Télécommunications et Infrastructure
Liaisons hertziennes spatiales optiques

Sommaire et contenu du livre "Télécommunications et Infrastructure - Liaisons hertziennes spatiales optiques"

I-LA PROPAGATION DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES
1.1
-Propriétés d'une onde électromagnétique plane 1

1.1.1
Equation d'onde ou de propagation 1

1.1.2
Vitesse de propagation 3

1.1.3
Densité surfacique de puissance ou puissancesurfacique 3

1.1.4
Champ créé en espace libre par une antenne isotrope .4

1.2
Ouverture rayonnante 5

1.2.1
Expression du gain 5

1.2.2
Diagramme de rayonnement 7

1.2.3
Champ proche et champ lointain d'une ouverture rayonnante 10

1.2.4
Aire effective 12

1.2.5
Effet pelliculaire 12

1.3
Caractéristiques générales des antennes 13

1.3.1
Expression du gain et de l'angle d'ouverture 13

1.3.2
Gabarits de rayonnement 14

1.4
Affaiblissement de propagation et champ électromagnétique reçu 17

1.4.1
Affaiblissement de propagation 17

1.4.2
Champ électromagnétique reçu 18

1.5
Réflecteur et répéteur passif.. 19

1.5.1
Réflecteur en champ lointain 19

1.5.2
Répéteur passifen champ lointain 23

1.5.3
Réflecteur en champ proche (Périscope) 25

1.6
Modèle de propagation 27

1.6.1
Diffraction sphérique 27

1.6.2
Ellipsoïde de FRESNEL 27

1.7
Réflexion et réfraction 28

1.7.1
Lois générales de la réflexion et de la réfraction 28

1.7.2
Facteur de divergence 34

1.7.3
Facteur de rugosité 35

1.7.4
Facteur de limitation de la zone de réflexion 36

1.8
Influence de l'atmosphère 36

1.8.1
Coïndice de réfraction 36

1.8.2
Gradient vertical de l'indice de réfraction 37

1.8.3
Courbure des rayons radioélectriques 52

1.8.4
Rayon terrestre équivalent 52

1.8.5
Variation des angles de départ et d'arrivée des rayons 56

1.8.6
Valeur minimale positive du facteur K 57

1.8.7
Les conduits troposphériques .59

1.8.7.1
Conditions d'apparition des conduits troposphériques 59

1.8.7.2
Trajectoire des rayons dans un conduit troposphérique 61

1.9
Propagation par diffraction 62

1.9.1
Diffraction sur Terre sphérique 63

1.9.2
Diffraction sur une arête en lame de couteau 67

1.9.3
Diffraction sur un obstacle unique de sommet arrondi 68

1.9.4
Diffraction sur deux arêtes isolées 69

1.9.5
Cas général 71

1.10
Effets des réflexions sur la propagation 72

1.10.1
Réflexion sur le sol 72

1.10.1
.1 Incidence sur le champ électromagnétique reçu 74

1.10.1.2
Retard différentiel 75

1.10.1
.3 Franges d'interférence 75

I.l0.1.4
Influence des variations de l'indice de réfraction de l'atmosphère 75

1.10.1.5
Intégration des franges d'interférence par l'antenne 79

1.10.2
Réflexions multiples 79

1.10.3
Onde stationnaire 81

1.11
Affaiblissement par les gaz de l'atmosphère 83

1.11.1
Liaisons terrestres 83

1.11.2
Liaisons Terre-espace 85

1.12
Atténuation et transpolarisation par les hydrométéores 87

1.12.1
Atténuation par la pluie 87

1.
12.1.1 Trajet terrestre 89

1.12.1
.2 Trajet Terre-espace 91

1.
12.1.3 Diversité d'emplacement 92

1.12.1.4
Affaiblissement dû aux gaz, aux nuages et au brouillard 97

1.12.2
Transpolarisation par les hydrométéores 98

1.12.2.1
Polarisation d'une onde électromagnétique 98

1.12.2.2
Transpolarisation 99

1.13
Influence de l'ionosphère 102

1.13.1
Scintillation 102

1.13.2
Rotation de FARADA Y 103

1.13.3
Retard de propagation 104

1.14
Rayonnement thermique 105

1.14.1
Origine du rayonnement thermique 105

1.14.2
Propagation du rayonnement thermique 105

1.14.3
Corps noir 106

1.14.4
Corps gris 108

1.15
Bruit thermique 109

1.15.1
Origine du bruit thermique 109

1.15.2
Tension de bruit thermique 109

1.15.3
Analogie entre rayonnement thermique et bruit thermique 110

I.!5.4
Température apparente de bruit 112

1.15.5
Facteur de bruit 112

1.15.6
Température équivalente de bruit 114

1.15.7
Bruit rayonné 116

1.15.8
Sources de bruit externes 116

l.15.8.1
Principales sources de bruit naturelles et artificielles 118

1.1
5.8.2 Emission radioélectrique due aux gaz de l'atmosphère 119

1.1
5.8.3 Emission radioélectrique due aux hydrométéores 120

l.15.8.4
Bruit externe total 120

1.16
Lois de probabilité 121

1.16.1
Généralités : 121

I.!6.2
Loi de distribution de GAUSS 121

I.!6.3
Loi de distribution de RA YLEIGH 123

II-LES LIAISONS EN VISIBILITE
II.!
Eléments d'ingénierie d'une liaison à vue directe 125

