cours « propagation des ondes radio dans le milieu...

06/12/2012

Cours « propagation des ondes radio dans le milieu marin »

[email protected]

Master Energie Marine Renouvelable

Sciences de l‘ingénieur et technologie SIT-8 : systèmes de capteurs et de transmissions, diagnostic et gestion des modes dégradés

Responsable module : Ch. Laot

Profileur dérivant type « argo »PROVOR/MARTEC&IFREMER

SIT8 - Master EMR - déc. 2012 Dpt MO – Cours radio / FLP

Agenda

Contexte Ondes : généralités Eléments d’électromagnétisme Interactions ondes / environnement Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références

SIT8 - Master EMR - déc. 2012 Dpt MO – Cours radio / FLP

La radio dans le milieu maritime ?

Segment mer/espace•Couverture globale,géolocalisation (sécurité, suivi), monitoring de l’environnement•Effet des couches atmosphériques

Interface air/mer•Propriétés relatives des milieux

•Effet de la houle

Segment sous-marin•Distinction optique / radio, spécificités (acoustique, mécanique)•Propriétés électromagnétiques de l’eau•Portée / fréquenceht

tp://

ratc

om.o

rg/s

ous_

proj

et_1

.asp

x(1

0/1/

2011

)

Segment mer/mer•Com bâteaux / Plates-formes•Houle, courbure terrestre, troposphère

©S

hip

Sim

ulat

or :

Ext

rem

es

Segment mer/terre•Effets troposphériques spécifiques•Accès services terrestres (GSM)•Perturbations Radars

SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 3 Dpt MO – Cours radio / FLP

EM & radio : quelques repères historiques

•1901 : G. Marconi expérimente la première liaison Terre-neuve / Cornouailles, impossible à expliquer par la seule diffraction…

•1904 : radio télégraphie sur paquebots (1ère utilisation du code SOS par le Titanic en 1912)

•1873 : JC Maxwell publie un traité de synthèse remarquable qui établit les fondements de l’électromagnétisme, unifiant les phénomènes de l’électricité, du magnétisme et de la lumière

•1957 : Premier satellite Sputnik I à émetteur radio

•1853 : Lindsay’s (sub)marine telegraph

Lindsay 1853

•La 2nd guerre mondiale consacre le développement des technologies radio, en particulier au travers des Radars (surveillance des côtes anglaises à partir de 1930)

•1896 : Le physicien russe Popov transmet un message en Morse sans fils sur 250 m


Systèmes satellites

401.650 MHz ± 30 kHz

bande L

3000 unités

Argos (Cnes, Noa, Nasa, Eumetsat) :50 stations sols, 20000 plates-formes, 5 satellites défilant, altitude 850 km, diamètre 5000 Km, cycle ≈ 1 jour

+ localisation GPS

Globalstar : 40 satellites : voie + données (bi, 9.6 kb/s)(Maritime) VSAT : 4 sat. GEO (bi 56 Kbit/s up to 4 Mbit/s)Inmarsat : (A,B,C,D,D+,M, Mini-M, Fleet, Aero) - GEOIridium : (77->) 66 (-> 81) satellites, routage inter satellites, couverture mondiale (zones polaires)


Modem WFS 01/2008, 5m & 100 kb/s

Communication SM/SM

Transmission radio surface/mer & sous-marine

Southampton Septembre 2007(Wireless Fiberand System - Ltd)

Communication Air/sous-marine

(Brevet OMPI) PCT GB/2007/002937


Exposition radio : niveaux de référence

Référence : « Guide pour l’établissement de limites d’exposition aux champs électriques, magnétiques et électromagnétiques », Cahiers de notes documentaires -Hygiène et sécurité du travail - N° 182, 1er trimestre 2001, http://www.inrs.fr

GSM 900

Wifi

Satimo / EMF Visual


Exposition radio : DAS (en. SAR)

21

2

d dW d dW EDAS

dt dm dt dV

σρ ρ

= = =

ρ : densité du tissu biologique (Kg/m3)


Agenda

Contexte Ondes : généralités Grandeurs et propriétés EM Interactions ondes / environnement Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références


Rappels : différents types d’ondesLe magnétisme

L’électricité

La lumière

Ondes électrom

agnétiques

Ondes sismiquesOndes acoustiques

Vagues

Ondes gravitationnelles ?

