à‰tude des possibilités d'utilisation d'un réflecteur passif sur une liaison numérique de grande capacité : « cas de la liaison de mtn rwandacell karongi-kibuye »

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UNIVERSITE NATIONALE DU RWANDA

FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES
DEPARTEMENT D'ELECTRICITE ET ELECTRONIQUE
OPTION : ELECTRONIQUE ET SYSTEMES DE COMMUNICATION

ETUDE DES POSSIBILITES D'UTILISATION D'UN REFLECTEUR PASSIF SUR UNE LIAISON NUMERIQUE DE GRANDE CAPACITE : « Cas de la liaison de MTN Rwandacell Karongi-Kibuye »

Mémoire présenté en vue de l'obtention du grade d'ingénieur en Electricité et Electronique/

Bachelor's degree in Electrical and Electronics Engineering

Par

GASHABUKA S. Aimable et

KABIRI Charles

Directeur: Dr Ir KARAMBIZI Sylvestre

Co-Directeur: Ir NAHAYO Charles

Huye, Octobre 2006

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DEDICACE

A mon Dieu Tout-Puissant pour sa protection et son amour inconditionnel,

A mes parents qui m'ont guidé sur le sentier de l'être,

A ma chère épouse NYIRABAGENZI Hélène pour sa patience et son encouragement, A tous mes enfants chéris Pacifique, Angélique, Héritier, Jovin, Pascal et Lissa,

A mon petit frère MUGARUKIRA Gérard pour son soutien moral et matériel,

A toute ma famille bien aimée,
A tous ceux qui me sont chers.

GASHABUKA S. Aimable

A mes regrettés parents RWABUHIHI Canisius et NIRERE Epiphanie,

A mon regretté oncle RUZIGANA Joseph, A mes frères et soeurs, cousins et cousines, A toute ma famille,

A tous ceux qui me sont chers.

KABIRI Charles

iii

REMERCIEMENTS

Ce travail de longue haleine ne saurait arriver à son terme n'eût été l'intervention de plusieurs personnes animées de bonne volonté, auprès desquelles nous avons bénéficié du soutien, de conseils et suggestions utiles.

De prime à bord, notre gratitude s'adresse respectivement au Dr KARAMBIZI Sylvestre et à Mr NAHAYO Charles qui ont accepté de diriger ce mémoire nonobstant leurs multiples occupations. Nous sommes reconnaissants de leurs conseils et de leur guide dans l'élaboration de ce travail.

Notre grande reconnaissance s'adresse également à la société de télécommunications MTN Rwandacell à travers l'ingénieur NIYONSENGA Cyprien qui, malgré ses multiples tâches, n'a pas cessé de se disposer pour ce travail. Ses idées et prodigue des conseils nous ont servi d'échelle et de guide dans l'élaboration de ce travail. Qu'il trouve ici l'expression de notre reconnaissance pour la bienveillance dont il nous a fait preuve.

Nos vifs remerciements s'adressent au Dr HACKIM HEDIA, professeur à l'université de Liège, pour sa documentation qui nous a servi d'architecture jusqu'à la finition de ce mémoire. Il a toujours eu le souci de partager ses connaissances avec les étudiants de l'Université Nationale du Rwanda.

Nos remerciements les plus distingués s'adressent à nos parents et aux professeurs de la faculté des sciences appliquées qui ont tout fait pour que nous soyons ce que nous sommes aujourd'hui.

Nous avons une dette de reconnaissance, aux autorités académiques de l'UNR et celles de ladite faculté grâce à leur encadrement quotidien et leurs démarches administratives qui nous ont nourris de beaucoup d'encouragement, jusqu'au terme de nos études. Qu'ils trouvent ici le fruit de leurs multiples efforts et l'expression de notre profonde gratitude.

Nous remercions également Mr NYANDWI Elias pour sa documentation et sa disponibilité. Enfin, à tous nos collègues de classe et à ceux qui, de près ou de loin, ont contribué tant moralement que matériellement à la réussite de ce travail, nous gardons de vous un souvenir impérissable.

TABLE DES MATIERES

DEDICACE II

REMERCIEMENTS III

TABLE DES MATIERES IV

SIGLES ET ABREVIATIONS VII

LISTE DES FIGURES VIII

LISTE DES TABLEAUX IX

RESUME X

ABSTRACT XI

INTRODUCTION GENERALE 1

CHAPITRE I: GENERALITES SUR LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES 4

I.0 INTRODUCTION 4

I.1 DÉFINITION 4

I.2 LOIS DU RAYONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE 4

I.2.1 Notion d'ondes sphériques 4

I.2. 2 Propagation à trois dimensions: Ondes planes progressives 5

I.3 EQUATIONS DE MAXWELL 6

I.3.1 Equations fondamentales 6

I.3.2 Equations complémentaires 6

I.4 EQUATION DE PROPAGATION DES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES 7

