Chap2 Propagation

8/18/2019 Chap2 Propagation

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Propagation en environnement

Radio-Mobile


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Sommaire

• Introduction

• Mécanismes de la propagation• Interférences et Bruits

• Modèles de prédiction de la propagation• Principes de base des antennes


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Introduction

• L’onde radioélectrique est sujette à de nombreusesirrégularités de température, d’humidité, decaractéristiques électromagnétiques, …

fluctuations en temps et en espace

média de communication incontrôlable

• Problématique

Prévoir l’atténuation du signal en un point donné

Planifier et implanter un système radio

Gérer et optimiser un système radio


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Mécanismes de la propagation (1)

Diffraction

RéfractionRéflexionDiffusion

4 mécanismes de base


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Mécanismes de la propagation (2)

d1

d

d

Reflection Diffraction

Scattering Absorption guided wave

Multiple diffraction

d

d2d1

d2

d2d1

d1


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Propriétés du canal radio-mobile

• 3 types de variations du canal radio – Grande échelle : pertes de propagation dues à la

distance parcourue par l’onde radio

• Affaiblissement de parcours (Pathloss) – Moyenne échelle : atténuations de puissance du

signal dues aux obstacles rencontrés• Effet de masque (Shadowing effect )

– Petite échelle : liées aux trajets multiples• Évanouissement ( fading)


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Dégradations subies par l’onde radio

• Atténuation due à la distance parcourue ( pathloss)

• Effets de masques (shadowing effects)

• Évanouissements ( fadings)

• Brouillages dus aux interférences (co-canal ou sur canaladjacent )

• Brouillages dus au bruit ambiant (provenant d’autressystèmes par exemple)

• Les caractéristiques de propagation dépendent: – Morphologie du terrain,

– Hauteur, nature et densité des bâtiments,

– Densité de végétation,

– Conditions météorologiques, …


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Propagation en espace libre

2.4 d

PS t r

2

])(4[

Pr

d

GP r t

2)(4 d

GGPP r t t r

Émetteur de puissance t P en W. La densité de puissance à la distance d est :

Une antenne placée à une distance d recevra une puissance:

Si le gain de l’émetteur est t G :

Atténuation de propagation :

222

10104

1010d

GG

P

PdBPL r t

t

r

.)(

..log.log.)(


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Effet de masque (Shadowing effect )

• La plus forte atténuation subie par la puissance dusignal, elle est due aux obstacles : – naturels, – Artificiels.

• Deux conditions de propagation entre émetteur etrécepteur – Propagation en vision directe (LOS : Line-of-Sight ) :

aucun obstacle entre émetteur et récepteur – Propagation sans vision directe (NLoS : Non-Line-

of-Sight ) : existence d’un ou plusieurs obstacles entreémetteur et récepteur


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Atténuation due à la végétation

• Modèle de Weissberger:

• L: perte de propagation en dB, F : fréquence en GHz, df :distance parcourue par l’onde à travers les arbres en mètres.

• À F = 1 GHz, pour une rangée d’arbres de 5m de large L(1GHz) = 52,25 dB

• À F = 900 MHz L(900 MHz) = 50,71 dB

mdf pour df F L

mdf pour df F L

140450

400143312840

58802840

.

,,

,

,


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Atténuation due à l’atmosphère

• Atténuation due à: – L’oxygène (fréquences comprises entre 60 GHz et 118 GHz)

– Vapeur d’eau (fréquences 22 GHz, 183 GHz et 325 GHz)

• La pluie est l’élément ayant l’effet d’atténuation le plusimportant sur le signal (fréquences > 1.5 GHz)

– Absorption de l’énergie par les gouttes d’eau

– Diffusion de l’énergie dans les gouttes la densité de la pluie

la fréquence d’émission utilisée


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Diffraction et zones de Fresnel (1)

- Énergie dans l’ombre, ou « zone de Fresnel » : atténuation située sous le rayon direct

- Premier ellipsoïde de Fresnel = région de l’espace où est véhiculée la plus grande

partie de l’énergie du signal conditions de LOS


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Diffraction et zones de Fresnel (2)

d1 d2d

r

Premier ellipsoïde de Fresnel

Rayon r de l’ellipsoïde :

Exemple :

D = 20 km, au centre de l’ellipsoïde et pour la bande GSM 900 MHz, r = ?

