Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes 321- Liaison II. ETABLISSEMENT DUNE LIAISON

Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes

1- Liaison

II. ETABLISSEMENT D’UNE LIAISON


II.1. Phénomènes pris en compte

2- 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- Liaison



4- Liaison


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


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

5- Liaison



CEPTFrance(ART)

... ...

......

ETSI

- Rapports-Recommandations-Décisions

opérateurs

constructeurs

administration

TC

STC STC ...

- standards (ETS)- rapports (ETR)

http://www.etsi.org

6- Liaison



7- Liaison


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- Liaison


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.


9- Liaison


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 :

e

e j '


10- Liaison

II.1. Phénomènes pris en compteLes 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 :

)(2

GHzf et

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- Liaison

II.1. Phénomènes pris en compteL’atmosphère

10 km

50 km

400 km

gaz densesT avec h

densité moyenneT uniforme

faible densitégaz ionisés


12- Liaison


i

r t

Onde réfléchie

Onde incidente

Onde transmise ou refractée

r1 r2

Cas E parallèleCas E orthogonal au plan d’incidence

Coefficient de Réflexion Coefficient de Transmission E orthogonal

Rn n

n ni t

i t

1 2

1 2

cos cos

cos cos

T Rn

n ni

i t

1

2 1

1 2

cos

cos cos

E parallèle R

n n

n t nt i

i/ /

cos cos

cos cos

1 2

1 2

T Rn

n nt

t i/ / / /

cos

cos cos

1

2 1

1 2

Quand une onde passe d’un milieu à un autre de permittivité proche, il y a réfraction


13- Liaison


La troposphèreC’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.

Bhnn o 1Loi de variation de l’indice :

indice au niveau de la mer

altitude

avec B formule de Booker : dhdT

dhdP

RB

o6302,01

ou basse atmosphère


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onBhSimplification : on considère

Bhnn o

Atmosphère standard : conditions moyennes

oo

Rhnn 25,0

Atmosphère de référence : définie par les organismes internationaux

hen 136,0.10.3151 6


15- Liaison


La réfraction troposphérique

Bhnn oSi on considère la formule la basse atmosphère est un milieu à stratification sphérique de variation régulière d’indice.

terre terre

variation par strates variation continue


16- Liaison


dhdn dicte le comportement des ondes par rapport à la surface de la terre

terre

0dhdn

610.39 dhdn

610.156 dhdn

infraréfraction

(atmosphère standard)

supraréfraction

(suivi du sol)

guidage


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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- Liaison


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


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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- Liaison


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- Liaison


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- Liaison


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- 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- 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- Liaison

II.2. Bilan de liaisonLe 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.

00

0000

,,,

iso

A

UUG


26- Liaison

II.2. Bilan de liaisonII.2.b. Bilan de liaison

erer PGGr

P 2

4

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- Liaison


Pr(dBm)=Pe(dBm)+Ge(dB)+Gr(dB)+p(dB) p(dB)= -92.5 - 20logRkm-20logFGHz

Bilan de liaison en dBm : PdBm=10 log(PmW)

Equation du radar :

er PGr

P 243

2

4

SER


28- Liaison

II.2. Bilan de liaisonII.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- Liaison

II.2. Bilan de liaisonAffaiblissement en espace libre 2

4 rr


30- Liaison

II.2. Bilan de liaisonDésadaptations

A feeder Afeeder

Les pertes de puissance par réflexion entre le système et les antennes sont à prendre en compte

(particulièrement dans les systèmes large bande).


31- Liaison

II.2. Bilan de liaisonLe bruit

A feeder Afeeder

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- Liaison


Réflexions multiples

Emetteur

Récepteur

Obstacle : mur, bâtiment,sol…

E1E2

2002121

1 Ljjtotal e

LEeRe

LEEEE Lj

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- Liaison

II.2. Bilan de liaisonExemple d’une transmission BLR à 40 GHz :

Ré ce pt io n ind iv id ue lle


Ré pete u r

Ré pete u r



Stat io n debas e


V o ie "reto ur" résea u té lé pho n iq ue

V o ie "a lle r" et " reto u r" pa r o ndes rad io

C o nnect io n a ux résea ux câ b lés et s ate llites

A uto ro ute de l' infoo u rés ea u c â b lé

Sate llite

1 - 2 M b it/s

2 5 - 5 5 M b it/s

S tat io n d e baseA bo n né A bo n né

1 - 2 M b it/s

2 5 - 5 5 M b it/s

Z o ne co uv e rte p a rla sta t io n d e ba se

Système LMDS de distribution de haut débit sans fils fixe (portée de

plusieurs km)

Couverture cellulaire


34- Liaison

II.2. Bilan de liaisonEmetteur Récepteur

Sol métallique

H H

H = 5 m

- 113 dB

Direct+réfléchi

Direct

H = 25 m

- 113 dB

Nette influence de la hauteur des stations sur l’impact des

multitrajets.


35- 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- Liaison

II.2. Bilan de liaisonRetour au LMDS…

Exemple d’étude des champs rayonnés pour une configuration urbaine

Emetteur


37- Liaison

II.2. Bilan de liaisonUniquement les rayons directs


38- Liaison

II.2. Bilan de liaisonUniquement les rayons réfléchis


39- Liaison

II.2. Bilan de liaisonUniquement les rayons diffractés


40- Liaison

II.2. Bilan de liaisonEnsemble des rayons


41- Liaison

II.2. Bilan de liaisonPluie/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 =

=

[ ( ) cos ² cos ]k k k kH V H V 2

2

[ ( ) cos ² cos ]k k k k

kH H V V H H V V 2

2


42- 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- 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 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.

588.0284.0 dF33.1L m400d14 dF45.10L 284.0 m14d0

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.


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Atté

nuat

ion

en d

B

Diamètre de l'arbre en mètres

5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

10

15

20

25

30

35

40

45

Sans feuilles

Avec feuilles

Influence de la saison


45- Liaison

II.2. Bilan de liaisonII.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.


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47- Liaison



48- Liaison



49- 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.


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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

hznrm AAAEPE


51- Liaison


Modèles semi-déterministesMélangent 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

reruediff LLLL 0


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Modèles déterministesPrise en compte précise de l’environnement avec calcul de la

propagation des champs.

Deux types :analyse numériqueasymptotiques

basés sur la résolution des équations de Maxwell


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HyHx

HzEx Ey

Ez

x,i

z,k

y,j

y,j

z,k

x,i

extractiond'une maille

Méthodes numériques : discrétisation de l’espace et calcul différentiel ou intégrale des équations de Maxwell (différences

finies, éléments finis, méthode des moments).


54- Liaison

II.2. Bilan de liaisonMéthodes asymptotiques : développement asymptotique des équations de Maxwell.Utilisent l’Optique Géométrique et la

Théorie Uniforme de la Diffraction (lancer de rayons, tracé de rayons).

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