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àČtude des possibilités d'utilisation d'un réflecteur passif sur une liaison numérique de grande capacité : ¬ę cas de la liaison de mtn rwandacell karongi-kibuye ¬Ľ


par Charles et Aimable Kabiri et Gashabuka
Université nationale du Rwanda - Undergraduate 2006
  

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RESUME

Dans la transmission hertzienne, la quantité d'information que l'on peut transporter dépend de nombreux facteurs dont : le canal de transmission, la distance entre deux points d'une liaison, la visibilité de la liaison, la sensibilité aux perturbations, etc.

Le présent travail est focalisé sur l'étude de la visibilité de la liaison de MTN Rwandacell Karongi vers le centre ville de Kibuye, et fait le bilan des affaiblissements dus aux obstacles pénétrant dans cette liaison ; quant à leur impact dans la planification de ladite société des télécommunications relative à une augmentation de la capacité de transmission qui serait caractérisée par l'utilisation des fréquences de plus en plus élevées.

La solution pratique d'utilisation d'un réflecteur passif, adoptée le plus souvent dans les régions montagneuses comme celles du cas d'étude, est proposée et consiste à l'obtention d'une nouvelle liaison à travers laquelle les obstacles seraient totalement dégagés, si l'on plaçait ce passif dans l'île Nyamunini située dans le lac Kivu.

Enfin, le réflecteur est dimensionné en vue d'optimiser la puissance de réception à la station située au centre ville de Kibuye.

xi

ABSTRACT

In microwave link transmission, the quantity of information which can be carried depends upon many factors such as: the distance between two points of the link, the clearance of the link, the sensibility of perturbations, etc.

The purpose of this project is to analyse the MTN Rwandacell microwave link between Karongi Mount and Kibuye City-center.

MTN Rwandacell is facing problems in increasing the capacity of transmission in such links located in the high mountains of Rwanda where it is difficult to obtain the Line Of Site (LOS) between the two ends of the link.

This work analyses the possibilities to overcome this problem and studies particularly the solution of using a plane reflector in order to optimise the signal power to the receiver at the end of the link and to achieve some performance objectives.

INTRODUCTION GENERALE

1. Choix du sujet

Depuis une décennie, le secteur des télécommunications connaît une forte croissance de la demande tant dans les pays développés que dans ceux en voie de développement. Il en est de même pour notre pays qui a vu le nombre des abonnés aux réseaux téléphoniques passer d'une dizaine de milliers à plus d'une centaine de milliers au cours des cinq dernières années grâce, notamment, à l'introduction de la téléphonie mobile. Pour répondre à cette demande en croissance considérable, il faut que la capacité de transmission du réseau de télécommunication soit révisée constant à la hausse et cela avec anticipation, afin d'éviter la dégradation de la qualité de service causée soit par le taux de blocage ou par le délai d'attente pour la connexion.

Vu le problème que pose l'installation des liaisons numériques de grande capacité dans un pays montagneux comme le nôtre, il a fallu apporter notre contribution en faisant l'étude de l'utilisation d'un réflecteur passif sur une liaison numérique de grande capacité de KarongiKibuye.

L'emplacement du centre ville de Kibuye dans une dépression (graben occidental), cause de difficultés d'émettre depuis la station d'émission de Karongi, située dans la crête Congo-Nil, vers ce centre ville puisque le signal émis rencontre les obstacles de montagnes provoquant un faible signal de réception, lequel signal est le résultat de la diffraction des ondes sur ces derniers.

En effet, comme ce centre ville est à la fois le chef-lieu de province et un lieu touristique en croissance considérable, il va avoir bientôt besoin d'une artère de transmission de grande capacité contrairement à l'artère de petite capacité actuellement en service.

Tout ceci nous a conduit à la recherche d'une solution plus ou moins adéquate à cette obstruction car aucune société de télécommunication ne peut s'aventurer à faire une liaison de grande capacité (par exemple une liaison en SHF) avec un tel obstacle.

2. Problématique

Il est possible d'utiliser les ondes radio de faible fréquence lorsqu'on transmet les signaux de faible capacité. Dans ce cas, les ondes diffractées peuvent être utilisées lorsqu'il n'y a pas de visibilité directe entre deux stations adjacentes.

La question qui se pose est la nécessité d'augmenter la capacité de cette liaison. Cela exige l'utilisation des fréquences de plus en plus élevées qui, malheureusement, sont bloquées par ces obstacles.

Est-il possible de surmonter ces obstacles ?

Si oui, quelle est la meilleure solution parmi celles qui sont possibles ?

