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Faisceau hertzien 1 Faisceau hertzien Relais hertzien Un faisceau hertzien est

Faisceau hertzien 1 Faisceau hertzien Relais hertzien Un faisceau hertzien est un système de transmission de signaux - aujourd'hui principalement numériques - mono-directionnelle ou bi-latérale et généralement permanente, entre deux sites géographiques fixes. Il exploite le support d'ondes radioélectriques, par des fréquences porteuses allant de 1 GHz à 40 GHz (gamme des micro-ondes), focalisées et concentrées grâce à des antennes directives. Ces émissions sont notamment sensibles aux masquages (relief, végétation, bâtiments…), aux précipitations, aux conditions de réfractivité de l'atmosphère, aux perturbations électromagnétiques et présentent une sensibilité assez forte aux phénomènes de réflexion (pour les signaux analogiques mais la modulation numérique peut, au moins en partie, compenser le taux d'erreur de transmission dû à ces nuisances). À cause des limites de distance géographique et des contraintes de "visibilité", le trajet hertzien entre deux équipements d'extrémité est souvent découpé en plusieurs tronçons, communément appelés "bonds", à l'aide de stations relais. Dans des conditions optimales (profil dégagé, conditions géoclimatiques favorables, faible débit, etc.), un bond hertzien peut dépasser 100km. Signal transmis Pour chaque liaison hertzienne bi-latérales, deux fréquences distinctes sont exploitées; elles correspondent à chacun des sens de transmission. La ressource hertzienne est saturée en raison des multiples applications exploitées (radiotéléphonie, télédiffusion, transmissions militaires ou de sécurité, etc.). Les bandes de fréquences représentent donc une ressource rare et leur exploitation est règlementée par certains organismes officiels nationaux et internationaux. Dans le cas d'un réseau composé de plusieurs bonds ou de liaisons géographiquement proches, certains problèmes d'interférences peuvent apparaître, affectant la qualité des transmissions ou pouvant nuire à d'autres transmissions. La définition d'un plan de fréquences est censé minimiser les perturbations tout en optimisant l'efficience de la ressource spectrale exploitée. Le signal source (vidéo, audio, données, texte, etc.) à retransmettre est transposé en fréquence par modulation. L'opération de modulation transforme le signal d'origine en bande de base, par un signal modulé dit "à bande étroite", dans une bande passante définie et conforme aux normes exploitées. En France, les modulations analogique (AM et FM) sont désormais remplacées par des normes numériques : • à 4 ou 16 états (QPSK, 4 QAM, 16QAM…) pour les signaux de type PDH • à 64 ou 128 états (64 QAM, 128 QAM…) pour les signaux de type SDH Le doublement du nombre d'états réduit pour un débit donné la bande passante nécessaire d'un facteur 2 (inversement pour une bande passante donnée, il permet de doubler le débit). En contrepartie, la moins bonne tolérance au bruit des signaux modulés suppose une réduction de la portée effective des liaisons. Le tableau suivant résume les largeurs de bande nécessaires, en fonction des débits numériques exploités en France ainsi que le type de modulation associée : Faisceau hertzien 2 Norme PDH PDH PDH PDH SDH Débit 2x2 Mbit/s 4x2 Mbit/s 8x2 Mbit/s 16x2 Mbit/s 155 Mbit/s 4 états 3,5 MHz 7 MHz 14 MHz 28 MHz - 16 états 1,75 MHz 3,5 MHz 7 MHz 14 MHz - 64 états - - - - 56 MHz 128 états - - - - 28 MHz Facteurs pouvant affecter la propagation Pour élaborer avec précision l'ingénierie de liaisons hertziennes en vue directe, il convient de suivre la recommandation UIT-R P.530-8 (ou supérieure), laquelle définit les paramètres de propagation les plus significatifs. Lorsqu'elle se propage, l’onde hertzienne subit principalement trois types d’atténuations : • Celle correspondant à son rayonnement en espace libre, laquelle est inévitable et toujours fixe (de l'ordre de 140 dB en général) et parfois aggravée par la présence d'obstacles. • Celle provenant des variations aléatoires des conditions climatologiques : guidage et précipitations (déperditions pouvant atteindre une trentaine de dB). • Celles engendrées par certains phénomènes d’interférences, conséquences de la réflexion principale ou de multi-trajets, de perturbations electromagnétiques, brouillages, fading... (déperditions pouvant atteindre une trentaine de dB). Propagation en espace libre et dégagement La station émettrice rayonne. Les ondes électromagnétiques véhiculent une énergie par unité de surface qui décroît comme le carré de la distance. De plus, sur l’ensemble du trajet parcouru par l’onde, il est impératif de veiller au dégagement de la liaison. Relief, végétation, bâtiment interceptant le faisceau entraînent des pertes dont il faut tenir compte. L’essentiel de l’énergie est concentrée dans la zone que l’on appelle « premier ellipsoïde de Fresnel ». L’étendue de cette zone (quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres) varie proportionnellement avec la longueur d'onde et la longueur de