Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 321- Liaison II. ETABLISSEMENT D’UNE LIAISON.

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1 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 321- Liaison II. ETABLISSEMENT D’UNE LIAISON

2 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes II.1. Phénomènes pris en compte 322- Liaison Dans les communications guidées, différents utilisateurs peuvent transmettre des données sur la même bande de fréquence dans des câbles isolés. II.1.a. Bande de fréquence 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.

3 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 323- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte

4 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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

5 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes ONU ITU ITU-T (ex CCITT) ITU-D ITU-R - Europe,Afrique,Moyen-Orient - Amérique,Groenland - Asie, Océanie - radiocoms - organise WRC - technique - réglementation IFRB - gardien du spectre - enregistre les fr.radio - liens avec admin locales - WTSC - normalisations TSB GCNT http://www.itu.int 325- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte

6 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes CEPT France (ART)... ETSI - Rapports -Recommandations -Décisions opérateurs constructeurs administration TC STC... - standards (ETS) - rapports (ETR) http://www.etsi.org 326- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte

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

8 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 328- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Les ondes de solou 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.

9 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 329- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte 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 Le sol est un milieu dissipatif de permittivité équivalente :

10 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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.

11 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 331- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte L’atmosphère 10 km 50 km 400 km gaz denses T avec h densité moyenne T uniforme faible densité gaz ionisés

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

13 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 333- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte La troposphère 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 : indice au niveau de la mer altitude avec B formule de Booker : ou basse atmosphère

14 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 334- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte Simplification : on considère Atmosphère standard : conditions moyennes Atmosphère de référence : définie par les organismes internationaux

15 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 335- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte La réfraction troposphérique Si on considère la formulela basse atmosphère est un milieu à stratification sphérique de variation régulière d’indice. terre variation par strates variation continue

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

17 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 337- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte terre guidage ou super-réfraction Cas d’un feuillet atmosphérique 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.

18 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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 simpleRéflexion double

19 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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

20 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 340- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte terre f=3 MHz f=5 MHz f=20 MHz f=30 MHz fréquence critique 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.

21 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 341- Liaison II.1. Phénomènes pris en compte terre 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).

22 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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.

23 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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.

24 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 344- Liaison II.2. Bilan de liaison 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. II.2.a. Gain d’une antenne Rq : une antenne est réciproque en émission/réception

25 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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.

26 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 346- Liaison 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

27 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 347- Liaison II.2. Bilan de liaison Pr(dBm)=Pe(dBm)+Ge(dB)+Gr(dB)+  p(dB)  p(dB)= -92.5 - 20logR km -20logF GHz Bilan de liaison en dBm : P dBm =10 log(P mW ) Equation du radar : SER

28 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 348- Liaison 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…

29 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 349- Liaison II.2. Bilan de liaison Affaiblissement en espace libre

30 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 350- Liaison II.2. Bilan de liaison Désadaptations A feeder A Les pertes de puissance par réflexion entre le système et les antennes sont à prendre en compte (particulièrement dans les systèmes large bande).

31 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 351- Liaison II.2. Bilan de liaison Le bruit A feeder 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…).

32 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 352- Liaison II.2. Bilan de liaison Réflexions multiples EmetteurRécepteur Obstacle : mur, bâtiment,sol… E1E1 E2E2 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.

33 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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

34 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 354- Liaison II.2. Bilan de liaison Nette influence de la hauteur des stations sur l’impact des multitrajets.

35 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 355- Liaison 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.

36 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 356- Liaison II.2. Bilan de liaison Retour au LMDS… Exemple d’étude des champs rayonnés pour une configuration urbaine Emetteur

37 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 357- Liaison II.2. Bilan de liaison Uniquement les rayons directs

38 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 358- Liaison II.2. Bilan de liaison Uniquement les rayons réfléchis

39 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 359- Liaison II.2. Bilan de liaison Uniquement les rayons diffractés

40 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 360- Liaison II.2. Bilan de liaison Ensemble des rayons

41 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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  R (dB/km) pour la fréquence, la polarisation, et le taux de précipitation :  R = kR  avec R : taux de précipitation k et  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 =  =

42 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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.

43 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 363- Liaison II.2. Bilan de liaison 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. La végétation 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 L 900MHz = 50.71 dB. A 41.5 GHz elle sera de L 41.5GHz = 150.5 dB.

44 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 364- Liaison II.2. Bilan de liaison Influence de la saison

45 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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.

46 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 366- Liaison II.2. Bilan de liaison

47 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 367- Liaison II.2. Bilan de liaison

48 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 368- Liaison II.2. Bilan de liaison

49 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 369- 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.

50 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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

51 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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

52 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 372- Liaison II.2. Bilan de liaison Modèles déterministes 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

53 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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).

54 Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 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).