Environnement des systèmes de radiocommunication

Le terme Wireless ou sans-fil est devenu très attractif aussi bien dans le domaine du grand public que dans le domaine industriel. Cette expression synonyme de liberté et de magie accorde aux systèmes la possibilité de communiquer sans les figer. Ces systèmes se trouvent aussi bien dans l’Airbus A380 que dans une simple « souris» de PC. Le futur prévoit non seulement des véhicules communicants (Car-to-Car) mais aussi des transmetteurs intelligents capables de s’adapter à leur environnement. Les systèmes sans-fil évoluent au rythme des avancées technologiques atteintes dans toutes les disciplines scientifiques ; Traitement de signal, micro-électronique, nanotechnologie, logiciels, mathématiques …

Communiquer une information devint un besoin fondamental pour les grandes nations, tel fut le cas pour la chine 4000 av.J-C qui créa le service postal. Ce service se développa au cours des civilisations jusqu’à atteindre un besoin accru d’aller encore plus vite et plus loin. Une information peut être décisive pour l’avenir d’une nation, d’une entreprise ou d’une personne. En mars 1896, Alexandre Popov fait la première expérience à l’université de SaintPétersbourg du téléphone sans-fil. Un an plus tard Guglielmo Marconi déposa le premier brevet (1897) et créa la première compagnie (1907) de téléphonie sans-fil.

Aujourd’hui les liaisons permettant l’acheminement de l’information sont devenues très complexe. Des réseaux à support électrique, optique, électromagnétique et mécanique sont mises en oeuvre pour connecter en temps réel des personnes ou des systèmes aux quatre coins du monde.

Les réseaux sans-fil sont classés selon les distances des liaisons radiofréquences (RF). Le WPAN (Wireless Personal Aera Network) permet de relier des gadgets tel que le kit main libre, l’appareil photo, l’imprimante, le PC ou le PDA. Les systèmes qui réalisent ce type de liaison se nomment actuellement Bluetooth et HomeRF. Ils opèrent dans la bande ISM (Industriel, Scientifique, et Médical) avec une portée de quelques mètres.

Toujours dans la bande ISM, le réseau WLAN (Wireless Local Aera Network) parmi ces standards on trouve le Wi-Fi, permet aux systèmes de se connecter entre eux ou au réseau internet. La distance de liaison sans-fil est de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de mètres. Les systèmes Radiocom2000, AMPS, TACS, NTM, GSM, DCS, DECT, NADC, CDMAone, PDC, PHS, GPRS, EDGE, UMTS, LTE, WiMax sont des systèmes de téléphonie mobile. Ils sont classés dans les réseaux métropolitains WMAN (Wireless Metropolitain Aera Network). Ces systèmes permettent des liaisons à des distances de quelques Km à quelques dizaines de Km avec des débits de l’ordre de 100Mbits/s pour les dernières générations.

Sur le support RF c’est une onde électromagnétique qui transportera l’information. L’amplitude, la phase et la fréquence de cette onde sont utilisées pour la moduler. Cette onde est transmise depuis le système vers le canal de propagation par une ou plusieurs antennes. La géométrie de l’antenne dépendra de la fréquence porteuse. La fréquence de liaison est attribuée par un organisme qui régule l’utilisation des ressources spectrales. Cependant, l’information elle est dite en bande de base c’est à-dire pas loin des fréquences nulles alors que la fréquence porteuse peut être élevée selon les normes attribuées au système. Pour cela une transposition de bande de base vers la fréquence porteuse est nécessaire lors de l’émission. L’inverse aussi est essentiel pour la réception.

L’émetteur et le récepteur assurent l’acheminement des informations en modulant et démodulant l’onde électromagnétique. Ces dispositifs sont soumis à des différentes contraintes d’utilisation. Parmi ces contraintes on trouve l’intégration, le débit, la sensibilité, les canaux perturbateurs proches, le bruit, l’évanouissement, le canal de propagation et l’autonomie. C’est pour cela que différentes architectures de transmetteurs ont été conçu pour répondre au mieux aux besoins de l’utilisateur.

