Perte de chemin

La perte de trajet , ou atténuation de trajet , est la réduction de la densité de puissance ( atténuation ) d'une onde électromagnétique lorsqu'elle se propage dans l'espace. La perte de trajet est un élément majeur dans l'analyse et la conception du bilan de liaison d'un système de télécommunication.

Ce terme est couramment utilisé dans les communications sans fil et la propagation du signal . La perte de trajet peut être due à de nombreux effets, tels que la perte en espace libre , la réfraction , la diffraction , la réflexion , la perte de couplage ouverture - milieu et l'absorption . La perte de trajet est également influencée par les contours du terrain, l'environnement (urbain ou rural, végétation et feuillage), le milieu de propagation (air sec ou humide), la distance entre l'émetteur et le récepteur, ainsi que la hauteur et l'emplacement des antennes.

Dans les communications sans fil, la perte de trajet est la réduction de la puissance du signal lorsque celui-ci se déplace d'un émetteur à un récepteur. Il s'agit d'une application permettant de vérifier la perte. Plusieurs facteurs ont une incidence sur ce phénomène :

• Perte de trajet en espace libre : il s'agit de la perte fondamentale qui se produit en raison de la propagation de l'onde radio dans l'espace. Elle suit une loi du carré inverse, ce qui signifie que la force du signal diminue proportionnellement au carré de la distance entre l'émetteur et le récepteur.

• Diffraction : lorsqu'une onde radio rencontre un obstacle, elle peut être diffractée ou courbée autour du bord de l'obstacle. Cela peut entraîner une perte de signal supplémentaire, en particulier dans les environnements urbains comportant de nombreux bâtiments.

• Absorption : Certains gaz atmosphériques et obstacles comme les bâtiments et le feuillage peuvent absorber les ondes radio, réduisant ainsi leur intensité.

• Réflexion et diffusion : les ondes radio peuvent être réfléchies par des surfaces telles que des bâtiments et le sol, et diffusées par des objets tels que des arbres et des lampadaires. Cela peut conduire à une propagation par trajets multiples, où le récepteur reçoit plusieurs copies du signal qui peuvent interférer les unes avec les autres.

Pour comprendre la perte de trajet et la minimiser, quatre facteurs clés doivent être pris en compte lors de la conception d'un système de communication sans fil :

1) Déterminer la puissance de l'émetteur requise : L'émetteur doit avoir suffisamment de puissance pour surmonter la perte de trajet afin que le signal atteigne le récepteur avec une force suffisante.

2) Déterminez la conception et le gain d'antenne appropriés : les antennes avec un gain plus élevé peuvent focaliser les ondes dans une direction spécifique, réduisant ainsi la perte de trajet.

3) Optimiser le schéma de modulation : Le choix du schéma de modulation peut affecter la robustesse du signal à la perte de trajet.

4) Réglez la sensibilité du récepteur de manière appropriée : le récepteur doit être suffisamment sensible pour détecter les signaux faibles.

La perte de trajet comprend normalement les pertes de propagation causées par l'expansion naturelle du front d'onde radio dans l'espace libre (qui prend généralement la forme d'une sphère toujours croissante), les pertes d'absorption (parfois appelées pertes de pénétration), lorsque le signal traverse des milieux non transparents aux ondes électromagnétiques , les pertes par diffraction lorsqu'une partie du front d'onde radio est obstruée par un obstacle opaque, et les pertes causées par d'autres phénomènes.

Le signal émis par un émetteur peut également parcourir plusieurs chemins différents jusqu'à un récepteur simultanément ; cet effet est appelé multitrajet . Les ondes multitrajets se combinent au niveau de l'antenne du récepteur, ce qui produit un signal reçu qui peut varier considérablement, en fonction de la distribution de l'intensité et du temps de propagation relatif des ondes et de la bande passante du signal transmis. La puissance totale des ondes interférentes dans un scénario d'atténuation de Rayleigh varie rapidement en fonction de l'espace (ce que l'on appelle l'atténuation à petite échelle ). L'atténuation à petite échelle fait référence aux changements rapides de l'amplitude du signal radio sur une courte période de temps ou une courte distance de déplacement.

Dans l'étude des communications sans fil, la perte de trajet peut être représentée par l'exposant de perte de trajet, dont la valeur est normalement comprise entre 2 et 4 (où 2 correspond à la propagation dans l'espace libre , 4 aux environnements relativement peu perceptibles et au cas d' une réflexion spéculaire complète de la surface terrestre, ce que l'on appelle le modèle de la Terre plate). Dans certains environnements, tels que les bâtiments, les stades et autres environnements intérieurs, l'exposant de perte de trajet peut atteindre des valeurs comprises entre 4 et 6. D'un autre côté, un tunnel peut agir comme un guide d'ondes , ce qui donne un exposant de perte de trajet inférieur à 2.

L'affaiblissement de trajet est généralement exprimé en dB . Dans sa forme la plus simple, l'affaiblissement de trajet peut être calculé à l'aide de la formule

où est la perte de trajet en décibels, est l'exposant de perte de trajet, est la distance entre l'émetteur et le récepteur, généralement mesurée en mètres, et est une constante qui tient compte des pertes du système.

Les ingénieurs radio et antenne utilisent la formule simplifiée suivante (dérivée de la formule de transmission de Friis ) pour la perte de trajet du signal entre les points d'alimentation de deux antennes isotropes dans l'espace libre :

Perte de trajet en dB :

où est la perte de trajet en décibels, est la longueur d'onde et est la distance émetteur-récepteur dans les mêmes unités que la longueur d'onde. Notez que la densité de puissance dans l'espace ne dépend pas de ; La variable existe dans la formule pour tenir compte de la zone de capture effective de l'antenne de réception isotrope.

