Wireless Networks Réseaux sans-fil - IUT de Nice

Wireless Networks
Réseaux sans-fil
Radio Frequency (RF) : Fondamentaux
[email protected]
Radio Frequency (RF)
Fondamentaux
Gains & pertes (Loss)
Réflexion
Réfraction
Absorption
Diffraction
Scattering
Taux d’ondes stationnaires (TOS/VSWR)
Amplifications & atténuations
Le sans fil
Un même besoin: la liberté!
Un même besoin
Voiturée télécommandée
Alarme domestique
Télécommande de
télévision/magnétoscope
Télécommande de porte de
garage, portails
Mobilité avec un PC, un PDA
Des technologies différentes
Radio commande 27 Mhz
Infrarouge
Radio 433-434 MHz
Bluetooth
802.11, Hiperlan
Global Wireless Standards
WAN
3GPP, EDGE
(GSM)
IEEE 802.20
(proposed)
IEEE 802.16
WirelessMAN
IEEE 802.11
WirelessLAN
IEEE 802.15
Bluetooth
MAN
LAN
PAN
ETSI HiperMAN &
HIPERACCESS
ETSI
HiperLAN
ETSI
HiperPAN
Radio fréquences une image à
garder en tête
Onde électromagnétique
se propageant dans le vide
http://www.radioamateur.org/formation/index1.html
Spectre : la longueur d’onde
Le Wifi utilise une fréquence d’approximativement 2,45 Ghz (de
2412 Mhz à 2472 Mhz) une longueur d’onde de 12,24 cm
Vitesse de propagation
La vitesse de propagation d’une onde électromagnétique est en
tout point identique à la vitesse de propagation de la lumière (sauf
la fréquence).
On peut donc en déduire grâce à l’équation suivante, la fréquence
pour une transmission dans un milieu « parfait » (dans le vide).
F = C/ λ
Notes :
• F = Fréquence en Hz
• C = Célérité (m/s)
• λ = Longueur d’onde (m)
C : correspondant à la vitesse de propagation de l’onde est
variable et dépend du milieu traversé (l’air, l’eau, un milieu boisé,
…).
Certains matériaux et milieux laisseront en effet plus facilement
passer les ondes que d’autres.
Le gain
Les pertes (loss)
Phénomènes - L’atténuation
Il faut aussi prendre en compte
l’atténuation, en effet une onde n’est pas
envoyée à l’infini, plus on va s’éloigner
de la source plus la qualité du signal
diminuera, le phénomène en cause est la
dispersion spatiale, qui s’applique lui
aussi à la lumière.
Prenez une lampe torche par exemple,
vous remarquerez que plus le faisceau
sera étroit plus vous verrez loin, mais
vous n'éclairerez qu’une faible surface,
et inversement si vous agrandissez votre
faisceau, vous ne verrez pas très loin
mais vous couvrirez une plus grande
surface (ce point sera approfondi dans la
partie sur les antennes).
Phénomènes - L’atténuation
Ploss = 10 Log (4 π d / λ) ^2
d : distance en m
Lambda : longueur d’onde en m
Phénomènes - L’absorption
L'onde électromagnétique qui voyage rencontre des
électrons qu'elle va exciter. Ceux-ci vont réémettre à leur
tour du rayonnement ce qui perturbera le signal et donc
l’atténuera.
Il est important de noter que plus la fréquence est élevée
plus ce phénomène d’absorption est élevé donc plus la
distance de couverture est faible.
C’est pour cela que les communications radio se font sur
des fréquences d’une centaine de Mhz. Il est à noter aussi
que plus la fréquence est élevée, plus la vitesse de
transmission de données peut être importante.
En wireless, par exemple on peut difficilement faire plus de
5km avec du matériel « classique ».
Note : le matériau absorbant le plus le signal est l’eau. Par
conséquent le signal aura tendance à être légèrement
moins bon les jours de pluie.
Absorption
Phénomènes - La réfraction
Une onde
électromagnétique
traversant différents
milieux change de
direction et ce
proportionnellement à
l’indice de réfraction
des milieux traversés.
Phénomènes - La réflexion
Les ondes électromagnétiques peuvent être
réfléchies totalement ou en partie, exactement de
la même manière que pour la lumière, mais ce
phénomène est plus utilisé par les radio amateurs
que pour les transmissions wireless.
En effet, à la fréquence
de fonctionnement du
wireless, les obstacles
auront davantage
tendance à absorber les
ondes qu’à les réfléchir.
