour au LMDS… Exemple d’étude des champs rayonnés pour une configuration urbaine Emetteur

Uniquement les rayons directs 357- Liaison II.2. Bilan de liaison Uniquement les rayons directs

Uniquement les rayons réfléchis 358- Liaison II.2. Bilan de liaison Uniquement les rayons réfléchis

Uniquement les rayons diffractés 359- Liaison II.2. Bilan de liaison Uniquement les rayons diffractés

360- Liaison II.2. Bilan de liaison Ensemble des rayons

Pluie/brouillard/neige 361- Liaison II.2. Bilan de liaison Pluie/brouillard/neige La pluie entraîne des pertes par absorption et par diffusion. Plus les ondes sont courtes, plus ces pertes deviennent importantes (surtout la diffusion). Pour les évaluer on utilise généralement des données météo. On calcule l’atténuation spécifique gR (dB/km) pour la fréquence, la polarisation, et le taux de précipitation : gR= kRa avec R : taux de précipitation   k et a sont donnés dans les tables de recommandation et varient en fonction de la polarisation et de l’angle d’élévation. Des formules permettent d’adapter ces coefficients. k = a =

362- Liaison II.2. Bilan de liaison Par exemple, pour le système LMDS, l’atténuation de la pluie est de l’ordre de 5dB/km. Le brouillard (0.5 dB/km) ou les nuages, composés de particules plus fines donnent des pertes souvent négligées. De même, la neige ou la grêle ont très peu d’influence sur les transmissions radio.

II.2. Bilan de liaison La végétation La végétation est constituée en majorité de molécules d’eau et présente de nombreuses arêtes, son influence est donc non négligeable suivant la fréquence considérée. Les pertes dues à la végétation ont été modélisées par Weissberger qui fait apparaître une décroissance exponentielle. Il s’applique aux fréquences comprises entre 230 MHz et 95 GHz : pour   Où L est la perte en dB, F est la fréquence en GHz et d est la distance parcourue par l’onde à travers les arbres en mètres. Par exemple, à la fréquence de 900 MHz (GSM) et pour une haie d’arbres de 5 m de profondeur située entre l’émetteur et le récepteur, l’atténuation de propagation sera de L900MHz = 50.71 dB. A 41.5 GHz elle sera de L41.5GHz = 150.5 dB.

364- Liaison II.2. Bilan de liaison Influence de la saison

II.2.d. Modèles de prédiction 365- Liaison II.2. Bilan de liaison II.2.d. Modèles de prédiction Quand un opérateur télécom veut effectuer un déploiement, il utilise des outils de planification donnant une prédiction de la couverture des zones à desservir suivant le placement des stations de base. Pour faire cette prédiction, des modèles de propagation doivent être utilisés pour tenir compte au mieux de la réalité du terrain.

366- Liaison II.2. Bilan de liaison

367- Liaison II.2. Bilan de liaison

368- Liaison II.2. Bilan de liaison

II.2. Bilan de liaison Modèles statistiques Afin de prendre en compte les conditions dans lesquelles s’effectuent les liaisons radioélectriques, les modèles statistiques apportent à la formule d’atténuation en espace libre des facteurs de correction empiriques. Ces facteurs sont déduits de l’analyse statistique des résultats de nombreuses campagnes de mesures effectuées dans des environnements typiques (rural, urbain, …). Une formule donne alors la variation du champ reçu en fonction de la distance émetteur-récepteur mais également de la fréquence, de la hauteur d’antenne du mobile et de coefficients correctifs liés à l’environnement. Le plus connu est le modèle d’Okumura-Hata.

370- Liaison II.2. Bilan de liaison Le champ électrique est calculé de la manière suivante :   Tous les paramètres sont exprimés en dB. -   P : puissance apparente rayonnée -   Er : champ reçu par une antenne mobile située à 1.5 m au-dessus du sol -   An : atténuation due aux obstacles de type colline -   Az : atténuation due aux obstacles proches (bâtiments) -   Ah : atténuation pour une antenne située à une hauteur différente de 1.5 m

Modèles semi-déterministes 371- Liaison II.2. Bilan de liaison Modèles semi-déterministes Mélangent modèle statistique et prise en compte de base de données géographiques (prise en compte de la diffraction). Il se base principalement sur les modèles de Walfish et Bertoni ainsi que d’Ikegami   Il estime les pertes de la façon suivante : Pertes = Avec (paramètres en dB) : -         Lo : pertes liées à la distance entre l’émetteur et le récepteur -         Ldiff : pertes par diffractions multiples -         Lrus : pertes liées à la dernière diffraction suivie de réflexions dans la rue où se trouve le véhicule récepteur -         Lre : pertes liées aux reliefs

II.2. Bilan de liaison Modèles déterministes Deux types : Prise en compte précise de l’environnement avec calcul de la propagation des champs. Deux types : analyse numérique asymptotiques basés sur la résolution des équations de Maxwell

373- Liaison II.2. Bilan de liaison Méthodes numériques : discrétisation de l’espace et calcul différentiel ou intégrale des équations de Maxwell (différences finies, éléments finis, méthode des moments).

374- Liaison II.2. Bilan de liaison Méthodes asymptotiques : développement asymptotique des équations de Maxwell.Utilisent l’Optique Géométrique et la Théorie Uniforme de la Diffraction (lancer de rayons, tracé de rayons).