21

21

d d

d d r


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Trajets multiples (multipath)

MCOR

MC2D

Réflexions multiples surles obstacles rencontrés par l’onde radio

Plusieurs trajets entrel’émetteur et le récepteur

Effet

positif

Effet

négatif


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Effet positif des multitrajets

Les ondes radio « contournent » les obstacles(montagnes, bâtiments, tunnels,…)

Les communications peuvent avoir lieudans le cas où émetteur et récepteur ne sont pas en vision directe

Certaine continuité de la couvertureradio


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Effets négatifs des multitrajets : Delay spread

Dispersion temporelle ( Delay spread ) Les signaux provenant de la même émission arriventavec des retards différents au niveau du récepteur

dépend de: l’orientation, la réflectivité et la distanceentre les objets réfléchissants (montagnes, bâtiments, murs,véhicules, …)

quelques dizaines de nanosecondes (en indoor) etquelques microsecondes (en outdoor)

Problème d’interférence intersymbole (Inter-SymbolInterference, ISI ) : les signaux issus de la transmission d’unsymbole peuvent se superposer aux signaux issus de latransmission du symbole précédents ou suivant


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Calcul du delay spread

c

court plusletrajet long plusletrajet spread Multipath

c : vitesse de

la lumière

Mobile

Base station Trajet 1= 1 km ; Trajet 2= 1.6 km ; Trajet 3=2.5 km

sc

t t Trajet Trajet

sc

t t Trajet Trajet

5:31

2:21

1313

1212


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Comparaison des Delay spread dansdifférents environnements

0.1Indoor

3Zone urbaine

0.5Zone suburbaine

30Zone montagneuse

1Zone rurale

< 0.2Espace libre

Delay spread en µsType d’environnement


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Effets négatifs des multitrajets :Évanouissements (fading) de Rayleigh

Variations temporelles des phases qui varient aléatoirementdans le temps

Les signaux multiples s’ajoutent de façon destructive auniveau du récepteur signal reçu très faible ou presque nul

Les signaux multiples s’additionnent de façon constructive signal reçu plus puissant que le signal du seul trajet direct

2

exp2)( r r r f /2 : moyenne de la puissance du signal,r : enveloppe du signal ( 0)


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Effets négatifs des multitrajets : Décalageen fréquence (Doppler shift)

Variation dans la fréquence du signal reçu due à la mobilité de lastation mobile par rapport à la station de base

Le décalage Doppler est :

: la vitesse relative de l’émetteur par rapport au récepteur, f 0 : la fréquence porteuse,c : la célérité de la lumière

D : l’angle entre le signal reçu et la direction du vecteur vitesse durécepteur.

dépend de la direction de déplacement et de la vitesse durécepteur par rapport à l’émetteur

D

c

f Spread Doppler

cos

0


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Interférences et Bruits

Interférences

Co-canal : émissions d’autreséquipements sur la mêmefréquence

Canal adjacent : émissionsd’autres équipements sur desfréquences adjacentes

Bruits

• Internes: commutations decourants dans les circuitslogiques, les comparateurs, lesinterrupteurs électroniques,… etle bruit de fond produit dans lescâbles et les composantsélectroniques.

• Externes: moteurs

électromagnétiques, allumagesde véhicules, panneauxlumineux.


