Les Liaisons À Micro-Ondes MWLinks [PDF]

Zitiervorschau

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