la liaison. On veille donc au dégagement de ce volume. Propagation en espace libre Faisceau hertzien 3 Réfraction atmosphérique Ce volume toutefois n’est pas fixe. Comme on le remarque sur le schéma suivant, il faut tenir compte pour la définition de cette zone des conditions de l’atmosphère le long du trajet de l’onde. En effet, les rayons ne se propagent pas en ligne droite, mais suivent préférentiellement les zones de fort indice électromagnétique, soit les couches de l’atmosphère les plus denses. C'est la réfraction atmosphérique. En fonction des paramètres climatiques, la disposition de ces couches change. Les rayons hertziens sont donc plus ou moins courbés vers la terre (super réfraction), ou au contraire, « pointent » vers le ciel (infra réfraction). Dans ce dernier cas, le dégagement de la liaison est rendu plus difficile. Il est donc nécessaire de mener des études statistiques pour quantifier la durée au cours de laquelle ces phénomènes pourront nuire à la qualité de la liaison, et avec quelle intensité. On remarque que pour l’ensemble des calculs, cela revient à donner une courbure moyenne au rayon. Une représentation commode, utilisée dans la figure suivante, est de faire comme si les rayons voyageaient toujours en ligne droite, et de courber en conséquence le profil des liaisons. Cela facilite notamment la description de la géométrie des rayons réfléchis. On introduit donc un « rayon terrestre apparent », tenant compte de la déformation virtuelle de la terre vis-à-vis des ondes propagées. Il est déduit du rayon réel par un paramètre, appelé «facteur K», traduisant le gradient vertical de coïndice de réfraction. Sa valeur médiane en Europe est d’environ 4/3. Deux représentations d'un profil radio-électrique: terre droite et faisceau non courbé (rose), terre courbée et faisceau droit (vert) Faisceau hertzien 4 Dégagement / diffraction L’ellipsoïde de Fresnel est parfois partiellement obstrué par un obstacle. On distingue habituellement trois types d’obstacle : • lame, pour des obstacles « minces », • rugueux, pour une paire d’obstacles de type « lame » • sphérique, pour des obstacles obstruant le faisceau sur une distance importante. Pour chacun, des méthodes de calcul permettent de prévoir l’atténuation supplémentaire à prendre en compte dans les bilans. Dans le cas où l’obstacle obstrue sur une portion trop importante le rayon, la liaison peut toujours être établie, mais cette fois-ci par diffraction (méthode de calcul spécifique). Guidage et précipitations Certaines caractéristiques du milieu propagateur sont donc « aléatoires ». Pour celles-ci, on a recours à des statistiques climatologiques (par ex. la concentration moyenne en vapeur d’eau). Il convient de considérer principalement deux phénomènes : Phénomènes de guidage Pendant un certain temps, les conditions atmosphériques peuvent entraîner un guidage du faisceau, généralement en super réfraction. Le résultat est alors similaire à un dépointage d’antenne. La probabilité d’occurrence, sur le mois quelconque, de ces «évanouissements non sélectifs» est donnée dans l'UIT-R P.530-8 par un paramètre statistique appelé facteur PL (de 2% à 30% en France). Dans les dernières versions des avis UIT-R P.530, un autre paramètre est utilisé : le gradient dN1. Ce phénomène de guidage est dimensionnant dans l'ingénierie des liaisons dont la bande fréquence est inférieure à 15GHz. Il réduira la longueur possible du bond pour des exigences de disponibilité données. Atténuations dues aux hydrométéores Pour les FH de fréquence supérieure à 8 GHz, les précipitations entraînent des pertes également considérables, d’autant plus que le taux de précipitation (en mm/h) et la fréquence sont élevés. De plus, la phase de ces précipitations influence également l'atténuation du signal. Ainsi la neige, qui a une très petit constante diélectrique, a beaucoup moins d'influence que des gouttes de pluie de même masse. La neige fondante, d'autre part, allie le large diamètre des flocons et le coefficient de la pluie pour créer un obstacle plus important que les deux séparément que l'on nomme la bande brillante. Ainsi le passage d'une onde de 10 cm dans cette bande rencontre de trois à 30 fois plus d'atténuation que dans la pluie sous la bande[1]. En France, l'intensité de pluie dépassée 0,01% du temps varie, selon la région, de 22 à 60 mm/h sur l'année moyenne. Ce phénomène de précipitation est donc dimensionnant dans l'ingénierie des liaisons dont la bande fréquence est supérieure à 8 GHz. Il réduira la longueur possible du bond pour des exigences de disponibilité données. L'onde est également partiellement dispersée sur la polarisation croisée (phénomène de transpolarisation). Atténuation et transpolarisation sont plus marquées pour un signal en polarisation H (horizontale). Faisceau hertzien 5 Réflexion, trajets multiples Le signal reçu est la somme du signal principal, et de tous les signaux réfléchis (sur le sol, la végétation, et surtout les étendues d’eau). Les interférences générées entre tous ces signaux uploads/Geographie/ fh 1 .pdf