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Wireless Networks Réseaux sans-fil

Radio Frequency (RF) : Fondamentaux

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Radio Frequency (RF) Fondamentaux

� Gains & pertes (Loss)� Réflexion

� Réfraction

� Absorption

� Diffraction

� Scattering

� Taux d’ondes stationnaires (TOS/VSWR)

� Amplifications & atténuations

Le sans fil

� Un même besoin� Voiturée télécommandée� Alarme domestique� Télécommande de télévision/magnétoscope

� Télécommande de porte de garage, portails

� Mobilité avec un PC, un PDA

� Des technologies différentes� Radio commande 27 Mhz� Infrarouge� Radio 433-434 MHz� Bluetooth� 802.11, Hiperlan

Un même besoin: la libertUn même besoin: la libertéé!!

Global Wireless Standards

IEEE 802.15 Bluetooth

WAN

MAN

LAN

PAN ETSI HiperPAN

IEEE 802.11 WirelessLAN

ETSI HiperLAN

IEEE 802.16 WirelessMAN

ETSI HiperMAN & HIPERACCESS

IEEE 802.20(proposed)

3GPP, EDGE (GSM)

Radio fréquences � une image àgarder en tête

Onde électromagnétiquese propageant dans le vide

http://www.radioamateur.org/formation/index1.html

Spectre : la longueur d’onde

Le Wifi utilise une fréquence d’approximativement 2,45 Ghz (de

2412 Mhz à 2472 Mhz) � une longueur d’onde de 12,24 cm

Vitesse de propagation� La vitesse de propagation d’une onde électromagnétique est en

tout point identique à la vitesse de propagation de la lumière (sauf la fréquence).

� On peut donc en déduire grâce à l’équation suivante, la fréquence pour une transmission dans un milieu « parfait » (dans le vide).

F = C/ λNotes : � • F = Fréquence en Hz � • C = Célérité (m/s) � • λ = Longueur d’onde (m)� C : correspondant à la vitesse de propagation de l’onde est

variable et dépend du milieu traversé (l’air, l’eau, un milieu boisé, …).

� Certains matériaux et milieux laisseront en effet plus facilement passer les ondes que d’autres.

Le gain

Les pertes (loss)

Phénomènes - L’atténuation

� Il faut aussi prendre en compte l’atténuation, en effet une onde n’est pas envoyée à l’infini, plus on va s’éloigner de la source plus la qualité du signal diminuera, le phénomène en cause est la dispersion spatiale, qui s’applique lui aussi à la lumière.

� Prenez une lampe torche par exemple, vous remarquerez que plus le faisceau sera étroit plus vous verrez loin, mais vous n'éclairerez qu’une faible surface, et inversement si vous agrandissez votre faisceau, vous ne verrez pas très loin mais vous couvrirez une plus grande surface (ce point sera approfondi dans la partie sur les antennes).

Phénomènes - L’atténuation

Ploss = 10 Log (4 π d / λ) ^2� d : distance en m

� Lambda : longueur d’onde en m

Phénomènes - L’absorption � L'onde électromagnétique qui voyage rencontre des

électrons qu'elle va exciter. Ceux-ci vont réémettre à leur tour du rayonnement ce qui perturbera le signal et donc l’atténuera.

� Il est important de noter que plus la fréquence est élevée plus ce phénomène d’absorption est élevé donc plus la distance de couverture est faible.

� C’est pour cela que les communications radio se font sur des fréquences d’une centaine de Mhz. Il est à noter aussi que plus la fréquence est élevée, plus la vitesse de transmission de données peut être importante.

� En wireless, par exemple on peut difficilement faire plus de 5km avec du matériel « classique ».

� Note : le matériau absorbant le plus le signal est l’eau. Par conséquent le signal aura tendance à être légèrement moins bon les jours de pluie.

Absorption

Phénomènes - La réfraction

� Une onde électromagnétique traversant différents milieux change de direction et ce proportionnellement àl’indice de réfraction

des milieux traversés.

Phénomènes - La réflexion

� Les ondes électromagnétiques peuvent être réfléchies totalement ou en partie, exactement de la même manière que pour la lumière, mais ce phénomène est plus utilisé par les radio amateurs que pour les transmissions wireless.

� En effet, à la fréquence de fonctionnement du wireless, les obstacles auront davantage tendance à absorber les ondes qu’à les réfléchir.

Chemins multiples La réflexion� Le signal est réfléchi par l’objet qu’il rencontre

� Le signal perd de sa puissance à chaque réflexion

� Le métal réfléchit fortement le signal

� La réflexion crée des chemins différents pour le même signal

Direct Path

Reflected Path

Reflected Path

Wall

Paroie de bureau

Interférences MultiPath

Chemins multiples Les antennes du point d’accès

� Eviter les interférences

� Deux antennes

� Diversity

� Copies du signal

envoyées avec une

puissance différente

� Les copies les plus

faibles sont rejetées

� Une antenne peut être

dans une zone d’ombre,

mais pas les deux

Receiver

Signal1

Signal2

Signal3

Pri

ma

ry

Se

co

nd

ary

Phénomènes - La diffraction

� La diffraction est une zone d’interférence entre l’onde directe d’une source et l’onde réfléchie par un obstacle, en quelque sorte l’onde s’interfère elle-même.

Chemins multiples Diffraction

� Plusieurs copies du

signal arrivent à

destination

� Les copies du

signal créent des

interférences et

même des zones

d’ombre

Nulls

Diffraction

Scattering/Dispersion

� Quand l’onde rencontre des objets dont la taille n’est plus négligeable compara-tivement à la longueur d’onde du signal.

