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Présentation « Radio Mobile »Présentation « Radio Mobile »
Gaëtan, ON4KHGGaëtan, ON4KHG
11 février 200611 février 2006
Section ATHSection ATH
AgendaAgendaPremière 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
Première partiePremière partie
Propagation Troposphérique
Propagation - TroposphèrePropagation - Troposphère
VHF = Troposphère
Propagation – Espace libre / LOS (1)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 ?
1) Lp = 32,45 + 20 Log (144) + 20 Log (10) = 32,45 + 43,20 + 20 = 95,65 (dB)2) 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 audessus 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)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)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)Réfraction (1)
Incidence normalePas de réfraction
- réfringent -> + réfringent + réfringent -> - réfringent
n1
n2
n : indice de réfractionH
n Troposphère
Quand l’altitude augmente, l’indice de réfraction de la Tropodiminue => moins réfringent
Réfraction (2)Réfraction (2)
n1
n2
n3
n1 > n2 > n3
De TX -> RX : réfractions successives + réflection totale
i
r
Réfraction : loi de Snell-Descartes => n1.sin (i) = n2.sin (r)
Le signal TX est infléchi vers la terre
Réfraction (3)Réfraction (3)
Indice de réfraction radio de la Troposphère : N = (n-1).106
Indice de réfraction de la Troposphère : n ~1
T : température (K)p : pression atmosphérique (mb)e : pression de vapeur d’eau (mb)
Valeur typique en « atmosphère standard » : N = 301et dN/m = 0,039 (décroissance de N en fonction de l’altitude)
Réfraction (4)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)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
Par réfraction (Troposphère) normale, l’horizon « Radio » vaut 1,15fois l’horizon optique (perte d’espace libre ~ applicable)
L’horizon optique correspond à k = 1 et RE = 6370 km
Réfraction (6)Réfraction (6)
Horizon optique
Sous-réfraction
Réfraction normale
Super-réfraction
Inversion de température – Ducting (1)Inversion de température – Ducting (1)
« Surface duct »
H
N Troposphère
dN/m = -0,039
dN/m = -0,100
Inversion
Terre ou Mer
Inversion
Dépend de la réflectivité dela limite inférieure (Terre ou Mer)Mer = très bon réflecteur
Situation typique : en été, le soir et la nuit, le sol (et les couches de la Tropo en contactavec 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).
Réfractions successives
Inversion de température – Ducting (2)Inversion de température – Ducting (2)
« Elevated duct »
H
N Troposphère
Terre ou Mer
Ne dépend pas de la réflectivité du sol
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)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 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 (1)
Diffraction de couteau (« Knife-edge diffraction ») :
Obstacle
Après l’obstacle, pas de zone d’ombre (sans signal) mais présence d’un signal diffracté (atténué)
Cf analogie hydraulique
Diffraction (2)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 signaldirigé dans plusieurs directions > une partie seulement du signal est dirigé dans une direction utile (atténuation élévée)
Exemple : « Trans-Alp Propagation » (TAP) => diffraction sur sommets desAlpes
Troposcatter (1)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)Troposcatter (2)
Irrégularités locales de N
Diffusion (« scattering »)
Limite A-B : 700-800 km
10 km
357 km
@ 10 km => horizon optique = 357 km
Résumé (1)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
• Horizon radio• Diffraction relief
• Ducting
Lent Moyens - Puissants
2000 km (T)
4000 km (M)
QRP - Moyenne
Propagation VHF = phénomènes Météo
Résumé (2)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 couvertureModèles 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
Modèle
Paramètres (stations, terrain)
Simulation de couverture, interférences
Probabilité (variabilité) de liaison (1)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)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 partieDeuxième partie
« Radio Mobile »
IntroductionIntroduction
• 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)Modèle Longley-Rice (1)
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,...)
C’est le modèle (aussi appelé ITM – Irregular Terrain Model) utilisé par Radio Mobile
Modèle Longley-Rice (2)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 81 5
Recommandation : choisir un sol moyen et le modèle climatique« maritime tempéré sur terre » pour la Belgique
Caractéristiques d’un signal mobile (1)Caractéristiques d’un signal mobile (1)
Entre station fixe et mobile => réflections multiples (« Multipath »)Variable (dynamique) en fonction du déplacement du mobile
MS
FS
FS : Fix Station – MS : Mobile Station
Caractéristiques d’un signal mobile (2)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)Caractéristiques d’un signal mobile (3)
Fast fading :Dip
Null
Entre 2 Nulls : λ/2Entre 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 !
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 ensembleFS – 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)Caractéristiques d’un signal mobile (4)
Modélisé
Pas modélisé
Les modèles de simulation ne tiennent pas compte du fast fading !(trop ponctuel et dynamique)
Exemple 1 : carte d’altitudeExemple 1 : carte d’altitude
Exemple 2 : carte d’horizon optiqueExemple 2 : carte d’horizon optique
Exemple 3 : mélange d’imagesExemple 3 : mélange d’images
Exemple 4 : carte 3DExemple 4 : carte 3D
Exemple 5 : simulation de couvertureExemple 5 : simulation de couverture
Exemple 6 : bilan de liaison pt-à-ptExemple 6 : bilan de liaison pt-à-pt
Exemple 7 : graphique horizon optiqueExemple 7 : graphique horizon optique
Mais aussi ...Mais aussi ...
Calculs d’interférences
Réseaux avec de multiples stations
Peut-être lié à un GPS
Démonstration pratique
Merci pour votre attention !