11.1
.1 Généralités 125

11.1
.2 Etablissement du profil de la liaison 125

11.1
.2.1 Détermination des azimuts et de la distance 125

1l.1
.2.2 Données nécessaires pour J'établissement du profil 126

11.2
Architecture d'une liaison à vue directe (méthode interférométrique) 127

11.2.1
Tracé du profil 127

11.2.2
Critères de dégagement 128

11.2.3
Détermination de la ligne de régression et de la rugosité du terrain 128

II.2.4
Détermination des zones de réflexion 129

11.2.5
Retard différentiel 129

Il .2.6 Atténuation différentielle 129

11.2.7
Réception en diversité d'espace et/ou de fréquence 130

11.2.8
Exemple de liaison 131

11.2.9
Résultats de mesure en conditions de guidage 141

11.2.10Diversité
angulaire 147

II.2.11
Pointage des antennes 148

1l.2.11.1
Centrage de la source d'illumination 148

1l.2.11.2
Prépointage en azimut 148

11.2.11.3
Pointage final de l'antenne 149

Il.2.11.3.1
Pré-positionnement en site 149

11.2.11.3.2
Pointage final en azimut 150

11.2.11.3.3
Pointage final en site 151

11.2.11.3.4
Vérification du plan de polarisation 151

11.2.11.4
Tenue aux conditions climatiques 151

II.3
Bilan de liaison 152

II.3.1
Généralités 152

11.3.2
Objectifs de performance 152

Il .3.3 Bilan de transmission 155

11.3.3.1
Puissance médiane reçue et marge uniforme 155

11.3.3.2
Puissance de seuil du récepteur. 156

lIA Méthode de prévision 157

1104.1
Facteur géoclimatique 157

1104.2
Inclinaison du trajet.. l58

1104.3
Pourcentage de temps d'évanouissement 159

110404 Méthode pour tous les pourcentages de temps d'évanouissement 159

1104.5
Prévision des interruptions dues aux évanouissements sélectifs
et non sélectifs 160

II04.6
Méthode de prédiction des renforcements de champ 161

11.4.7
Passage du mois quelconque à l'année moyenne 163

11.4.8
Prévision des interruptions dans les systèmes numériques sans diversité .163

11.4.8.1
Signature du récepteur 164

1104.8.2
Probabilité d'interruption 166

11.4.9
Prévision des interruptions dans les systèmes numériques avec diversité .167

11.4.9.1
Prévision des interruptions en cas d'utilisation de la diversité d'espace ...... 167

11.4.9.2
Prévision des interruptions en cas d'utilisation de la diversité de
fréquence 169

11.4.9.3
Prévision des interruptions en diversité double d'espace et de fréquence
(système à deux récepteurs) 169

11.4.904
Prévision des interruptions en diversité quadruple d'espace et de
fréquence (système à quatre récepteurs) 170

11.4.9.5
Prévision des interruptions en cas d'utilisation de la diversité angulaire 170

1104.]
0 Prévision de la probabilité totale d'interruption 171

1104.10.
Prévision de la probabilité d'interruption due aux évanouissements par
temps clair 172

1104.10.2
Prévision de la probabilité d'interruption due à la pluie 172

