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Les Liaisons à Faisceaux Hertziens (Microwaves Links) 1. Introduction : Les communications par micro‐ondes, utilisées pour les applications de liaison (Microwave backhaul) qui déplacent le trafic du site vers et hors du réseau central, peuvent faire ou défaire l’expérience positive du client. Avec l'émergence de nouvelles technologies et normes de réseau de communication, la communication micro‐ondes point à point est restée l'épine dorsale de l'ensemble du modèle, connectant des millions d'utilisateurs à leurs réseaux dans une tapisserie transparente couvrant la planète. Ce chapitre explique comment les principes fondamentaux des communications micro‐ondes ont un impact sur la capacité et la fiabilité du réseau sans fil. 2. Définitions : Microwave backhaul : C’est l’utilisation des communications par micro‐ondes pour rassembler et transmettre la voix et les données cellulaires vers et depuis le réseau principal. Line Of Sight (LOS) : Un chemin dégagé (libre de toute obstruction) entre les points de transmission et de réception du signal micro‐ondes. Link (Liaison) : La connexion de deux sites micro‐ondes fixes via un chemin en visibilité directe (LOS). Également appelé «saut (hop)». Dans le large spectre des communications radiofréquences (RF), les communications point‐à‐ point sont généralement effectuées en utilisant des fréquences micro‐ondes comprises entre 1 GHz et 100 GHz le long de trajets en visibilité directe (LOS) appelés liaisons à faisceaux hertziens ou micro‐ ondes. Ces fréquences et leurs caractéristiques de propagation permettent la transmission de grandes quantités de données entre des sites de communication distants sans avoir besoin de poser des câbles entre eux. Les caractéristiques des antennes utilisées dans la communication point‐à‐point permettent d'utiliser les mêmes fréquences partout dans le système, c'est‐à‐dire que le système peut en profiter de la réutilisation des hautes fréquences. Une planification et une gestion soignées des liaisons rendent cela possible sans que les interférences ne deviennent un problème. L'envoi et la réception d'informations par micro‐ondes sont appelés collectivement transmission par micro‐ondes et peuvent être composés de signaux vocaux, de données, de télévision, de téléphonie ou de radio. Les micro‐ondes sont également émises par les objets naturels, ainsi que par l'espace.
Parce que les micro‐ondes couvrent une partie considérable du spectre EM, ils peuvent être utilisés dans de nombreuses applications différentes. Certaines de ces bandes et leurs utilisations sont présentées dans le tableau 3.1, qui illustre l'ensemble du spectre EM. Tableau 3.1 : Applications dans le spectre électromagnétique, classées par fréquence Fréquence
Longueur d’onde
Application
50‐60 Hz
6000‐5000 km
Transmission d'électricité AC
3‐30 kHz
100‐10 km
Communication sous‐marine
30‐300 kHz
10‐1 km
Diffusion radio à ondes longues (LW band)
180–1600 kHz
1.7 km‐188 m
Diffusion radio AM (MW band)
1.8‐30 MHz
167‐10 m
Diffusion radio en ondes courtes (SW band)
88‐108 MHz
3.4‐2.7 m
Diffusion radio FM
300‐3000 MHz
1‐0.1 m
UHF point‐à‐point
800‐2200 MHz
0.375‐0.136 m
Station de base du mobile cellulaire
1‐60 GHz
0.3‐0.005 m
Liaisons micro‐ondes
60‐300 GHz
0.005‐0.001 m
Liaisons à ondes millimétriques
352, 230, 193 THz 1550, 1300, 850 nm Liaisons à fibre optique 420‐750 THz
714‐400 nm
Spectre visible (Lumière)