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Interférences co-canal (1)

Site A

Site C

Site B

Mobile

J j j I

C

I

C


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Interférences co-canal (2)

(1)

(2)

(3)

Puissance

Fréquence


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Interférences sur canal adjacent

Zone d’interférence

f 1 f 2

Canaux adjacents

Puissance

Spectre des fréquences


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Outils de prédiction de propagation


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Modèles de prédiction de la propagation

• Les trajets multiples ne sont pas identifiés (temps,environnement, véhicules, déplacement des

personnes,…)

• Pas de visibilité directe entre émetteur et récepteur Pas de possibilité de prédire avec précision leniveau de champ reçu en un point donné

prédiction des zones de couverture et des

problèmes d’interférences modèles et méthodes de calcul de propagation


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Typologie des modèles deprédiction de propagation

Petite échelle (modélisation du comportement du canalau niveau de la longueur d’onde du signal)

Rayleigh, Rice, Nakagami,… Normalisation, conception de systèmes,…

Grande échelle (modélisation du comportement ducanal au-delà du mètre)

Okumura-Hata, Walfish-Ikegami,… Planification de systèmes,…


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Typologie des modèles à grandeéchelle

Exacts

Lancer de rayon

Equations de Maxwell

Optique géométrique Complexes à mettre en œuvre

Empiriques : Mesures statistiques Simples mais peu précis

Semi-empiriques : Combinaison des approches précédentes

Compromis entre précision et complexité


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Modèle général à trois étages

f saad f pll

),(

11

- pl : Atténuation médiane (affaiblissement de parcours)

- a s : effet de masque (modélisé par une loi log-normale)

- a f : évanouissement de Rayleigh


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Modèle d’Okumura-Hata (1)

• Formule empirique dégagée à partir de mesuresréalisées dans les environnements de Tokyo

• Principe: calculer l’affaiblissement en espace libre et

y ajouter un facteur d’atténuation

• Paramètres: – f : Fréquence (150Mhz et 1500Mhz)

– hb: hauteur de la station de base (30m à 300m)

– hm : hauteur de la station mobile (1 à 20 m)

– d : distance entre l’émetteur et le récepteur (1 à 20 Km)


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Modèle d’Okumura-Hata (2)

Lu=69,55 +26,16 log ( f ) – 13,82 log (hb) – A(hm ) + (44,9-6,55 log (hb)) log(d )

• Pour une ville de taille moyenne ou petite – A( h

m)=(1,1 log ( f ) – 0,7) h

m– (1,56 log( f ) – 0,8)

• Pour une ville de grande taille

- A(hm) = 8,29.log(1,54 hm) – 1,1dB pour f 200 Mhz- A(h

m) = 3,2.log(11,75 h

m) – 4,97dB pour f > 200 Mhz

• Pour une zone suburbaine – L

su= L

u – 2 [ log( f /28)]2 – 5,4

• Pour un environnement rural dégagé

– Lrural = Lu – 4,78 [[log( f )]2 + 18,33 log ( f ) – 40,94

• Pour un environnement rural quasi dégagé – Lrural = Lu – 4,78 [[log( f )]

2 + 18,33 log ( f ) – 35,94


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Lancer de rayons (1)

• Technique entièrement déterministe (basée sur une approchedérivée de l’optique géométrique)

• Utilise des bases de données géographiques très précises

• S’applique bien aux environnements urbains (où les réflecteurs

et les obstacles importants rendent les modèles empiriques(Okumura-Hata par exemple) trop peu précis

• Principe : – Lancement à partir de l’émetteur, de lignes directrices (rayons) dans

toutes les directions

– Rayons espacés régulièrement à partir de l’émetteur et tracés au fur et àmesure de leur propagation

– Trajets émetteur-récepteur recherchés


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Lancer de rayons (2)

• Conditions d’arrêt :

– Puissance du rayon en dessous d’un seuil,

– rayon qui a quitté la zone de simulation,

– rayon qui a subit un nombre maximal de réflexions(5 à 10).


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Calibration des modèles de propagation


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Problématique générale

• Modèles génériques : Coefficients/Paramètresoptimisés dans les environnements spécifiques.

Adaptation nécessaire de ces coefficients pour

que le modèle reflète les caractéristiques del’environnement considéré.