Virgo

Onde : propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. L’onde transporte l'énergie sans transporter de matière


Rappels : régime progressif / stationnaire

Obstacle réfléchissant

Onde directe progressive

Onde rétrograde progressive

« Enveloppe » ou amplitude variable : onde stationnaire

( )j t kze ω ∓Axe z de

propagationSigne -/+ : sens direct/inverse

2

g

kπ

λ= dépend du milieug

rn

λ λλε

= =

Vitesse du son dans l’air v=300 m/s, 1500 m/s dans la mer, 0 dans le vide

Vitesse de la lumière dans le vide v=299 792 258 m/s, diminue selon le milieux

1 milliard de Km/H !

Notions de base : Amplitude, période, longueur d’onde, vitesse de propagation


Front et longueur d’onde

Guide vide Guide chargé

Air

λg/2 λ'g/2

λ/2

( )E

Re

2.l

g

πφλ

∆ =Déphasage :


HF

Le spectre électromagnétique

ELFVLF

30 GHz3 GHz300M

300 GHz

LF

1 2 4 8 12 18 26,5 40 60 90 140 220

30M3M

300k30k

3k

33 50 75 110 170

MF VHF UHF SHF EHFf

fGHz

fGHz

L S C X Ku K Ka U E F

Q

G

V W D

10 cm1m10m

100m1km

10km100kmλ 1 cm 1 mm

Com

. mili

taire

s

Ond

espl

anes

FM

, T

V,C

om. D

ans

l’ho

rizon

ra

dio

Iono

D, E

, F

Com

. Sat

ellit

es (

faib

les

inte

r. Io

no),

fais

ceau

xhe

rzie

ns, r

adar

s, b

oucl

es

loca

les

AM

, Ion

oD

, ond

esde

su

rfac

es te

rres

tres

Tél

égra

phie

, ion

ona

viga

tion,

sou

s-m

arin

Tra

jets

dire

cts,

com

inte

r sa

telli

tes,

rad

io a

stro

nom

ie

Classification commune

Classification radariste

300

µm3

µm30

nm 0.

3 nm

IRV

is.

UV

λ30

fm

Ray

. XG

amm

a

Rayonnements ionisants

Fréquences

Dimensions

Rayonnements non ionisants


Unités en dB : introduction

( ) 01log10 = ( ) 110log10 = ( ) 32log10 10 ≈

)()...()()(

)(121 fHfHfH

fX

fY

nAttenuatioGain n===

•Quelques valeurs remarquables :

•Les fonctions log transforment les produits (quotients) en sommes (différences)

∫+∞

∞−

−=⊗= duutxuhtxthty )()()()()(

Régime général Régime harmoniqueTF

TF-1

A=2 dB PC=1 dB A=3dB G=24dBG=12dB

Pe=1 mW Ps= ? WG=0.6310 G=0.7943 G=0.5012 G=251.1886G=15.8489


Puissance et dB

=W

PPdBW

110log.10

=mW

PPdBm

110log.10

/ 1020log1 /V m

EEdB

V mµ µ =

•dB : 10.log10 (d’un rapport de puissances)

dBA (acoustique)

=

r

edB P

PA 10log.10

dBi (ou dBd) (antenne)

/ 1020log1 /V m

EEdB

V m =


Exemples

10 ou 20 log10(V2/V1) ?

2 W=> ? dBm 25 W=> ? dBm27 dBm=> ? mW 16 mW=> ? dBm

10 dBm + 10 dBm = ? dBm

50 dBm + 10 dBm = ? dBm

Les abus d’écriture :

De tête :

La question (éternelle) : 10 ou 20 ?

Les dB par unité de… :

1 dB/m => combien de dB pour 100m ?