3. Caractéristiques et contraintes : Le Support physique : Dans tous les réseaux, le choix d'un support physique est généralement une question de budget, de besoins en capacité, de disponibilité, de fiabilité et de rapidité de déploiement de la solution. Les options courantes comprennent le câble en cuivre à paire torsadée, le câble coaxial et le câble à fibre optique. Dans certains cas, cependant, des exigences contradictoires font échouer toutes ces options ; par exemple, les besoins en capacité peuvent exiger une liaison de raccordement par fibre optique, mais le budget ne prévoir pas le temps et le coût nécessaires pour l'installer. La transmission MO (micro‐ondes) occupe une position unique en tant que solution où le coût, la capacité, la flexibilité et le calendrier se croisent. Les liaisons radio point‐à‐point sont souvent la méthode la plus rentable pour transporter de gros volumes de données dans un emplacement sans infrastructure de cuivre ou de fibre optique existante. L’Antenne : Les antennes hautement directionnelles telles que les paraboles facilitent les liaisons radio point‐à‐point. Les fréquences plus basses (≤11 GHz) peuvent se propager sur de longues distances avec des antennes plus grandes, permettant des connexions au réseau central à partir d'emplacements distants. Les fréquences plus élevées au‐dessus de 11 GHz se propagent sur de plus petites distances via des antennes plus petites, offrant une connectivité mieux adaptée aux
environnements urbains où le point de raccordement en fibre optique est plus proche et plus accessible. Dans tous les cas, le trajet du faisceau hautement focalisée en ligne de visibilité (LOS) d'une transmission micro‐ondes permet la réutilisation des mêmes fréquences dans tout le système sans problème d’interférence des liaisons adjacentes. 4. Assemblage des informations dans un Signal : Le trafic du réseau sans fil est extrait du téléphone mobile dans un canal radio relativement petit. Le canal radio est converti à la fréquence micro‐ondes correcte et transmis via une liaison à une station de réception, qui ensuite convertit et démodule le signal pour extraire l’information rassemblée afin qu'elle puisse être envoyée vers sa destination finale. La capacité d’un canal est directement proportionnelle à la largeur de bande du canal et au type de schéma de modulation du signal utilisé. La liaison micro‐ondes utilise généralement un système à répartition de fréquence duplex FDD (Frequency‐Division Duplex), dans lequel chaque saut (hop) se voit attribuer une paire de canaux de fréquence connue sous le nom de paire aller/retour. Cela facilite la transmission simultanée dans les deux sens sur la liaison (voir la figure 3.x). Aujourd'hui, le FDD est le mode de fonctionnement dominant.
Figure 3.x : duplex FDD utilisant deux fréquences go/return f1‐f2, et duplex TDD utilisant une fréquence go/return en synchronisation Le duplex par répartition de temps (TDD) est un autre moyen de réaliser une communication bidirectionnelle, dans laquelle un seul canal réalise une communication bidirectionnelle en synchronisant la sélection de la direction dans laquelle la transmission se déplace à un moment donné (voir la figure 3.x). Bien qu'il s'agisse d'un mode de fonctionnement plus efficace en ce qui concerne l'utilisation du spectre, un contrôle minutieux de la synchronisation est nécessaire ‐ limitant son application dans les liaisons micro‐ondes. Bien entendu, comme toutes les liaisons micro‐ondes nécessitent une LOS bien dégagée, les antennes doivent être installées en hauteur. Fréquences et réglementations des micro‐ondes : Les bandes de fréquences disponibles pour les liaisons micro‐ondes sont définies par l'ITU (Règlement des radiocommunications de l'ITU‐R, 2008). Le tableau 3.2 résume les bandes globales (sous réserve de variations régionales), ainsi que les longueurs de liaison maximales typiques.
