Terrestrial land mobile radiowave propagation in ... - ITU Web Services
La mise en place de réseaux mobiles de Terre a été accompagnée d'un grand ....
traitent de questions qui sont en rapport avec le sujet du présent Manuel. ...... le
modèle ne détermine pas un point de réflexion au sol par examen direct du trajet.
...... performance, principalement, mais pas uniquement, pour le système GSM.
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ION 1
1.1 Objet 1
1.2 Comment utiliser cet ouvrage 1
1.3 Textes applications de l'UIT R 2
CHAPITRE 2 APPLICATIONS AUX SYSTÈMES RADIOÉLECTRIQUES MOBILES TERRESTRES 5
2.1 Architecture générale des réseaux 5
2.2 Systèmes radioélectriques mobiles privés (dispatching) 7
2.3 Réseaux publics de radiomessagerie 9
2.4 Systèmes téléphoniques publics hertziens 10
2.5 Systèmes téléphoniques mobiles cellulaires publics 12
2.6 Références bibliographiques utiles 15
CHAPITRE 3 PRINCIPES FONDAMENTAUX DE LA PROPAGATION 17
3.1 Mécanismes de propagation 17
3.1.1 Espace libre 17
3.1.2 Réflexions 17
3.1.3 Réflexion en surface 18
3.1.4 Réflexion sur les bâtiments 18
3.1.5 Diffraction 19
3.1.6 Réfraction 20
3.2 Occultation et évanouissements rapides 20
3.2.1 Occultation 20
3.2.2 Evanouissements rapides 21
3.3 Statistiques de la variabilité en fonction des emplacements 21
3.4 Références bibliographiques 23
Page
CHAPITRE 4 TECHNIQUES DE MODÉLISATION POUR LA PRÉVISION DE LA PROPAGATION 25
4.1 Modèles point à zone généralisés 25
4.1.1 Les modèles d'Okumura et de Hata 26
4.1.2 Essais et perfectionnement des modèles empiriques généralisés du type point à zone 28
4.2 Méthodes utilisant des informations relatives au terrain et à la couverture du terrain 33
4.3 Méthodes du tracé des rayons, TGD-TUD, et méthodes de l'équation parabolique et de l'équation intégrale 35
4.3.1 Méthodes du tracé des rayons et de la théorie géométrique de la diffraction (TGD) - Méthode de la théorie uniforme de la diffraction (TUD) 35
4.3.2 Méthodes de l'équation parabolique (PE) 36
4.3.3 Méthodes de l'équation intégrale (IE) 36
4.4 Modélisation de la diffraction 37
4.4.1 Résumé de méthodes antérieures, modèles de la Terre sphérique, de l'arête en lame de couteau et des cylindres 37
4.4.2 La Recommandation UIT-R P.526 44
4.5 Considérations sur les modèles de prévision de la propagation 45
4.5.1 Planification des systèmes 47
4.5.2 Evaluation des brouillages et gestion du spectre 47
4.5.3 Comparaison entre mesures et prévisions 48
4.6 Références bibliographiques 48
CHAPITRE 5 BASE DE DONNÉES RELATIVES AU TERRAIN (DISPONIBILITÉ ET UTILISATION) 51
5.1 Altitudes du terrain 51
5.2 Couverture de terrain 53
5.3 Utilisation de bases de données dans les méthodes existantes de modélisation et de planification 55
5.3.1 Expressions métaphoriques relatives aux zones 56
5.3.2 Considérations sur les profils 56
5.4 Références bibliographiques 57
CHAPITRE 6 PROPAGATION À L'INTÉRIEUR DES BÂTIMENTS, À LA PÉNÉTRATION DANS LES BÂTIMENTS ET SOUS LA SURFACE DU SOL 59
6.1 Méthodes adaptées au site 59
Page
6.2 Méthodes générales indépendantes du site 60
6.3 Propagation mixte (intérieur-extérieur et extérieur-intérieur) 63
6.4 Références bibliographiques 64
CHAPITRE 7 ANTENNES 67
7.1 Emission des ondes radioélectriques 67
7.2 Elément rayonnant isotrope de référence et antenne doublet 68
7.3 Caractéristiques des antennes 70
7.4 Antennes des stations de base 71
7.5 Antennes des stations mobiles 72
7.6 Influence de l'environnement du service mobile terrestre 72
7.6.1 Phénomènes de dépolarisation dans l'environnement mobile terrestre 72
7.6.2 Gain d'antenne lié à la hauteur: station de base et terminaux mobiles 73
7.6.3 Corrélation et diversité spatiale 74
7.6.4 Gain qu'il est possible d'obtenir avec une antenne de terminal mobile à bord d'un véhicule 74
7.6.5 Affaiblissement dû au corps humain 74
7.7 Références bibliographiques 75
CHAPITRE 8 BRUIT AMBIANT 77
8.1 Facteurs de qualité de fonctionnement des systèmes radioélectriques 77
8.2 Termes relatifs au bruit, considérations générales 77
8.2.1 Composantes du bruit 77
8.2.2 Puissance de bruit et température de bruit 77
8.2.3 Facteur de bruit 78
8.2.4 Facteur de bruit pour des dispositifs en série 79
8.2.5 Facteur de bruit pour les systèmes de réception 81
8.3 Valeurs de bruit d'antenne données dans la Recommandation UIT R P.372 83
8.4 Mesures du bruit pour des applications particulières 85
8.5 Références bibliographiques 85
CHAPITRE 9 CARACTÉRISTIQUES DES CANAUX POUR LES PROCÉDÉS DE MODULATION NUMÉRIQUE 87
9.1 Caractérisation dans le domaine temporel 87
9.2 Caractérisation dans le domaine fréquentiel 88
9.3 Caractérisation dans le domaine angulaire et spectres Doppler 89
9.4 Canaux WSSUS 89
Page
9.5 Modélisation du canal à large bande 90
9.5.1 Modèles de canaux adaptés au site 90
9.5.2 Modèles de canal: modèles généraux indépendants du site 90
9.6 Références bibliographiques 92
BIBLIOGRAPHIE 93
Textes UIT-R 93
Livres 93
Ensembles de données, en ligne 93
Monographies et rapports 94
Documents de conférence et articles de revues techniques 94
APPENDICE A EXEMPLES PRATIQUES 101
A.1 Exemple d'essais et d'affinage de modèles empiriques généralisés du type point à zone (voir aussi le § 4.1.2) 101
A.1.1 Tests des modèles (voir aussi le § 4.1.2.2) 101
A.1.2 Choix du modèle optimum (voir aussi le § 4.1.2.2) 103
A.1.3 Affinage des modèles (voir aussi le § 4.1.2.3) 103
APPENDICE B CONVERSION DES UNITÉS 105
B.1 Affaiblissements de propagation et champ électromagnétique 105
B.2 Unités décibels et échelle logarithmique 105
B.3 Conversion des unités 107
B.4 Références bibliographiques 107
AVANT-PROPOS
La vie moderne, que ce soit dans les pays en développement ou les pays industrialisés, repose en grande partie sur une attente des individus: l'attente de radiocommunications disponibles, mobiles et immédiates. Les organismes et les entreprises du secteur des télécommunications, dans le monde entier, doivent être capables de mettre en place une infrastructure de communications mobiles dotée de la qualité de communication requise, et d'assurer la maintenance de cette infrastructure.
La compréhension des mécanismes de la propagation dans les milieux naturels et artificiels est un élément fondamental de la culture d'un ingénieur des télécommunications. Cette connaissance est nécessaire pour planifier et optimiser les moyens techniques mis en oeuvre pour les télécommunications mobiles, afin de répondre aux besoins des usagers. Il n'est pas possible de maîtriser la variabilité spatiale et temporelle ni les effets produits par le terrain et la topographie, mais ces phénomènes peuvent être pris en compte à condition de connaître leur influence sur le fonctionnement des systèmes.
S'agissant des services mobiles terrestres de Terre, on a assisté ces dernières années à un accroissement extraordinaire aussi bien de la demande des usagers que de l'utilisation de ces services par ces derniers. La mise en place de réseaux mobiles de Terre a été accompagnée d'un grand nombre d'innovations techniques, parmi lesquelles il faut mentionner une meilleure compréhension de la propagation des ondes radioélectriques. L'Union internationale des télécommunications (UIT R) a pour mission de mettre à disposition des méthodes normalisées (Recommandations) qui permettent de calculer les caractéristiques de fonctionnement des systèmes radioélectriques dans un environnement variable. Le présent Manuel de l'UIT R expose les bases techniques sur lesquelles reposent les prévisions de la propagation radioélectrique dans les réseaux mobiles des types point à point, point à zone et point à multipoint. La considération centrale de l'ouvrage est l'utilisation des Recommandations UIT R pour la réglementation, la planification, l'ingénierie et la mise en place des services mobiles terrestres. Le lecteur est invité à prendre contact avec l'UIT R ( HYPERLINK "http://www.itu.int/ITU-R" http://www.itu.int/ITU-R) pour toutes informations complémentaires.
David G. Cole Président de la Commission d'études 3 des radiocommunications, Propagation des ondes radioélectriques
REMERCIEMENTS
Le texte de ce Manuel a été établi par plusieurs membres du Groupe de Travail 3K de l'UIT-R. Le Rapporteur responsable de ces travaux tient à remercier les personnes suivantes, qui ont fait des contributions importantes à l'élaboration de ce texte:
M. Richard Biby, Etats-Unis d'Amérique
M. Eldon J. Haakinson, Etats-Unis d'Amérique
M. Thomas Kürner, Allemagne
M. Paul McKenna, Etats-Unis d'Amérique
M. Artkras Medeiais, Lituanie
M. Ian Pullen, Royaume-Uni
M. Mauro Soares de Assis, Brésil
M. James Whitteker, Canada
Par ailleurs, le Rapporteur adresse ses remerciements à M. Eldon J. Haakinson et à M. Rainer Grosskopf, Présidents successifs du Groupe de Travail 3K, pour leur soutien et leurs encouragements.
Thomas N. Rubinstein Rapporteur
CHAPITRE 1
INTRODUCTION
1.1 Objet
Le présent Manuel a pour objet d'informer l'ingénieur ou le concepteur de réseau possédant peu d'expérience, sinon aucune, de la propagation des ondes radioélectriques, sur les notions qu'il faut connaître pour comprendre comment les principes de cette propagation sont appliqués dans la conception des systèmes radioélectriques mobiles terrestres utilisés dans les services de Terre.
1.2 Comment utiliser cet ouvrage
Le Manuel s'adresse avant tout à ceux qui utilisent les Recommandations UIT-R relatives à la propagation électromagnétique et qui ont besoin d'informations additionnelles concernant les notions de base et l'application des méthodes décrites dans ces Recommandations, notamment celles qui se rapportent aux services mobiles terrestres de Terre exploités dans les bandes d'ondes métriques et décimétriques. Les Recommandations UIT R relatives à la propagation des ondes radioélectriques portent un numéro de Recommandation et un numéro de version (par exemple, P.1144 2). Dans le présent Manuel, les Recommandations seront généralement désignées sans le numéro de la version la plus récente, mais il est conseillé au lecteur de se servir de cette version la plus récente pour son travail sur le plan pratique. Les Groupes de Travail de la Commission d'études 3 ne cessent de mener des études visant à améliorer les Recommandations existantes et à élargir leur champ d'application, comme aussi à élaborer de nouvelles Recommandations. Des éléments d'information additionnels ont donc été introduits dans le texte, dans un souci de prospective.
Le Chapitre 2 du Manuel traite des applications courantes des systèmes radioélectriques mobiles terrestres, qui se rangent dans deux grandes catégories: les systèmes véhiculaires et les systèmes portatifs. L'idée centrale de ce Chapitre est d'inscrire ces applications dans le contexte des caractéristiques prévues pour chaque application: portée(s) de communication, environnement(s) et canaux. La dernière section du Chapitre porte sur le choix des méthodes de transmission de l'information (méthodes de modulation) et sur la façon dont ces méthodes sont influencées par les caractéristiques des canaux. La lecture de ce Chapitre permettra à l'utilisateur de placer le système mobile terrestre dont il s'occupe (conception ou planification) dans le cadre de ces applications, et d'identifier les problèmes importants qui se posent à propos de son système.
