Présentation « Radio Mobile » Gaëtan, ON4KHG 11 février 2006 Section ATH

Présentation « Radio Mobile »Présentation « Radio Mobile »

Gaëtan, ON4KHGGaëtan, ON4KHG

11 février 200611 février 2006

Section ATHSection ATH

AgendaAgendaPremière 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 partiePremière partie

Propagation Troposphérique

Propagation - TroposphèrePropagation - Troposphère

VHF = Troposphère

Propagation – Espace libre / LOS (1)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 audessus 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)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)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)Réfraction (1)

Incidence normalePas de réfraction

- réfringent -> + réfringent + réfringent -> - réfringent

n1

n2

n : indice de réfractionH

n Troposphère

Quand l’altitude augmente, l’indice de réfraction de la Tropodiminue => moins réfringent

Réfraction (2)Réfraction (2)

n1

n2

n3

n1 > n2 > n3

De TX -> RX : réfractions successives + réflection totale

i

r

Réfraction : loi de Snell-Descartes => n1.sin (i) = n2.sin (r)

Le signal TX est infléchi vers la terre

Réfraction (3)Réfraction (3)

Indice de réfraction radio de la Troposphère : N = (n-1).106

Indice de réfraction de la Troposphère : n ~1

T : température (K)p : pression atmosphérique (mb)e : pression de vapeur d’eau (mb)

Valeur typique en « atmosphère standard » : N = 301et dN/m = 0,039 (décroissance de N en fonction de l’altitude)

Réfraction (4)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)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

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

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

Réfraction (6)Réfraction (6)

Horizon optique

Sous-réfraction

Réfraction normale

Super-réfraction

Inversion de température – Ducting (1)Inversion de température – Ducting (1)

« Surface duct »

H

N Troposphère

dN/m = -0,039

dN/m = -0,100

Inversion

Terre ou Mer

Inversion

Dépend de la réflectivité dela limite inférieure (Terre ou Mer)Mer = très bon réflecteur

Situation typique : en été, le soir et la nuit, le sol (et les couches de la Tropo en contactavec 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).

Réfractions successives

Inversion de température – Ducting (2)Inversion de température – Ducting (2)

« Elevated duct »

H

N Troposphère

Terre ou Mer

Ne dépend pas de la réflectivité du sol

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)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 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 (1)

Diffraction de couteau (« Knife-edge diffraction ») :

Obstacle

Après l’obstacle, pas de zone d’ombre (sans signal) mais présence d’un signal diffracté (atténué)

Cf analogie hydraulique

Diffraction (2)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 signaldirigé dans plusieurs directions > une partie seulement du signal est dirigé dans une direction utile (atténuation élévée)

Exemple : « Trans-Alp Propagation » (TAP) => diffraction sur sommets desAlpes

Troposcatter (1)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)Troposcatter (2)

Irrégularités locales de N

Diffusion (« scattering »)

Limite A-B : 700-800 km

10 km

357 km

@ 10 km => horizon optique = 357 km

Résumé (1)Résumé (1)

Quand ? Propagation QSB Signaux Distance Station

Tous les jours • Horizon radio• Diffraction relief

• Troposcatter

Moyen Faibles 700-1000 km Moyenne - QRO

Rare ou peu

fréquent

• Horizon radio• Diffraction relief

• Ducting

Lent Moyens - Puissants

2000 km (T)

4000 km (M)

QRP - Moyenne

Propagation VHF = phénomènes Météo

Résumé (2)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 couvertureModèles 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

Calculs

Modèle

Paramètres (stations, terrain)

Simulation de couverture, interférences

Probabilité (variabilité) de liaison (1)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)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 partieDeuxième partie

« Radio Mobile »

IntroductionIntroduction

• 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)Modèle Longley-Rice (1)

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,...)

C’est le modèle (aussi appelé ITM – Irregular Terrain Model) utilisé par Radio Mobile

Modèle Longley-Rice (2)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)Caractéristiques d’un signal mobile (1)

Entre station fixe et mobile => réflections multiples (« Multipath »)Variable (dynamique) en fonction du déplacement du mobile

MS

FS

FS : Fix Station – MS : Mobile Station

Caractéristiques d’un signal mobile (2)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)Caractéristiques d’un signal mobile (3)

Fast fading :Dip

Null

Entre 2 Nulls : λ/2Entre 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

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 ensembleFS – 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)Caractéristiques d’un signal mobile (4)

Modélisé

Pas modélisé

Les modèles de simulation ne tiennent pas compte du fast fading !(trop ponctuel et dynamique)

Exemple 1 : carte d’altitudeExemple 1 : carte d’altitude

Exemple 2 : carte d’horizon optiqueExemple 2 : carte d’horizon optique

Exemple 3 : mélange d’imagesExemple 3 : mélange d’images

Exemple 4 : carte 3DExemple 4 : carte 3D

Exemple 5 : simulation de couvertureExemple 5 : simulation de couverture

Exemple 6 : bilan de liaison pt-à-ptExemple 6 : bilan de liaison pt-à-pt

Exemple 7 : graphique horizon optiqueExemple 7 : graphique horizon optique

Mais aussi ...Mais aussi ...

Calculs d’interférences

Réseaux avec de multiples stations

Peut-être lié à un GPS

Démonstration pratique

Merci pour votre attention !