Tableau 3.2 : Longueur de saut typique pour différentes bandes de fréquences (Règlement des radiocommunications de l'ITU‐R) Bande de fréquence Fréquences
Longueur typique max. de Longueur typique min. de
(GHz)
liaison (km)
liaison (km)
0.9 (sans licence)
0.902 – 0.928
100
‐
2.4 (sans licence)
2.4 – 2.5
100
‐
4
3.6 – 4.2
70
24
5
4.4 – 5.0
60
16
5 (sans licence)
5.3, 5.4 et 5.8
50
‐
L6
5.925 – 6.425
50
16
U6
6.425 – 7.125
50
16
L7
7.1 – 7.75
50
10
U8
7.75 – 8.5
50
10
10
10 – 10.7
20
10
11
10.7 – 11.7
20
10
13
12.7 – 13.25
20
6
15
14.4 – 15.35
20
6
18
17.7 – 19.7
20
2
23
21.2 – 23.6
20
2
26
24.25 – 26.5
20
2
28
27.5 – 29.5
15
2
32
31.0 – 33.4
10
1.5
38
37.0 – 40.0
10
1
42
40.5 – 43.5
10
1
60 (sans licence)
57.0 – 66.0
1
‐
80
71 – 76 / 81 ‐ 86
5
‐
5. Propagation des micro‐ondes à travers l'atmosphère : De par sa nature, la transmission par micro‐ondes est exposée à des variables environnementales et météorologiques. En fonction de son emplacement, une antenne peut être soumise à la pluie, à la grêle, à la neige, au brouillard, à des températures extrêmes et à des vents dangereusement forts, sans parler de l'exposition à la foudre.
De mauvaises conditions environnementales peuvent perturber les liaisons micro‐ondes, car la réflexion ou la réfraction du signal peut réduire considérablement les niveaux de puissance des signaux reçus. Cela est vrai en particulier pour les transmissions à haute fréquence, qui sont plus sensibles aux effets météorologiques. De plus, les interférences des liaisons adjacentes peuvent être un problème s'il n'y a pas un dégagement suffisant du LOS.
Figure 3.x : Atténuation atmosphérique par rapport à la fréquence 6. Les composantes fondamentales d’une liaison micro‐ondes : Les éléments de base d'un système de communication micro‐ondes sont illustrés à la figure 3.x. Ils comprennent un émetteur (Tx) radio micro‐ondes connecté à une antenne directionnelle via une ligne de transmission. Le signal sortant de l’antenne directionnelle est aligné sur une antenne de réception (Rx) distante, qui est connectée à un récepteur radio.
Figure 3.x : Les composants de base constituant une communication micro‐ondes LOS L’unité Radio : Chaque extrémité de la liaison a sa propre unité radio, généralement avec des capacités de transmission (Tx) et de réception (Rx). Une unité radio micro‐ondes typique utilise environ 1 watt de puissance ou moins (30 dBm). Le débit d’une unité radio varie généralement entre 100 et 300 Mbps dans une bande passante de 50 MHz, selon le type de modulation utilisé. Le débit peut être augmenté soit en ajoutant plus de canaux de données utilisés, soit en augmentant le schéma de modulation utilisé. L’ordre des schémas de modulation peuvent aller de QPSK à 2048 QAM plus. Cependant, un ordre de modulation accru réduit le gain global du système, ce qui a pour effet d'augmenter la sensibilité aux interférences et de diminuer la fiabilité globale de la liaison dans des conditions loin d'être idéales. Il existe trois configurations de l’unité radio utilisées dans les systèmes de communication micro‐ ondes :
ALL INDOOR : Tous les composants actifs sont situés à l'intérieur d'un bâtiment ou d'un abri,
ce qui permet un entretien et des mises à niveau faciles, sans nécessiter d'ascension de tour, par exemple. Le fait d'être plus éloigné de l'antenne peut toutefois introduire des pertes de ligne de transmission plus élevées que d'autres configurations. ALL OUTDOOR : Tous les appareils électroniques sont montés à l'extérieur, ce qui élimine le besoin et le coût d'espace intérieur. Cependant, comme ils sont situés sur la tour, ils peuvent être difficiles d'accès pour l'entretien ou les mises à niveau, nécessitant des ascensions de la tour. Dans certains cas, l'accès au toit atténue ce défi. SPLIT‐MOUNT : (Montage Split) L'électronique est divisée en une unité extérieure (ODU outdoor unit) et une unité intérieure (IDU indoor unit), éliminant les pertes de ligne de transmission avec un entretien facile de l'IDU. Cependant, il combine également les inconvénients des deux autres configurations en exigeant un stockage intérieur et des montées de tour pour l'ODU. Les lignes de transmission : Ce sont les supports physiques reliant l’unité radio et l'antenne directionnelle, et peuvent être un câble coaxial ou un guide d'ondes. En raison de la quantité de perte de signal qu'ils peuvent introduire, le choix du type de ligne de transmission est largement déterminé par les fréquences utilisées.