3. Objectifs de la recherche

L'objectif de cette recherche est d'étudier les possibilités d'éviter les obstacles qui ne permettent pas de réaliser une liaison numérique de grande capacité.

Nous nous proposons alors l'étude d'utilisation d'un réflecteur passif qui pourrait être placé sur l'île se trouvant dans le lac Kivu communément appelé « NYAMUNINI ».

4. Intérêt du sujet

Une fois cette étude réalisée, notre travail aura pour intérêt l'obtention d'une liaison numérique de grande capacité (de 32 Mbits soient 480 voies téléphoniques à 64Kbits par voie), alors qu'avec la diffraction de l'obstacle on pouvait arriver à 8Mbits seulement. La réalisation de cette étude va aider les sociétés de télécommunication à l'instar de MTN Rwandacell, TERRACOM, d'émettre depuis la station de Karongi avec une grande capacité.

La proposition d'utilisation d'un réflecteur passif est l'une des meilleures solutions pratiques parmi tant d'autres possibles telles que : L'élévation des pylônes; l'installation d'une station relais active, etc.

5. Hypothèse de la recherche Dans notre travail nous nous proposons l'hypothèse qui suit :

L'atténuation du signal due à la diffraction des obstacles augmente avec l'utilisation des fréquences de plus en plus élevées.

En effet, lorsqu'on effectue une liaison numérique "Point to point", on doit faire un dégagement de la zone de Fresnel.

Le rayon de la zone de ce dégagement varie de manière inversement proportionnelle à la fréquence d'émission.

Lorsqu'il y a un obstacle sur le chemin des ondes, l'angle au sommet du cône de diffraction diminue quand la fréquence augmente. Ce qui fait qu'un point qui était antérieurement situé dans la zone de pénombre se retrouve dans la zone d'ombre.

6. Délimitation du sujet

Le présent travail va se limiter à l'étude analytique et descriptive du réflecteur passif comme une meilleure solution comparativement à d'autres possibles pour la liaison numérique de MTN Rwandacell Karongi-Kibuye

7. Approche méthodologique

Afin d'arriver à sa réalisation, nous utiliserons principalement, la méthode documentaire pour le développement du cadre théorique; un logiciel « Arcview GIS » comme outil informatique qui nous donnera la situation géographique de la région objet d'étude en province de l'Ouest, du logiciel ATDI-Hertz Mapper qui nous permettra de tracer les profils montrant le dégagement des obstacles et enfin le MATLAB 6.5.1 comme outil de simulation de résultats.

8. Subdivision du travail

En plus de l'introduction générale, ce travail s'articule sur les quatre chapitres suivants : CHAPITRE I : Généralités sur les ondes électromagnétiques

CHAPITRE II : Théories des antennes et transmissions hertziennes

CHAPITRE III : Influence de la Terre et de l'atmosphère sur la propagation des ondes hertziennes

CHAPITRE IV : Bilan de puissance à la réception avec l'utilisation d'un relais passif.

Au terme de ce travail, se trouve une conclusion générale suivie de quelques recommandations adressées aux sociétés de télécommunication, à la faculté des sciences appliquées et aux étudiants du département d'électrique et électronique, spécialement ceux de l'option d'électronique et systèmes de télécommunication.

CHAPITRE I: GENERALITES SUR LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES

I.0 INTRODUCTION

Ce chapitre met en évidence la description générale des ondes électromagnétiques au cours de laquelle nous ferons une présentation des équations de Maxwell ainsi que la propagation de ces ondes dans différents milieux.

I.1 Définition

Les ondes électromagnétiques sont des éléments physiques d'une importance extrême permettant la communication entre les systèmes grâce à leurs propriétés de propagation dans le vide ou la matière. Une onde électromagnétique (OEM) est constituée d'un champ électrique

E et d'un champ magnétique H . Dans le vide, ces deux champs sont orthogonaux et transverses (perpendiculaires à la direction de propagation [17].

Figure I.1 : Propagation d'une onde électromagnétique

I.2 Lois du rayonnement électromagnétique I.2.1 Notion d'ondes sphériques

Quand une vibration se propage dans l'espace, elle le fait sous forme d'une onde. En un point quelconque de l'espace, l'amplitude de vibration varie sinusoïdalement si le phénomène est en fonction du temps, et son équation est de la forme :

Y = Asin( wt+? ) (I.1)

x

vibration présente la même phase constitue une surface équiphase de l'onde ou encore « un front d'onde >>.

