Présentation « Radio Mobile »
Gaëtan, ON4KHG
11 février 2006
Section ATH
Agenda
Première partie : Propagation troposphérique
Troposphère
Espace libre – « Line of sight »
Réfraction
Inversion de température et « Ducting »
Diffraction
Troposcatter
Résumé
Modèles de simulation de couverture
Probabilité (variabilité) de liaison
Deuxième partie : « Radio Mobile »
Introduction
Modèle Longley-Rice
Caractéristiques d’un signal mobile
Exemples
Démonstration pratique
Première partie
Propagation Troposphérique
Propagation - Troposphère
VHF = Troposphère
Propagation – Espace libre / LOS (1)
Perte en espace libre : Lp (dB) = 32,45 + 20 Log f (MHz) + 20 Log d (km)
Bilan de liaison : Pr (dBm) = Pt (dBm) - Lp (dB) + Gt (dBi) + Gr (dBi) - Lt (dB) - Lr (dB)
Exemple @ 144 MHz – distance 10 km – Antennes dipôles (2,15 dBi) – pertes
dans les câbles négligeables (Lt & Lr = 0 dB) – Puissance Pt = 10W (ou 40 dBm)
Quelle est la valeur de la puissance reçue Pr ?
1) Lp = 32,45 + 20 Log (144) + 20 Log (10) = 32,45 + 43,20 + 20 = 95,65 (dB)
2) Pr = 40 – 95,65 + 2,15 + 2,15 – 0 – 0 = -51,35 dBm
Si seuil de bruit du RX = -138 dBm (2,5 kHz BW + 2 dB NF) => Pr est 86,65 dB au
dessus du bruit.
S0 = -138 dBm / S1 = -132 dBm / S2 = -126 dBm / ... / S9 = -84 dBm
Pr = -51,35 dBm équivaut à S9+32 dB ( /seuil de bruit du RX)
Propagation – Espace libre / LOS (2)
Perte en espace libre : Lp (dB) = 32,45 + 20 Log f (MHz) + 20 Log d (km)
Si la distance est doublée, que se passe-t-il ?
Lp (dB) = 32,45 + 20 Log f + 20 Log 2d
Lp (dB) = 32,45 + 20 Log f + 20 Log d + 20 Log 2
20 Log 2 = 6 (dB)
Chaque fois que la distance est doublée, la perte d’espace libre augmente de 6 dB
Propagation – Espace libre / LOS (3)
Entre un TX et un RX à vue => la perte d’espace libre est applicable
Horizon optique (km) : √(12,75.h) (h en m)
Exemple : une antenne à 20 m de haut par rapport à un sol plat a son
horizon optique à 15,9 km
Pourtant, on peut « aller » (couvrir) plus loin, pourquoi ?
Réfraction (1)
n1
n2
Incidence normale - réfringent -> + réfringent + réfringent -> - réfringent
Pas de réfraction
H
n : indice de réfraction
Quand l’altitude augmente,
l’indice de réfraction de la Tropo
diminue => moins réfringent
n Troposphère
Réfraction (2)
n3
r n2
i n1
n1 > n2 > n3
De TX -> RX : réfractions successives + réflection totale
Réfraction : loi de Snell-Descartes => n1.sin (i) = n2.sin (r)
Le signal TX est infléchi vers la terre
Réfraction (3)
Indice de réfraction de la Troposphère : n ~1
Indice de réfraction radio de la Troposphère : N = (n-1).106
T : température (K)
p : pression atmosphérique (mb)
e : pression de vapeur d’eau (mb)
Valeur typique en « atmosphère standard » : N = 301
et dN/m = 0,039 (décroissance de N en fonction de l’altitude)
Réfraction (4)
On définit le Rayon Effectif de la Terre : RE = k.R (1)
R : rayon de la Terre (6370 km)
k = 0,157 / (0,157 – dN/m) (2)
4 cas :
A : dN/m inversion de température (de rayonnement) !
Autres facteurs : humidité, pression atmosphérique et réflectivité du sol (cf formule de N).