Le Chapitre 3 analyse les principes fondamentaux de la propagation des ondes électromagnétiques dans les services de Terre. La première section décrit la nature déterministe de la réflexion, de la réfraction, de la diffraction de ces ondes et de leur propagation par trajets multiples. Pour le cas d'un émetteur et d'un récepteur fixes, et d'une atmosphère bien mélangée, ces caractéristiques déterminent le champ médian à long terme (horaire) des signaux. Les deux autres sections de ce Chapitre traitent de la nature apparemment aléatoire des fluctuations du champ autour de la valeur médiane à long terme, dans le cas où un émetteur ou un récepteur mobile (ou les deux) se déplacent sur de courtes distances. La lecture de ce Chapitre renseignera l'utilisateur sur les caractéristiques de base d'un grand nombre de modèles de la propagation radioélectrique.
Le Chapitre 4 est consacré aux techniques qui permettent de modéliser les prévisions de la propagation radioélectrique à l'extérieur des bâtiments. Ces modèles relèvent de plusieurs grandes catégories: modèles empiriques généraux indépendants du site et modèles plus déterministes adaptés au site. Ce Chapitre contient également quelques indications sur des techniques de modélisation telles que la méthode de tracé des rayons (trajectographie), les méthodes des TGD TUD et les méthodes mettant en oeuvre des équations paraboliques et des équations intégrales. En raison de leur importance, on revient sur les méthodes de modélisation de la diffraction; enfin, une section est consacrée au choix des modèles de propagation. Le lecteur trouvera dans ce Chapitre des renseignements détaillés sur les diverses méthodes de modélisation dont on dispose pour faire des prévisions de la propagation.
Le Chapitre 5 traite des bases de données relatives aux terrains (disponibilité et utilisation) et aux bases de données relatives aux plans d'occupation des sols et à la couverture du terrain. Ces outils sont particulièrement utiles lorsqu'on se sert d'un modèle de propagation adapté au site mais aussi pour certains types de modèles généraux indépendants du site.
Le Chapitre 6 analyse la propagation à l'intérieur des bâtiments et la propagation des signaux qui pénètrent dans les bâtiments ou qui en sortent. Ici encore, on distingue les modèles indépendants du site et les modèles adaptés au site. Ce Chapitre s'adresse particulièrement aux utilisateurs qui recherchent des méthodes de prévision de la propagation pour ces cas, dont l'importance ne cesse de croître.
Le Chapitre 7 traite des antennes dans leur rapport avec le problème de la propagation et le Chapitre 8 décrit les effets du bruit radioélectrique ambiant sur le fonctionnement des systèmes de radiocommunication. Ces deux facteurs sont importants pour la conception ou la planification détaillée d'un système. Le Chapitre 9 est consacré à la question essentielle de la fonction de transfert et de la réponse impulsionnelle des canaux pour les méthodes de modulation numérique. Ces questions sont d'une grande importance lorsqu'il s'agit de prévoir les caractéristiques de fonctionnement (taux d'erreur binaire ou taux d'erreur sur les symboles) d'un système à modulation numérique en présence de bruit et/ou de brouillage. Le Manuel se termine par une bibliographie et par deux Appendices où l'on trouvera l'exposé d'exemples pratiques, ainsi que des indications sur les conversions d'unités.
1.3 Textes applications de l'UIT R
Les textes de l'UIT R énumérés ci après traitent de questions qui sont en rapport avec le sujet du présent Manuel. On trouvera à la fin du Chapitre 9 une bibliographie de textes autres que ceux de l'UIT R.
Recommandation UIT-R P.833-3 Affaiblissement dû à la végétation, Union internationale des télécommunications, Genève, 2001.
Recommandation UIT-R P.525-2 Calcul de la propagation en espace libre, Union internationale des télécommunications, Genève, 2000.
Recommandation UIT-R P.341-5 Notion d'affaiblissement de transmission pour les liaisons radioélectriques, Union internationale des télécommunications, Genève, 2000.
Recommandation UIT-R P.1058-2 Bases de données topographiques numériques pour les études de propagation, Union internationale des télécommunications, Genève, 2000.
Recommandation UIT-R P.368-7 Courbes de propagation de l'onde de sol entre 10 kHz et 30 MHz, Union internationale des télécommunications, Genève, 2000.
Recommandation UIT-R P.1144-2 Guide pour l'application des méthodes de prévision de la propagation de la Commission d'études 3 des radiocommunications, Union internationale des télécommunications, Genève, 2001.
Handbook on radiowave propagation information for predictions for terrestrial path communications (Manuel sur l'information relative à la propagation des ondes radioélectriques pour les prévisions concernant les communications sur les trajets de Terre), Union internationale des télécommunications, Genève, en préparation.
Manuel sur le contrôle du spectre radioélectrique, Union internationale des télécommunications, Genève, 1995.
Recommandation UIT-R P.1407 Propagation par trajets multiples et paramétrage de ses caractéristiques, Union internationale des télécommunications, Genève, 2000.
Recommandation UIT-R P.529-3 Méthodes de prévision de la propagation pour le service mobile terrestre de Terre dans les bandes des ondes métriques et décimétriques, Union internationale des télécommunications, Genève, 2000. (Remplacée par la Recommandation UIT-R P.1546).
Recommandation UIT-R P.452-10 Méthode de prévision pour évaluer les brouillages hyperfréquences entre stations situées à la surface de la Terre à des fréquences supérieures à 0,7 GHz environ, Union internationale des télécommunications, Genève, 2001.
Volume 2 du Manuel sur les communications mobiles terrestres Evolution vers les IMT 2000/FSMTPT: principes et orientations, Union internationale des télécommunications, Genève, 1997.
Recommandation UIT-R P.1057-1 Modélisation de la propagation des ondes radioélectriques: distributions de probabilité, Union internationale des télécommunications, Genève, 2001.
Recommandation UIT-R P.526-7 Propagation par diffraction, Union internationale des télécom munications, Genève, 2001.
Recommandation UIT-R P.1411-1 Données de propagation et méthodes de prévision pour la planification de systèmes de radiocommunication, à courte portée, destinés à fonctionner à l'extérieur de bâtiments et de réseaux locaux hertziens dans la gamme de fréquences comprises entre 300 MHz et 100 GHz, Union internationale des télécommunications, Genève, 2001.
Recommandation UIT R P.1238 2 Données de propagation et méthodes de prévision pour la planification de systèmes de radiocommunication destinés à fonctionner à l'intérieur de bâtiments et de réseaux locaux hertziens fonctionnant à des fréquences comprises entre 900 MHz et 100 GHz, Union internationale des télécommunications, Genève, 2001.
Recommandation UIT-R P.1406 Effets de la propagation relatifs au service mobile terrestre de Terre dans les bandes d'ondes métriques et décimétriques, Union internationale des télécommunications, Genève, 2000.
Rapport 902 du CCIR Systèmes à lignes d'alimentation à fuite dans le service mobile terrestre.
Manuel sur les communications mobiles terrestres (Volume 3) Radio dispatch systems (Systèmes de radiodispatching) Union internationale des télécommunications, Genève (en préparation).
Recommandation UIT-R P.372-7 Bruit radioélectrique, Union internationale des télécommunica tions, Genève, 2001.
Recommandation UIT-R P.453-8 Indice de réfraction radioélectrique: formules et données de réfractivité, Union internationale des télécommunications, Genève, 2001.
Rapport 880-1 du CCIR Propagation à courte distance des ondes radioélectriques dans des environnements spéciaux.
Rapport UIT-R M.2014 Systèmes mobiles terrestres numériques à haute efficacité spectrale pour le trafic de dispatching, Union internationale des télécommunications, Genève, 1998.
Recommandation UIT-R P.1546 Méthode de prévision de la propagation point à zone pour les services de Terre entre 30 et 3 000 MHz, Union internationale des télécommunications, Genève, 2001.
Manuel sur les communications mobiles terrestres (Volume 1) Boucle locale à accès hertzien, Union internationale des télécommunications, Genève, 1997.
CHAPITRE 2
APPLICATIONS AUX SYSTÈMES RADIOÉLECTRIQUES MOBILES TERRESTRES
On trouvera dans ce Chapitre un bref exposé sur des applications typiques dans les services mobiles de Terre. Après une présentation générale de la structure des systèmes, l'exposé met en lumière les caractéristiques de ces systèmes qui peuvent influer sur la portée, les objectifs ou le choix des études de propagation à envisager. L'accent est mis également sur la couverture nécessaire et sur la portée de communication.
2.1 Architecture générale des réseaux
Un des points fondamentaux à prendre en considération dans l'étude d'un système de radiocommunication est l'architecture générale de son réseau. Cette architecture décrit la manière dont les liaisons de communication sont établies dans le réseau et spécifie les terminaux qui communiquent les uns avec les autres. Cette analyse conduit à des conclusions de la plus haute importance s'agissant de certaines caractéristiques nécessaires (trajets de propagation, distances de communication et effets directifs). La Fig. 2.1 représente trois des architectures les plus typiques pour les réseaux de radiocommunication.
EMBED Designer.Drawing.7
Les trois architectures de la Fig. 2.1 permettent de voir qu'un réseau du type point à zone peut être considéré comme le plus représentatif des systèmes mobiles terrestres. Les deux autres architectures peuvent cependant être prises en compte, elles aussi, pour certains modes de fonctionnement de ces systèmes.
Le fonctionnement de point à point est le plus typique pour les réseaux de radiocommunication fixes mais on peut également y avoir recours dans les réseaux mobiles terrestres lorsque des terminaux mobiles (transportables) fonctionnent à partir d'emplacements temporaires fixes quand ils ne se déplacent pas. Parmi les exemples de ces applications, citons les faisceaux hertziens tactiques mobiles, les systèmes temporaires de journalisme électronique, etc. Il est possible, d'ailleurs, que ce mode de fonctionnement s'étende encore dans les systèmes mobiles, à la faveur de la mise en oeuvre d'antennes orientables perfectionnées. Cette technique permet la poursuite d'un terminal distant mobile, pendant son déplacement, à l'aide du faisceau en rotation de l'antenne d'une station de base.
Ce mode de fonctionnement de point à point présente un avantage extraordinaire, à savoir la possibilité d'utiliser des antennes à effet directif très poussé, ce qui accroît la portée de communication et atténue les effets de la propagation par trajets multiples. Le trajet de propagation est alors bien défini, de sorte qu'il est souvent possible, et conseillé, d'utiliser des modèles de prévision adaptés au trajet.
L'architecture de réseau du type point à multipoint, également appelée configuration en étoile, comporte un noeud central qui joue le rôle de point de gestion et de commutation pour la communication avec les stations distantes et aussi pour les communications entre ces stations. Dans le cas où l'on a exclusivement des communications unidirectionnelles, un tel réseau devient un réseau de radiodiffusion. Le domaine privilégié des architectures en étoile est celui des réseaux fixes, mais elles sont aujourd'hui utilisées souvent dans des systèmes de radiocommunication qui se situent à la frontière entre le service fixe et le service mobile. On a un bon exemple de cette application avec les systèmes à boucle locale hertzienne (WLL, wireless local loop), dont la structure englobe souvent des terminaux d'utilisateur fixes et mobiles. Mais même les terminaux fixes des systèmes WLL sont mis en place selon des modalités simplifiées et souples (dans certains cas par les abonnés eux mêmes), sans que l'on connaisse a priori l'emplacement des terminaux, ni les trajets appropriés.
On prévoit de fortes charges de trafic dans les systèmes WLL, raison pour laquelle on les place généralement dans les bandes de fréquences situées au dessus de la gamme des ondes décimétriques. Toutefois, dans les zones à faible densité de population, ces systèmes fonctionnent souvent dans les bandes décimétriques, généralement les bandes des 900 MHz, 1,5 GHz ou 2 GHz. En pareils cas, on compte sur des distances de communication qui seront comparables, et peut être même supérieures, à celles obtenues dans les systèmes mobiles terrestres, pouvant aller jusqu'à quelque 50-100 km. Pour cette raison dans les cas où une couverture circulaire est nécessaire les systèmes WLL fonctionnant en ondes décimétriques sont équipés dans leurs stations de base d'antennes directives qui sont mises en oeuvre dans plusieurs secteurs couvrant la totalité des 360°ð.
Cela étant, dans les prévisions de la couverture fournie par ces systèmes WLL du type point à multipoint, il est souvent possible d'appliquer des méthodes de prévision utilisées dans le cas point à zone, mais il faut alors prendre en compte un gain d'antenne plus important dans les stations de base et les stations distantes. Les antennes distantes sont placées généralement à 10 m au dessus du sol, car ces antennes sont souvent montées sur le toit des bâtiments, à côté des antennes de réception de radiodiffusion.
