Wireless Networks Réseaux sans-fil. Radio Frequency (RF) : Fondamentaux

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1 Wireless Networks Réseaux sans-fil Radio Frequency (RF) : Fondamentaux stephane.frati@unice.fr

2 Radio Frequency (RF) Fondamentaux Gains & pertes (Loss) Réflexion Réfraction Absorption Diffraction Scattering Taux d ondes stationnaires (TOS/VSWR) Amplifications & atténuations

3 Le sans fil Un même besoin: la liberté! 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 MHz Bluetooth , Hiperlan

4 Global Wireless Standards WAN IEEE (proposed) IEEE WirelessMAN IEEE WirelessLAN IEEE Bluetooth MAN LAN PAN ETSI HiperLAN ETSI HiperPAN 3GPP, EDGE (GSM) ETSI HiperMAN & HIPERACCESS

5 Radio fréquences une image à garder en tête

6 Onde électromagnétique se propageant dans le vide

7 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

8 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/ λ Notes : 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.

9 Le gain

10 Les pertes (loss)

11 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).

12 Phénomènes - L atténuation Ploss = 10 Log (4 π d / λ) ^2 d : distance en m Lambda : longueur d onde en m

13 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.

14 Absorption

15 Phénomènes - La réfraction Une onde électromagnétique traversant différents milieux change de direction et ce proportionnellement à l indice de réfraction des milieux traversés.

16 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.

17 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 Wall Reflected Path Direct Path Reflected Path Paroie de bureau

18 Interférences MultiPath

19 Chemins multiples Les antennes du point d accès Eviter les interférences Deux antennes Diversity Signal 2 Copies du signal envoyées avec une puissance différente Signal 1 Primary Secondary Les copies les plus faibles sont rejetées Receiver Une antenne peut être dans une zone d ombre, mais pas les deux Signal 3

20 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.

21 Chemins multiples Diffraction Plusieurs copies du signal arrivent à destination Nulls Les copies du signal créent des interférences et même des zones d ombre

22 Diffraction

23 Scattering/Dispersion Quand l onde rencontre des objets dont la taille n est plus négligeable comparativement à la longueur d onde du signal.

24 Voltage Standing Wave Ratio Taux d ondes stationnaires Toujours utiliser du matériel avec l impédance préconisée sous peine de destruction de l émetteur!

25 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.

26 Puissance dbm C'est une relation mettant en rapport le Gain (en db) et la puissance (en mw à une impédance de 50 Ohms) P = Puissance en mw

27 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 polarisations générés par des champs électriques et/ou magnétiques. Les antennes Isotropiques n'existent pas physiquement mais représentent un moyen pratique d'exprimer les propriétés directionnelles d'antennes physiques. La conversion entre db et dbi est simple, 0 db = 2.14 dbi

28 Abaque - Atténuation Pour 2km la perte est : -112 db Pour 5km la perte est : -122 db Pour 10km la perte est : -127 db Pour 50km la perte est : -141 db Pour 100km la perte est : -146 db Atténuation en espace libre entre deux antennes isotropiques: α = 20 Log F + 20 Log d F: fréquence en MHz d: distance en km

29 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)

30 Exemple Nous 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 db RG 58-1 db RG 213-0,6 db AIRCELL - 0,38 db LMR-400-0,22 db AIRCOM - 0,21 db

31 Chiffrons l exemple Atténuation de parcours : α = Lp = 32, Log (2450) + 20 Log (5) Lp = 114 db Puissance reçue: Pr = Pt Lp + Gt + Gr + Lt + Lr Pr = (- 0,44 1) + (-0,44-1) Pr = dbm Règle: pas en dessous de 90 dbm distance maximale exploitable en milieu parfait, 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)

32 Antennes Rôle: Amplification du signal Gain à l émission à la réception Ex: Antenne filaire ¼ onde Dimensions: proportionnelles à la longueur d onde/fréquence

33 Antennes Omnidirectionnelles

34 Antennes Directionelles Antenne parabole e.g. antenne de 14 db avec 40 d'ouverture Antenne panneau Antenne hélicoïdale

35 Line of Sight (LOS) Apparemment une ligne droite entre émetteur et récepteur

36 Zone de Fresnel Série d ellipses concentriques autour du LOS d=distance du lien en miles f=frequence en Ghz r=en feet Ex, pour 5 miles (8,35km), à 2,4 Ghz le rayon est de 31,25feet (9,52m)

37 Equivalent Isotropic Radiated Power (EIRP) PIRE en français C est la puissance effectivement émise par l antenne Elle tient donc en compte le gain apporté par l antenne C est la valeur qui est règlementée

38 Sur la France Le wifi sur la bande du 2.4GHz est libre d'emploi en intérieur et exterieur, une limitation des puissance du matériels est en place : En intérieur : 100mW de PIRE sur tout la bande. En extérieur : 100mW de PIRE sur la plage MHz 10mW de PIRE sur la plage MHz La mise en place de liaison entre node est autorisé après l'envoi d'un dossier auprès de l'art. telecom.fr/publications/lignedir/index-ldrlan htmldrlan htm

39 Les risques sanitaires Effets Thermiques Le phénomène de résonance : Les effets thermiques, peuvent être amplifiés si les fréquences auquelles le corps est soumis, est proche des 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!