-174 dBm/Hz => combien de dBm pour 1 MHz ?

Acoustique : 10 ou 20 log10(Pa2/Pa1) ?


Agenda



Equations fondamentales

div(2) + (3) =>

Equation de conservation de la chargeElles sont une synthèse remarquable de :

• Loi de FARADAY

• Théorème d’AMPERE

• Loi de conservation de la charge électrique

• Théorème de GAUSS

=∇=∇

+=∧∇−=∧∇

0B

D

JDjH

BjE

c

ρωω

Les équations de Maxwell (ici en régime harmonique, milieux linéaires, homogènes, isotropes) :

t

J c

∂∂ρ−=∇

E : champ électrique en [V/m]

H : champ magnétique en [A/m]

D : déplacement électrique en [As/m2]

B : induction magnétique en [T ou Vs/m2]

J : densité de courant en [A/m2]

ρc : densité de charges en [As/m3]

“A treatise on electricity and magnetism”. Vol. 1& 2 J.C. Maxwell- Clarendon press (Oxford) - 1873http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k951756http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k95176j

(1)

(2)

(3)

(4)

∂∂

∂∂

∂∂=∇

zyx,, pour un repère cartésien

Hypothèse : les dimensions sont « suffisamment » grand es par rapport aux dimensions interatomiques

1831-1879


Illustration champs EM

Champ électrique Champ magnétique

Fil rayonnant près d’un bloc diélectrique


Polarisation des ondes EM

Verticale Horizontale Circulaire

Champ électrique


Onde EM et rayon - Onde localement plane

)0(0E

« Source ponctuelle »

•Dimensions grandes par rapport à la longueur d’onde(Ex : GSM λ=33 cm)•Positions suffisamment éloignées de l’antenne (champs lointains)

EH)( uHZE

×=εµ01==

YZ

Structure de l’onde le long d’un rayon :

u

jkrer

rrErE −= .)()( 0000

Onde sphérique :

Onde « localement plane » :0( ) ( ). . jkr

DE r E r F e−≈

FD : Facteur d’atténuation (divergence) qui dépend de la source (onde sphérique, cylindrique, plane…)

Polarisation conservée

Milieu homogène, linéaire, isotrope, amagnétique

Zone de champs proches

Zone de champs lointains

0D

rF

r=


Permittivité diélectriqueε0 (F/m) : ≈ 1/(36π.109) dans le videε = εr. ε0 = dans un diélectriqueεr.= (εr’-jεr") en présence de pertes diélectriques

Indice du milieu

Perméabilité magnétique

µ0 (H/m) : ≈ 4π.10-7 dans le videµ = µr. µ0 dans un milieu magnétiqueµr.= (µr’-jµr") en présence de pertes magnétiques

Conductivité

σ (S/m) : σ=1/ρ

ρ (Ω.m) : résistivité

Facteur de pertes :

Paramètres électriques des milieux

Milieux isolants

Milieux conducteurs EJ

.σ=

σ =0

Milieux complexes : anisotropes (ε et µ tenseurs, ex : ferrite), bi-isotropes (ex : chiraux), non linéaires (solitons), méta-matériaux, variables dans le temps

'

"

ωεωεσδ +=tg

rn ε=

Matériaux chirauxhttp://iopscience.iop.org/2040-

8986/page/Special%20Issues%20Collection

Méta matériauxNasa

Tuiles ferrites(Albatross Projects)


Paramètres électriques : exemples de valeurs

0,6321000Nerf

1,58611000Sang

0,9741,5900Tissus biologiquesmoyens

0,5520811000Eau de mer

0,00220,042,581000Sable sec

0,00720,134,251000Bakélite

00,042,731000Plexiglas

0,010,1191800Verre de triple vitrage

0,00050,0181000Verre de miroir

0,02780,561000Plaque de plâtre dense

0,00560,131000Plaque de plâtre

0,040,441000Brique

0,00060,13,351000Ciment

0,040,451800Béton non armé

conder"er'Fréquence

(MHz)Matériaux diélectriques

Source Tech. Ing.