L'architecture point à zone correspond au mode de fonctionnement le plus répandu pour les systèmes mobiles terrestres traditionnels. Elle garantit la couverture de toute une zone à partir d'une ou de plusieurs stations de base, l'hypothèse de départ étant la suivante: les stations mobiles peuvent apparaître, à tout instant, en tout point d'une zone de couverture donnée et peuvent maintenir un canal de communication tout en se déplaçant dans les limites de cette zone tout entière. Une telle architecture peut déboucher sur un réseau à structure maillée lorsque les stations mobiles sont capables de communiquer directement entre elles. C'est ce qui se passe dans les réseaux de radiocommunication mobiles privés de type traditionnel. Dans les réseaux cellulaires publics, les terminaux mobiles doivent passer par le noeud central pour leurs communications (en fait, par l'ensemble station de base/commutateur central du réseau); autrement dit, du point de vue réseau, ces terminaux se comportent comme s'ils se trouvaient dans une configuration en étoile. Mais même dans ce dernier cas, du point de vue de la planification des radiocommunications ces systèmes doivent être traités comme des systèmes point à zone.
Planifier les zones de couverture en mode point à zone est un exercice difficile car il est en principe impossible de prévoir le trajet exact qui sera emprunté par les ondes radioélectriques. Pour cette raison, on a généralement recours à des modèles généraux, indépendants du trajet, pour les prévisions de la propagation, avec l'hypothèse que le champ subira des variations pouvant être décrites à l'aide de méthodes statistiques. Dans ces exercices de planification, il est important de planifier en vue d'obtenir la couverture la plus fiable de la totalité de la zone de couverture visée, en réduisant à un minimum le nombre de zones d'ombre.
2.2 Systèmes radioélectriques mobiles privés (dispatching)
Les systèmes radioélectriques mobiles privés (PMR, private mobile radio), également appelés systèmes de dispatching privés, sont les plus anciens systèmes des services mobiles terrestres, encore très largement utilisés. Mis en oeuvre pour la première fois en 1929 pour les communications avec les véhicules de patrouille de la police, ces systèmes ont une architecture radioélectrique qui est restée pratiquement inchangée jusqu'à notre époque, avec toutefois, l'addition d'une dimension supplémentaire qui leur a été apportée par le partage des canaux.
La caractéristique fondamentale des systèmes PMR est l'accès instantané à un canal radioélectrique (principe de l'utilisation du bouton de conversation) et la possibilité de communiquer dans une architecture maillée. Du point de vue de la planification des radiocommunications, ces systèmes représentent généralement une ville ou une subdivision administrative un peu plus étendue (région, département, etc.). Si la zone est suffisamment petite et si elle n'est pas occultée par des obstacles topographiques, on peut utiliser un site unique, comme le montre la Fig. 2.2. Lorsque le nombre des unités mobiles et portables augmente ou s'il est nécessaire de couvrir des territoires plus étendus, on peut mettre en oeuvre des stations de base supplémentaires.
Du fait de leur simplicité et de leurs coûts d'investissement et d'exploitation relativement modestes, ces systèmes PMR ont la préférence pour les communications mobiles privées. De nos jours, ils trouvent de nombreuses applications dans les services d'urgence, les services publics, les transports, les compagnies de taxis et d'autres entreprises désireuses d'abaisser les coûts des communications mobiles. A cela s'ajoute le fait que leurs caractéristiques de fonctionnement orientées vers le dispatching répondent souvent mieux aux besoins des usagers que ne le feraient un système «biunivoque» par exemple un système téléphonique mobile public.
A l'origine, les systèmes PMR fonctionnaient principalement aux fréquences des bandes d'ondes métriques. Aujourd'hui, ils utilisent de nombreux secteurs des gammes métriques et décimétriques, par exemple des fréquences comprises dans les bandes des 40 MHz, 160 MHz, 450 MHz et 900 MHz. Les valeurs types de la puissance des stations de base sont comprises entre 25 et 400 W et celles des stations mobiles, entre 2 et 100 W. Dans les zones topographiquement plates, il est courant d'installer les antennes des stations de base au centre de la zone de service, en général sur le toit de bâtiments élevés dans les centres-villes, etc. Pour les villes entourées de montagnes, on a coutume d'installer les stations de base sur un sommet montagneux. Le plus souvent, les stations de base sont équipées d'antennes équidirectives; toutefois, les stations implantées sur des sommets montagneux peuvent être dotées d'antennes directives à grande ouverture de faisceau dans le plan horizontal. Avec les puissances d'émission indiquées plus haut, on peut tabler sur des rayons de zone de couverture allant de 25 à 100 km.
Grâce à leur architecture maillée, les systèmes PMR assurent des communications d'une grande fiabilité. Même quand un mobile se trouve être en un point dépourvu de couverture, une autre station mobile voisine peut agir comme un relais pour transmettre un message à la station centrale de dispatching (voir la Fig. 2.2). Néanmoins et cela s'applique spécialement aux applications qui sont sensibles au temps de réaction total, par exemple les services d'urgence il convient de planifier avec soin la zone de couverture des systèmes PMR, si l'on veut garantir l'étendue nécessaire de cette zone et l'élimination de tous points d'occultation éventuels.
Les systèmes PMR de base appliquent un protocole simple pour l'accès à un canal radioélectrique (qui représente, par réseau, un ou plusieurs canaux pouvant être sélectionné(s) manuellement). Pour cette raison, lorsqu'il s'agit d'agrandir les zones de couverture, on opte généralement pour une configuration avec station de répéteur (voir la Fig. 2.3). Toutefois, au stade de la planification, ces stations de répéteurs doivent être considérées selon les mêmes critères que la station de base centrale.
Dans les grands réseaux PMR modernes, on utilise fréquemment, de nos jours, les technologies dites du partage des canaux, qui sont conçues pour assurer aux stations mobiles un accès sans à coups à un ensemble plus important de canaux disponibles, sans abandonner le principe fondamental d'utilisation du «bouton de conversation». Parallèlement, cette technique plus performante de sélection des canaux met en oeuvre le principe cellulaire avec installation d'une multiplicité de stations de base sur des territoires plus étendus. Cependant, même dans ces réseaux PMR à structure cellulaire appliquant le partage des liaisons, les diverses stations de base ont en général les mêmes caractéristiques que dans un réseau à une seule station, en ce qui concerne par exemple l'utilisation d'antennes équidirectives, la puissance et la portée de communication.
Les techniques de partage des canaux ont permis également le développement de systèmes tels que les réseaux PAMR (radiocommunications mobiles à accès public): il s'agit en général de réseaux identiques aux réseaux PMR à partage des canaux, avec appel sélectif, dans lesquels les opérateurs de réseau louent le temps d'émission disponible à de petites entreprises sous la forme d'un PMR virtuel.
Les systèmes PMR étant utilisés principalement pour les communications vocales, ils fonctionnent le plus souvent dans des canaux de fréquences étroits (largeur des canaux: 33/25 kHz et moins). Il en résulte que les statistiques de propagation ne sont pas sélectives en fréquence et qu'on les exprime généralement en termes de variation du champ (évanouissements) en fonction du temps et des emplacements (variabilité spatio temporelle).
2.3 Réseaux publics de radiomessagerie
Les réseaux de radiomessagerie ont été les premiers réseaux mobiles publics largement disponibles. Leur application est la transmission unidirectionnelle de messages alphanumériques. La Fig. 2.4 représente la structure de base d'un tel réseau. Les messages sont transmis par l'intermédiaire du réseau téléphonique public à commutation (RTPC) ou par une connexion directe à un réseau pour données, ou encore par ces deux moyens. Le terminal de messagerie gère les demandes de transmission de messages, qu'il place en file d'attente et qu'il restructure pour les mettre sous une forme se prêtant à la transmission. Le contrôleur de réseau réalise l'interface avec les stations de base de la radiomessagerie.
Comme ces réseaux fonctionnent pour l'essentiel en mode radiodiffusion, leur planification se fait selon les mêmes modalités que pour les réseaux de radiodiffusion. Les stations de base utilisent généralement des fréquences des bandes d'ondes métriques ou décimétriques-le plus souvent à raison d'une seule fréquence pour tout un réseau-avec des puissances d'émetteur types comprises entre 100 et 400 W et des antennes équidirectives. Pour une réception fiable en dehors des bâtiments, on prévoit des zones de couverture de station de base dont le rayon est de 50 km, ou plus. La couverture à l'intérieur des bâtiments est considérablement réduite du fait des pertes qui accompagnent la pénétration des signaux dans les bâtiments. Pour cette raison, on a souvent recours à des techniques de diffusion simultanée quasi synchrone. Pour assurer une réception satisfaisante lorsque le mobile se déplace entre des zones de couverture voisines, les stations de base du réseau émettent en mode quasi synchrone. De ce fait, on a moins besoin de faire une évaluation des brouillages; il suffit par conséquent que les planificateurs des réseaux veillent à réaliser une couverture appropriée.
Du fait de leur parenté avec la radiodiffusion, les méthodes de prévision de la propagation du type général indépendant du trajet conviennent parfaitement pour la planification des zones de couverture dans les réseaux de radiomessagerie; cela s'applique aussi aux méthodes utilisées pour les services traditionnels de radiodiffusion sonore et télévisuelle. Il faut cependant veiller à faire un ajustement pour tenir compte, d'une part, de la faible hauteur des antennes de réception (on porte généralement les récepteurs de radiomessagerie à la ceinture, à 1 m environ au dessus du sol), d'autre part, de l'affaiblissement dû au corps humain, qui est important dans le cas de ces récepteurs. Ce problème est étudié dans le Chapitre 7.
2.4 Systèmes téléphoniques publics hertziens
Les systèmes téléphoniques publics hertziens (CT, cordless telephony) sont dérivés des systèmes à boucle locale hertzienne (WLL) dont il a été question plus haut. La propriété caractéristique de ces systèmes CT est le fait qu'ils sont conçus pour des distances de communication très courtes et qu'ils sont capables de desservir des terminaux d'usager fixes ou mobiles. Les systèmes WLL fonctionnent normalement en configuration point à multipoint, la station de base étant installée dans les locaux du commutateur téléphonique et couvrant une vaste zone de service; à l'inverse, en général, les systèmes CT mettent en oeuvre la transmission radioélectrique uniquement dans le «dernier kilomètre» de l'installation téléphonique, ce qui revient à transférer le matériel du prolongement local (sur environ 0,1-1 km) du coffret situé sur la voie publique vers les locaux de l'abonné (voir la Fig. 2.5).
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Dans cette architecture, on a des stations de base dont les puissances d'émission s'échelonnent entre 10 et 100 mW (allant parfois jusqu'à 0,5 W) et des portées de communication prévues ne dépassant pas 0,5 2 km. On utilise généralement un protocole de sélection automatique des canaux, permettant l'assignation dynamique des canaux libres. De ce fait, les systèmes CT se prêtent parfaitement à la mise en place des réseaux dans les structures cellulaires à forte densité avec application du principe du «réverbère» pour l'installation des stations de base à des intervalles de 0,5 1 km; voir la Fig. 2.6.
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Les réseaux CT publics sont destinés essentiellement à être installés dans les zones urbaines, où ils peuvent être amenés à écouler des charges de trafic atteignant 10 000 E/km2/étage. On notera que la charge de trafic est indiquée par étage; en effet, on admet par hypothèse que les stations de base à faible puissance créent des zones de couverture uniquement au même niveau des grands immeubles. La puissance type d'un émetteur de terminal d'utilisateur est de l'ordre de 10 mW, en version fixe comme en version mobile. Des antennes équidirectives sont utilisées de part et d'autre. Les dimensions des cellules étant petites et le protocole de l'accès hertzien étant optimisé pour des connexions de qualité interurbaine, les réseaux CT permettent généralement de réaliser le transfert des abonnés entre cellules, mais seulement aux faibles vitesses de déplacement du mobile, par exemple au maximum à 4 5 km/h (vitesse de déplacement d'un piéton).
A terme, les réseaux CT publics devraient permettre d'assurer la mobilité sans à coup des terminaux CT entre les systèmes téléphoniques hertziens privés et leur réseau public homologue. On prévoit également que des réseaux CT publics et privés pourraient intégrer la famille universelle des systèmes de télécommunications mobiles internationales (IMT 2000).