La théorie nous informe, selon la relation de Shannon qui définit l’expression de la capacité, que si nous souhaitons augmenter linéairement le débit d’un canal (optique, électrique ou électromagnétique), il faudra augmenter sa bande passante (en conservant un rapport signal sur bruit constant). C’est ce que la technique UWB (Ultra Wide Band) propose comme solution pour les canaux de propagation électromagnétique. Par contre, à bande passante fixe, il a fallu jouer avec le paramètre spatial pour augmenter la capacité. En effet, on démontre qu’il est possible d’accroître linéairement la capacité d’un canal en utilisant plusieurs émetteurs-récepteurs transmettant des signaux dans la même bande de fréquence. Ce qui permet de créer l’équivalent de plusieurs transmetteurs en parallèle et ainsi d’augmenter d’une manière significative la capacité du canal. Cette technologie est connue sous le vocable MIMO (Multiple Input Multiple Output) et a suscité de nombreuses études pendant ces dernières années.

Transmettre de l’information d’un point à un autre sans-fil nécessite un système de radiocommunication. Ce système utilise le canal hertzien comme support physique. Au cours de sa propagation, l’onde transmise traverse différents types de canaux jusqu’à atteindre sa cible. Ces canaux affectent l’onde émise. Cela rend nécessaire l’étude des canaux de propagation. Les performances de transmission, comme on le montrera dans ce chapitre, dépendent considérablement des caractéristiques du canal. Selon les conditions d’observation, ces canaux peuvent être considérés comme statiques ou dynamiques. Nous présenterons dans ce chapitre les différentes modélisations d’un canal, ce qui permettra dans la suite de nos travaux d’appréhender le dimensionnement et la conception physique et logicielle de notre système de communication.

La propagation en espace libre 

Selon l’environnement de propagation, les influences du canal diffèrent. Le modèle d’espace libre permet d’avoir une première approche . Dans le cas d’une liaison en vue directe, connue aussi sous le terme LOS (Line Of Sight) entre l’émetteur et le récepteur, une ellipse appelée zone de Fresnel permet de cerner la validité du modèle espace libre dans un canal réèl. Effectivement, si cette zone n’est pas dégagée, le modèle n’est plus valable.

La propagation hors espace libre 

Les situations les plus courantes de propagation des systèmes de radiocommunication sont loin d’être en espace libre. Les obstacles de différentes formes géométriques et de diverses caractéristiques physiques perturbent la propagation. Ces perturbations se traduisent par des fluctuations de la puissance du signal reçu en fonction de la distance .

Les pertes en fonction de la distance et les effets de masquage [1] sont les phénomènes à l’origine de ces variations. La décroissance en 1/d est la principale perte de puissance. La densité de puissance se réduit au fur à mesure que l’onde s’éloigne de sa source jusqu’à atteindre l’antenne réceptrice. L’influence des obstacles rencontrés par l’onde varie selon leurs configurations.

En plus de la décroissance de la densité de puissance en fonction de la distance, entre l’antenne d’émission et l’antenne de réception, le signal subit deux types de pertes : pertes à petite et grande échelle.  les pertes à grande échelle définissent les fluctuations de la puissance moyenne mesurées sur un déplacement de plusieurs dizaines de longueurs d’onde. Les fluctuations à petite échelle sont observées sur un déplacement suffisamment petit (quelques longueurs d’onde). La présence d’obstacles dans l’environnement de propagation causant l’apparition de différentes répliques du signal émis au niveau du récepteur est la cause principale de ces variations. Selon leurs phases d’arrivée au niveau de l’antenne, la somme de ces répliques peut être constructive ou destructive. C’est la source du phénomène d’évanouissement. Ces obstacles naturels (sol, arbres, bâtiments, etc.) se trouvent sur le trajet de l’onde. Il en résulte une multitude de trajets et donc, une multitude d’ondes retardées, atténuées et déphasées au niveau du récepteur.