1,670E+07Zinc

4,170E+07Or

1,020E+07Fer

8,700E+06Étain

5,800E+07Cuivre

7,690E+06Chrome

6,370E+07Argent

3,540E+07Aluminium

σσσσ (S/m)Métaux

Sources WinProp


L’eau « pure »

Moment dipolaire O Hp qN P=

Molécule d’eau :

Molécule électriquement neutre, mais polarisée : densité d'électrons plus grande près du noyau d'oxygène que près des noyaux d'hydrogène)

Forme liquide Glace (s)

Banquise vs iceberg Charge q=1,602×10-19 C ©

http

://w

ww

.inst

itut-

pola

ire.fr

1e1p

8e8p8n


Conductivité de l’eau de mer

0,02%0,0135Strontium Sr++0,00%0,0013Fluor F-

0,58%0,3800Potassium K+0,10%0,0646Brome Br-

0,62%0,4001Calcium Ca++0,21%0,1397Bicarbonate HCO3-

1,96%1,2720Magnésium Mg++4,07%2,6486Sulfate SO4-

16,24%10,5561Sodium Na+29,20%18,9799Chlore CL-

%gCations%gAnions

35g de sel dans 1 Kg d'eau de mer (PH moyen ≈ 8,2)

Gaz dissous : 64% azote et 34 % oxygène, 60 fois plus de CO2 dans la mer que dans l’air Salinomètre (Ifremer)

Unités de salinité :•psu : practical salinity unit•ppt : part per thousand•‰ : pour mille


Effet de la fréquence sur la permittivité

R. Somaraju et J. Trumpf, “Frequency, Temperature and Salinity Variation of the Permittivity of Seawater,”Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 54, n°. 11, p. 3441-3448, 2006.


Variabilité de la salinité

a :région polaireb : région tempéréec : région tropicale

Smoyen = 34.7 psu


Agenda



Différents mécanismes d’interaction

AbsorptionRéfractionRéflexionDiffractionDiffusionEffets combinés…

& dépendance fréquentielle ©R

ober

t Doi

snea

u


Absorption des ondes optiques dans l’eau

Longueur d’onde (nm)

•cas d’une eau très claire•Au-delà de 1000m, c’est la nuit noire

Eau riche en matières organiques

Eau claire


Atténuation des ondes radio dans l’eau

10-1

100

101

100

101

102

f (GHZ)

Att

enua

tion

in d

B/c

m

Attenuation at S=35ppt (0<T<40°C)

T=0

T=10

T=20T=30

T=40

0°C

10°C

20°C30°C

40°C

10-1

100

101

10-3

10-2

10-1

100

101

102

f (GHZ)

Att

enua

tion

in d

B/c

m

Attenuation at T=15°C (0<S<40ppt )

S=0

S=10

S=20S=30

S=400 ppt

10 ppt20 ppt

30 ppt40 ppt

En fonction de la température En fonction de la salinité


θ2

Interfaces entre milieux

Interface métal / diélectrique

Interface diélectrique / diélectrique

Métal parfait

Diélectrique

1

2

1

2

n

n

12

12

tgtg

tgtg

HH

EE

=

=

Etg=0 (CCE)

1

2

θ1 θ1

( ) ( )1 1 2 2sin sinn nθ θ=

Loi de Snell / Descartes

1 1rn ε=

2 2rn ε=

Rayon réfracté

Rayon

réflé

chi

Rayon incident


θi

Sols : sec (A), normal (B) et humide (C)

Angle de Brewster

Polarisation orthogonale

Polarisation parallèle

Coefficient de réflexion


Diffraction

ha négatif

hb positif

REb

α

Ea

d1 d2

1 2

1 2

1 2

1 2

2( )