Du point de vue de la planification des radiocommunications, les réseaux CT ne nécessitent généralement pas une modélisation très poussée, parce que l'implantation des stations de base est extrêmement dense et que ces stations ont des zones de couverture qui se chevauchent. Il suffit le plus souvent d'appliquer quelques règles générales concernant la distance de propagation attendue, en fonction de la fréquence de fonctionnement, de la hauteur type des antennes et des conditions de propagation. Ces règles permettent de déterminer les distances de séparation maximales entre les stations de base, ainsi que d'autres caractéristiques pour les installations types de ces stations.
2.5 Systèmes téléphoniques mobiles cellulaires publics
Les systèmes de téléphonie mobile ont évolué progressivement à partir des systèmes PMR: dans un premier temps, les stations mobiles ont eu la possibilité de se connecter au RTPC par commutation manuelle dans le distributeur; ensuite, création de systèmes téléphoniques mobiles spécialisés type PMR, le distributeur (dispatching) étant remplacé par un commutateur surveillé; enfin, apparition du commutateur automatique directement relié au RTPC.
Ces réseaux téléphoniques mobiles publics, avec centres de commutation automatiques et stations de base uniques assurant une couverture radiale dans des zones métropolitaines, étaient en exploitation dans de nombreux pays en 1960-1980 (certains sont encore en service de nos jours). Toutefois, le développement de ces systèmes a été limité par une efficacité médiocre d'utilisation des canaux, dont la conséquence a été une capacité de trafic extrêmement limitée dans l'architecture PMR-cela, jusqu'à l'introduction du concept cellulaire dans les réseaux de téléphonie mobile au cours des années 80. La Fig. 2.7 donne un exemple type de réseau cellulaire.
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L'exemple de la Fig. 2.7 montre comment la densité et la forme des cellules sont modulées pour tenir compte des variations de la densité des abonnés et pour s'adapter aux itinéraires les plus probables empruntés par les abonnés mobiles. De par leur nature, les diverses cellules d'un réseau mobile cellulaire sont conçues comme des unités limitées par la capacité de trafic. Cela donne une très grande souplesse d'action aux opérateurs pour la mise en place progressive de leur réseau: dans un premier temps, implantation de grandes cellules, qui seront ensuite subdivisées en cellules de plus en plus petites à mesure que le volume de trafic augmentera. Au départ, la capacité spectrale limitée des structures cellulaires pose un problème, mais à terme ce problème perd de son acuité dès l'instant où l'on a largement recours à la réutilisation des fréquences: en effet, les petites zones de couverture permettent la réutilisation de la même fréquence sur de petites distances (voir la Fig. 2.8).
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Par la suite, les techniques d'accès multiple par répartition en code (AMRC) ont permis d'établir des réseaux fonctionnant avec une fréquence unique, mais le principe de limitation de capacité dans la formation des cellules est demeuré inchangé.
Il existe actuellement trois générations de systèmes téléphoniques mobiles à structure cellulaire. Les systèmes de la première génération sont des systèmes analogiques qui mettent en oeuvre des protocoles d'accès multiple par répartition en fréquence (AMRF), avec les habituels canaux MF à bande étroite. Les systèmes de la deuxième génération sont des systèmes numériques, largement utilisés de nos jours. Ils appliquent une technique de modulation numérique et, soit l'accès multiple par répartition dans le temps (AMRT) associé à l'AMRF, soit l'accès multiple AMRC. L'utilisation des systèmes de troisième génération devrait intervenir progressivement: il s'agit d'une famille de normes variées, principalement AMRC avec duplex par répartition en fréquence (DRF) ou duplex par répartition dans le temps (DRT), mais aussi AMRF/AMRT. On les désigne collectivement par l'appellation que leur a donnée l'UIT: IMT-2000 (télécommunications mobiles internationales).
Les différences entre les divers systèmes et les diverses générations résident dans les caractéristiques suivantes: caractéristiques quantitatives et qualitatives, possibilités d'itinérance à l'intérieur des réseaux et entre les systèmes, etc. Cependant, tous les réseaux téléphoniques cellulaires sont similaires pour l'essentiel, pour les raisons suivantes: les réseaux eux mêmes et toutes les communications à l'intérieur des réseaux sont soumis à une gestion centrale qui s'opère dans le centre de commutation mobile (CCM), et toutes les interconnexions entre les stations mobiles et le réseau, ainsi qu'entre les stations mobiles, passent par la station de base et le CCM les plus proches. La Fig. 2.9 représente l'architecture de base d'un réseau formé de systèmes téléphoniques mobiles terrestres à structure cellulaire.
Les systèmes cellulaires utilisent le plus souvent des antennes directives pour réaliser la forme requise des cellules et aussi pour réduire les brouillages causés dans des cellules voisines des réseaux AMRF/AMRT. Les valeurs types des distances de communication sont les suivantes: 100 300 m pour les picocellules des zones urbaines à grande densité démographique; 0,5-1 km dans les microcellules urbaines; 1-5 km dans les macrocellules utilisées dans les villes à faible densité démographique; et 5-25 km dans les zones rurales, le long des autoroutes, etc. Dans le cas des systèmes numériques, la portée maximale de communication est souvent liée aux structures temporelles du protocole de communication: par exemple, le rythme des paquets AMRT dans un système GMS donne une portée maximale de 35 km environ. A noter par ailleurs que, sans les systèmes de téléphonie cellulaires, il faut prendre par hypothèse, dans les protocoles de communication et les modèles de répartition des canaux, une vitesse de déplacement relativement élevée pour les stations mobiles véhiculaires, comprise entre 150 et 200 km/h.
Les systèmes mobiles cellulaires posent des problèmes extrêmement difficiles aux planificateurs de réseaux, et la modélisation de la propagation représente une partie importante de ces problèmes. Il y a, d'une part, la nécessité de prendre en compte un grand nombre d'émetteurs et, d'autre part, la grande sensibilité aux erreurs de modélisation. La conséquence est la suivante: dans la planification réseau et couverture d'un système mobile cellulaire, il faut généralement utiliser des outils logiciels spécialisés, d'une grande complexité, appliqués dans une large mesure à des bases de données à grande résolution (terrain et obstacles présents sur le terrain).
Il convient de souligner qu'il y a des différences importantes de planification entre les réseaux cellulaires utilisant la technique AMRF/AMRT et ceux qui utilisent l'AMRC. Dans le cas AMRF/AMRT, l'un des principaux objectifs est la planification des fréquences basée sur les prévisions de trafic (d'où l'on déduit la taille et l'emplacement des cellules), le but étant de positionner les stations de base et de leur assigner des fréquences grâce auxquelles les brouillages mutuels dans le réseau seront réduits à un minimum. Dans les réseaux AMRC, où le fonctionnement cofréquence des stations de base avoisinantes est le mode de fonctionnement normal, le problème des brouillages est remplacé par celui de la gestion de l'énergie. La raison est la suivante: dans un réseau AMRC fonctionnant sur une fréquence unique, c'est seulement en faisant une estimation de la puissance des signaux reçus qu'une station mobile peut faire la distinction entre les différentes stations de base, et s'associer à la plus proche. La tâche qui incombe au planificateur d'un réseau AMRC est par conséquent de faire en sorte que, dans la zone de service d'une cellule donnée, un signal en provenance de la station de base de cette cellule prédomine sur les signaux provenant d'autres cellules.
La largeur des canaux du système est une autre caractéristique à prendre en compte. La plupart des systèmes de la première génération comportent des canaux étroits (25/33 kHz) qui transmettent en modulation analogique MF; ces systèmes peuvent être modélisés comme des systèmes non sélectifs en fréquence. Les systèmes des deuxième et troisième générations transmettent des signaux à modulation numérique, dans des canaux beaucoup plus larges, pour lesquels il faut tenir compte, dans les études de propagation, de l'étalement des temps de propagation et de la sélectivité en fréquence.
2.6 Références bibliographiques utiles
[2 1] Manuel sur les communications mobiles terrestres (Volume 1) Boucle locale à accès hertzien, Union internationale des télécommunications, Genève, 1997.
[2 2] Manuel sur les communications mobiles terrestres (Volume 2) Evolution vers les IMT 2000/FSMTPT: principes et orientations, Union internationale des télécommuni cations, Genève, 1997.
[2 3] Manuel sur les communications mobiles terrestres (Volume 3) Radio Dispatch Systems (Systèmes de radiodispatching), Union internationale des télécommunications, Genève (en préparation).
[2 4] Rapport UIT R M.2014 Systèmes mobiles terrestres numériques à haute efficacité spectrale pour le trafic de dispatching, Union internationale des télécommunications, Genève.
CHAPITRE 3
PRINCIPES FONDAMENTAUX DE LA PROPAGATION
3.1 Mécanismes de propagation
3.1.1 Espace libre
Si aucun obstacle ne s'oppose à la propagation, le champ varie selon la loi bien connue de l'inverse du carré de la distance, c'est à dire que la puissance reçue varie comme 1/d 2. En termes logarithmiques, l'affaiblissement de propagation entre antennes isotropes s'exprime par Lbf =ð 32,45 +ð 20 log f +ð 20 log d, où f désigne la fréquence (MHz) et d la distance (km). Il y a variation en fonction de la fréquence parce que, pour un type d'antenne de réception donné, la taille physique, donc l'aire de captation, de l'antenne diminue quand la fréquence augmente. Pour l'antenne isotrope considérée par hypothèse pour établir la formule ci-dessus, l'aire de captation est égale à lð2/4pð. Pour d'autres types d'antenne, l'aire de captation est également proportionnelle à lð2 mais le coefficient de proportionnalité est différent. On utilise parfois la formule de propagation en espace libre pour faire une estimation (très prudente) du brouillage et pour comparer avec l'affaiblissement total sur le trajet: la différence entre l'affaiblissement total sur un trajet donné et l'affaiblissement en espace libre est égale à l'affaiblissement dû au blocage par le terrain ou par d'autres obstacles.
3.1.2 Réflexions
Les coefficients de la réflexion de Fresnel, pour la réflexion d'une onde plane sur une surface plane, sont:
EMBED Equation.3 (3-1)
en polarisation horizontale, et
EMBED Equation.3 (3-2)
en polarisation verticale, yð étant le complément de l'angle d'incidence, et n2 =ð eð j60sðlð, où eð et sð désignent respectivement la constante diélectrique et la conductivité du matériau réfléchissant. Pour l'incidence rasante, on a ðyð ð 1m)
Lf : affaiblissement dû à la pénétration interétages (dB)
n : nombre d'étages du bâtiment entre la station de base et le terminal portable (n ³ð 1).
A noter, cependant, que le coefficient d'affaiblissement sur le trajet, N, et l'affaiblissement dû à la pénétration interétages, Lf, sont des fonctions de la fréquence et du type de bâtiment; cela est une conséquence des indications données plus haut à propos des méthodes adaptées au site. A noter également que l'on néglige l'affaiblissement dû à la pénétration interétages Lf, lorsque la station de base et l'appareil portable se trouvent sur le même étage. Les Tableaux 6.1 et 6.2 donnent des valeurs représentatives respectivement pour N et pour Lf.
TABLEAU 6.1
Coefficients d'affaiblissement de puissance, N, pour le calcul de l'affaiblissement de transmission en intérieur
FréquenceBâtiments résidentielsBureauxBâtiments commerciaux900 MHz33201,2-1,3 GHz32221,8-2,0 GHz2830224 GHz28225,2 GHz3160 GHz(1)2217(1) Pour les valeurs à 60 GHz, on suppose une propagation à l'intérieur d'une seule pièce ou d'un seul espace et on ne prévoit aucune tolérance pour la transmission à travers les murs. L'absorption par les gaz au voisinage de 60 GHz est aussi, pour des distances supérieures à 100 m, un facteur important qui peut modifier notablement les distances de réutilisation des fréquences (voir la Recomman dation UIT R P.676).