I.4.1 Equation de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide 7

I.4.2 Energie électromagnétique 7

I.7 CONCLUSION 8

CHAPITRE II: THEORIES DES ANTENNES ET TRANSMISSIONS HERTZIENNES 9

II.1 THEORIES DES ANTENNES 9

II.1.1 Introduction 9

II.1.2 Caractéristiques des antennes 9

II.2 TRANSMISSIONS HERTZIENNES 17

II.2.1 Généralités 17

II.2.2 Principe du faisceau hertzien 18

II.2.3 Structure du système des faisceaux hertziens 18

II.2.4 Choix des fréquences porteuses 19

II.2.5 Faisceaux hertziens numériques 20

II.2.6 Les antennes pour faisceaux hertziens 20

II.2.7 Le canal de propagation 20

II.3. CONCLUSION 21

CHAPITRE III. INFLUENCE DE LA TERRE ET DE L'ATMOSPHERE SUR LA PROPAGATION DES ONDES HERTZIENNES 22

III.1 INTRODUCTION 22

III.1.1 La propagation en visibilité 22

III.1.2 La propagation en non visibilité 22

III.2 CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES DU SOL ET DE LA BASSE ATMOSPHÈRE. 23

III.2.1 Le sol 23

III.2.2 La basse atmosphère ou Troposphère 25

III.3 LA RÉFRACTION ATMOSPHÉRIQUE 26

III.3.1 Propagation atmosphérique 26

III.3.2 Application aux télécommunications 28

III.3.3 Cas équivalents utilisés en télécommunications 29

III.3.4. Réfractions et réflexions anormales 31

III.4. ATTÉNUATION DE L'ATMOSPHÈRE PAR L'EAU ET LES GAZ 32

III.5 LA RÉFLEXION SUR LE SOL 33

III.5.1. Hypothèse d'un sol plan 33

III.5.2 Influence des irrégularités du sol 35

III.5.3. Evanouissement 36

III.6. DIFFRACTION 36

III.6.1 Généralités 36

III.6.2 DIFFRACTION PAR LE SOL 37

III.6.2.1 FORMULATION DU PRINCIPE D'HUYGENS-FRESNEL 37

III.6.2. INFLUENCE D'UN OBSTACLE OBSTRUANT UNE PARTIE 39

DU DEMI-ESPACE INFERIEUR 39

III.6.3. Ellipsoïde de Fresnel 40

III.6.4 Diffraction par un obstacle 41

III.6.5 Diffraction par plusieurs obstacles 44

vi

III 6.6 calcul des hauteurs h₁ et h₂ des antennes d'un émetteur E et d'un récepteur R. 46

III.7 CONCLUSION 47

CHAPITRE IV: BILAN DE PUISSANCE A LA RECEPTION AVEC L'UTILISATION D'UN RELAIS 49

IV.1 INTRODUCTION 49

IV.2 CALCUL DES TRAJETS ENTRE DIFFERENTS POINTS D'ETUDE 50

IV.3 ETUDE DE LA LIAISON EXISTANTE AVEC OBSTACLE 50

IV.3.1 Evaluation de la visibilité de la liaison 52

IV.3.2 Evaluation des pertes par diffraction et calcul de la puissance au point de réception 53

IV.3.3 CALCUL DES ATTENUATIONS DUES AUX OBSTACLES GITWA1 ET 2 56

IV.4 ETUDE DE LA LIAISON AVEC ELEVATION DES PYLONES 59

IV.5 ETUDE DE LA LIAISON AVEC RELAIS ACTIF 60

IV.5.1 Les données du relais actif 60

IV.5.2 Bilan de la liaison 61

IV.6 ETUDE DE LA LIAISON AVEC REFLECTEUR PASSIF 62

IV.6.1 1ntroduction 62

IV.6.2 Dimensionnement du réflecteur passif 65

IV.6.3 Bilan de la liaison 65

IV.6.4 Tableau des résultats de la surface du réflecteur en fonction de la puissance reçue par la