Inversion de température – Ducting (2)
« Elevated duct »
H
Terre ou Mer
Ne dépend pas de la réflectivité du sol
N Troposphère
Signal emprisonné dans un conduit avec ± atténuation d’espace libre
Distance : jusqu’à 4000 km sur trajet maritime; 2000 km sur trajet terrestre
Inversion de température – Ducting (3)
Un « Duct » ne canalise pas toutes les fréquences de la même manière
Fréquence Epaisseur Min du Duct
50 MHz 400 m
144 MHz 200 m
432 MHz 100 m
1296 MHz 50 m
Un Duct est plus fréquent sur les fréquences supérieures
Il faut des situations favorables (angle d’incidence) pour entrer dans un Duct
Duct ≈ Guide d’onde
Des Ducts exploitables sont présents quelques % du temps seulement
Mais alors comment peut-on réaliser des QSO’s à 600-800 km même
par propagation normale ?
Inversion de température – Ducting (4)
Inversion de subsidence : haute pression > air froid (lourd) descend vers le sol
> remplacé plus haut par de l’air chaud (plus léger) > au niveau du sol,
l’air comprimé s’échauffe > chaud/froid/chaud = inversion et « elevated duct »
Inversion d’advection : (advection = déplacement horizontal) Air chaud et humide
(océan) arrive sur sol froid et se refroidit à sa base > inversion et « surface duct »
Si condensation de l’humidité > brouillard typique de bonne propagation
Inversion de rayonnement : Cf slide inversion de température – Ducting (1)
Inversion de passage de front : masse d’air chaud légère et humide poussée
par une masse froide et dense > air chaud plus léger passe au dessus de l’air
froid > inversion et « surface duct ». Courte durée et changement de temps
Diffraction (1)
Diffraction de couteau (« Knife-edge diffraction ») :
Après l’obstacle, pas de zone d’ombre (sans
signal) mais présence d’un signal diffracté
(atténué)
Cf analogie hydraulique
Obstacle
Diffraction (2)
Diffraction sur la surface terrestre et son relief => portée supérieure à
l’horizon radio sans l’aide « ducting » ou super-réfraction !
Mais perte d’espace libre plus applicable (« diffraction losses ») car signal
dirigé dans plusieurs directions > une partie seulement du signal est dirigé
dans une direction utile (atténuation élévée)
Exemple : « Trans-Alp Propagation » (TAP) => diffraction sur sommets des
Alpes
Troposcatter (1)
Troposphère :
Pas uniforme
Différences de température, pression et humidité toujours présentes
Turbulences, cellules de convection, vents, nuages
En haute Troposphère (Tropopause), moins d’humidité
=> Variations locales et ponctuelles de l’indice de réfraction N
=> Diffusion (« scattering ») des signaux RF
=> Scattering est fonction de la taille de l’irrégularité / λ
=> Atténuation élévée
Scattering
Troposcatter (2)
Irrégularités locales de N
Diffusion (« scattering »)
10 km
357 km
@ 10 km => horizon optique = 357 km
Limite A-B : 700-800 km
Résumé (1)
Quand ? Propagation QSB Signaux Distance Station
Tous les jours • Horizon radio Moyen Faibles 700-1000 km Moyenne - QRO
• Diffraction relief
• Troposcatter
Rare ou peu • Horizon radio Lent Moyens - 2000 km (T) QRP - Moyenne
fréquent • Diffraction relief Puissants 4000 km (M)
• Ducting
Propagation VHF = phénomènes Météo
Résumé (2)
Autres modes de propagation VHF :
E sporadic (été)
Aurore boréale (autour du max du cycle solaire)
Meteor-scatter (tous les jours)
EME (Earth-Moon-Earth) – (tous les jours )
FAI (Field-Aligned Irregularities) – (été)
Iono-scatter (été)
TEP (Trans-Equatorial Propagation) – (pas en ON)
RS (Rain-Scatter) – (été, orage)
Airplane-scatter (tous les jours)
... ?
Modèles de simulation de couverture
Equations mathématiques (algorithmes)
Calculs facilités par l’emploi d’ordinateurs
Différents modèles : BBC, Okumura-Hata, Longley-Rice, ITU xx,...
Utilisé par les opérateurs de réseaux radio (GSM, PMR,...)