Calibration = Mesures de propagation et

optimisation des coefficients.


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Problématique (1)

Environnement rural Environnement urbain

Pr (dBm) = Pe (dBm) – Atténuation (dB)Atténuation (dB) = Aff_Parcours (dB) + Fading (dB)

À modéliser Variable (environnement) Variable (position, temps)


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Problématique (2)Contexte : Planification cellulaire

• Problématique : déploiement correct et précis des sites• Solution : adapter les modèles de propagation pour

l’environnement étudié

Modèles de propagation

Modèles standard Modèles calibrés

Okumura – HataWalfish Ikegami

etc …

Calculés à partir de mesuresEffectuées dans la zone à étudier

-Modèle prêt à l’emploi-Modèle mal adapté à la zone étudiée

-Modèle adapté à la zone étudiée-Collecte de mesures nécessaire


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Processus global

• Première phase – Identification des zones à étudier (ex : urbain, suburbain, axes routiers) – Validation du spectre (scanner) – Définition des clutters – Définition des sites et des parcours de mesures

• Deuxième phaseOutils : chaîne de mesures analogiques – Réalisation des mesures – Traitement préliminaire des mesures

• Troisième phaseOutils : Modules d’un outil de planification ou logiciel spécifiquedéveloppé pour la calibration

Clutter = type d’environnement de caractéristiques de propagation homogènes


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Principes de base des antennes


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Fonctions d’une antenne

• Une antenne radio est la structure associée à l’interfaceentre l’onde émise (reçue) guidée dans l’émetteur(récepteur) et l’onde se propageant en espace libre

• Une antenne rayonne ou reçoit de l’énergie

• Fonction : couplage de l’énergie entre l’espace libre et unéquipement de guidage telle une ligne de transmission, uncâble coaxial ou un guide d’onde


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Caractéristiques d’une antenne

• Diagramme de rayonnement,

• Directivité,

• Polarisation et Gain,

• Rendement.


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Diagramme de rayonnement

• L’IEEE définit le diagramme de rayonnementcomme « la représentation graphique despropriétés de rayonnement de l’antenne enfonction des coordonnées spatiales »

– intensité du rayonnement – Puissance du champ – Phase et Polarisation

• Plusieurs types d’antennes: – Isotropes

– Directives – Omnidirectionnelles


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Diagramme de rayonnementd’une antenne

Variations de champ oude puissance enfonction des deux

coordonnées sphériques et


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Types d’antennes

• Antenne isotrope : Antenne théorique rayonnant defaçon uniforme dans toutes les directions

• Antenne directive : peut rayonner ou recevoir lesondes plus efficacement dans certaines directions quedans d’autres

• Antenne omnidirectionnelle : recevoir et émettreles ondes dans toutes les directions


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Directivité (D)

• Rapport entre la puissance rayonnée par l’antennevers une direction donnée et celle d’une antennede référence (isotrope)

• Exprimée en dBi

• Indique la capacité de l’antenne à concentrer

l’énergie dans des directions spécifiques


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Aire équivalente d’une antenne (Ae)

• Ouverture géométrique sur laquelle le champélectromagnétique n’est pas négligeable

• Dans le cas d’une antenne directive, l’aireéquivalente est égale à la portion de la surface

plane proche de l’antenne, perpendiculaire à la

direction de rayonnement maximum


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Polarisation et Gain

• L’orientation du champ électrique détermine la polarisation de l’onde rayonnée par l’antenne – Si l’antenne est placée horizontalement par rapport au sol,

est horizontal (pour une grande partie des directions del’espace) l’antenne est dite à polarisation horizontale

– Si l’antenne est verticale l’antenne est dite à polarisationverticale

• Gain : 4 fois le rapport entre l’intensité moyenne derayonnement par unité d’angle solide et la puissance totale

fournie à l’antenne par la sourceG= 4 Ae/2 et G = . D ( : rendement)

E

E

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