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Conception et réalisation d'un outil d'aide au paramétrage des antennes


par Bertrand Olivier ETOUNGOU
Ecole Normale Supérieure de l' Enseignement Technique de Douala-Cameroun - DIPET II du Génie Electrique option Electronique 2010
Dans la categorie: Informatique et Télécommunications
   
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CHAPITRE I

REVUE DE LA LITTERATURE

La conception des logiciels de paramétrage des antennes de télécommunications n'est pas une préoccupation nouvelle. Il existe plusieurs logiciels d'aide au dimensionnement des antennes. La plupart des outils de dimensionnement se basent sur les surfaces de couvertures des antennes potentielles. Cette approche est nommée Coverage Based Design. Un exemple de Coverage Based Design, développé par [8], consiste à effectuer des mesures des altitudes et des coordonnées géographiques d'un certain nombre de points de la ville et d'écrire un programme d'interpolation servant à en déduire les altitudes des points intermédiaires. L'acquisition des informations des échantillons est essentiellement assurée par un GPS. La technique de calcul des pertes en chemin (pertes dues à la topologie du terrain) est basée sur la Méthode de DEYGOUT et les corrections de CAUSEBROOK. [8] ne caractérise pas l'antenne, son travail met un absent sur le bilan des liaisons donc les phénomènes de propagation.

En outre, les travaux de recherche de [8] au LETS (Laboratoire d'Electronique et du Traitement du Signal) ont permis de découvrir d'autres algorithmes plus qu'intéressants, favorisant la création du MNT d'une ville. L'absence d'un fichier résultat de l'extrapolation oblige à ajuster l'algorithme dans le but de disposer d'un MNT (Modèle Numérique de Terrain) dans un fichier exploitable par tout autre logiciel que MATLAB. Signalons en outre que grâce au travail de cette équipe, plusieurs sites de la ville de Yaoundé ont pu être pris comme échantillons, lesquels échantillons ont servi de base à l'extrapolation conduisant à la réalisation du MNT de Yaoundé.

Dans le même ordre d'idée, en 2001, le mémoire de fin d'études à l'Ecole Nationale Supérieure Polytechnique de Yaoundé de l'étudiant [10] portait sur le développement d'un logiciel de dimensionnement des liaisons du réseau mobile sous C++Builder. La technique utilisée pour l'établissement du MNT était basée sur la fusion de deux résultats issus de deux algorithmes distincts (modèle en escalier et l'interpolation quadratique à partir des sommets). Après extrapolation et fusion, on peut se rendre compte que le MNT final ne passe pas par les points échantillons, ce qui nécessite par conséquent une amélioration.

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Il existe un autre logiciel (PATHLOSS 4.0 [15]) permettant de dimensionner les antennes et intégrant plus de 15 modules. Il est utilisé pour les fréquences allant de 30Mhz à 100Ghz. Les fonctionnalités peuvent être achetées par modules. Il souffre également d'une obligeance à ne pas offrir les fonctionnalités liées aux besoins spécifiques des entreprises. Par ailleurs les données géographiques doivent aussi être fournies à la plateforme, et en l'occurrence celles des pays ne disposant pas de cartes numériques, des MNT et SIG de grande précision.

Les travaux de recherche de [6] sur le LMDS (Local Multipoint Distributed Services) à l'Université de Limoges en France ont permis de découvrir d'autres outils plus qu'intéressants :

Le logiciel de réseau SARA (Synthesis of Array of Antennas) développé au CREAPE. Il permet de faire de la synthèse et de l'analyse de réseaux d'antennes à l'aide d'une méthode analytique. Ce logiciel permet de faire à la fois de la synthèse et de l'analyse de réseaux d'antennes. La fonction de synthèse de réseaux permet de déterminer quelles sont les lois d'excitation en amplitude et en phase à appliquer aux différents éléments du réseau afin que le rayonnement suive un gabarit souhaité (réduction des lobes secondaires, amélioration du lobe principal, pointage du lobe, lobe en cosécante carrée...). La méthode de synthèse adoptée (technique itérative de résolution des équations non linéaires avec un critère d'optimisation « minmax » [6]) permet d'approcher au mieux la fonction de rayonnement désirée. Le logiciel de synthèse peut être présenté selon le synopsis de la figure I.1.

