Université Mohammed Premier École Nationale des Sciences Appliquées d Oujda

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1 Univesité Mohammed Pemie École Nationale des Sciences Appliquées d Oujda Cous de la 5 ème Année : Cycle d Ingénieus Module 5M4 Vesion 1.0 (Septembe 2009) Réseaux sans fil Ch I : Généalité su les Réseaux sans fil. Ch II : Tafic et Potocoles d Accès. Ch III : Ingénieie et Concept Cellulaies. Ch IV : Popagation en contexte Radio-Mobile: Bilan de Liaison. Ch V : Système GSM. Ch VI : Systèmes GPRS & EDGE. Ch VII : Réseaux Pivés : DECT, Bluetooth, WiFi. Ch VIII : Modulations Numéiques utilisées en éseaux sans fil. Ch IX : TDMA, FDMA, CDMA. Ch X : Canaux Radio-Mobiles. Ch XI : Satellites. Ch XII : Systèmes Mobiles UMTS / IMT2000. Ch XIII : Ves la quatième généation. 1

2 2

3 Specte adioélectique (1/4) 3

4 Specte adioélectique (2/4) 4

5 Specte adioélectique (3/4) 5

6 Specte adioélectique (4/4) 6

7 Specte adioélectique (4/4) 7

8 Canal de tansmission (1/1) Un canal de tansmission est un suppot qui pemet la tansmission de l infomation : * Câbles coaxiaux; * Guides d onde; * Fibes optiques; * Espace libe; * On s intéesse ici à la popagations en espace libe. Faisceaux hetziens. 8

9 Espace libe (1/2) Pas de petubations (absoption, éflexion, éfaction, diffaction, ); Coefficient de éflexion négligeable; À la éception, le signal est fonction uniquement de la distance d ente l émetteu et le écepteu : 9

10 Espace libe (2/2) 10

11 Popagation des ondes électomagnétiques (1/4) En l absence de chages et de couants, les champs électique et magnétique sont solutions de l équation de Helmholtz : ( k ) E = 0 ( k ) H = 0 Ondes planes; Ondes sphéiques, Ondes cylindiques 11

12 Pou une onde plane (qui se popage sans pete) : Popagation des ondes électomagnétiques (2/4) ). ( 0 ). ( 0 k t j k t j e H H e E E = = ω ω 12

13 Popagation des ondes électomagnétiques (3/4) Impédance d onde (cas sans pete) : Z = E H = E H 0 0 = µ ε En espace libe : Z 0 µ 0 = = 377Ω ε 0 Vitesse de phase : ω ν = = k 1 εµ 13

14 Popagation des ondes électomagnétiques (4/4) L alignement du vecteu champ électique d une onde plane elativement à la diection de popagation définit la polaisation de l onde. Linéaie Ciculaie Elliptique 14

15 Champs électomagnétiques (1/2) Les champs E et H sont othogonals; Vecteu de Poyntings : P = E H Souce 15

16 Champs électomagnétiques (2/2) 16

17 Atmosphèe (1/2) Composition de l ai atmosphéique (0 à 1 km) : Ai atmosphéique = Ai sec + Vapeu d eau Homogènéisé pa la tubulance Tès vaiable (changements d état faciles) Ai sec Constituant Masse molaie % Volumique N ,08 O ,95 A 40 0,934 CO ,033 Autes éléments sous fomes de taces. Vapeu d eau ( HO 2 ) 18 Tès vaiable 1% 17

18 Atmosphèe (2/2) On peut taite l atmosphèe comme un mélange de gaz pafaits en équilibe hydostatique Pession au sol (niveau de la me) 1013 hpa Décoissance 0,1 hpa/m Tempéatue généalement décoissante avec l altitude : dt/dh - 6,5 /km Indice de éfaction de l ai (fomule semi-empiique): n = , ( P/T e/t 2 ) P : Pession atmosphéique (hpa). e : Pession patielle de vapeu d eau (hpa). T : Tempéatue (K). 18

19 Méthode du ayon teeste équivalent (1/1) R R Géométie éelle Géométie équivalente Rayon fictif de la tee : on considèe une popagation ectiligne avec une coubue difféente R km est le ayon de la tee. On pose : R = K. R 0 On monte que K = dn dh R 0 Pou l atmosphèe standad, on touve : K = 4/3 et R = 8500 km. 19

20 Popagation (1/4) La popagation est un tansfet d'énegie sans tansfet de matièes. La popagation en visibilité Liaisons utilisent des féquences élevées dans le domaine des ondes centimétiques ou millimétiques; L émetteu et le écepteu sont en visibilité l'un pa appot à l'aute; Les petubations induites pa la pésence du sol ou de l'atmosphèe peuvent inteveni (quand même); Liaisons sol-sol, liaisons sol-espace; Liaison su laquelle la diffaction peut ête négligée : dégagement du 1 e ellipsoïde de Fesnel (voi plus loin). 20