TABLEAU 6.2
Coefficients d'affaiblissement dû à la pénétration interétages, Lf (dB) (n =ð nombre d'étages traversés), pour le calcul de l'affaiblissement de transmission en intérieur (n ( 1)
FréquenceBâtiments résidentielsBureauxBâtiments commerciaux900 MHz 9 (1 étage) 19 (2 étages) 24 (3 étages) 1,8-2,0 GHz4 n15 +ð 4(n 1)6 +ð 3(n 1)5,2 GHz16 (1 étage)
Les remarques générales ci-après ont trait au modèle général, indépendant du site, de la Recommandation UIT-R P.1238, en particulier pour la bande 900-2 000 MHz:
i) Sur les trajets où il y a prédominance d'une pure propagation en visibilité directe, le coefficient d'affaiblissement sur le trajet est de 20 (environ). Toutefois, il faut qu'il y ait une séparation suffisante entre les murs, les plafonds et les planchers du bâtiment pour que cette valeur soit obtenue.
ii) Sur les longs trajets ne comportant pas d'obstacles, le point de rupture de pente de la première zone de Fresnel peut apparaître surtout aux fréquences basses, ce qui déclenche la diffraction sous le trajet. Dans ce cas, on observe une augmentation rapide du coefficient d'affaiblissement sur le trajet, qui passe de 20 à environ 40, au voisinage du point de rupture.
iii) Le coefficient d'affaiblissement sur le trajet peut prendre des valeurs inférieures à 20 dans les couloirs ou les entrées de grande longueur et étroits. La raison en est qu'un couloir se comporte (en première approximation) comme une cavité résonnante. Il en est de même dans le cas de trajets passant par des pièces individuelles de dimensions appropriées qui ont des murs moyennement réfléchissants.
iv) Pour les trajets établis dans des bâtiments dont les pièces sont séparées par des murs complets, allant du plancher au plafond (par exemple, immeubles comportant des bureaux séparés par des cloisons), on trouve, pour le coefficient d'affaiblissement sur les trajets entre les pièces, des valeurs généralement voisines de 40.
v) Dans le cas des trajets qui traversent plusieurs étages, il est à prévoir que l'affaiblissement dû à la pénétration interétages sera limité par les atriums à plusieurs étages, les cages d'escalier ou par d'autres mécanismes qui diminuent l'affaiblissement par rapport à la transmission directe à travers les planchers.
Dans le traitement du problème de la propagation à l'intérieur des bâtiments, le lecteur avisé aura noté un changement de ton dans l'exposé des méthodes générales indépendantes du site par rapport aux méthodes adaptées au site. En particulier, la terminologie est revenue à des références plus familières, telles qu'on les rencontre dans l'étude des problèmes de propagation à l'extérieur des bâtiments. Cependant, cette terminologie est parfaitement concordante avec la solution approchée du problème de la propagation à l'intérieur, solution fournie par les méthodes adaptées au site (trajectographie associée à la théorie géométrique et à la théorie uniforme de la diffraction TGD TUD) (voir le § 4.3.1).
Comme conclusion de cette description des méthodes générales indépendantes du site dans leur application au problème de la propagation dans les bâtiments, on notera ce qui suit: les méthodes adaptées au site qui ont été décrites plus haut permettent de calculer la réponse impulsionnelle du canal, h(t), en principe au moins, ainsi que l'affaiblissement de propagation à l'intérieur, Ltotal. (Il importe de souligner que, dans le problème de la propagation à l'intérieur, on n'a pas un seul canal, mais, en fait, de nombreux canaux différents.) La connaissance de cette réponse impulsionnelle est indispensable pour les études de simulation des liaisons, dans lesquelles on évalue le choix de la modulation et, dans les systèmes numériques, le débit des symboles, les méthodes de codage, etc., du point de vue de la qualité de fonctionnement globale des systèmes (c'est-à-dire de bout en bout). Ces études pourraient donner, par exemple, le TEB en fonction de S/N ou de S/(I+ðN). Il apparaît donc clairement qu'un modèle général indépendant du site est nécessaire pour évaluer la réponse impulsionnelle des canaux (à l'intérieur des bâtiments).
Cette réponse impulsionnelle peut être influencée par de nombreux phénomènes physiques mais, pour le problème de la propagation à l'intérieur, le principal phénomène à prendre en compte est celui de la répartition et de l'intensité des diverses composantes de la propagation par trajets multiples créées par la diffraction sur les surfaces à prendre en compte, etc., qui interviennent dans le problème intérieur. En faisant une analogie avec la théorie de la cavité résonnante, on trouve que le taux de décroissance dans le cas des trajets multiples est caractérisé par l'équation (6-2).
h(t) =ð exp( t/T) (6-2)
où:
t: temps (s)
T: durée de décroissance caractéristique dans la cavité (s).
Rappelons les résultats de la théorie classique de la cavité résonnante: la durée de décroissance caractéristique dans la cavité, T, dépend des dimensions de la cavité, des propriétés électriques et magnétiques du matériau qui constitue les parois, la base et le plafond, enfin du mode de la cavité.
Il y a lieu de noter une caractéristique intéressante du modèle à décroissance exponentielle applicable à la réponse impulsionnelle, h(t), d'un canal, lorsque cette réponse est convenablement normalisée: la racine carrée de son moment centré d'ordre 2 dans l'intervalle de temps [0,(] est T, c'est à dire la durée de décroissance caractéristique de la cavité. Cela étant, si on mesure simplement la valeur quadratique moyenne des étalements des retards pour les canaux intérieurs de certains types (par exemple, résidence, bureaux et locaux commerciaux), ce paramètre permet d'établir facilement une relation entre ces étalements et le modèle de la réponse impulsionnelle à décroissance exponentielle. C'est précisément ce que préconise la Recommandation UIT R P.1238, dans les cas où il est judicieux d'utiliser ce modèle. Compte tenu de ce qui précède, il semblerait que cela soit judicieux pour les étalements quadratiques moyens correspondant à des temps de transit, à la vitesse de la lumière, sur, par exemple, deux ou trois dimensions caractéristiques au moins de la «cavité» à l'intérieur.
Il est fréquemment question d'un autre modèle de réponse impulsionnelle d'un canal, le modèle stationnaire du deuxième ordre, trajets multiples non corrélés (WSSUS, wide-sens stationary uncorrelated scattering). Dans ce modèle, le concept fondamental schématise la réponse impulsionnelle d'un canal (à l'intérieur d'un bâtiment) sous la forme d'une fonction de deux variables, g(t,(), les deux variables étant le temps, t, et le retard de propagation par trajets multiples, (. La réponse reçue (éventuellement complexe), w(t), due à un signal transmis (éventuellement complexe), z(t), modulant une émission harmonique en fonction du temps à la fréquence de la porteuse, fc, qui se propage à l'instant considéré dans le canal, s'obtient par convolution sur le continuum des retards de la propagation par trajets multiples:
EMBED Equation.3 (6-3)
Pour chaque valeur du retard (, on admet que la variation dans le temps de la réponse impulsionnelle du canal est un processus aléatoire dont la loi statistique est stationnaire (au sens large). Par ailleurs, des retards différents sont associés à des rayons qui empruntent des trajets différents à partir de centres de diffusion «différents». En conséquence, pour des retards différents, on admet que cette diffusion n'est pas corrélée. Autre hypothèse: la fonction de distribution de probabilité (en retard) des amplitudes diffusées est celle d'une variable aléatoire à distribution normale. La loi statistique de la variation dans le temps étant stationnaire et, par ailleurs, les retards de la diffusion étant non corrélés, il s'ensuit que la fonction d'autocorrélation, Rg(t,s;tð,xð), de la réponse impulsionnelle du canal est de la forme:
EMBED Equation.3 (6-4)
où:
t, s: variables temporelles
xð, tð: variables de retard
EMBED Equation.3
Pg: densité de puissance.
En présence d'évanouissements lents, la réponse impulsionnelle du canal ne varie pas dans le temps et la fonction d'autocorrélation se réduit à:
EMBED Equation.3 (6-5)
où Pg(xð) est le profil de retard de la puissance, qui donne la densité de puissance en fonction du retard, et sa transformée de Fourier donne la largeur de bande de cohérence du canal. Lorsqu'un mode dominant est présent, par exemple de 10 à 12 dB environ au-dessus des amplitudes des autres modes, l'hypothèse de la distribution normale ne tient plus et la loi statistique du canal relève de la distribution de Rice; on obtient alors une largeur de bande de cohérence plus grande que l'estimation pouvant être faite à partir de la transformée de Fourier du profil des retards de puissance. Dans ce cas, il faut faire intervenir la fonction de corrélation des fréquences décalées.
Les éléments statistiques de la réponse impulsionnelle du canal sont les seules données observables qui doivent être adaptées. Il est donc possible d'élaborer des modèles de «canaux N» qui obéissent à la fonction d'autocorrélation requise sur la base de mesures du spectre des retards de puissance, etc. On en trouve un exemple dans la Recommandation UIT-R P.1238.
6.3 Propagation mixte (intérieur-extérieur et extérieur-intérieur)
Dans les cas de propagation mixte de l'intérieur d'un bâtiment vers l'extérieur, ou inversement - on a généralement intérêt à voir ce qui se passe aux points d'entrée (ou de sortie) qui marquent le passage de la transmission du rayonnement électromagnétique entre les deux milieux. Les points d'entrée peuvent être des ouvertures telles que des fenêtres, des lucarnes et des portes, des prises d'entrée et d'évacuation d'un système de ventilation, d'autres ouvertures de la structure et même, si l'effet d'écran électromagnétique fourni par les matériaux de construction est faible, le revêtement externe du bâtiment. Si les distributions des champs électromagnétiques au droit des points d'entrée sont connues, ou s'il est possible de les déterminer, ces points d'entrée peuvent remplacer les sources de rayonnement elles-mêmes (situées à l'intérieur ou à l'extérieur du bâtiment) et constituer des sources de rayonnement équivalentes (émettant vers l'extérieur ou vers l'intérieur). Dans ce cas, le champ total au point d'observation souhaité est donné par la superposition des champs produits, en ce point d'observation, par chacune des sources équivalentes. Si, pour des raisons d'ordre physique, on peut prévoir qu'un seul point d'entrée prédominera dans la réponse au point d'observation, il suffit souvent de déterminer les distributions souhaitées des champs électromagnétiques pour ce seul point d'entrée, à l'exclusion de tous les autres. Pour plus d'information sur ce sujet, voir Bethe [6-3].
Il existe une autre méthode, de nature empirique, qui consiste à utiliser des données empiriques pour déterminer l'affaiblissement de pénétration dans des bâtiments (défini dans la Recommandation UIT-R P.1411); ensuite, on prend en compte l'influence, sur la transmission, des cloisons et des panneaux intérieurs, en négligeant la diffraction et la réflexion. Davidson [6-4] a regroupé les résultats de plusieurs programmes de mesure de l'affaiblissement de pénétration dans des bâtiments; cet auteur est parvenu à la conclusion que, pour les immeubles de bureaux de taille moyenne, l'affaiblissement en question peut se calculer à l'aide de la formule (6-6):
EMBED Equation.3 (6-6)
A la fréquence 914 MHz, Seidel [6-5] a trouvé des facteurs d'affaiblissement d'environ 1,4 et 2,4 dB respectivement pour des cloisons souples et des murs intérieurs. De son côté, Lafortune [6-6] a trouvé 1,5 dB à 917 MHz pour des cloisons souples. Galeitner [6-7] a constaté que, pour des murs intérieurs et à la fréquence 1 800 MHz, l'affaiblissement s'échelonnait entre 5,8 et 6,7 dB, selon la composition de ces murs. Le Tableau 6.3 donne quelques valeurs des facteurs d'affaiblissement à l'intérieur.
TABLEAU 6.3
Facteurs d'affaiblissement à l'intérieur (dB)
Fréquence (MHz)~9001 800Cloisons souples1,4-1,5Murs intérieurs2,45,8-6,7
6.4 Références bibliographiques
[6-1] Recommandation UIT R P.1411 Données de propagation et méthodes de prévision pour la planification de systèmes de radiocommunication, à courte portée, destinés à fonctionner à l'extérieur de bâtiments et de réseaux locaux hertziens dans la gamme de fréquences comprises entre 300 MHz et 100 GHz, Union internationale des télécommunications, Genève.
[6-2] Recommandation UIT R P.1238 Données de propagation et méthodes de prévision pour la planification de systèmes de radiocommunication destinés à fonctionner à l'intérieur de bâtiments et de réseaux locaux hertziens fonctionnant à des fréquences comprises entre 900 MHz et 100 GHz, Union internationale des télécommunications, Genève.
[6-3] BETHE, H. A., [1944] Theory of diffraction by small holes. Phys. Rev., Vol. 66, p. 163-182.
[6-4] DAVIDSON, A. L. et autres [février 1997] Measurement of building penetration into medium buildings at 900 and 1500 MHz. IEEE Trans. Veh. Tech. 46(1), p. 161 168.
[6-5] SEIDEL, S. Y. et RAPPAPORT T. S. [février 1992] 914 MHz path loss prediction models for indoor wireless communications in multifloored buildings. IEEE Trans. Ant. Prop. 40(2). p. 207 217.
