Un système radio est d’autant plus coûteux que le volume de ses équipements, le poids et la consommation en énergie de ceux-ci sont importants. Or, ces trois composantes sont liées à quelques unes des caractéristiques de transmission exigées par les liaisons à établir, comme la fréquence de travail, la portée, le débit, la synchronisation, l’architecture de réseau, la fiabilité de la transmission et le choix de composants. Les technologies radioélectriques s’orientent aujourd’hui vers de nouvelles modulations.
I - Fréquence de travail
1.1 - Attribution
La fréquence radioélectrique choisie pour l’émission et la réception des liaisons à établir est soumise à une réglementation stricte, du fait des attributions déjà décidées pour ces ressources rares. Les bandes de fréquences exploitables sont attribuées par l’Union internationale des télécommunications (UIT) pour le monde, la CEPT pour l’Europe et l’ANFR (Agence Nationale des Fréquences) pour la France. Il faut une dizaine d’années pour modifier ces attributions et la vie des équipements peut dépasser une vingtaine d’années. L’application de ces décisions de niveau international appartient aux entités de réglementation nationale, ce qui permet une bonne gestion du spectre des fréquences entre les différents affectataires (civil, armées, aviation, secours, etc.). Il existe des plages de fréquences libres d’emploi réservées aux applications médicales, expérimentales à but scientifique (ISM) qui sont disponibles sans attribution de licence. Leur position dans l’échelle de fréquences variant selon les pays, il est bon de vérifier avant l’achat des équipements si la plage de fréquences de fonctionnement proposée par l’industriel correspond aux attributions décidées par les organismes de réglementation du pays d’utilisation et si elle s’accommode des conditions climatiques locales.
1.2 – Brouillages
La fréquence d’exploitation a des incidences sur la portée des signaux et la dimension des antennes. Il faut éviter qu’un émetteur d’un système ne vienne brouiller par rayonnement hors bande le récepteur d’un autre système radio. Des signaux situés en dehors de la fréquence du canal de réception, peuvent affecter le récepteur ou son antenne, surtout si la puissance (l’amplitude) de ces signaux est élevée. La protection contre les brouillages est assurée selon le cas :
par le saut de fréquence (GSM et Blutooth transmettent le signal utile en séquences sur plusieurs fréquences selon un algorithme prédéfini) ;
par l’étalement de spectre ;
par des codes spécifiques (Wi-Fi et W-CDMA) ;
par l’OFDM (voir Définition) ;
par l’UWB (élargissement de la bande avec une densité spectrale de faible puissance) ;
ou par des protocoles évitant les collisions (CDMA/CA).
II - Modulation
La modulation permet d’augmenter la fréquence du signal d’origine, de permettre sa transmission et éventuellement d’y associer plusieurs signaux en simultanéité (voir résumé sur les multiplexages dans le DT 13 - Le multiplexage et sur les principaux types de modulation dans le DT 14 - Modulations et paramètres ).
III - Débit des liaisons établies
La capacité d’un canal de transmission dépend de la largeur du canal fréquentiel disponible, des performances du codage utilisé et du rapport signal bruit de la liaison établie. On appelle "efficacité spectrale" la valeur du débit binaire par unité de fréquence (bit/s par Hertz). Plus on s’approche du débit maximum admissible, plus la puissance d’émission est sollicitée.
Il est donc opportun de se tourner, si possible, vers des protocoles de compression de données pour réduire le débit en ligne sans affecter la qualité du débit utile et d’introduire éventuellement un code de détection d’erreur (ou de correction automatique) dans les messages transmis.
IV - Puissance d’émission
En principe, plus la puissance d’émission est élevée, plus elle permet de franchir des distances importantes. Mais des puissances d’émission élevées créent aussi des perturbations sur les autres émissions voisines. Comme les échos perturbent aussi l’émission propre d’un émetteur, ou provoquer sa propre désynchronisation, il est préférable de limiter la puissance émise.