1104.10.3
Prévision de la probabilité d'interruption due à la réduction du
découplage de polarisation croisée 172

1104.10.3.1
Réduction du découplage de polarisation croisée par temps clair 172

lIA. J0.3.2
Réductiondu découplagedepolarisationcroiséedueauxprécipitations

173

1104.]
1 Effet dû à un perturbateur 174

1104.11.1
Dégradation du seuil du récepteur par un perturbateur 175

1104.11.2
Mesure du niveau du perturbateur et du seuil dégradé 177

1104.12
Effet dû à un obstacle 178

1104.]
3 Exemple de bilan de liaison 179

1104.14
Evolution de la méthode de prévision 183

III -LES LIAISONS TRANSHORIZON
111.1
Eléments d'ingénierie d'une liaison transhorizon 185

111.1.1
Généralités 185

III.1.2
Etablissement du profil d'une liaison transhorizon 186

111.2
Méthode de prévision 187

111.2.1
Affaiblissement médian de propagation à long terme 187

IIL2.!.1
Distance angulaire et angles de site à l'horizon radioélectrique 187

111.2.1.2
Fonction d'affaiblissement 188

m.2.1.3
Affaiblissement par l'atmosphère 190

111.2.104
Gain en fréquence 190

III.2.1.5
Rendement de diffusion 192

111.2.2
Variation de l'affaiblissement médian à long terme sur j'année 192

111.2.2.1
Hauteur effective des antennes 194

III.2.2.2
Distance d'occultation " 194

III.2.2.3
Distance équivalente 194

III.2.2.4
Affaiblissement non dépassé pendantp% du temps 195

1I1.2.2.5
Probabilité de service 203

111.3
Bilan de transmission 203

111.3.1
Perte de couplage d'antenne 204

III.3.2
Perte de directivité transversale 206

III.3.2.1
Pointage manuel des antennes 210

III.3.2.2
Pointage automatique des antennes 211

1I1.3.2.2.1
Processus par approximations successives 212

IIIJ .2.2.2 Processus par itération : 214

111.3.3
Fréquence des évanouissements rapides 214

III.3A
Réception en diversité : 215

IH.3.4.1
Diversité d'espace 2J9

111.3.4.2
Diversité de fréquence 219

IIIJ.4.3
Diversité quadruple d'espace et de fréquence 219

IIIJ.4.4
Diversité angulaire 220

III.3.4.5
Diversité de polarisation 221

111.3.5
Disponibilité de la liaison 221

111.3.6
Bande de cohérence du canal 222

III.3.6.1
Méthode de SUNDE 223

111.3.6.2
Modèle de RICE 223

111.3.6.3
Modèle de COLLIN 224

111.3
.7 Composition de l'onde diffusée et de l'onde diffractée 225

1l1.3.8
Influence des réflexions sur le sol 226

III.3.9
Passage de l'année moyenne au mois quelconque 227

IlIA Exemples de liaisons transhorizon 228

IIIA.l
Liaison en diffraction sur arête 228

IIIA.2
Liaison en double diffraction 231

III.4.3
Liaison en diffusion sur Terre sphérique 234

III.5
Autres modèles de prédiction 237

111.5.1
Méthode II de l'UIT-R 237

111.5.2
Méthode 1de l'UIT-R 238

111.5.3
Méthode III de l'UIT-R 240

IV -LES LIAISONS SPATIALES
IV.I
Eléments d'ingénierie d'une liaison par Satellite 247