[6-6] LAFORTUNE, J.-F. et LECOURS M. [mai 1990] Measurement and modelling of propagation losses in a building at 900 MHz. IEEE Trans. Veh. Tech. 39(2), p. 101-108.
[6-7] GALEITNER, R. et BONEK E. [1994] Radio wave penetration into urban buildings in small cells and microcells. 44th IEEE Veh. Tech. Conference Record, p. 887-891.
CHAPITRE 7
ANTENNES
7.1 Emission des ondes radioélectriques
Les antennes sont le facteur à considérer prioritairement dans toute étude de la propagation des ondes radioélectriques, l'antenne étant, dans un système radioélectrique, l'élément qui émet les ondes dans l'espace. A l'extrémité de réception, une antenne capte les ondes radioélectriques et les remet sous la forme de signaux électriques. Le choix et l'installation des antennes ont donc une influence profonde sur le mode de propagation des ondes et sur la qualité globale d'une liaison de radiocommunication.
Le principe de fonctionnement d'une antenne est facile à comprendre si l'on a recours à l'analogie simple avec un condensateur électrique classique, dans lequel un champ électrique alternatif est créé entre les plaques par un générateur de signaux extérieurs (Fig. 7.1a)). Supposons que la surface terrestre joue le rôle d'une des plaques du condensateur et que l'autre plaque s'éloigne peu à peu de cette surface (Fig. 7.1b)) pour se transformer en un fil séparé; il en résulte la création d'un champ alternatif qui se propage dans toutes les directions à partir de l'antenne pour atteindre la surface terrestre (Fig. 7.1c)). C'est là l'explication exacte du fonctionnement de l'antenne doublet (également appelée antenne hertzienne), qui est l'antenne de base utilisée dans le service mobile terrestre.
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Les ondes radioélectriques sont, essentiellement, le résultat de la combinaison de deux champs alternatifs: électrique et magnétique, dont les vecteurs respectifs sont constamment perpendiculaires l'un à l'autre. Leur multiplication donne naissance au vecteur de propagation (vecteur de puissance, appelé vecteur de pointage), qui est normal au front de l'onde et indique la direction de propagation de l'onde radioélectrique. (Fig. 7.2).
Les ondes électromagnétiques ont une caractéristique importante: leur polarisation, qui décrit l'orientation des vecteurs champ électrique et champ magnétique par rapport au plan de sol. L'orientation du vecteur champ électrique est la référence utilisée pour décrire la polarisation d'une onde radioélectrique. Plus précisément: quand on dit que l'onde est polarisée verticalement ou horizontalement, cela signifie que le vecteur champ électrique est orienté verticalement ou horizontalement, respectivement, par rapport au plan de sol (surface terrestre). Par exemple, l'onde représentée dans la Fig. 7.2 est polarisée verticalement.
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La polarisation d'une onde dépend généralement de l'orientation et de la structure de l'antenne d'émission. Par exemple, une antenne doublet unique installée verticalement, comme celle de la Fig. 7.1c), émettrait des ondes radioélectriques polarisées verticalement, comme l'onde de la Fig. 7.2.
La propriété de polarisation des ondes radioélectriques est importante à deux points de vue essentiels. Tout d'abord, la règle fondamentale est que l'antenne d'émission et l'antenne de réception doivent avoir la même polarisation si l'on veut obtenir à la réception un signal d'intensité maximale. Avec le même raisonnement, on conclut que l'antenne d'émission et l'antenne de réception doivent avoir des polarisations opposées si l'on veut obtenir le découplage optimum, par exemple pour protéger un récepteur contre l'influence d'un émetteur brouilleur éventuel dont la polarisation est connue. Or, dans les services mobiles terrestres, la polarisation des ondes est souvent influencée par de nombreuses réflexions et diffractions sur un trajet de propagation lorsqu'on n'est pas en visibilité directe. Les incidences de ce phénomène seront étudiées plus en détail dans la présente section.
La polarisation a une autre propriété importante: elle est susceptible d'influer directement sur la propagation des ondes. Lorsqu'une onde circule le long de la surface terrestre (qui possède une certaine conductivité), des courants électriques sont générés dans cette surface qui provoquent une absorption d'énergie de l'onde. Cette absorption d'énergie est plus importante dans le cas des ondes polarisées horizontalement. En règle générale, l'absorption en surface est moindre sur les trajets passant au-dessus de plans d'eau et elle diminue également lorsque la fréquence augmente.
Le Chapitre 3 du Manuel donne la description d'autres effets fondamentaux de la propagation.
7.2 Elément rayonnant isotrope de référence et antenne doublet
Pour décrire des antennes réelles, on utilise un élément rayonnant théorique fictif, appelé élément rayonnant isotrope. On peut se le représenter comme un point imaginaire qui rayonne uniformément dans toutes les directions à l'intérieur de la sphère qui l'entoure. Une telle antenne élémentaire ayant un gain égal à l'unité (gain nul sur une échelle logarithmique, voir l'Appendice B) constitue une base de référence utile pour la description uniforme de la directivité des antennes réelles.
L'antenne réelle la plus simple, qui ressemble le plus à l'élément rayonnant isotrope, est une antenne doublet demi-onde; voir la Fig. 7.3a). Elle rayonne uniformément dans toutes les directions du plan horizontal (antenne équidirective) (Fig. 7.3b)), mais elle n'est pas équidirective dans le plan vertical (Fig. 7.3c)).
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L'irrégularité du diagramme de rayonnement dans le plan vertical signifie que le doublet concentre l'énergie rayonnée dans la direction normale en son point central, c'est-à-dire dans le plan horizontal. Le doublet a donc un gain directif, égal à 1,64 fois le gain d'un élément rayonnant isotrope (2,15 dB).
La définition formelle du gain en puissance d'une antenne est la suivante [7-1]: c'est le rapport, habituellement exprimé en décibels, entre la puissance nécessaire à l'entrée d'une antenne de référence sans perte (le plus souvent, un élément rayonnant isotrope idéal) et la puissance fournie à l'entrée de l'antenne donnée, pour que les deux antennes produisent, dans une direction donnée, le même champ ou la même puissance surfacique, à la même distance. En l'absence d'indication contraire, il s'agit du gain de l'antenne dans la direction du maximum de rayonnement. On peut éventuellement considérer le gain pour une polarisation spécifiée.
Du fait de leur simplicité et de la facilité de leur construction, les antennes doublets sont largement utilisées dans les services mobiles terrestres. On exprime souvent le gain de certaines autres antennes (composites) utilisées dans ces services par référence au doublet demi-onde normalisé, afin de mettre en évidence l'amélioration relative par rapport à un doublet de base. La notation de ce gain en décibels est «dBd», où le deuxième «d» signifie «doublet». Pour transformer cette valeur en un gain par rapport à un élément rayonnant isotrope, on ajoute 2,15 dB au gain du doublet.
Certaines antennes doublets utilisées dans la pratique se comportent comme un doublet demi-onde mais leur longueur est en fait égale à un quart de longueur d'onde ((/4). Dans ces doublets, le second élément rayonnant est remplacé par son image réfléchie virtuelle par rapport au plan parfaitement conducteur, qui peut être la surface de la Terre ou le toit d'un véhicule. Le fonctionnement du doublet (/4 est illustré par la Fig. 7.4.
Le diagramme de rayonnement d'un doublet (/4 dans le plan E ressemble à celui du doublet (/2 de référence lorsque le plan de sol est «parfait», c'est-à-dire lorsque ce plan a une conductivité et des dimensions suffisantes. Mais ces conditions sont difficiles à réaliser dans la pratique parce que l'antenne est généralement montée à une grande hauteur au-dessus du sol et qu'il est malaisé d'aménager une terre appropriée dans les mobiles. Il existe une solution pour surmonter partiellement cette difficulté: monter les antennes fixes ou les antennes des véhicules au-dessus d'éléments de «terre virtuelle», ces éléments pouvant être soit un ensemble de trois à cinq tiges conductrices placées en positions radiales à la base du doublet, soit la surface de la carrosserie du véhicule pour les antennes embarquées. Toutefois, une telle terre virtuelle ne peut pas remplacer complètement le plan parfaitement réfléchissant, raison pour laquelle on a donné à ce dispositif le nom de «terre réduite». Dans les cas de ce genre, le diagramme de rayonnement du doublet (/4 pivote légèrement vers le haut dans le plan E, comme le montre la Fig. 7.4. Dans le plan H, le diagramme du doublet (/4 reste équidirectif. Le gain de ce doublet est de 5,2 dBi, soit 3,05 dBd, au dessus d'une terre parfaite. Avec une terre réduite, on obtient souvent des gains de (1 dBd à l'horizon.
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7.3 Caractéristiques des antennes
On trouvera ci-après la description des principales caractéristiques des antennes qui sont prises en compte dans les études de propagation.
Directivité (gain de puissance)
Cette caractéristique est l'aptitude d'une antenne à concentrer l'énergie rayonnée dans une direction donnée. Le § 7.2 donne la spécification du gain.
La directivité d'une antenne est généralement représentée par des graphiques en coordonnées polaires qui comparent les puissances rayonnées sur un arc de 360°ð. On utilise en général deux diagrammes qui indiquent cette directivité dans le plan vertical et le plan horizontal, appelés plan E et plan H.
Polarisation
On considère que les ondes radioélectriques émises sont polarisées dans le plan qui contient la longueur des éléments conducteurs de l'antenne, à savoir le plan du champ électrique E.
On a parfois recours à la polarisation circulaire, que l'on obtient avec des doublets croisés ou des antennes hélicoïdales, pour réduire les affaiblissements dus à la propagation par trajets multiples. Voir, au § 7.6, une étude sur les effets de la transpolarisation.
Fréquence et largeur de bande nominales
Il existe une relation entre les dimensions physiques d'une antenne et sa longueur d'onde de fonctionnement. Pour cette raison, une antenne est optimisée pour une fréquence particulière, la fréquence nominale. Cette fréquence est souvent prise comme fréquence centrale de la bande des fréquences de fonctionnement.
La largeur de bande d'une antenne définit les limites acceptables de l'écart de la fréquence de fonctionnement (largeur du canal de fréquences) par rapport à la fréquence nominale. Cette largeur de bande, que l'on exprime généralement comme un pourcentage de la valeur de la fréquence nominale, spécifie la bande de fréquences à l'intérieur de laquelle la qualité de fonctionnement ne subira pas de dégradation inacceptable. Sinon, on donne la gamme des fréquences de fonctionnement de l'antenne.
Ces caractéristiques sont rarement utilisées dans la modélisation de la propagation, qui repose sur l'hypothèse que l'antenne est accordée sur la fréquence de fonctionnement. Il est important, cependant, de les prendre en compte, notamment dans les applications pratiques sur le terrain, par exemple les tests ou les mesures de vérification de la couverture.
Ouverture du faisceau
L'ouverture du faisceau est une caractéristique qui est en relation étroite avec la directivité et que l'on utilise souvent pour décrire les antennes directives. Cette caractéristique (également appelée ouverture du faisceau à mi-puissance) est définie comme suit: c'est la largeur totale, en degrés, du lobe de rayonnement principal, limitée par les angles où la puissance rayonnée a diminué de moitié ((3 dB sur une échelle logarithmique) par rapport à la puissance obtenue dans la direction du rayonnement principal. Les antennes directives sont très souvent utilisées dans les installations des stations de base; il faut par conséquent tenir compte de leur ouverture de faisceau dans le plan horizontal lorsqu'on fait la modélisation de la zone de couverture de ces stations. Il est rare que des antennes directives équipent les stations mobiles dans les systèmes du service mobile terrestre; cela peut cependant se produire, par exemple dans les mesures de propagation où l'on met en oeuvre des antennes directives étalonnées. En pareil cas, l'antenne doit avoir une ouverture de faisceau suffisante pour capter la plus grande partie du signal qui a subi une diffusion importante dans la propagation par trajets multiples. D'un autre côté, des antennes directives peuvent être utilisées dans les terminaux distants pour la raison inverse, c'est-à-dire pour limiter le nombre des rayons multiples.
7.4 Antennes des stations de base
Dans les applications les plus typiques des services mobiles terrestres, dans les bandes d'ondes métriques et décimétriques par exemple les systèmes PMR (distribution privée), la radiomessagerie et d'autres systèmes similaires à couverture radiale les stations de base sont généralement équipées de doublets ou de réseaux colinéaires de doublets. Montées verticalement, ces antennes donnent des champs équidirectifs polarisés verticalement. La solution idéale consiste à placer un doublet rayonnant au sommet d'un mât ou d'un autre support, afin de ne pas compromettre la directivité par des réflexions sur des structures métalliques voisines. Cet effet sera atténué si on place l'antenne à une distance des structures métalliques supérieure à une longueur d'onde.