2

( )

d dh

d d

d d

d d

λν

αλ

+= +

Mais aussi : pointes, arêtes, surfaces courbes

Le point de diffraction se comporte comme une source secondaire

Voir aussi :Modèle analytique de Lee


Réflexion diffuse

Modèle de Phong (optique) :•Combinaison pondérée de réflexions spéculaire + hautement diffuses•Généralisation du modèle de Lambert (rd=1) [ ])(cos)1()cos(),( ir

mdrd

iri rr

RR θθθπρθθ −−+=

ρ : coefficient de réflexion de la surfaceRi : Puissance incidenterd : Pourcentage de l ’onde réfléchie sous forme diffuse (entre 0 et 1)m : paramètre du modèle qui contrôle la composante spéculaireθi (θr) : angle d’incidence (de réflexion) par rapport à la surface

θi θr

σ AA’

C’C

B B’

( ) ( ' ' ' ') 2 sin( )AB BC A B B C σ∆ = + − + = Ψ

ψ

2 4 sin( )RC

π πσλ λ

Ψ= ∆ =

0.1 10 CR

spéculaire diffuse

Hautement diffuse

Critère de Rayleigh


Atmosphère terrestre

Temp °KTroposphère

Tropopause

Stratopause

Mésopause

Thermosphère

300180

Ionosphère

Mésosphère

Stratosphère

• Composants majoritaires : Azote (N2) 78%, Oxygène (O2) 21 %, en proportion fixes et quasi uniformes jusqu’à 15-20 Km d’altitude•Vapeur d’eau, jusqu’à 2% en milieu marin, négligeable à partir de 20 Km d’altitude

Distance soleil/terre : 150 millions de km 8 mn 20s à la vitesse c=3e8 m/s

Cycle journalier (diurne / nocturne)Cycle annuel (saisonnier)Cycle solaire ≈ 11 ans (nombre de Wolf)


Ionosphère ≈ 80-600 km

Ecart en direction (0.35°à 100 MHz et q=5°) Distorsion de groupe significative jusqu’à 100MHz Effet Faraday = rotation du plan de polarisation (jusqu’à 20°@ 2 GHz =>

polarisation circulaire jusqu’à 10 GHz) Atténuation (1 dB/100 km@100 MHz) et Scintillations (-> 30 dB@100MHz !) Rebond ionosphérique : prévisions quotidiennes MUF & LUF (Max/min

usable frequency, jusqu’à 80 MHz)

Gyrofréquence fb

02 Bmefb=π

0Be

9p eMHzf N≈

Fréquence plasma fp

Ionosphère : radio opaque < 30 MHz

Ne= concentration d’électrons


Troposphère ( de 0 à ≈ 10 km)

Rayon terrestre fictif Re=K.R

hRd e2=R (rayon réel)

Re(Rayon fictif)

Distance radio horizon :h

h

facteur K :

kmNkm dhdNR

K

/.11

+=

K=4/3 en atmosphère standard=> Re=8500 km (R=6500 km)

( ) ( )Tep

TenhN h 48106.77.31510).1()( .136.06 +≈≈−≈ −

Coïncide N :

-157

-40

Gra

dien

t N, N

/km

Conduits troposphériques(ducting, zones côtières)

Valeur standard

Evolution journalière


Agenda

Contexte Ondes : généralités Eléments d’électromagnétisme Grandeurs et propriétés EM Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références


Distinction borne, système antennaire et antenne :• Système antennaire : l’antenne + l’étage radio. Borne = SA+électronique BB

Fonction• Conversion (réciproque) onde libre <-> onde guidée

Caractéristiques de rayonnement dans l’environnement• Antenne isotrope, directive, sectorielle

Antenne réseau, active, agile, reconfigurable, « intel ligente » Analogies

Antennes : introduction

Borne Wifi

Antennes


Technologie des antennes

Filaires

A ouvertures

Imprimées

MonopoleYagi

Log périodique (CEM)

Cornet rectangulairelarge bande

Cornet circulaire

Réseau de fentesParabole (Cassegrain)

Antenne et lentille

Patchs (réseau)

FractalesULBSatellite

Conique


Notion de gain

isotropePIRE PeGe=

dipolePAR PeGe=

EIRP ERP≠

yz

xSr(θ,ϕ) ( ) ( ) ( )