Le calcul de l'affaiblissement de trajet est généralement appelé prédiction . Une prédiction exacte n'est possible que pour des cas plus simples, tels que la propagation en espace libre mentionnée ci-dessus ou le modèle de la Terre plate . Pour les cas pratiques, l'affaiblissement de trajet est calculé à l'aide de diverses approximations.

Les méthodes statistiques (également appelées stochastiques ou empiriques ) sont basées sur des pertes mesurées et moyennées le long de classes typiques de liaisons radio. Parmi les méthodes les plus couramment utilisées, on trouve Okumura–Hata , le modèle COST Hata , WCYLee, etc. Ces méthodes sont également connues sous le nom de modèles de propagation des ondes radio et sont généralement utilisées dans la conception de réseaux cellulaires et de réseaux mobiles terrestres publics (PLMN). Pour les communications sans fil dans la bande de fréquences très haute fréquence (VHF) et ultra haute fréquence (UHF) (les bandes utilisées par les talkies-walkies, la police, les taxis et les téléphones portables), l'une des méthodes les plus couramment utilisées est celle d'Okumura–Hata telle qu'affinée par le projet COST 231. D'autres modèles bien connus sont ceux de Walfisch–Ikegami, WCY Lee et Erceg . Pour la radiodiffusion FM et la diffusion TV, la perte de trajet est le plus souvent prédite à l'aide du modèle de l'UIT tel que décrit dans la recommandation P.1546 (successeur de la recommandation P.370).

Des méthodes déterministes basées sur les lois physiques de la propagation des ondes sont également utilisées ; le traçage de rayons en est une. Ces méthodes sont censées produire des prévisions de perte de trajet plus précises et plus fiables que les méthodes empiriques ; cependant, elles sont nettement plus coûteuses en termes de calcul et dépendent de la description détaillée et précise de tous les objets dans l'espace de propagation, tels que les bâtiments, les toits, les fenêtres, les portes et les murs. Pour ces raisons, elles sont principalement utilisées pour les trajets de propagation courts. Parmi les méthodes les plus couramment utilisées dans la conception d'équipements radio tels que les antennes et les alimentations, on trouve la méthode du domaine temporel aux différences finies .

La perte de trajet dans d'autres bandes de fréquences ( ondes moyennes (MW), ondes courtes (SW ou HF), micro-ondes (SHF)) est prédite avec des méthodes similaires, bien que les algorithmes et formules concrets puissent être très différents de ceux pour VHF/UHF. Une prévision fiable de la perte de trajet dans la bande SW/HF est particulièrement difficile, et sa précision est comparable aux prévisions météorologiques.

Approximations simples pour calculer la perte de trajet sur des distances significativement plus courtes que la distance à l' horizon radio :

• En espace libre, la perte de trajet augmente de 20 dB par décade (une décade correspond à une multiplication par dix de la distance entre l'émetteur et le récepteur) ou de 6 dB par octave (une octave correspond à un doublement de la distance entre l'émetteur et le récepteur). Cela peut être utilisé comme une approximation de premier ordre très approximative pour les liaisons de communication (micro-ondes) ;
• Pour les signaux dans la bande UHF/VHF se propageant à la surface de la Terre, la perte de trajet augmente d'environ 35 à 40 dB par décennie (10 à 12 dB par octave). Cela peut être utilisé dans les réseaux cellulaires comme une première estimation.

Dans les réseaux cellulaires, tels que l'UMTS et le GSM , qui fonctionnent dans la bande UHF, la valeur de l'affaiblissement de trajet dans les zones bâties peut atteindre 110 à 140 dB pour le premier kilomètre de la liaison entre la station émettrice-réceptrice de base (BTS) et le mobile . L'affaiblissement de trajet pour les dix premiers kilomètres peut être de 150 à 190 dB ( Remarque : ces valeurs sont très approximatives et sont données ici uniquement à titre d'illustration de la plage dans laquelle les nombres utilisés pour exprimer les valeurs d'affaiblissement de trajet peuvent éventuellement se situer . Il ne s'agit pas de chiffres définitifs ou contraignants : l'affaiblissement de trajet peut être très différent pour la même distance sur deux trajets différents et il peut être différent même sur le même trajet s'il est mesuré à des moments différents.)

Dans l'environnement des ondes radio pour les services mobiles, l'antenne mobile est proche du sol. Les modèles de propagation en visibilité directe (LOS) sont fortement modifiés. Le trajet du signal de l'antenne BTS normalement élevée au-dessus des toits est réfracté vers le bas dans l'environnement physique local (collines, arbres, maisons) et le signal LOS atteint rarement l'antenne. L'environnement produira plusieurs déviations du signal direct sur l'antenne, où généralement 2 à 5 composantes de signal déviées seront ajoutées vectoriellement.

Ces processus de réfraction et de déflexion entraînent une perte de puissance du signal, qui change lorsque l'antenne mobile se déplace (atténuation de Rayleigh), provoquant des variations instantanées allant jusqu'à 20 dB. Le réseau est donc conçu pour fournir un excès d'intensité du signal par rapport au LOS de 8 à 25 dB selon la nature de l'environnement physique, et 10 dB supplémentaires pour surmonter l'atténuation due au mouvement.