Voltage Standing Wave RatioTaux d’ondes stationnaires

� Toujours utiliser du matériel avec l’impédance préconisée souspeine de destruction de l’émetteur !

Calcul du Gain

� Le Gain est exprimé en déciBel.

P = Puissance en mW

NB : lorsque l’on parle en dB, une valeur négative signifie de la perte, une valeur positive du gain.

Puissance dBm

� C'est une relation mettant en rapport le Gain (en dB) et la puissance (en mW à uneimpédance de 50 Ohms)

P = Puissance en mW

Puissance dBi

� Le dBi exprime en dB le gain d'une antenne par rapport à un aérien isotrope.

� Aérien isotrope :Il s'agit d'une antenne qui est capable d'irradier ou de recevoir également dans toutes les directions et qui réagit également à tous les types de polarisationsgénérés par des champs électriques et/oumagnétiques.Les antennes Isotropiques n'existent pas physiquement mais représentent un moyen pratiqued'exprimer les propriétés directionnelles d'antennesphysiques.

� La conversion entre dB et dBi est simple, 0 dB = 2.14 dBi

Abaque - Atténuation� Pour 2km la perte est : -112 dB

� Pour 5km la perte est : -122 dB




Atténuation en espace libre entre

deux antennes isotropiques:

α = 20 Log F + 20 Log d

F: fréquence en MHz

d: distance en km

Bilan de liaison

� Procédure à suivre pour réaliser un bilan de liaison :� Calcul de l’atténuation de parcours

� Intégration des pertes dues aux câbles

� Intégration des gains des antennes en émission réception

� Intégration de la puissance d’émission

� Intégration des phénomènes évoqués plus haut (pour un calcul en condition réelles, très difficile à évaluer)

ExempleNous souhaitons réaliser une liaison wireless sur une distance

de 5km.

Voici le matériel dont nous disposons :

� 2 Points d’accès Linksys WAP11 (puissance 100mW soit 20 dBm par AP)

� 2 antennes Parabole SD27 (gain 24 dB par antenne)

� 2 câbles AIRCOM de 2m (perte -0,44 dB par câble)

� 4 connecteurs (perte – 0,5 dB par connecteur)

Rappels sur le câblage :

Type de câble Perte /m

RG 174 - 2 dB

RG 58 - 1 dB

RG 213 - 0,6 dB

AIRCELL - 0,38 dB

LMR-400 - 0,22 dB

AIRCOM - 0,21 dB

Chiffrons l’exempleAtténuation de parcours :� α = Lp = 32,4 + 20 Log (2450) + 20 Log (5) � Lp = 114 dB

Puissance reçue:� Pr = Pt – Lp + Gt + Gr + Lt + Lr� Pr = 20 – 114 + 24 + 24

+ (- 0,44 – 1) + (-0,44 - 1) � Pr = - 48.88 dBm

� Règle: pas en dessous de – 90 dBm

� distance maximale exploitable en milieuparfait, sans obstacles : � pour du matériel de base : environ 1,5km� avec des antennes : environ 580 km

Pr = puissance reçue (dbm)

Pt = puissance de l’émetteur (dbm)

Lp = atténuation de parcours

Gt = gain de l’antenne en émission (dBi)

Gr = gain de l’antenne de réception (dBi)

Lt = perte du câble côté émission (dB)

Lr = perte du câble côté réception (dB)

Antennes

Ex: Antenne filaire ¼ onde

Rôle: Amplification du signal

� Gain

•à l’émission

•à la réception

Dimensions: proportionnelles

à la longueur

d’onde/fréquence

Antennes Omnidirectionnelles

Antennes Directionelles

www.odessaoffice.com

Antenne parabole

Antenne panneau

Antenne hélicoïdale

e.g. antenne de 14 dB

avec 40° d'ouverture

Line of Sight (LOS)

Apparemment une ligne droite entre émetteur et récepteur…

Zone de Fresnel

Série d’ellipses concentriques autour du LOS

d=distance du lien en milesf=frequence en Ghzr=en feet

Ex, pour 5 miles (8,35km), à 2,4 Ghz le rayon est de 31,25feet (9,52m)

Equivalent Isotropic Radiated Power

(EIRP) � PIRE en français

� C’est la puissance effectivementémise par l’antenne

� Elle tient donc en compte le gain apporté par l’antenne

� C’est la valeur qui est règlementée

Sur la France

� Le wifi sur la bande du 2.4GHz est libred'emploi en intérieur et exterieur, unelimitation des puissance du matériels est en place :

� En intérieur :100mW de PIRE sur tout la bande.

� En extérieur :100mW de PIRE sur la plage 2400-2454MHz10mW de PIRE sur la plage 2454-2483.5MHz

� La mise en place de liaison entre node est autoriséaprès l'envoi d'un dossier auprès de l'ART.

http://www.arthttp://www.art--telecom.fr/publications/lignedir/indextelecom.fr/publications/lignedir/index--ldrlan250703.htmldrlan250703.htm

Les risques sanitaires

� Effets Thermiques� Le phénomène de résonance :Les effets thermiques, peuvent être amplifiés si les

fréquences auquelles le corps est soumis, est prochedes fréquences de résonance du corps. Pour un adulte :

70 MHz isolé du sol 35 MHz sur la terre

� Fréquence de résonance d'un cerveau ~ 400 MHz � Puissance d’émission:

� WiFi: <100mW� DCS : < 1W� GSM : < 2W � Antennes GSM : 20 à 50 W � Emetteur de la tour Eiffel : 6 MW !

http://http://wifi.erasme.orgwifi.erasme.org

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