( )r ,

, . ,r ,i

SG D

S

θ ϕθ ϕ η θ ϕ

θ ϕ= =

( )max ,G G θ ϕ=

Ne pas confondre :

Puissance isotrope rayonnée équivalente

Puissance apparente rayonnée

Equivalent Isotropic Radiated Power (= PIRE)

Effective Radiated Power (signal modulé)

Sri(θ,ϕ)

Antenne isotrope

Densité de puissanceGain (isotrope) de l’antenne

Gain maximum

Pr Pri=ϕ

θ

y

z

x

« Suffisamment » loin de l’antenne :

Généralement en dBi (souvent noté dB), quelque fois en dBd (référence dipôle)


Antennes : caractéristiques électriques•Paramètres internes :

•Impédance,Bande passante, Température de bruit…•Paramètres externes :

•Directivité D(θ,ϕ)=gain G(θ,ϕ)× efficacité η, diagramme de rayonnement, ouverture à 3dB, lobes secondaires, propriétés de polarisation, Surface équivalente

Champs prochesAdaptation àl’alimentation

Rayonnement2

max2dz

λ>

2max2d

zλ

<


Propriétés de polarisation des antennes


Antennes en réseau

zθ

R ≅ r

θ θ θ

d

xd cosθ

( ) ( ) ( )21 cos

0

, ,N jk d jk

Totale e A Aπ θ αλ θ ϕ θ ϕ

− =

∑

0I 0jI e α 2

0jI e α ( )1

0N jI e α−

FR

Lobes secondaires de réseau

( )2cosd

πψ θ αλ

= +

Maîtrise des lobes : pondérations binomiales, Chebyshev


Antennes réseaux : illustrationsSans déphasage

Avec déphasage

Tilt électrique / mécanique


Antennes et couplages

Effets InternesEffets Externes

Diagramme de rayonnement

impédance de couplage

Mise en réseau

Deux dipôles imprimés en réseau (plan H)

Alimentation

Couplage entre antennes …et avec l’environnement proche !=> Effet sur le rayonnement et l’adaptation


Transmission (parfaitement) dégagée (LOS)

Pa

Pe=ηPa

Antenne adaptée Antenne adaptée

PIRE=PeGe(θ,ϕ)2

2

1

4 2 120

EPIRESr

dπ π= =

( )2

,4 r rGrλ θ ϕπ

Surface équivalente d’antenne

2

4Pr PeGe Gr

d

λπ

=

Pr

Densité Sr de puissance à la

distance d :z=0 z=d

Formule de Friis (espace libre) « Atténuation » de référence (ou d’espace libre) 2

1/4 d

λπ


Atténuation de référence

44.32)(log20)(log20 1010 ++= kmMHzFdB dfLdBiFdBdBmdBm GrLPIRE +−=Pr

(UIT)

2

4Pr PeGe Gr

d

λπ

=

d

100

101

102

103

104

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

d (m)

-

Att

énua

tion

(dB

)

85 MHz

900 MHz

3.5 GHz

20 dB

20 dB

Équation de Friis

Source rayonnante ponctuelle dans le vide

Exemples :d=1 Km, 2.4 GHz (UMTS) : LdB= 100 dBd=1 Km, 1.8 GHz(GSM) : LdB= 97.5 dB (presque 2 fois plus de puissance)d=40 m, 60 GHz : LdB= 100 dB (60 GHz plutôt réservé aux courtes portées)


Bruits

0N kTB=N0 : puissance du bruit thermique blanc (W)k : Constante de Bolzmann (J/°)T(K) : température absolue (K), T(K)=T(°C)+273,15B : bande considérée (Hz)

dBm(N0)=-174 @ 290°K & 1Hz

•Bruit extra-terrestre :•Bruit d’expansion de l’univers (2,76 K ondes cm et mm), gaz interstellaire (basses fréquences), radio sources : supernova, quasar, galaxie, planètes