IV.I.1
Généralités 247

IV.1.2
Géométrie d'une liaison avec un Satellite géostationnaire 247

IV.I.2.1
Distance de géosynchronisme 248

IV.I.2.2
Détermination de l'azimut 248

IV.l.2.3
Détermination de la distance 249

IV.I.2.4
Détermination de J'élévation 249

IV.1.2.5
Détermination de l'angle vu par le Satellite 250

IV.I.2.6
Limite de visibilité optique 250

IV.I
.2.7 Angle de polarisation 250

IV .
2 Architecture d'une liaison par Satellite 250

IV .2.1 Caractéristiques générales du répéteur 251

IV.2.1.1
Zones de couverture 251

IV.2.1.2
Bande du répéteur 251

IV.2.1.3
Facteur de mérite 252

IV.2.1
A Amplificateur de puissance 252

IV.2.lA.1
Amplificateur à TOP 254

IV.2.IA.2
Amplificateur à état solide 256

IV.2.1.5
Flux saturant 257

IV.2.1.6
PIRE à saturation 257

IV.2.1.7
Bruit ramené à l'entrée du répéteur 258

IV.2.2
Caractéristiques générales d'une Station Terrienne 258

IV.2.2.1
Sources de bruit du système de réception 258

IV.2.2.2
Température de bruit de l'antenne 259

IV.2.2.3
Température totale de bruit du système de réception 260

IV.3
Bilan de liaison 261

IV.3.
1 Chemin descendant 261

IV.3.2
Allocation de ressource du répéteur 261

IV.3.3
Chemin montant 261

IV.3A
Rapport signal à bruit total 262

IV.3.5
Densité spectrale du répéteur 263

IV.3
.6 Taux d'occupation du répéteur par la porteuse 263

IV.3.7
Antenne de réception optimale 263

IV.3.8
Caractéristiques générales du signal 264

IV.3.8.1
Relations générales 264

IV.3.8.2
Types de modulation 265

IV.3.8.3
Caractéristique Eh/No 265

IV.3.8A
Codage correcteur d'erreurs 266

IV.3.8.5
Densité spectrale de puissance 268

IV.3.9
Objectif de qualité de la liaison .270

IV.3
.10 Techniques d'accès multiple .270

IV.3. J0.1
Accès multiple par répartition en fréquence (AMRF) 270

IV.3.l0.2
Accès multiple par répartition dans le temps (AMRT) 271

IV.3.IO.3
Accès multiple par répartition en code (AMRC) 271

IV.3.11
Effet DOPPLER-FIZEAU 272

IVA Méthode de prévision 274

IVA .
1 Phénomènes qui entrent enjeu dans la propagation Terre-espace .274

IVA.I
.I Affaiblissement atmosphérique 274

IVA.I.2
Effets dus aux hydrométéores 274

IV04.1.3
Baisse de gain de l'antenne 274

IVA.IA
Effets dus à la scintillation troposphérique et aux trajets multiples 274

IVA.I.5
Effets dus à l'ionosphère 276

IV04.1.6
Sources de bruit externes 276

IVA.2
Prédiction de la probabilité totale d'interruption 276

IVA.3
Exemple de bilan de liaison 277

v-LES LIAISONS OPTIQUES
V.l
Les liaisons par fibres optiques 279

V.l.l
Généralités 279

V.l.2
Propagation guidée 279

V.l.3
Fibres monomodes 280

V.I.3
.1 Caractéristiques géométriques 281

V.I.3.2
Caractéristiques de propagation 281

V.1.3.2
.1 Pertes par diffusion 28 J
V.1.3.2.2
Pertes par absorption 281

V.I.3.2.3
Dispersion chromatique 282