On utilise des antennes directives dans les systèmes mobiles terrestres du type PMR seulement dans les cas où il faut éviter d'avoir des brouillages avec d'autres systèmes ou dans les cas où il est impossible d'implanter la station de base au voisinage d'un centre de la zone de service.
Dans les systèmes cellulaires publics, on a souvent recours, dans les stations de base, à des antennes très directives (ouvertures de faisceau comprises en moyenne entre 60°ð et 120°ð) afin de former le schéma nécessaire des cellules de service et, en même temps, pour réduire les brouillages cocanal dans les cellules voisines. Dans ces systèmes, on utilise des antennes équidirectives, occasionnellement seulement, dans des installations rurales distantes caractérisées par une faible densité d'abonnés, souvent en association avec des stations de répéteurs locales.
Dans les études de propagation, la direction du trajet allant de la station de base jusqu'aux terminaux distants est d'importance cruciale, de même que la directivité de l'antenne. Une autre caractéristique importante de l'installation d'antenne de la station de base est la hauteur de l'antenne au-dessus du sol, ou la hauteur équivalente de l'antenne. Cette dernière sert à spécifier la hauteur de l'antenne au dessus de l'altitude moyenne du terrain, dans les zones où le terrain est irrégulier. La définition précise de la hauteur équivalente varie légèrement d'un modèle à un autre; toutefois, dans les modèles de l'UIT-R, la hauteur équivalente est généralement définie comme la hauteur de l'antenne au dessus de l'altitude moyenne du terrain, à une distance de l'émetteur comprise en 3 et 15 km dans la direction du récepteur.
7.5 Antennes des stations mobiles
Le type d'antenne le plus couramment utilisé pour les stations mobiles est l'antenne «fouet»; c'est une tige métallique qui forme un doublet quart d'onde. Ces antennes ont un faible rendement, en raison des difficultés que l'on rencontre dans la pratique pour réaliser un plan de sol réfléchissant efficace dans les stations mobiles, surtout pour les appareils terminaux portatifs. La situation est un peu plus favorable dans le cas des antennes montées sur les véhicules, lorsque le montage est effectué au centre du toit métallique du véhicule.
Il est difficile de définir la hauteur effective de l'antenne d'une station mobile. Cependant, aux fins des études de propagation dans le service mobile terrestre, on adopte communément une hauteur d'antenne de 1,5 m à titre de référence. Pourtant, dans certains systèmes, la hauteur effective peut être très supérieure à cette valeur, par exemple pour les antennes installées au dessus de grands véhicules à usage commercial tels que des autocars, des voitures de chemin de fer, etc. En radiodiffusion, ou pour les applications de point à point, on considère qu'une antenne terminale de réception (distante) est placée à une hauteur de 10 m au-dessus du sol.
Il importe, par conséquent, de faire en sorte que le modèle choisi pour la prévision de la propagation prenne en compte la hauteur appropriée de l'antenne de la station mobile ou qu'un facteur de correction convenable soit appliqué à cette hauteur. Ces facteurs sont indiqués par le constructeur pour la plupart des modèles d'usage courant.
Si la station mobile est équipée d'une antenne directive, il convient de tenir compte de ses effets sur la réception des signaux entrants.
Dans les cas où les antennes montées sur les véhicules ont un gain supérieur à celui du doublet standard dans le plan horizontal, on utilisera dans la modélisation la valeur appropriée du gain d'antenne.
7.6 Influence de l'environnement du service mobile terrestre
Les paragraphes qui suivent traitent en détail de l'influence qu'un environnement typique du service mobile terrestre peut exercer sur le fonctionnement général et les caractéristiques des antennes. Ce texte s'inspire en grande partie des informations données dans la Recommanda tion UIT R P.1406 [7-3].
7.6.1 Phénomènes de dépolarisation dans l'environnement mobile terrestre
Dans l'environnement mobile terrestre, une partie ou la totalité de l'énergie émise peut être dépolarisée en raison de la diffraction et de la réflexion des ondes radioélectriques. Il est utile de tenir compte de cet effet de dépolarisation en employant un facteur de discrimination de polarisation (XPD), tel qu'il est défini dans la Recommandation UIT-R P.310.
On a signalé que des mesures de la XPD à 900 MHz montrent ce qui suit:
la XPD dépend peu de la distance;
la valeur moyenne de la XPD est comprise entre 5 et 8 dB dans les zones urbaines et résidentielles;
( la valeur moyenne de la XPD est supérieure à 10 dB dans les zones dégagées;
la corrélation moyenne entre polarisations verticale et horizontale est nulle.
On sait également que la XPD augmente à mesure que la fréquence diminue, pour atteindre environ 18 dB à 35 MHz.
Les valeurs relativement faibles indiquées ci-dessus pour la XPD sont dues à la diffusion extrêmement forte qui intervient dans les conditions types d'exploitation des services mobiles terrestres, surtout dans les zones urbaines et résidentielles. Il est possible, cependant, d'élaborer sur la base de ce phénomène une technique utile pour améliorer la réception grâce à la diversité de polarisation. En pareil cas, la solution la plus générale consisterait à utiliser deux polarisations rectilignes orthogonales dans la station de base.
Comme autre solution, le recours à une polarisation circulaire au niveau de la station de base et à une polarisation rectiligne au niveau du terminal mobile, malgré une perte de 3 dB due à la disparité de polarisation, peut permettre de tirer parti de la dépolarisation due à la diffusion et d'avoir un signal reçu de niveau plus constant dans l'environnement du terminal mobile.
7.6.2 Gain d'antenne lié à la hauteur: station de base et terminaux mobiles
L'expression «gain lié à la hauteur» fait référence à la variation de l'intensité du signal reçu suivant la hauteur de l'antenne. Bien que le gain augmente habituellement avec la hauteur (gain lié à la hauteur, positif), il peut aussi décroître à mesure que la hauteur augmente (gain lié à la hauteur, négatif). Il en est ainsi par exemple si, en l'absence de groupes d'obstacles locaux, le signal direct peut interagir avec un rayon réfléchi sur le sol provenant du même émetteur. La variation de champ résultante, dans une direction verticale, correspond à une série de maxima et de minima étant donné que les deux signaux ont successivement la même phase et une phase différente du fait de la géométrie des trajets.
Dans la pratique, cependant, et en particulier dans les systèmes mobiles terrestres, les signaux provenant de réflexions sur des groupes d'obstacles ou d'autres réflexions ont tendance à avoir pour effet de réduire au minimum ce phénomène à deux rayons, qui, au-dessus de 200 MHz, peut être négligé dans la plupart des cas. Par ailleurs, on constate généralement que le fait d'élever l'antenne a simplement pour effet de réduire l'affaiblissement équivalent dû à des groupes d'obstacles, ce qui se traduit par une augmentation de l'intensité du signal reçu en fonction de la hauteur. Compte tenu de cette relation qui existe entre la hauteur d'antenne et l'affaiblissement dû à des groupes d'obstacles, cette forme de gain lié à la hauteur résultante peut être classée en fonction de la hauteur des antennes de référence des récepteurs pour le type de couverture du sol (zone urbaine dense, urbaine, suburbaine) (voir la Recommandation UIT-R P.1546 [7-4]). Dans les autres méthodes de prévision, notamment celles qui utilisent une base de données topographiques, la hauteur d'antenne est souvent liée directement au calcul de l'affaiblissement dû à des groupes d'obstacles.
Pour les stations de base fonctionnant à des fréquences inférieures à 200 MHz et situées dans des zones dégagées, on peut parfois observer un phénomène à deux rayons pouvant nécessiter un repositionnement de l'antenne de façon à éviter que le gain lié à la hauteur soit négatif. Un tel phénomène est difficile à prévoir de façon précise, car une connaissance détaillée du profil du terrain au niveau du point de réflexion est nécessaire. Au-dessus de 200 MHz, du fait que la longueur d'onde est plus courte, ce problème particulier tend à diminuer et il peut être ignoré pour les fréquences correspondant aux ondes décimétriques et supérieures.
7.6.3 Corrélation et diversité spatiale
La diversité spatiale est utile pour les antennes dont les coefficients de corrélation vont jusqu'à environ 0,7. En général, cette technique rend la réception en diversité par les terminaux portables et mobiles quasiment impossible. Dans le cas des stations de base, toutefois, un certain nombre de techniques peuvent permettre de réduire la corrélation entre les antennes. Les deux techniques les plus pratiques sont l'espacement vertical et l'espacement horizontal.
Pour ramener le coefficient de corrélation à une valeur de 0,7 ou à une valeur inférieure, la distance entre des antennes espacées verticalement doit être d'environ 17 longueurs d'onde ou plus. L'espacement horizontal peut être plus efficace, suivant l'orientation du plan des antennes par rapport à la direction de déplacement du terminal mobile. Si le plan vertical passant par les antennes est perpendiculaire à la direction de déplacement des terminaux mobiles, le coefficient de corrélation est approximativement le même que dans le cas de l'espacement vertical. Avec une orientation optimale, la distance entre des antennes espacées horizontalement peut être aussi courte que 8 longueurs d'onde. Il faut garder à l'esprit que les orientations quasi optimales ne peuvent être maintenues que dans des cas particuliers, par exemple pour des systèmes utilisant des antennes sectorielles.
7.6.4 Gain qu'il est possible d'obtenir avec une antenne de terminal mobile à bord d'un véhicule
Etant donné que les terminaux mobiles à bord de véhicules fonctionnent généralement dans un environnement à trajets multiples, il n'est pas surprenant que le gain des antennes de ces terminaux ne corresponde pas, dans la plupart des cas, au gain relevé sur les diagrammes. En outre, même dans des conditions de visibilité directe et sans trajets multiples, l'angle d'incidence dans le plan vertical n'est pas nécessairement nul par rapport à la direction horizontale. En réalité, il existe des cas, dans la pratique, où cet angle peut dépasser 10°ð, auquel cas un tel angle pourrait facilement ne correspondre à aucun lobe ou correspondre à un lobe secondaire, plutôt qu'au lobe principal du diagramme de rayonnement de l'antenne du terminal mobile dans le plan vertical.
Par exemple, des mesures faites sur des antennes de terminaux mobiles dont le gain a été fixé à 3 et 5 dB par rapport à une antenne unipolaire verticale (/4 ont montré que les valeurs de gain effectif mesurées correspondent rarement aux valeurs relevées sur les diagrammes de rayonnement. En cas de trajets multiples ou par temps clair avec des angles d'incidence élevés (>ð2(), le gain effectif de l'une ou l'autre des antennes est approximativement de 1,5 dB (par rapport à une antenne unipolaire verticale lð/4) sur des plages de distances allant jusqu'à 55 km au moins. Par temps clair avec de faibles angles d'élévation, il est possible d'obtenir le gain total.
7.6.5 Affaiblissement dû au corps humain
La présence d'un corps humain dans l'environnement immédiat d'un émetteur-récepteur portable, d'un téléphone cellulaire ou d'un récepteur de radiomessagerie peut entraîner une dégradation de la qualité de fonctionnement de l'antenne plus l'antenne est proche du corps humain, plus la dégradation est grande. Cette dégradation dépend aussi de la fréquence, comme le montrent les résultats d'études détaillées récentes faites sur des émetteurs-récepteurs portables pour quatre fréquences utilisées couramment. Ces résultats sont donnés dans le Tableau 7.1, établi sur la base de la Recommandation UIT-R P.1406. Une étude sur le même sujet [7-5] a donné des résultats similaires mais non identiques. Une simple extrapolation permet de faire l'estimation des valeurs de l'affaiblissement dû au corps humain pour des fréquences autres que celles du Tableau 7.1.
