Les effets des conditions de propagation

Nous avons vu précédemment quelques phénomènes physiques qui agissent sur les ondes radio. Il y a d’autres effets qui causent des atténuations des ondes radio [WIL 02], qui sont liés à l’état ou à la position des entités communicantes.

1.3.1 L’effet Doppler

Cet effet agit principalement quand la distance entre les deux entités communicantes varie. Il s’applique par conséquent à toute onde transmise ou reçue par une entité communicante en mouvement. Cette dispersion de fréquence est principalement fonction de la vitesse relative de déplacement. Des travaux ont montré que l’effet Doppler pouvait être observé entre des entités communicantes fixes en raison de mouvements dans l’environnement [NES 00], de personnes ou d’objets [MAR 98].

1.3.2 L’effet « trajets multiples » et ses conséquences

Dans les mécanismes de propagation, nous avons vu qu’au contact d’un objet l’onde incidente peut en créer plusieurs répliques, plus ou moins identiques, qui vont utiliser des trajets différents entre l’émetteur et le récepteur [KAU 02]. Ceci est désigné par l’appellation effet « trajets multiples » (voir la figure 2.3). Au niveau du récepteur, cet effet induit la réception de plusieurs copies de l’onde ayant chacune des valeurs différentes de leurs propriétés (phase, amplitude, etc.), interférant entre elles de manières destructives ou constructives selon les cas [SIM 04]. La dispersion des chemins suivis par chacune des composantes d’un signal génère une variation des durées de propagation et produit deux effets différents et dépendants de l’amplitude de ces variations. Ces effets sont :

• La distorsion d’amplitude,

• La dispersion du délai de propagation.

Figure 2.3. Trajets multiples dus aux différents phénomènes.

1.3.2.1 La distorsion d’amplitude (ou évanouissement de Rayleigh)

La superposition des différentes composantes résultant de l’effet trajets multiples d’un signal d’une fréquence donnée peut produire un phénomène de compensation mutuelle et engendrer un signal dont la puissance est très largement différente de celles de chacune des composantes reçues. Ceci donne lieu à une courbe de puissance présentant des creux très importants, appelés « évanouissements de Rayleigh » (Rayleigh fading) (voir la figure 2.4).

La figure 2.5 extraite de [HAS 93] présente deux exemples d'atténuations subies par un signal transmis dans la bande 915 MHz, entre deux entités communicantes stationnaires, dans un

milieu confiné. La figure 2.5 (a) correspond aux mesures faites pendant trente secondes dans une zone de transmission qui ne comporte aucun objet en mouvement durant les quinze premières secondes. Après ce temps, certains objets ont été mis en mouvement ce qui explique l’existence d’un pic (évanouissement ou fading) à la vingtième seconde. Pour la partie (b) de la figure, durant toute la période de mesures dans la zone de transmission se trouvaient des objets effectuant des déplacements à une vitesse constante. On peut remarquer que les deux entités communicantes sont immobiles, alors que les pics d’évanouissement atteignent parfois les 20 dB.

Figure 2.4. Évanouissement de Rayleigh.

Figure 2.5. Mesures d’atténuation pour un signal (915 MHz) [HAS 93]. Temps

Fading

Amplitude du signal

1.3.2.2 La dispersion du délai de propagation (Delay Spread)

La dispersion du délai est aussi une conséquence directe de l’effet « trajets multiples ». En effet, la réception des différentes répliques d’un signal initial à travers des chemins ou trajets de longueurs différentes entraîne des arrivées au récepteur à des instants différents. La superposition de ces différentes composantes à la réception forme un signal étalé dans le

temps. Lorsqu’il s’agit de transmettre plusieurs symboles consécutifs, tel que schématisé figure 2.6, la dispersion des délais peut donner lieu à un recouvrement temporel des répliques les plus rapides d’un symbole par les répliques les plus lentes du ou des symboles précédents. Ce problème, communément désigné par Interférence Inter-Symboles ou ISI (Inter Symbol Interferences), est souvent résolu en espaçant l’émission des symboles, ce qui se traduit soit par l’augmentation de la valence d’un symbole, soit par une diminution du débit de la liaison [SAU 99].

Figure 2.6. Interférences entre symboles.

Le risque et l’ampleur des ISI sont évalués à partir de l’écart type des délais de propagation. Si nécessaire, des techniques particulières consistant à exploiter systématiquement une ou plusieurs redondances du signal sont mises en œuvre pour remédier au bruit induit par ces interférences [SAU 99, RAP 02, KUM 02, BOY 04].

Temps Temps

1.3.3 L’effet de dispersion de puissance

La puissance de l’onde reçue par un récepteur, dépend de la puissance de l’onde transmise et de la distance qui sépare les deux entités communicantes. Plus cette distance est importante, plus la puissance du signal reçu est atténuée. Cette décroissance en fonction de la distance est souvent modélisée par la formule suivante :

n r

d

P

d

P(

)=

Où Pr représente la puissance reçue à une distance d de l’émetteur, P0 est la puissance reçue à une distance de référence (généralement un mètre) de l’émetteur, et n est un exposant

dépendant essentiellement de la bande de fréquences utilisée et du milieu traversé. Pour une onde transmise avec une antenne omnidirectionnelle dans un espace qui ne comporte aucun objet entre les entités communicantes et aucun effet de trajets multiples, la valeur de ce paramètre vaut sensiblement 2 [RAP 02].

Pour comprendre l’importance du paramètre n, prenons l’exemple d’un modèle de propagation dans un milieu confiné avec n valant 4. Quand les entités A et B (voir la figure 2.7) émettent à puissance égale vers C et si la distance entre B et C est le double de celle entre A et C, la puissance du signal reçue depuis A est 16 fois supérieure à celle reçue depuis B.

Cette décroissance de la puissance reçue en fonction de la distance crée un problème particulier lorsqu’un récepteur reçoit plusieurs signaux provenant d’émetteurs situés à des distances différentes. Ce problème, connu sous le nom « d’effet d'aveuglement » (Near-far effect), entraîne la perte ou le masquage d’un signal provenant d’un émetteur lointain à la faveur d’un signal dont l’émetteur est plus proche. Lorsque le récepteur ne voit que le signal avec la plus forte puissance et qu'il est capable de l'exploiter, on parle alors d'effet de capture.

L’existence d’un tel mécanisme nécessite la prise en compte de l’aspect équité pour l’accès au médium [HAD 02a]. Plusieurs modèles de cet effet capture sont discutés dans [HAD 02b]. Nous montrerons que la dispersion de puissance est la raison pour laquelle l'accès au médium sans fil diffère radicalement de celui du monde filaire.

Figure 2.7. L’effet d’aveuglement.