Si un ébranlement se produit en un point d'un plan, il se propage sur ce dernier dans toutes les directions avec la même vitesse si le milieu est isotrope. Au bout d'un temps t, la situation est la même en tout point d'un cercle centré sur le point d'origine de l'ébranlement. Ce cercle est donc un front d'onde. Dans le cas d'un milieu homogène à trois dimensions, le front d'onde est une sphère, et l'onde qui se propage est alors appelée une onde sphérique tandis que le point d'origine de la vibration est le centre du front d'onde.

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

Par définition, une « onde plane >> est une onde dont le front est un plan. Dans le cas

d'une onde électromagnétique, il existe simultanément un champ électrique E

et un champ

 
 

magnétique H . L'onde plane est une solution particulière des équations de propagation et dans

ce cas, E et H sont en phase entre eux, mais orthogonaux dans l'espace et perpendiculaires à la direction de propagation. L'intérêt de cette notion est double :

D'une part, une onde émise par une source, peut-être considérée localement en un point M éloigné de la source comme ayant les propriétés d'une onde plane.

D'autres part, l'onde plane est l'instrument analytique de la théorie des ondes. Une onde quelconque, à condition que les propriétés du milieu soient linéaires, peut toujours être obtenue par superposition d'ondes planes.

La théorie développée dans cette partie s'applique à toute onde électromagnétique à quelque domaine du spectre qu'elle appartienne.

F

y

H

z

r

Cette situation est représentée à la figure1.2 ci-dessus, où le vecteur Ð dirigé dans le

sens de propagation est le vecteur de Poynting.

I.3 Equations de Maxwell

I.3.1 Equations fondamentales

Les équations de Maxwell, qui régissent le comportement du champ électrique et du champ magnétique sont groupées dans les quatre relations ci-après écrites dans le système d'unités rationalisé. Dans tous les milieux, on a les équations suivantes :

; Equation de Maxwell Faraday (Phénomène d'induction) (I.2)

r

r

?B

r

rotE

t

-

?

r

; Equation de Maxwell-Ampère (I.3)

?D

+

t

r r r

rotH j

=

?

r

divD = ñ ; Equation de Maxwell-Gauss (I.4)

r

divB = 0 ; (I.5)

L'équation (I.5) est celle du Théorème de Gauss sous-forme différentielle pour le champ magnétique.

r r

Dans ces équations, E est le champ électrique, D le déplacement (ou induction)

r r

électrique, B le champ (ou induction) magnétique, H l'excitation (ou champ) magnétique;

r
ñ la densité volumique de charges réelles et j la densité volumique de courants de charges

réelles.

L'équation (I.4) exprime qu'il n'y a pas de distribution en volume de masses

magnétiques libres; tandis que l'équation (I.3) que

r

?D

?t

joue le même rôle qu'un vecteur

densité de courant. Ce terme est le vecteur densité de courant de déplacement (Maxwell) [3]. I.3.2 Equations complémentaires

Elles mettent en jeu la nature du milieu. Pour un milieu homogène, isotrope, parfait au point de vue diélectrique et magnétique, nous avons :

v r

D E

= å (I.6)

r r

B H

= u (I.7)

r

r

j E

= ó (I.8)

å ,u et ó sont respectivement la permittivité, la perméabilité et la conductivité du milieu magnétique

I.4 Equation de propagation des ondes électromagnétiques

La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux catégories de propagation des ondes :

- La propagation dans l'espace libre (vide, air, milieu massif comme le verre, etc.)

- La propagation guidée (fibre optique, guide d'onde,)

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

Les équations de Maxwell-Ampère et Maxwell-Faraday sont des équations aux

r

dérivées partielles du premier ordre qui couplent le champ électrique E et le champ

r

magnétique B .

L'élimination de l'un des champs conduit à obtenir pour le second une équation du second ordre [11]:

r

? -

E o o

u å

0 ; (I.9)

2

r

?

E

=

2

t

?

r

? -

H u å

o o

; (I.10)

2

r

? H

2 0

=

?t

1

=

c

;

å u

0 0

I.4.2 Energie électromagnétique

(I.11)

Ces équations sont celles de D'Alembert ; le champ électromagnétique se propage dans le vide à la célérité c avec :

2

r

r

2

E B

2 2 o

u

u = å + ;

o

(I.12)

r

:

(I.13)

Le courant d'energie est donné par le vecteur de Poynting Ð

r r

Ð = E ×H ;

La relation de conservation locale s'écrit

= 0 ;

? u r

(I.15)

+ Ð

div

?t

La puissance qui traverse une surface est le flux du vecteur de Poynting à travers cette

P S

surface telle que :

P = ??Ðds r r (I.15)

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