Les procédés de modulation élaborés et un bon choix d’antenne permettent une bonne transmission. Les nouveaux systèmes radioélectriques contrôlent la puissance émise par les terminaux en la maintenant dans une gamme de fréquence réduisant les perturbations au sein de la cellule d’émission réception (notion de "densité de puissance spectrale"). Si le nombre de terminaux en service tend à augmenter au sein d’une même cellule, le système tend à réduire ce nombre en diminuant la portée de l’émetteur (le rayon de la cellule diminue) et réciproquement. On dit que "la cellule respire". Les réseaux radioélectriques de type domestique travaillent à faible puissance pour réduire les risques de perturbation externe.
V - Portée des liaisons
La portée se définit comme la distance maximum (en mètres ou en km) permettant d’établir une liaison permanente entre un émetteur et un récepteur exploités à la même fréquence de travail. La réflexion des ondes et la présence de signaux indésirables (parasites) perturbent la réception. On palie à ce phénomène par des mesures en diversité de propagation dans l’espace ou en fréquence d’émission. La qualité d’une liaison est évaluée par le quotient de la puissance du signal utile rapporté à la puissance de bruit, exprimé en décibels (SNR, rapport signal sur bruit, qui peut être rapproché du rapport C/I, Channel/Interference, utilisé dans le domaine des satellites).
Plusieurs procédés peuvent être mis en œuvre pour accroître la portée d’une liaison. On peut augmenter la puissance d’émission (si la source d’énergie utilisée le permet pendant un certain temps) et il existe effectivement des systèmes d’émission à puissance variable ou ajustable dynamiquement. Des antennes à fort gain peuvent aussi être utilisées dans les chaînes d’émission et de réception. La sensibilité du récepteur ou un traitement particulier du signal reçu (ou les deux procédés combinés) permettent d’augmenter la portée de la liaison. Naturellement, tous ces processus rendent les équipements plus complexes et plus onéreux.
La technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) combine à l’émission comme en réception un réseau d’antennes et une diversité de propagation en trajets multiples dans le but d’accroître les débits. Le signal à transmettre est scindé en différents éléments qui sont transmis selon un algorithme convenu par plusieurs émetteurs et reçus par plusieurs récepteurs associés. Trois modèles de propagation doivent être distingués : les modèles statistiques, géométriques et à rayons (dont le GRIMM). Les antennes MIMO peuvent combiner les diversités d’espace, de polarisation et de diagramme. La capacité en performance dépend du nombre, de la position et de la nature des obstacles. La technologie est déjà appliquée dans les réseaux locaux radioélectriques de type Wi-Fi IEEE802.11g. L’Europe utilise les applications MIMO pour l’UMTS2 en HSDPA avec des débits compris entre 1,8 et 14 Mbit/s.
VI - Synchronisation
La synchronisation des liaisons radioélectriques est relativement simple à réaliser dans le cas de transmission numérique. Il suffit en effet de convenir entre émetteur et récepteur d’une séquence binaire caractéristique dans le préambule des messages. On distingue, dans les transmissions asynchrones, les synchronisations binaires et d’octets. Dans le mode paquet, la synchronisation de trame permet une exploitation satisfaisante. En mode synchrone, il suffit d’apporter les quelques corrections nécessaires à la stabilisation du récepteur pour que celui-ci s’accroche sur l’émetteur.
Dans le cas des accès multiples à répartition dans le temps (AMRT/TDMA), chaque utilisateur dispose de son propre intervalle de temps et la synchronisation est effectuée selon le mode synchrone. En FDMA, la synchronisation peut être de type asynchrone ou synchrone. Les systèmes à saut de fréquence et à large spectre s’appuient sur les performances de leur protocole pour assurer leur propre synchronisation.
VII - Latence
La latence d’une liaison est mesurée par le temps que met une trame pour aller de l’accès d’entrée de l’émetteur à l’accès de sortie du récepteur. Dans le cas d’équipements de stockage avec retransmission, qui sont fréquemment utilisés dans les ponts, on prend en compte le dernier bit de la trame. La latence peut fortement varier en fonction de la charge de trafic du réseau et de l’architecture de celui-ci. En numérique, la variation de la latence porte le nom de "gigue".