Figure I.1 : Synopsis du logiciel S.A.R.A

Source : Thèse Laure Fretay, 2004, [6]

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Deux méthodes de synthèse peuvent être utilisées. La synthèse dite complexe donne des pondérations aléatoires sur les éléments alors que la seconde, la synthèse réelle permet d'obtenir des pondérations symétriques en amplitude et conjuguées en phase. La fonction d'analyse de réseaux d'antennes consiste en l'évaluation, par des formules approchées, du champ rayonné connaissant la loi d'excitation des éléments qui le composent.

La partie analyse de réseaux permet bien souvent de vérifier et aussi de simplifier les lois de pondération obtenues dans la partie synthèse. Cependant, l'utilisation de cet outil ne peut se faire pour une application bien spécifique sur les antennes, il vaut mieux considérer le cas général de prise en compte de l'ellipsoïde de Fresnel. Cette remarque particulière permet de dire que le développement d'une plateforme de radiocommunication doit tenir compte des réalités propres à l'environnement pour lequel elle a été développée.

Le simulateur ADS de Hewlett-Packard permet d'effectuer à la fois des simulations de type circuit, qui utilisent des modèles équivalents de circuit passif, et des simulations électromagnétiques dites 2D1/2 qui permettent de résoudre les équations de Maxwell pour des structures composées d'un empilement de couches homogènes. Soit en employant la méthode nodale (lois des courant - tension de Kirchhoff). Celle-ci offre une simulation rapide de circuits complexes comportant des éléments localisés (selfs, capacités...), distribués représentés par des circuits équivalents (cas des lignes microrubans) et actifs (transistors...). Cette méthode permet d'optimiser les circuits afin d'obtenir les caractéristiques souhaitées. Elle est bien adaptée lorsque les schémas équivalents des circuits sont valables, il faut donc rester très prudent aux fréquences millimétriques. En effet, cette méthode ne prend pas en compte les interactions électromagnétiques, telles que le couplage entre éléments. Soit en employant la méthode des moments qui fait appel à la résolution des équations de Maxwell en 3 dimensions suivant une formulation intégrale. Celle-ci fait intervenir les courants surfaciques induits sur les obstacles métalliques de la structure étudiée (ligne microruban ou antenne plaque par exemple). Néanmoins, l'utilisation de cette méthode est limitée, car elle impose une homogénéité des substrats des circuits à analyser, le nombre de couches étant illimité. Ainsi, la modélisation de trous métallisés, de ponts à air ou de substrats inhomogènes, n'est pas rigoureuse voire parfois impossible avec cette méthode, et repose sur des modèles simplifiés. C'est pourquoi cette méthode est qualifiée de 2D1/2. Ce logiciel a été appelé MOMENTUM par Hewlett-Packard.

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Un logiciel de simulation basé sur une méthode rigoureuse : la méthode des différences finies dans le domaine temporel (notée FDTD pour Finite Difference in Time Domain). Les principaux avantages de ce logiciel développé à l'IRCOM sont la formulation relativement simple, la robustesse de l'algorithme et surtout la possibilité d'effectuer des études sur une large bande de fréquence, les calculs se faisant directement dans le domaine temporel. Ce simulateur 3D permet d'étudier n'importe quelle structure tridimensionnelle. Le code utilisé a été développé par l'équipe électromagnétisme de l'IRCOM, une version conviviale a été commercialisée sous le nom de THESADE. Il est basée sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (communément appelée FDTD pour « Finite Difference in Time Domain »). Celle-ci permet une résolution numérique des équations de Maxwell par une fine discrétisation spatio-temporelle. L'espace est donc divisé en cellules élémentaires (ou mailles élémentaires) parallélépipédiques, à l'intérieur desquelles sont calculées les 6 composantes orthogonales des champs électromagnétiques (Ex, Ey, Ez et Hx, Hy, Hz). La forme particulière des équations de Maxwell conduit à calculer les composantes du champ électrique au milieu des arêtes des mailles, tandis que celles du champ magnétique sont déterminées au centre des faces.