•Bruit terrestre naturel : •Thermique atmosphérique, sol, orages

•Bruit industriel : •Moteurs à collecteurs, interrupteurs/contacteurs/relais, allumages électriques, lignes hautes tensions, tubes luminescents, appareils médicaux (diathermie, rayons X)

•Bruit dans le récepteur : •Thermique, shot noise, flicker noise, bruit d’avalanche, bruit burst

Sources de bruit


Bruit et sensibilité du récepteur

(Se/Ne)

Te

η

Facteur de bruit (NF)

1010.log /dBe s

S SNF

N N

=

(Ss/Ns)

Sensibilité : niveau de signal minimum détectable en entrée pour obtenir en sortie un rapport signal à bruit donné

Rapport signal à bruit : S(f)/N(f)

Température équivalente de bruit Te

Normes IEEE 802.11a et gIEEE 802.11a/g

Débits (Mbps)

Modulation des

48 sous-porteuses

Minimum

SNR (dB)

EVM

(%RMS)

Sensibilité

(dBm)

54 64 QAM 20 5.6 -65

46 64 QAM 20 7.9 -66

36 16 QAM 18 11.2 -70

24 16 QAM 18 15.8 -74

18 QPSK 10 22.3 -77

12 QPSK 10 31.6 -79

9 BPSK 7 39.8 -81

6 BPSK 7 56.2 -82


Bilan de liaison Bilan de bruit (NFdB)

Bilan de transmissionExemple pour un étage récepteur radio hétérodyne


Agenda



Effets des gaz et hydrométéoresGaz et hydrométéores Influence de la pluie

© Dunod/Boithias

Att

énu

atio

n lin

éiqu

e t

ota

le (

dB)

H2O

O2 O2

Att

énu

atio

n lin

éiqu

e (

dB/k

m)

sec

Humide (7,5 g/m3)


Liaison dégagée/obstruée (LOS/NLOS)

100

101

102

103

104

10-1

100

101

102

Distance inter antennes (m)

Hf

(au

cent

re)

(m)

85 MHz

900 MHz

3.5 GHz

La plus grande partie de l’énergie passe par le premier ellipsoïde de FresnelLa hauteur Hf de l’ellipsoïde diminue avec la fréquence ou le rapprochement des antennes

Hf @ 85 MHz

1,5 m

10 m

100 m

Ellipsoïde de Fresnel

21

21

ddddn

Hnf += λ

d1 d2

DH f λ21=

Au centre :


Atténuation moyenne (50% des temps et positions)

Ellipsoïde dégagée :

44.32)(log20)(log20 1010 ++= kmMHzFdB dfL

dBiFdBdBmdBm GrLPIRE +−=Pr

1 2Pr ...dBm dbm dBi F dB exdB exdBPIRE Gr L L L= + − − − −

Ellipsoïde encombréeHydrométéoresinfrastructure…

L50dBLF(dB) : atténuation d’espace libre (en dB)Lex(dB) : atténuation en excès (en dB)L50dB ou L : atténuation totale (en dB)

F ex kk

L L L= +∑

Quels sont les termes LexdB à prendre en compte ? Comment les évaluer?

(en dB)

50PrdBm dBm dB dBiPIRE L Gr= − +

(Atténuation d’espace libre)


Propagation au-dessus d’un plan lisse

Brewster

Limite 1er ellipsoïde de Fresnel

Lex=20.log10(d)(si d > df)


Transmission 2.075GHz au-dessus de la mer

Kun Yang & Al. “A quasi-deterministic path loss propagation model for the open sea environment”, WPMC11


Modèle numérique de terrain (MNT)

Out-door / in-door•Bâtiments / rues•Etages •Ouvertures (portes / fenêtres)•Matériaux

Classification de zones

In-door•Niveaux, cloisons, pièces/couloirs

ouvertures, mobilier, parties métalliques…

ER

Fiabilité du MNT ?

