Propagation des ondes radioélectriques des réseaux terrestres

Les liaisons radioélectriques du réseau terrestre fixe (FH, WIFI, WIMAX, ...), mobile (GSM, UMTS, ...) ou à très haut débit à courte portée sont situées soit à l'intérieur de la troposphère, siège de nombreux phénomènes météorologiques et climatiques (présence de gradient d'indice de réfraction, hydrométéores : pluie, neige, brouillard, etc.), soit au-dessus du sol avec son lot d'obstacles (bâtiments, végétation...), soit encore à l'intérieur des bâtiments.

L'étude des bilans de telles liaisons nécessite de prendre en compte les différents affaiblissements (affaiblissement en espace libre, affaiblissement en excès qui regroupe l'ensemble des affaiblissements supplémentaires dus aux différents effets de l'environnement : gaz, hydrométéores, bâtiments, végétation, etc.) et les différents renforcements du signal entre l'émetteur et le récepteur (gains d'antennes, focalisation, etc.). Différents mécanismes de propagation entrent en jeu : la réflexion, la réfraction, la transmission, la diffusion, etc.

L'indice de réfraction joue un rôle important dans la troposphère. Les gradients de l'indice de réfraction dans le profil vertical créent des couches de guidage du rayonnement électromagnétique. Si l'étendue horizontale de ces couches de guidage est suffisante, elles provoquent des variations parfois importantes du niveau du signal direct, des variations d'angles d'arrivée et l'apparition de trajets multiples qui interfèrent au niveau du récepteur.

Le sol, les bâtiments, la végétation apportent leur lot de rayons : on distingue en effet les rayons réfléchis sur le sol, sur les différentes façades des bâtiments ou sur les différentes cloisons à l'intérieur des bâtiments, les rayons diffractés sur les sommets élevés ou sur les arêtes horizontales et verticales des bâtiments situés dans l'axe de la liaison, les rayons diffusés sur le couvert végétal, les rayons guidés dans les conduits, les rues, les couloirs des bâtiments, etc.

Aux fréquences supérieures à 10 GHz, les ondes électromagnétiques interagissent avec l'atmosphère neutre et les divers phénomènes météorologiques tels qu'hydrométéores (pluie, neige, grêle) pour engendrer une absorption et une diffusion d'énergie et donc un affaiblissement des signaux transmis.

Les besoins sans cesse croissants des télécommunications en matière de débit nécessitent d'avoir une modélisation de plus en plus précise du canal de propagation dans des conditions d'environnement, de gammes de fréquence, des largeurs de bande..., toujours plus diverses. Cette modélisation permet de dimensionner au mieux les interfaces radio en termes de qualité, d'optimiser les réseaux lors de leur déploiement (détermination des zones de couverture (choix des sites, allocation des fréquences, définition des puissances, gains d'antenne, etc.) et de déterminer les brouillages éventuels).

Les modèles sont de différents types : on distingue les modèles déterministes, empiriques et semi-empiriques.

Les modèles déterministes s'appuient sur les lois fondamentales de la physique. Ils servent de modèles de référence. Le temps de calcul est par contre relativement élevé.

Les modèles empiriques sont basés sur l'analyse d'un grand nombre de mesures expérimentales en fonction de différents paramètres tels que la fréquence, la distance, la hauteur des antennes. Ils sont robustes, rapides et ne nécessitent pas de bases de données géographiques. Ils sont adaptés au dimensionnement des systèmes mais peu précis plus particulièrement à courtes distances.

Les modèles semi-empiriques combinent une formulation analytique des phénomènes physiques (réflexion, transmission, diffraction, diffusion) et un ajustement statistique à l'aide de mesures expérimentales. Ils sont rapides, précis et robustes. Ils nécessitent par contre la prise en compte de l'environnement (troposphère, bases de données géographiques (topographie, occupation du sol, morphologie, contours des bâtiments, axe de rue, etc.)).