Phénomènes de propagation

Phénomènes de propagation 

Trajets multiples, étalement du délai et évanouissements 

Dans un contexte de liaison sans fil, les signaux transitent à travers des environnements non contrôlés, ce qui oblige la conception de techniques performantes pour faire face à divers phénomènes de propagation des ondes. Aux fréquences qui nous intéressent pour des communications mobiles, les dimensions des obstacles sont du même ordre de grandeur que la longueur d’onde. Il en résulte des phénomènes complexes de réflexion qui se traduisent par des modifications du signal initial sur des caractéristiques comme l’amplitude et la phase. Le phénomène de réflexion sur des surtàces irrégulières introduit l’émission de plusieurs répliques du signal initial avec des caractéristiques différentes et provoque ainsi des effets non désirables sur le signal envoyé. Ceci introduit également de manière générale un délai des répliques par rapport au temps d’arrivée du trajet principal. De plus, on doit préciser que le phénomène de diffusion est le cas limite d’une réflexion pour laquelle aucune direction privilégiée ne peut être identifiée. Enfin, la diffraction intervient lorsque les dimensions de l ‘obstacle ne sont plus infiniment grandes devant la longueur de d’onde. Ce phénomène est un évènement majeur dans la propagation des signaux pour des communications sans fil en zone urbanisée, où la vue directe (Line-Of-Sight : LOS) entre émetteur et récepteur est une situation exceptionnelle (Baudoin & al., 2002).

Au niveau du récepteur, le signal reçu est constitué de plusieurs répliques du signal envoyé à des délais différents avec des caractéristiques en amplitude et en phase propres à chacun des trajets. Mathématiquement, nous pouvons modéliser ces phénomènes par la sommation des répliques du signal auxquelles nous appliquons des distorsions en amplitude en introduisant un délai pour chacune de ces répliques.

Ces phénomènes de propagation des ondes peuvent avoir un impact déterminant dans la réception des informations et nécessitent des traitements complexes pour y remédier. Cependant, ces phénomènes de réflexion, diffusion et diffraction ne sont pas les seuls perturbateurs dans notre liaison. Étant donné le contexte de communications sans fil, la mobilité du récepteur introduit ce que l ‘on dénomme l’effet Doppler.

Décalage fréquentiel de la porteuse (Effet Doppler)

Les diverses applications d’intérêt considèrent généralement la mobilité du récepteur et ainsi, la communication entre les terminaux ne s’effectue pas selon un trajet fixe. En effet, le récepteur mobile crée du mouvement entre les deux entités, ce qui provoque un décalage fréquentiel de la porteuse que 1′ on appelle 1 ‘effet Doppler (Rappaport, 2002). D’autre part, des facteurs comme le vent contribuent également à cet effet car ils provoquent des perturbations sur les signaux transmis. L’effet Doppler se mesure principalement en fonction du mouvement du récepteur par rapport à l’émetteur, qui est la plupart du temps considéré comme étant fixe.

Classification des modèles de canal et leurs caractéristiques 

La modélisation de canal est un sujet particulièrement étudié du fait qu’en général, dans les communications mobiles, cet élément est néfaste au bon fonctionnement de la liaison. En effet, l’émetteur ainsi que le récepteur sont des éléments connus par le concepteur. Toutefois, au niveau du canal, les informations le concernant sont généralement limitées et des hypothèses doivent être supposées. C’est d’ailleurs pour atteindre un traitement efficace ou quasi-optimal des perturbations du canal que les systèmes de communications actuels sont complexes. L’élaboration d’un système dépend donc principalement de l’état du canal considéré, ce qui rend sa modélisation très importante. Ces études ont donc abouti à de nombreux modèles de canaux dépendant du contexte de la communication et de toutes les hypothèses formulées. En effet, il existe une infinité de situations différentes mais, on peut utiliser des modèles ou gabarits pour classer ces environnements selon leur nature, comme par exemple un milieu urbain, rural, montagneux, forestier… Ainsi, dans la plupart des cas, nous retrouvons les effets de multitrajet provoqués par les phénomènes de propagation des ondes.

Une caractéristique très importante dans la modélisation de canal est la considération d’un des trajets qui est en vue directe (Line-Of-Sight: LOS). Cette caractéristique est une des hypothèses principales dans l ‘élaboration du récepteur. Naturellement, nous avons la situation où l’on suppose qu’il n’y a pas de trajet en vue directe (Non-Line-OfSight : NLOS), ce qui est fréquemment le cas dans des contextes de communications mobiles (Rappaport, 2002).

L’hypothèse la plus importante dans la modélisation de canal est la nature des évanouissements. En effet, dans une première catégorie, nous avons les évanouissements uniformes en fréquence (flat fading) (Rappaport, 2002), qui se traduisent par une réponse en fréquence constante et une phase linéaire pour une largeur de bande plus grande que celle du signal transmis; c’est donc un canal à large bande. L’étalement du délai (delay spread) y est inférieur à la période d’un symbole. Les modèles pour des évanouissements uniformes en fréquence communément utilisés (Rappaport, 2002) sont ceux de Rayleigh pour des cas sans trajet en vue directe, et celui de Rice quand le canal comprend un trajet en vue directe.

La seconde catégorie est celle des modèles à évanouissements dispersifs en fréquence (dispersive fading) (Rappaport, 2002). Dans ce cas, les caractéristiques de gain constant avec une phase linéaire sont valides pour une largeur de bande inférieure à celle des symboles. Ainsi, l’étalement du délai sera supérieur à la durée d’un symbole ce qui provoquera un empiètement des différentes répliques du signal entre elles. Ceci crée de ce fait des effets constructifs et destructifs sur le signal, ce que l’on appelle les interférences entre symboles (lES). Pour les modèles à évanouissements dispersifs en fréquence, le modèle de Rummler (Rummler, Coutts, Liniger, 1986) qui considère un trajet en vue directe est généralement utilisé.

Il est donc nécessaire de faire le choix d’un modèle particulier pour effectuer l’élaboration de notre système. Cependant, un modèle de canal représente un cas bien défini dans un contexte de communications mobiles. Par contre, il est difficile d’accepter qu’il n’y aura qu’un seul cas de figure. Un groupe de travail a donc été mis en place pour étudier spécifiquement les modèles de canaux sans fil, pour tenter de créer un modèle représentant la plupart des situations rencontrées.