station du centre ville de Kibuye 67

IV.7 CALCUL DES AZIMUTS ET ELEVATIONS DES ANTENNES 69

1. Azimuts de la direction de l'antenne de Karongi vers le réflecteur passif 69

2. Azimuts de la direction du réflecteur vers l'antenne du centre ville de Kibuye 69

3. Calcul d'angle d'inclinaison de l'antenne de Karongi 70

4. Calcul de l'angle d'inclinaison de l'antenne du centre de Kibuye 70

IV.8 : PROFILS DE LA NOUVELLE LIAISON 72

IV.9 CONCLUSION 73

CONCLUSION GENERALE ET RECOMMANDATIONS 74

BIBLIOGRAPHIE I

ANNEXES I

SIGLES ET ABREVIATIONS

AGC: Automatic Gain Control

ATDI: Authoring techniques for Devices Independence

BER: Bit Error Rate

CCIR: Comité Consultatif International de Télécommunications

dB : Décibel

dBm: Décibel milliwatt

FI: Fréquence intermédiaire FM: Frequency Modulation GHz: Gigahertz

GIS: Geographic Information System

GPS: Global Positionning System

IFRB: International Frequency Registration board

Km: Kilomètre

LOS: Line of Sight

Mbits: Mégabits

Mbps: Mégabit par seconde MHz: Mégahertz

MSK: Minimum Shift Keying

MTN : Mobile Telecommunications Network

OEM : Onde Electromagnétique OOK: On-Off Keying

PCM: Pulse Code Modulation PSK: Phase Shift Keying

QAM: Quadratic Amplitude Modulation

Rx: Receiver

SHF: Super High Frequency SSB: Single Side Band

TERRACOM: Terrain Communication

Tx: Transmitter

UHF: Ultra High Frequency

UIT : Union Internationale de Télécommunications

ÔM: Phase Modulation

LISTE DES FIGURES

FIGURE I.1 : PROPAGATION D'UNE ONDE ELECTROMAGNETIQUE 4

FIGURE I.2: ONDE PLANE PROGRESSIVE 5

FIGURE II.1: DIAGRAMME DE RAYONNEMENT D'UNE ANTENNE 10

FIGURE II.3 : ANTENNE YAGI 15

FIGURE II.4: ANTENNE PARABOLIQUE 16

FIGURE II.5: STRUCTURE DE L'EMISSION/RECEPTION POUR LES FAISCEAUX HERTZIENS 18

FIGUREII.6: ANTENNES POUR FAISCEAUX HERTZIENS 20

FIGURE III.1: PROPAGATION DANS UNE ATMOSPHERE A STRATIFICATION SPHERIQUE 27

FIGURE III.2: PROPAGATION DANS UNE ATMOSPHERE DONT L'INDICE EST A VARIATION CONTINUE 27

FIGURE III.3 : DIVERS CAS DE PROPAGATION SELON LA VALEUR DE dn dh 28

FIGURE III.4: CAS EQUIVALENT AU CAS REEL AVEC TRAJECTOIRE RECTILIGNE. 29

FIGURE III.5: CAS EQUIVALENT AU CAS REEL AVEC TERRE PLATE. 29

FIGURE III.6: VARIATION DE L'INDICE ET TRAJET DES RAYONS DANS LE CAS D'UNE COUCHE DE SUPER

n

REFRACTION SITUEE ENTRE 0 ET OU ENTRE ET 31

h₀ h₁ h₂

FIGURE III.7: INFLUENCE D'UN FEUILLET ATMOSPHERIQUE SUR LA PROPAGATION DES ONDES 32

FIGURE III.8: GEOMETRIE POUR LA REFLEXION D'UNE ONDE SUR UN SOL PLAN 33

FIGURE III.9: INFLUENCE DES IRREGULARITES DU SOL SUR UNE ONDE INCIDENTE 35

FIGURE III.10: SCHEMA D'UNE LIAISON DE TELECOMMUNICATIONS EN PRESENCE D'UN OBSTACLE. 40

FIGURE III.11: OBSTACLE A LAME DE COUTEAU 41

FIGURE III.12: DIFFRACTION PAR UN OBSTACLE ARRONDI 44

FIGURE III.14: DIFFRACTION PAR PLUSIEURS OBSTACLES - METHODE DE DEYGOUT 46

FIGURE III.15: SCHEMA D'UNE LIAISON HERTZIENNE AU-DESSUS D'UNE TERRE SPHERIQUE. 47

FIGURE IV.1 : TRAJET DU FAISCEAU HERTZIEN KARONGI-KIBUYE (VILLE) 52

FIGURE IV.2 : VISIBILITE DE LA LIAISON 52

FIGURE IV.3: PROFIL KARONGI-CENTRE VILLE DE KIBUYE 58

FIGURE IV.4 : RELAIS ACTIF PLACE SUR L'OBSTACLE DE LA LIAISON 60

FIGURE IV.5: BONDS DE LA LIAISON 61

FIGURE IV.6: LIAISON DE TELECOMMUNICATION E-R (MONT KARONGI-STATION KIBUYE) AVEC

REFLECTEUR PASSIF EN P (ILE NYAMUNINI) 63

FIGURE IV.7: LA SURFACE DU REFLECTEUR EN FONCTION DE LA PUISSANCE DE RECEPTION 68

FIGURE IV.9: PROFIL KARONGI- ILE NYAMUNINI 72

FIGURE IV.10: PROFIL ILE NYAMUNINI-CENTRE VILLE DE KIBUYE 72

LISTE DES TABLEAUX

TABLEAU I: CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DE DIFFERENTS TYPES DE SOLS 24

TABLEAU II : COORDONNEES GEOGRAPHIQUES DE LA REGION D'ETUDE 49

TABLEAU III : CARACTERISTIQUES DES EQUIPEMENTS UTILISES EN EMISSION ET RECEPTION 51

TABLEAU IV : AFFAIBLISSEMENT PAR DIFFRACTION 56

TABLEAU V: BILAN DE PUISSANCES REVUES PAR LA STATION DE KIBUYE 58

TABLEAU VI: SURFACE DU REFLECTEUR EN FONCTION DE LA PUISSANCE REVUE ET DE L'ANGLEè . 67