21 Popagation (2/4) La popagation en non visibilité Obstacle ente l émetteu et le écepteu; La popagation du signal gâce à difféents phénomènes : * La diffaction : - Diffaction su un sol sphéique (cas des gandes ondes de 10 khz à quelques dizaines de MHz); - Diffaction su une aête (cas des ondes centimétiques); * La diffusion : - Couches basses, diffusion toposphéique (quelques centaines de MHz à 1 GHz); - Couches élevées, diffusion ionosphéique (30 et 60 MHz); 21

22 Popagation (3/4) La popagation en non visibilité La popagation du signal gâce à difféents phénomènes : * La éflexion : - éfaction dans la ionosphèe, utilisée pou de liaisons à tès gande distance (2 et 30 MHz); * La tansmission : - Obstacle est en patie "tanspaent" vis à vis de l'onde émise; * La éfaction : - popagation coubée de l'onde émise due à la vaiation de l'indice atmosphéique; 22

23 Popagation (4/4) 23

24 Tavaille en bande étoite (1/1) Antennes ésonantes; Dimensions éalisables; Tanslation des féquences; Antennes; 24

25 Antennes (1/4) Zone de Rayleigh : Zone de champ poche, la densité de puissance est quasi-constante Zone de Fesnel : la densité de puissance est fluctuante, Zone de Faunhoffe : Zone de champ lointain, les champs sont ayonnés sous la fome d'onde plane, > la densité de puissance décoît en

26 Antennes (2/4) Antenne isotope : * Rayonnement identique dans toutes les diections. * Diagamme de ayonnement est une sphèe centée su l'antenne. * Antenne de éféence, mais iéalisable. La Puissance Isotope Rayonnée Equivalente : PIRE = La densité de puissance à une distance d est égale à : W/m 2 P e est la puissance d émission. G e est le gain de l antenne d émission. 26

27 Antennes (3/4) L ouvetue effective (l ai équivalente) A et le gain de l antenne de éception G sont liés pa la elation suivante : G A = 4π 2 λ Le gain maximal G e d une antenne paabolique de diamète D est : où η est le endement de l antenne. Pou une antenne diective, le gain et la puissance eçue dépendent de la diection (θ,ϕ), on définit la diectivité pa l expession : ( ϑ, ϕ) D = P P ( ϑ, ϕ) 4π 27

28 Antennes (4/4) Diagamme de ayonnement : * C est une epésentation gaphique de la vaiation des popiétés de ayonnement d une antenne en fonction des coodonnées dans l espace. * Les popiétés de ayonnement inclus la densité de puissance, l intensité de ayonnement, la foce du champ ou la valeu de la diectivité. * Repésentation catésienne (2D ou 3D), polaie ou sphéique. Rayonnement isotope Rayonnement diectif 28

29 Bilan en espace libe (1/5) G e G P e L P Émetteu Récepteu L = L epésente les petes dans l espace. G e et G sont espectivement le gain de l antenne émettice et celui de l antenne éceptice. 29

30 P R = P e G e G L L a Bilan en espace libe (2/5) G e G P e L P Émetteu Récepteu P = = = 30

31 P R = P e G e G L L a Bilan en espace libe (3/5) G e G P e L P Émetteu Récepteu Si on a d autes types de petes pa example L a (petes dans l atmosphée) on écit : P = P e G e G L L a 31

32 P R = P e G e G L L a Bilan en espace libe (4/5) Buit themique : Le buit themique est dû au mouvement des électons dans les conducteus. Considéé comme buit blanc, additif et Gaussien (AWGN). Pou des féquences tq h. f << k. T on écit : N = k T B (W) N 0 = k T (W/Hz) N 0 : Densité unilateale de puissance. k : Constante de Boltzmann. T : Tempéatue de buit en Kelvin. B : Bande de féquence en Hz. h : Constante de Planck 32

33 P R = P e G e G L L a Bilan en espace libe (5/5) Si on designe pa E b l énegie pa bit et R b le débit binaie, la puissance eçue s écit : P = E b R b Le appot signal su buit : G T : Sensibilité du écepteu qui est une caactéistique tès impotante pou qualifie la chaîne de éception On généal, on ajoute une mage de sécuité M au niveau de la liaison : P N R 0 eq P N R 0 = M P N : Le appot signal su buit equit. R 0 eq 33

34 P R = P e G e G L L a Espace non libe (1/3) Non visibilité (pas de dégagement ente l'émetteu et le écepteu) Diffaction. Réfaction. Diffusion. Multitajets. 34

35 P R = P e G e G L L a Espace non libe (2/3) Plusieus modèles : Le modèle Cost Hata. Le modèle d'okumua Hata est applicable pou les féquences GSM (900 MHz et 1.8 GHz) En zone ubaine : Dans les zones uales, il suffit de ajoute un teme coectif. 35

36 P R = P e G e G L L a Espace non libe (3/3) Modèle d'okumua Hata 36