En dehors des travaux ci-dessus mentionnés, certains documents donnent des résumés des travaux similaires tandis que d'autres se contentent de parler d'un sujet particulier contribuant au développement des plateformes de radiocommunications. Entre autres, nous pouvons citer le document « Antennas and propagation for Wireless communication systems » de Simon R. Saunders. Ce document fondamentalement conçu pour le réseau mobile, inclut cependant plusieurs notions relatives aux télécommunications en général, et au réseau de bande de fréquence de 5GHz - 6GHz en particulier. Les différents modèles de calcul des pertes en chemin y sont explicitement évoqués et constituent une aide considérable quant à l'implémentation des algorithmes. Outre ce document, il existe plusieurs documents numériques qui parlent de la planification du réseau des télécommunications, parmi lesquels, nous pouvons citer le document intitulé « Macrocell Electric Field Strength Prediction Model Based Upon Artificial Neural Networks » d'Aleksandar Neskovic, Natasa Neskovic', et Djordje Paunovic' tous membres d'IEEE. Ce document, disponible au [16] parle du modèle de dimensionnement des antennes dans la ville de Belgrade. La modélisation numérique des SIG regroupait neuf catégories d'informations en fonction de la hauteur des bâtiments et de la végétation. Ensuite, on a au [17] un document de CISCO renseignant sur le dimensionnement des antennes opérant dans

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les fréquences des 5GHz. Il parle des conditions atmosphériques de propagation, de la protection des antennes contre la foudre, de la gestion des interférences, de la polarisation des antennes, de l'implantation des pylônes, du bilan de liaison, des pertes câbles, des gains des antennes, de la prise en compte de la zone de Fresnel entre autres. Ce document signale aussi que la bande de fréquence 5.725 à 5.825GHz est considérée comme « Unlicensed National Information Infrastructure (U-NII) » c'est-à-dire libre d'utilisation et ne nécessite aucune licence préalable pour son exploitation. Cela laisse supposer que les risques d'interférences y sont assez élevés. Dans le cadre de dimensionnement des ondes de télévision, le document « UK planning model for digital terrestrial Television coverage » de P. G Brown, K.Tsioumparakis, M. Jordan & A Chong, disponible au [18], contient un exemple d'algorithme d'extraction des obstacles. Dans le cas de la propagation des ondes de la British Broadcasting Corporation (BBC), la BBC Research Department a élaboré le document « Trospospheric Radio wave propagation over irregular terrain : The computation of field strength for UHF broadcasting », lequel document est disponible au [19]. Ce document permet de cerner davantage les modèles de DEYGOUT ainsi que la correction de CAUSEBROOK. L'implémentation numérique de logiciels de calcul des ondes radioélectriques, dans la plupart des cas, fait intervenir les cosinus et sinus intégral de Fresnel. Ces fonctions permettent d'évaluer les pertes dues à la diffraction. Le document « Propagation by diffraction » tiré des recommandations de l'Union Internationale des Télécommunications (UIT) et disponible au [20] permet d'implémenter ces fonctions avec une précision assez satisfaisante grâce aux coefficients de Boersma. Par ailleurs, un résumé d'une implémentation concrète de calcul des ondes radioélectriques pour le cas de la ville de Zurich nous est fourni dans le document « Wave Propagation Project » de André STRANNE au [21]. Ce projet utilise en particulier le modèle de DEYGOUT. La liste de ces documents numériques n'est pas exhaustive, la bibliographie associée à ce mémoire regroupe les documents les plus importants.

Les constats ci-dessus évoqués nous amènent à conclure que le développement d'un outil de dimensionnement des antennes peut contribuer à améliorer la qualité de service tout en respectant un ensemble de contraintes mécaniques, technologies et économiques.

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