Pr�sentation � Radio Mobile � by DS3xT3

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									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 < 0 Sous-réfraction
                B : 0 ≤ dN/m < 0,079 Réfraction « normale »
                          valeur moyenne = 0,039
                C : 0,079 < dN/m < 0,157 Super-réfraction
                D : dN/m ≥ 0,157 « Ducting »

     En remplaçant dN/m par les valeurs ci-dessus dans (2) et (1), on trouve
     le facteur k et le rayon effectif de la terre RE




Duct = « conduit » en français
Réfraction (5)

  dN/m                 k               RE (km)
  -0,100              0,61               3886       Sous-réfraction
  0,039               1,33               8475       Réfraction normale
  0,100               2,75              17545       Super-réfraction
  0,157                ∞                   ∞        Ducting


      L’horizon optique correspond à k = 1 et RE = 6370 km


  Par réfraction (Troposphère) normale, l’horizon « Radio » vaut 1,15
  fois l’horizon optique (perte d’espace libre ~ applicable)
Réfraction (6)




       Horizon optique
       Sous-réfraction
       Réfraction normale
       Super-réfraction
Inversion de température – Ducting (1)
       « Surface duct »
                                                                    Inversion
                                        Réfractions successives
   H
                dN/m = -0,039


                       dN/m = -0,100                              Terre ou Mer

                                                         Dépend de la réflectivité de
                        N Troposphère                    la limite inférieure (Terre ou Mer)
 Inversion
                                                         Mer = très bon réflecteur


Situation typique : en été, le soir et la nuit, le sol (et les couches de la Tropo en contact
avec le sol) se refroidit et au lever du soleil, les couches supérieures chauffent plus vite
que le sol => 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 !

								
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