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1 - LA PROPAGATION TROPOSPHÉRIQUE

2 - PROPAGATION EN MILIEU RURAL, SUBURBAIN ET URBAIN

3 - PROPAGATION À L'INTÉRIEUR DES BÂTIMENTS

4 - PROPAGATION LARGE BANDE

5 - PROPAGATION ULTRA-LARGE BANDE

Article de référence | Réf : E1162 v1

Propagation ultra-large bande
Propagation des ondes radioélectriques des réseaux terrestres

Auteur(s) : Hervé SIZUN

Relu et validé le 06 oct. 2017

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RÉSUMÉ

L’étude des bilans des liaisons radioélectriques du réseau terrestre fixe nécessite la prise en compte des différents affaiblissements (dus essentiellement aux effets de l’environnement), ainsi que des différents renforcements du signal (gains d’antenne, focalisation). De plus, leurs modes de propagations sont multiples : réflexion, réfraction, transmission, diffusion. La modélisation vient au secours des besoins de plus en plus croissants des télécommunications en proposant pour l’optimisation des réseaux trois types de modèles ; les modèles déterministes qui s’appuient sur les lois fondamentales de la physique ; les modèles empiriques basés sur l’analyse de mesures expérimentales et les modèles semi-empiriques qui combinent une formulation analytique et un ajustement statistique.

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ABSTRACT

Propagation of the radioelectric waves of terrestrial networks

The study of the assessment of the radioelectric links of the fixed terrestrial network requires the taking into account of the various attenuations (essentially due to the effects of the environment) and amplifications of the signal (gains of antenna, focusing). Furthermore, their modes of propagation are multiple: reflection, refraction, transmission and diffusion. Modeling addresses the increasing needs of telecommunications by offering three types of models for the optimization of networks; deterministic models based upon the fundamental laws of physics; empirical models based upon the analysis of experimental measurements and semi-empirical models which combine analytical formulation and statistical adjustment.

Auteur(s)

  • Hervé SIZUN : Docteur Es-Sciences, Université de Rennes - Ingénieur « Expert Senior », France Telecom R&D

INTRODUCTION

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.)).

Cet article touche à la fois la propagation troposphérique, tant en visibilité qu'en non visibilité, la propagation des ondes radioélectriques en milieu rural, suburbain et urbain, la propagation des ondes radioélectriques à l'intérieur des bâtiments et la propagation des ondes radioélectriques en contexte large et ultra-large bande.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e1162


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5. Propagation ultra-large bande

Les systèmes ULB (Ultra Large Bande), en anglais UWB (Ultra Wide Band) utilisent des signaux sur une très large bande de fréquence (500 MHz à plusieurs GHz) dans la bande 3,1-10 GHz. Son large support spectral et son fort pouvoir de résolution temporelle leur permettent de transmettre à très haut débit, jusqu'à plusieurs centaines de Mbits/s. Pour évaluer leurs performances, des modèles d'affaiblissement en large bande ont été proposés en s'appuyant sur des données de mesures du canal radio.

5.1 Modèle d'affaiblissement

L'affaiblissement de propagation est donné par la relation suivante  :

avec :

PL0(d0)
 : 
affaiblissement de propagation sur une distance de référence d0 (typiquement d0 = 1 m),
d
 : 
distance émetteur-récepteur (m) (d > 1 m),
n
 : 
coefficient d'affaiblissement de puissance,
 : 
écart-type du fading log-normal (dB) ; il traduit les variations lentes du canal liées aux phénomènes irréguliers des effets de masquage.

L'affaiblissement PL0(d0) en dB est généralement modélisé par la relation suivante :

avec :

f1 et f2 (GHz)
 : 
fréquences à − 10 dB du spectre ULB rayonné.

Le lecteur trouvera dans le tableau ci-contre quelques valeurs typiques du coefficient d'affaiblissement et de l'écart-type du fading en fonction de l'environnement et des différents types de trajets (LOS : en visibilité ; NLOS : en non-visibilité).

...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOITHIAS (L.) -   Propagation des ondes radioélectriques  -  . Techniques de l'Ingénieur, [E 6 130] Traité Électronique, mars 1988 (en archive).

  • (2) - LIEBE (H.J.) -   Modeling attenuation and phase of radio waves in air at frequencies below 1 000 GHz  -  . Radio Science, 16(6), pp. 1183-1199, 1983.

  • (3) - UIT-R -   Affaiblissement par les gaz atmosphériques  -  . Rec. UIT-R P.676.

  • (4) - SALONEN (E.), al -   Study of propagation phenomena for low availabilities  -  . ESA/ESTEC Contract 8025/88/NL/PR, Final report, 1990.

  • (5) - GIBBINS (C.J.) -   Improved algorithms for the determination of specific attenuation at sea level by dry air and water vapor in the range 1-350 GHz  -  . Radio Science, 21(6), pp. 945-954, 1986.

  • (6) - LIEBE (H.J.) -   An updated model for millimeter wave propagation in moist air  -  ....

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