Sol / sur sol•Pixel / vectoriel•Résolution / coût


Modèle logarithmique (empirique)

0 1010. .log ( )mL L n d= +(en dB)

n est le seul paramètre du modèle L0 peut permettre un ajustement du modèle

10 10147.6 20log ( ) 20log ( )FdB Hz mL f d= − + +

n=2 n=2.5 n=3 n=4

Seul paramètre du modèlePeut permettre un ajustement / référence

500 m 500 m

-LdB

freq=300 MHz


Exemples de modèles d’atténuation moyenne

nLog(d) Okumura/Hata Okumura/Hata + diffraction d’arêtes (Deygout)

COST 231 Multi-Wall

Model

MotleyKeenanModel

One SlopeModel

Outdoor

In-door


Agenda



Différentes échelles de variation

Atténuation moyenne à grande échelle

Variations lentes

Variations à petites échelles :recombinaisons

Nécessité d’une modélisation

statistique des variations


Effet doppler

0v ≠

Position p1Instant t1

> Augmentation de l’intervalle entre les fronts d’onde (à cause de l’éloignement progressif de l’obstacle), donc de λ => diminution de la fréquence (ou augmentation si rapprochement)



Onde incidente

Onde réfléchie

Fronts d’onde

=> Modulation de fréquence aléatoire du signal liée à la variation des angles d’arrivée des rayons

f

vθ

f-f m

∑

= )cos(θλv

fd

f+fmf+fd

Exemples:F=85 ou 900 MHzv=90 Km/Hfm=7 ou 75 HzEmis

Reçu


Evanouissements fréquentiels

Onde directe Onde réfléchieEnveloppe du signal

λλλλ0

Il existe une longueur d’onde λ0 [λa,, λb] « invisible » vu de la position

indiquée => Canal sélectif en fréquence

bf

Sélectivité

Canal de test IS54 2 trajets à 10 ms

Spectre émis

100 KHz

reçuaf

Pour cette position on perçoit fb mais pas fa


Fonctions statistiques

σ−−

πσ=

2

2

1

2

1)(

mx

exp

Densité de probabilité p(x)

x : variable aléatoire

Fonction de répartition F ∫∞−

=≤=X

dxxpXxprobXF )()()(

x gaussienx lognormal

σ−−

πσ=

2

2

1

2

1)(

mx

exp

∑∞

=

→1n

n xy σσ


Comparaison de distributions classiques

Mesures

Théorie

Village rural


Couverture et probabilité de réception

Probabilité de couverture Probabilité de couvertureChamp électrique, 3.1 mV/m Champ électrique, 1.6 mV/m

Bruit

Puissance reçue

1 antenne GSM 1800, 40m/20w 7 antennes GSM 1800, 15-30m/2w


Interactions radios/éoliennes en merNorth Hoyle maritime radar

SER/RCS

Doppler


Agenda



Quelques références

Propagation J.D. PARSONS « The Mobile Propagation Channel », John Wiley & Sons, Second

Edition, 2000 L. BOITHIAS « Propagation des ondes radioélectriques dans l ’ environnement

terrestre », DUNOD, 1983 J. LAVERGNAT, M. SYLVAIN « Propagation des ondes radioélectri ques, introduction »

MASSON, 1997 H. SIZUN, « La propagation des ondes radioélectriques », Spr inger, 2003 L.H. BERTONI « Radio propagation for modern wireless systems » Prentice Hall, 2000.Propagation, antennes et systèmes R. JANASWAMY « Radiowave Propagation and smart antennas for wireless

communications », Kluwer Academic Publishers, 2001Radio mobiles T. S. RAPPAPORT « Wireless Communications, Principles and Pract ice, 2nd ed »,

Prentice Hall, 2002 K. PALHAVAN, A. H. LEVESQUE « Wireless Information Networks » Wiley & Sons,

1995 X. LAGRANGE « Les réseaux radiomobiles », Hermès, 2000Site internet http://members.shaw.ca/propagation/


Annexe : antenne parabole

Offset

Cassegrain

©W

ikip

edia

2 24

. .ouv

DG S

π πη ηλ λ

= =

Champ électrique instantané

Densité de puissance

D: diamètre

cours « propagation des ondes radio dans le milieu...

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