Servent à planifier (établir) des réseaux radio
Les modèles en général sont utilisés dans beaucoup de domaines
Paramètres
Calculs Simulation de
(stations, terrain)
couverture, interférences
Modèle
Probabilité (variabilité) de liaison (1)
La variabilité du niveau de signal simulé (shadowing) suit une loi « normale »
Variabilité => définition d’une marge statistique telle que le niveau de signal
simulé (signal moyen) répond à des conditions :
x % du temps, y % des localisations, z % des situations
Loi statistique normale – de Gauss – en cloche
Surface sous la « cloche » = probabilité 100 %
Exemple : si statistique choisie est 50% du temps => pendant une heure, le niveau
du signal réel sera supérieur au signal moyen (simulé sans marge statistique) pendant
30 min et sera inférieur pendant les 30 autres minutes. Autrement dit, la
Probabilité d’obtenir, sur le terrain, un signal réel inférieur au signal moyen simulé
est de 50 %
Probabilité (variabilité) de liaison (2)
Variabilité de temps tient compte de : changements de l’indice de réfraction,
turbulences,...
Variabilité des localisations tient compte de : imprécision du profil de terrain,
différences environnementales,...
Variabilité des situations : toutes autres sources de variabilité incontrôlables
RM a été calibré et le mode statistique recommandé est
« Essai – 70 % des situations »
Deuxième partie
« Radio Mobile »
Introduction
• Programme de cartographie et simulation de couvertures / liens radio
• Point-à-point ou réseaux
• Stations fixes ou mobiles
• Programme et données cartographiques gratuits !
• Auteur VE2DBE
• Dernière version au 11/02/2006 : 7.0.5
• Pour télécharger : http://www.cplus.org/rmw
Modèle Longley-Rice (1)
C’est le modèle (aussi appelé ITM – Irregular Terrain Model) utilisé par Radio Mobile
Prédit (simule) le signal moyen (« long-term median »)
Ne tient pas compte du « fast fading » (Cf plus loin)
Tient compte du relief (« irregular terrain »)
Modèles statistiques et variabilité inclus : Essai, Accidentel, Mobile, Diffusion
Inclus les modes de propagation troposphériques quotidiens (pas le « ducting »)
Plage de fréquences : 20 MHz – 20 GHz
Plage de distances : 1-2000 km
Ne tient pas compte de l’occupation du terrain (« Clutter ») : zones urbaines
forêts, zones rurales
Inclus les propriétés de la nature du sol (Cf slide suivant)
Inclus des modèles climatiques (équatorial, maritime tempéré,...)
Modèle Longley-Rice (2)
Sol Permittivité relative Conductivité (S/m)
Moyen 15 0,005
Pauvre 4 0,001
Bon 25 0,02
Eau douce 81 0,01
Eau de mer 81 5
Recommandation : choisir un sol moyen et le modèle climatique
« maritime tempéré sur terre » pour la Belgique
Caractéristiques d’un signal mobile (1)
FS
MS
Entre station fixe et mobile => réflections multiples (« Multipath »)
Variable (dynamique) en fonction du déplacement du mobile
FS : Fix Station – MS : Mobile Station
Caractéristiques d’un signal mobile (2)
Signal reçu à la MS :
Niveau de signal dû aux obstacles et au relief
=> « slow fading » (= « shadowing » ou « long-term fading »)
Niveau dû au « Multipath »
=> « fast fading » (= « Rayleigh fading »)
Fading = évanouissement
Caractéristiques d’un signal mobile (3)
Fast fading :
Dip Entre 2 Nulls : λ/2
Entre 1 Dip et 1 Null : λ/4
Cas typique de la MS à un feu rouge :
A l’arrêt pas de signal et 50 cm
Null
plus loin le repeater local est S9 !
50 cm = λ/4 sur 144 (sur 432, il faudrait 17,5 cm)
Passage Dip – Null – Dip – Null -... = « Flutter » (Flutter 432 est plus rapide que Flutter 144)
FS – MS : slow & fast fading sont présents ensemble
FS – FS : uniquement slow fading (relief, obstacles), pas de fast fading
FS – FS DX : uniquement slow fading (relief, obstacles, propag.), pas de fast fading
Caractéristiques d’un signal mobile (4)
Pas modélisé
Modélisé
Les modèles de simulation ne tiennent pas compte du fast fading !
(trop ponctuel et dynamique)
Exemple 1 : carte d’altitude
Exemple 2 : carte d’horizon optique
Exemple 3 : mélange d’images
Exemple 4 : carte 3D
Exemple 5 : simulation de couverture
Exemple 6 : bilan de liaison pt-à-pt
Exemple 7 : graphique horizon optique
Mais aussi ...
Calculs d’interférences
Réseaux avec de multiples stations
Peut-être lié à un GPS
Démonstration pratique
Merci pour votre attention !