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Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
1- Liaison
II. ETABLISSEMENT D’UNE LIAISON
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
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.
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
3- Liaison
II.1. Phénomènes pris en compte
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
4- 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
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
5- Liaison
II.1. Phénomènes pris en compte
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
CEPTFrance(ART)
... ...
......
ETSI
- Rapports-Recommandations-Décisions
opérateurs
constructeurs
administration
TC
STC STC ...
- standards (ETS)- rapports (ETR)
http://www.etsi.org
6- Liaison
II.1. Phénomènes pris en compte
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
7- 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
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8- 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.
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
9- 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 :
e
e j '
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
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.
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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
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12- Liaison
II.1. Phénomènes pris en compte
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
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
13- Liaison
II.1. Phénomènes pris en compte
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
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
14- Liaison
II.1. Phénomènes pris en compte
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
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15- Liaison
II.1. Phénomènes pris en compte
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
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
16- Liaison
II.1. Phénomènes pris en compte
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
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
17- 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.
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18- 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
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19- 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
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
20- 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.
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21- 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).
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
22- 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.
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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.
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
24- 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
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
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
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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
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27- Liaison
II.2. Bilan de 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
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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…
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29- Liaison
II.2. Bilan de liaisonAffaiblissement en espace libre 2
4 rr
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
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).
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
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…).
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32- Liaison
II.2. Bilan de 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.
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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 ce pt io n ind iv id ue lle
Ré pete u r
Ré pete u r
Ré ce pt io n ind iv id ue lle
Ré ce pt io n ind iv id ue lle
Stat io n debas e
Ré ce pt io n ind iv id ue lle
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
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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.
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35- 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.
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36- Liaison
II.2. Bilan de liaisonRetour au LMDS…
Exemple d’étude des champs rayonnés pour une configuration urbaine
Emetteur
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37- Liaison
II.2. Bilan de liaisonUniquement les rayons directs
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38- Liaison
II.2. Bilan de liaisonUniquement les rayons réfléchis
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39- Liaison
II.2. Bilan de liaisonUniquement les rayons diffractés
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40- Liaison
II.2. Bilan de liaisonEnsemble des rayons
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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
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42- 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.
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43- 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 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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44- Liaison
II.2. Bilan de liaison
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
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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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46- Liaison
II.2. Bilan de liaison
Guillaume VILLEMAUD - Cours de Propagation et Lignes
47- Liaison
II.2. Bilan de liaison
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48- Liaison
II.2. Bilan de liaison
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49- 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.
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50- 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
hznrm AAAEPE
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51- Liaison
II.2. Bilan de 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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52- Liaison
II.2. Bilan de liaison
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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53- Liaison
II.2. Bilan de liaison
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).
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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).