CÂBLE COAXIAL : convient aux applications utilisant des fréquences jusqu'à ou juste au‐dessus de 2 GHz. Au‐dessus de cette plage, la plupart des longueurs deviennent trop atténuantes pour être utiles. GUIDE D’ONDES : convient aux fréquences plus élevées. Le guide d'ondes elliptique présente une section transversale elliptique et peut prendre en charge des fréquences allant jusqu'à environ 40 GHz, mais il est rarement utilisé dans les applications supérieures à 13 GHz.
L’antenne : L’antenne directionnelle d’un système à micro‐ondes est généralement de forme parabolique, car cela permet la plus grande concentration d’énergie possible dans un seul faisceau. Ils sont généralement de polarisation verticale ou horizontale, en fonction de l'emplacement de leur connexion d'alimentation. La taille de l’antenne parabolique est un élément clé de sa conception, de sa fonction et de son rôle au sein du réseau. Les antennes plus grandes donnent une plus grande puissance, mais elles sont plus difficiles à installer et introduisent des limitations concernant l'espace de la tour, le chargement de la tour, les coûts de location et les réglementations locales de zonage. Même si les antennes micro‐ondes paraboliques sont hautement directionnelles, une partie de l'énergie du signal est toujours perdue de chaque côté et derrière l'antenne. Des antennes de meilleure qualité réduisent cette énergie perdue et atténuent les interférences, ce qui en fait un investissement rentable malgré le coût supplémentaire.
7. Propagation et pertes de trajet : Au fur et à mesure que le signal se propage, même le faisceau d’une liaison LOS étroitement directionnelle subit des pertes en transmission, appelées perte de trajet. Cela est dû à plusieurs facteurs, notamment :
Pertes de trajet de l’espace libre (Free space path loss FSPL) : C'est l'effet d'un rayonnement qui s'étale au fur et à mesure qu'il se propage depuis l'antenne émettrice. Il s'agit généralement de la plus grande partie de perte de trajet. Absorption atmosphérique : L'oxygène et la vapeur d'eau dans l'air atténuent les signaux micro‐ondes, et l'effet est plus prononcé à mesure que la longueur de la liaison augmente. Cela dépend également des fréquences, avec des pics de perte à 22 GHz dus à l'absorption d'oxygène et à 63 GHz à cause de la vapeur d'eau. Diffraction : Les rayons micro‐ondes suivent plusieurs trajets lorsqu'ils arrivent au même point final (voir Figure 3.x). Les rayons avec des demi‐longueurs d'onde impaires voyagent plus longtemps que le rayon direct et améliorent le signal direct, tandis que les demi‐ longueurs d'onde paires dégradent le signal direct. Lorsqu'ils sont dessinés, ces signaux propageant des multiples impairs et pairs de demi‐longueur d’onde forment des ellipsoïdes autour du rayon direct. Lorsque le rayon reçu est exactement une demi‐longueur d'onde plus long, le trajet elliptique qu'il parcourt est appelé la première zone de Fresnel (F1). La conception du trajet de telle sorte que le dégagement soit de 0.6 F1 minimise la perte de diffraction.
Figure 3.x : Diffraction. Formation des ellipsoïdes autour du rayon direct