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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