VIII - Architecture de réseau
Comme en filaire, on retrouve pour les liaisons radioélectriques, la possibilité d’architectures point à point et point à multipoint. Dans le système Bluetooth, chacun des points d’accès peut devenir un point d’éclatement principal, alors que pour Wi-Fi, le point d’accès est défini à l’origine. La pluralité des possibilités astreint Bluetooth à l’utilisation d’un protocole spécifique pour éviter les collisions des signaux (CSMA/CD).
IX - Fiabilité de la transmission radioélectrique
On sait que l’emploi de protocoles de protection contre les erreurs ralentit les échanges, puisqu’ils astreignent à attendre de nouveaux envois de paquets. Aussi, certaines applications ne nécessitant qu’une signalisation de l’apparition des erreurs à un taux tolérable, les équipements peuvent se limiter à effectuer une détection sans correction.
Pour assurer une plus grande fiabilité dans la transmission, il est possible d’organiser les échanges entre les extrémités de la liaison sur deux fréquences différentes et par conséquent en utilisant deux jeux d’antenne (diversité de fréquence et d’espace). Les deux parcours radioélectriques établis en parallèle assurent une protection contre les parasites et les réflexions occasionnels. Dans ce cas, l’émetteur et le récepteur disposent chacun de chaînes électroniques traitant les signaux en parallèle, la confrontation finale fournissant l’assurance d’une transmission fiabilisée au maximum, ce qui a évidemment un prix supplémentaire.
X - Choix de composants adaptés
Pour faciliter la tâche des industriels, les fabricants de composants fournissent à leurs clients des documents qui décrivent les performances de leurs produits et les associations possibles. Connaissant les difficultés rencontrées par les industriels, les fabricants de composants sélectionnent les montages les plus astucieux et les intègrent au corps du circuit demandé, ce qui réduit les coûts. Souvent, les composantiers créent des plateformes d’essais afin de tester, sur ces circuits, les protocoles complémentaires qui doivent être utilisés pour assurer le degré de qualité de service demandé à un prix minimum.
XI – Ingénierie
11.1 – La couverture radioélectrique d’un service dépend de la puissance reçue par le récepteur, du débit disponible et de la qualité de service nécessaire (service vocal ou de données, vidéo, etc.). Parmi les facteurs concernés, il faut citer le choix d’antenne, la puissance rayonnée (PIRE), le plan de fréquences utilisé, l’architecture du site, le débit souhaité, les interférences subies, etc.
11.2 – La propagation à l’intérieur des locaux se heurte aux obstacles rencontrés (matériaux absorbants, réfléchissants), à la diffraction, aux distances parcourues, à la nature des matériaux, à la création de trajets multiples, aux interférences avec des canaux adjacents, etc. La "compatibilité électromagnétique" (CEM) est l’aptitude d’un équipement à fonctionner de façon satisfaisante, sans produire de perturbations intolérables à son environnement.
11.3 - Femtocellules
Les femtocellules sont des espaces de communication créées par des stations de base de réseaux radioélectriques cellulaires à faible puissance, installées à l’intérieur des habitations ou des entreprises et connectées au réseau général par une liaison Internet à haut débit. Cette technologie permet une meilleure couverture radioélectrique à l’intérieur des bâtiments, une augmentation de la capacité des réseaux 3G et LTE et une réduction des dépenses des exploitants de réseau mobile. La technologie des Femtocellules est applicable sur les passerelles résidentielles et dans les adaptateurs télévisuels (Set-Top Box). Elle permet de réaliser la convergence à haut débit entre réseau fixe et réseau mobile.
XII – Nocivité des rayonnements radioélectriques
12.1 – Les effets biologiques ne sont pas nécessairement nuisibles à la santé. L’énergie EM absorbée par les tissus biologiques peut entraîner une augmentation de la température, laquelle peut être mesurée.
12.2 – Des effets non thermiques sur les personnes n’ont pas pu être reproduits et la communauté scientifique est réservée à ce sujet. Si ces effets étaient totalement constatés, il resterait à démontrer dans quelle mesure ils sont nuisibles à terme ou sur le long terme.
Sources : Wireless Design, Revue de l’Electricité et de l’électronique, IEEE Communications.
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