V.1.3.2.4
Dispersion de polarisation modale , : 284

V.l
.3.2.5 Effets non linéaires 284

V.1.3.2.6
Pertes de courbure 284

V.1.3.2.7
Pertes de couplage 284

V.I.3.3
Bilan de liaison 285

V.I.3.3.1
Puissances minimale et maximale de réception 285

V.l.3.3.2
Atténuation due à la dispersion 285

V.I.3.3.3
Exemple de bilan de liaison 286

V.I.3.4
Techniques de multipl exage 287

V.l
.3.5 Autres types de fibres optiques 288

V.2
Les liaisons optiques en espace libre 288

V.2.l
Généralités 288

V.2.2
Propagation des ondes lumineuses dans l'atmosphère 288

V.2.3
Propriétés des faisceaux gaussiens 291

V.2.4
Liaisons spatiales optiques 292

VI-L'INFRASTRUCTURE DES STATIONS DE TELECOMMUNICATIONS
VLl Eléments d'ingénierie d'une Station de Télécommunications 293

VI.l
.1 Généralités 293

VLl .
2 Types de Stations de Télécommunications 293

VI.2
Conditions d'environnement 294

VI.2.1
Caractéristiques climatiques 294

VL2.2
Propriétés de l'air humide 295

VI.2.2.1
Composition de l'air 295

VI.2.2.2
Enthalpie de l'air humide 296

VI.2.2.3
Chaleur sensible et chaleur latente 297

VI.2.2.4
Détermination des caractéristiques de l'air humide 298

VI.2.2.5
Variation des caractéristiques de l'air humide avec l'altitude 299

VI.2.2.6
Pressions statique et dynamique 300

VI.2.2.7
Relation entre pression, volume et température 301

VU Systèmes de ventilation et de climatisation 302

VU .
I Ventilation directe 302

VU.2
Echangeurs de chaleur 305

VI.3.2.1
Echangeur air-air 305

VI.3.2.2
Echangeur caloduc 305

VI.3.2.3
Echangeur hydronique 306

VI.3.2A
Système à évaporation d'eau 308

VI.3.2.5
Système VAPOTRON 309

VI.3.2.6
Système de conditionnement d'air 310

VIA Processus d'échange thermique 312

VIA.l
Conduction 312

VI.4.2
Convection 312

VI.4.3
Rayonnement 313

VI.4A
Coefficient de transfert global... 313

VI.5
Abris de télécommunications 314

VI.5.1
Abri de surface à intégration thermique 314

VI.5.1.1
Abri à intégration thermique passif.. 318

VI.5.1.2
Abri à intégration thermique actif.. 320

VI.5.1.3
Abri hydronique 321

VI.5.2
Abri enterré 323

VI.5.2.1
Exemple d'abri enterré à ventilation directe 325

VI.5.2.2
Exemple d'abri merlonn éà échangeur caloduc 327

VI.6
Energie 328

VI.6
.1 Détermination de la consommation en énergie 328

VI.6
.2 Energie secondaire 328

VI.6.3
Energie primaire 329

VI.6.3.1
Groupe électrogène 330

VI.6.3.2
Système photovoltaïque 331

VI.6.3.3
Eolienne 334

VI.6.3A
Générateur thermo électrique 334

VI.6.3.5
Générateur à combustion externe 334

VI.6.3.6
Pile à combustible 334

VI.6.3.7
Combinaison de différentes sources 334

VI.7
Disponibilité globale des Systèmes de Télécommunications 335

VI.7.1
Disponibilité liée à la propagation 335

VI.7
.2 Disponibilité due au matériel 335

BIBLIOGRAPHIE 337