TABLEAU 7.1
Valeurs représentatives de l'affaiblissement dû au corps humain, en relation avec la qualité de fonctionnement de l'antenne d'un émetteur-récepteur portable
(d'après la Recommandation UIT-R P.1406)
Fréquence (MHz)Affaiblissement dû au corps humain au niveau de la taille (dB)Affaiblissement dû au corps humain au niveau de la tête (dB)16019,010,045013,04,580014,58,590015,510,0
Lorsque l'antenne d'une station mobile fait partie intégrante de l'ensemble de l'installation (comme c'est souvent le cas avec les postes portables des systèmes publics: téléphones mobiles, appareils de radiomessagerie), son gain n'est généralement pas spécifié et il est impossible de le corriger au moyen du facteur d'affaiblissement dû au corps humain. Dans les cas de ce genre, cet affaiblissement est assimilé à une diminution de la sensibilité du récepteur ou de la puissance rayonnée par l'émetteur. Une autre méthode consiste à introduire l'affaiblissement dû au corps humain dans le calcul de l'affaiblissement total du signal, dans le cadre des calculs du bilan de puissance.
7.7 Références bibliographiques
[7-1] Recommandation UIT-R P.341 Notion d'affaiblissement de transmission pour les liaisons radioélectriques, Union internationale des télécommunications, Genève.
[7-2] DAVIES, J. [1994] Newnes Radio Engineers Pocket Book. Butterworth-Heinemann.
[7-3] Recommandation UIT-R P.1406 Effets de la propagation relatifs au service mobile terrestre de Terre dans les bandes d'ondes métriques et décimétriques, Union internationale des télécommunications, Genève.
[7-4] Recommandation UIT-R P.1546 Méthode de prévision de la propagation point à zone pour les services de Terre entre 30 et 3 000 MHz, Union internationale des télécommunications, Genève.
[7-5] HILL, T. et KNIESEL, T. [novembre 1991] Portable radio antenna performance in the 150, 450, 800, and 900 MHz bands «outside» and in-vehicle. IEEE Trans. Veh. Tech., 40(4), p. 750-6.
CHAPITRE 8
BRUIT AMBIANT
8.1 Facteurs de qualité de fonctionnement des systèmes radioélectriques
La qualité de fonctionnement des systèmes radioélectriques dépend d'un grand nombre de facteurs, parmi lesquels:
( le choix de la largeur de bande, de la modulation, du signal et du codage des canaux;
( la qualité du signal d'entrée, pouvant être abaissée par les dégradations dans les canaux, par exemple la propagation par trajets multiples;
( le nombre et les types de signaux brouilleurs qui accompagnent le signal utile;
( le niveau et les caractéristiques du bruit qui accompagnent le signal utile dans les circuits de détection, de démodulation ou de décodage du récepteur.
La présente section traite de ce dernier facteur, le bruit, et des méthodes qui permettent d'estimer les niveaux de bruit présents dans un système radioélectrique du service mobile terrestre. Les sujets traités sont les suivants: considérations générales sur les termes relatifs au bruit et aux expressions relatives à la puissance de bruit, sources d'information sur le bruit (concernant les systèmes radioélectriques mobiles terrestres) citées dans la Recommandation UIT-R P.372, et indication des domaines dans lesquels les mesures récentes révèlent des modifications des niveaux de bruit traditionnels.
8.2 Termes relatifs au bruit, considérations générales
8.2.1 Composantes du bruit
Le bruit dans les systèmes radioélectriques peut être attribué à deux catégories de sources:
( le bruit du récepteur ou le bruit interne, dû au système lui-même; et
( le bruit ambiant ou bruit externe, dû à des sources extérieures au système.
La prédominance du bruit du récepteur ou du bruit ambiant dépend de facteurs tels que les suivants: caractéristiques du récepteur, partie du spectre radioélectrique dans lequel le système fonctionne et emplacement géographique du système.
8.2.2 Puissance de bruit et température de bruit
Le mouvement aléatoire des électrons libres dans un conducteur résistif génère une tension de bruit aux bornes du conducteur. La Fig. 8.1 représente un circuit résistif. On appelle puissance du bruit thermique la puissance de bruit, n, qui serait mesurée dans une résistance à une température absolue, t, en unités K (Kelvin), dans une largeur de bande b, (Hz). On a l'expression suivante pour la valeur moyenne de la puissance du bruit thermique n, (W), disponible dans une résistance:
EMBED Unknown (8-1)
où k =ð 1,38 ´ð 10 23 (W/( K ×ð Hz) est la constante de Boltzmann. Si l'on prend la température ambiante normale (~17°ð C), t0 =ð 290 K, comme température de référence pour la résistance, on obtient la valeur suivante pour la puissance de référence, nref, dans une largeur de bande de 1 Hz:
EMBED Unknown
Exprimée en décibels, la puissance de bruit de référence, Nref, est égale à (204 dBW (dans une largeur de bande de 1 Hz).
EMBED Designer.Drawing.7
8.2.3 Facteur de bruit
Considérons un amplificateur ayant un gain gamp et une largeur de bande b (Hz). Le circuit de cet amplificateur est représenté à la Fig. 8.2. Aux bornes d'entrée de l'amplificateur, on mesure la puissance d'un signal d'entrée, sin, et la puissance de bruit à l'entrée, nin, due à une charge résistive. Soient sout la puissance du signal de sortie et nout la puissance du bruit à la sortie, disponibles aux bornes de sortie de l'amplificateur.
On appelle facteur de bruit, f, terme défini pour la première fois dans la référence [8-1], le rapport entre le rapport signal/bruit à l'entrée et le rapport signal/bruit à la sortie:
EMBED Unknown (8-2)
On définit un autre terme, la valeur du bruit (noise figure), représentée par F, qui est l'expression en décibels du facteur de bruit: F =ð 10 log10 f.
La puissance du signal de sortie est reliée à la puissance du signal d'entrée par le gain de l'amplificateur:
EMBED Unknown (8-3)
et on a la relation suivante entre la puissance de bruit à l'entrée et la température de bruit aux bornes d'entrée, tin:
EMBED Unknown (8-4)
Lorsque les bornes d'entrée se trouvent à la température de référence, t0, la puissance de bruit à l'entrée devient:
EMBED Unknown (8-5)
Le rapport de puissance signal/bruit à la sortie peut s'écrire:
EMBED Unknown (8-6)
et on a la relation suivante entre le facteur de bruit à la sortie et le facteur de bruit de l'amplificateur:
EMBED Unknown (8-7)
Soit un amplificateur sans bruit. Le bruit à la sortie de cet amplificateur serait égal au bruit à l'entrée, k t0 b, multiplié par le gain de l'amplificateur:
EMBED Unknown (8-8)
Pour trouver le bruit à la sortie qui est dû au seul amplificateur, on retranche la puissance de bruit de l'amplificateur sans bruit de la puissance de bruit totale:
EMBED Unknown (8-9)
EMBED Designer.Drawing.7
8.2.4 Facteur de bruit pour des dispositifs en série
Considérons la valeur de bruit totale pour deux et pour trois dispositifs en série, comme le montre la Fig. 8.3. Soient f1, f2, f3, g1, g2 et g3, respectivement, les facteurs de bruit et les gains des trois dispositifs.
Avec le même raisonnement que pour un dispositif unique, on obtient l'expression suivante pour la puissance de bruit totale à la sortie du circuit composé de deux dispositifs:
EMBED Unknown (8-10)
mais cette expression ne représente que le bruit à la sortie du premier dispositif multiplié par le gain du deuxième dispositif, plus le bruit créé par le deuxième dispositif lui-même:
EMBED Unknown (8-11)
En transformant les équations données ci-dessus, on obtient:
EMBED Unknown (8-12)
On a donc, pour le facteur de bruit total, f12, du réseau composé de deux dispositifs:
EMBED Unknown (8-13)
et, pour le facteur de bruit total, f123, du réseau composé de trois dispositifs:
EMBED Unknown (8-14)
Si les deux premiers dispositifs sont passifs, avec un affaiblissement (l) au lieu d'un gain:
EMBED Unknown (8-15)
EMBED Unknown (8-16)
et
EMBED Unknown (8-17)
EMBED Unknown (8-18)
8.2.5 Facteur de bruit pour les systèmes de réception
La Recommandation UIT-R P.372 définit les éléments constitutifs d'un système de réception ainsi que les paramètres nécessaires pour spécifier le facteur de bruit, f, d'un tel système. La Fig. 8.4 donne le schéma de principe du système de réception et indique ses paramètres. On trouve dans plusieurs ouvrages (par exemple, [8-9], [8-10], [8-11]) la spécification de la valeur de bruit d'un système de réception et d'une antenne, mais les considérations qui suivent, ainsi que la Fig. 8.4, se rapportent à l'information donnée dans la Recommandation UIT-R P.372.
EMBED Designer.Drawing.7
On trouvera ci-après les définitions des caractéristiques utilisées dans la Recommandation:
pn: puissance de bruit ambiant délivrée par une antenne équivalente sans perte (W)
fa: facteur de bruit dans l'antenne associé au bruit ambiant capté par l'antenne
la: pertes dans l'antenne (supposée être sans pertes, la =ð 1)
k: constante de Boltzmann, 1,38 ´ð 10(23 (W/(K ×ð Hz))
t0: température de référence; par hypothèse, température ambiante 290 K
b: largeur de bande de la puissance de bruit du système de réception (Hz)
fc: facteur de bruit associé aux pertes du circuit d'antenne
lc: pertes du circuit d'antenne (rapport puissance d'entrée disponible/puissance de sortie disponible)
ft: facteur de bruit associé aux pertes de la ligne de transmission
lt: pertes de la ligne de transmission (rapport puissance d'entrée disponible/puissance de sortie disponible)
fr: facteur de bruit du récepteur.
Revenons à la Fig. 8.4. La sortie du circuit d'antenne est le point où l'on peut mesurer les rapports de puissance signal/bruit, mais ce n'est pas le point de référence souhaitable pour la qualité de fonctionnement du système. C'est plutôt à la sortie de l'antenne qu'il est souhaitable de spécifier le rapport de puissance signal/bruit de l'antenne, le facteur de bruit de l'antenne, fa, et le facteur de bruit du système, f. Sur la base des équations données plus haut, on peut écrire le facteur de bruit du système sous la forme
EMBED Unknown (8-19)
Avec l'hypothèse d'une antenne sans pertes (la =ð 1), le facteur de bruit du système prend la forme donnée dans l'équation (1) de la Recommandation UIT-R P.372:
EMBED Unknown (8-20)
Tous les paramètres de cette équation dépendent du système de réception, à l'exception du facteur de bruit de l'antenne, fa, qui indique la quantité de bruit ambiant qui serait captée par une antenne dans un environnement donné et avec une largeur de bande spécifiée. La valeur du bruit d'antenne, Fa, représente le facteur de bruit d'antenne exprimé en décibels.
EMBED Unknown (8-21)
La puissance du bruit ambiant, Pn, est l'expression de pn (dB):
EMBED Unknown dBW (8-22)
où la largeur de bande de bruit, B, est l'expression (dB) de b:
EMBED Unknown dB(Hz) (8-23)
La valeur de la largeur de bande de bruit est souvent très proche de celle de la largeur de bande du signal du récepteur à 3 dB.
La Recommandation UIT-R P.372 donne des valeurs du facteur de bruit des antennes.
8.3 Valeurs de bruit d'antenne données dans la Recommandation UIT R P.372
La Recommandation UIT-R P.372 contient des informations sur la valeur de bruit d'antenne pour les systèmes fonctionnant entre 0,1 Hz et 100 GHz. Trois types de bruit ambiant peuvent être présents dans l'antenne de réception: un bruit atmosphérique, un bruit galactique et un bruit artificiel. Les niveaux du bruit atmosphérique accusent une variation journalière, les valeurs les plus élevées intervenant pendant les heures de nuit. Comme indiqué dans la Recommandation, le bruit artificiel est maximum dans les zones urbaines et minimum dans les zones rurales, qui sont des endroits calmes. (A noter que les sources des estimations du bruit artificiel données dans la Recommandation sont les références bibliographiques [8-2, 8-3], dont les résultats de mesure datent de plus de 25 ans.) En général, le niveau du bruit galactique dépasse d'environ 5 à 10 dB celui du bruit rencontré dans les zones rurales calmes.
La plupart des systèmes radioélectriques du service mobile terrestre fonctionnent aux fréquences comprises entre environ 30 MHz et 3 GHz; dans cette plage de fréquences, on peut négliger le bruit atmosphérique. La Fig. 10 de la Recommandation présente la valeur de bruit d'antenne, Fa, et la valeur médiane de bruit d'antenne, Fam, dans cette plage de fréquences, où il y a prédominance des sources de bruit artificiel et de bruit galactique.
La Recommandation donne une estimation de la valeur de bruit médiane dans des quartiers d'affaires, avec utilisation de la formule applicable aux systèmes qui fonctionnent dans l'intervalle de fréquences 200 MHz