Chemins multiples
La réflexion
Le signal est réfléchi par l’objet qu’il rencontre
Le signal perd de sa puissance à chaque réflexion
Le métal réfléchit fortement le signal
La réflexion crée des chemins différents pour le même signal
Wall
Reflected Path
Direct Path
Reflected Path
Paroie de bureau
Interférences MultiPath
Chemins multiples
Les antennes du point d’accès
Eviter les interférences
Deux antennes
Diversity
Les copies les plus
faibles sont rejetées
Une antenne peut être
dans une zone d’ombre,
mais pas les deux
Secondary
Signal1
Primary
Copies du signal
envoyées avec une
puissance différente
Signal2
Receiver
Signal3
Phénomènes - La diffraction
La diffraction est
une zone
d’interférence
entre l’onde directe
d’une source et
l’onde réfléchie par
un obstacle, en
quelque sorte
l’onde s’interfère
elle-même.
Chemins multiples
Diffraction
Plusieurs copies du
signal arrivent à
destination
Les copies du
signal créent des
interférences et
même des zones
d’ombre
Nulls
Diffraction
Scattering/Dispersion
Quand l’onde rencontre des objets dont la
taille n’est plus négligeable comparativement à la longueur d’onde du signal.
Voltage Standing Wave Ratio
Taux d’ondes stationnaires
Toujours utiliser du matériel avec l’impédance préconisée sous
peine de destruction de l’émetteur !
Calcul du Gain
Le Gain est exprimé en
déciBel.
P = Puissance en mW
NB : lorsque l’on parle en dB, une
valeur négative signifie de la
perte, une valeur positive du
gain.
Puissance dBm
C'est une relation mettant en rapport le
Gain (en dB) et la puissance (en mW à une
impédance de 50 Ohms)
P = Puissance en mW
Puissance dBi
Le dBi exprime en dB le gain d'une antenne par
rapport à un aérien isotrope.
Aérien isotrope :
Il s'agit d'une antenne qui est capable d'irradier ou de
recevoir également dans toutes les directions et qui
réagit également à tous les types de polarisations
générés par des champs électriques et/ou
magnétiques.
Les antennes Isotropiques n'existent pas
physiquement mais représentent un moyen pratique
d'exprimer les propriétés directionnelles d'antennes
physiques.
La conversion entre dB et dBi est simple, 0 dB =
2.14 dBi
Abaque - Atténuation
Pour
Pour
Pour
Pour
Pour
2km la perte est : -112 dB
5km la perte est : -122 dB
10km la perte est : -127 dB
50km la perte est : -141 dB
100km la perte est : -146 dB
Atténuation en espace libre entre
deux antennes isotropiques:
α = 20 Log F + 20 Log d
F: fréquence en MHz
d: distance en km
Bilan de liaison
Procédure à suivre pour réaliser un bilan
de liaison :
Calcul de l’atténuation de parcours
Intégration des pertes dues aux câbles
Intégration des gains des antennes en
émission réception
Intégration de la puissance d’émission
Intégration des phénomènes évoqués plus
haut (pour un calcul en condition réelles, très
difficile à évaluer)
Exemple
Nous souhaitons réaliser une liaison wireless sur une distance
de 5km.
Voici le matériel dont nous disposons :
2 Points d’accès Linksys WAP11
(puissance 100mW soit 20 dBm par
2 antennes Parabole SD27
(gain 24 dB par antenne)
2 câbles AIRCOM de 2m
(perte -0,44 dB par câble)
4 connecteurs
(perte – 0,5 dB par connecteur)
AP)
Rappels sur le câblage :
Type de câble
Perte /m
RG 174
- 2 dB
RG 58
- 1 dB
RG 213
- 0,6 dB
AIRCELL
- 0,38 dB
LMR-400
- 0,22 dB
AIRCOM
- 0,21 dB
Chiffrons l’exemple
Atténuation de parcours :
α = Lp = 32,4 + 20 Log (2450) + 20 Log (5)
Lp = 114 dB
Puissance reçue:
Pr = Pt – Lp + Gt + Gr + Lt + Lr
Pr = 20 – 114 + 24 + 24
+ (- 0,44 – 1) + (-0,44 - 1)
Pr = - 48.88 dBm
Pr = puissance reçue (dbm)
Pt = puissance de l’émetteur (dbm)
Lp = atténuation de parcours
Gt = gain de l’antenne en émission (dBi)
Gr = gain de l’antenne de réception (dBi)
Lt = perte du câble côté émission (dB)
Lr = perte du câble côté réception (dB)
Règle: pas en dessous de – 90 dBm
distance maximale exploitable en milieu
parfait, sans obstacles :
pour du matériel de base : environ 1,5km
avec des antennes : environ 580 km
Antennes
Ex: Antenne filaire ¼ onde
Rôle: Amplification du signal
Gain
•à l’émission
•à la réception
Dimensions: proportionnelles
à la longueur
d’onde/fréquence
Antennes Omnidirectionnelles
Antennes Directionelles
Antenne parabole
e.g. antenne de 14 dB
avec 40° d'ouverture
Antenne panneau
Antenne hélicoïdale
www.odessaoffice.com
Line of Sight (LOS)
Apparemment une ligne droite entre émetteur et récepteur…
Zone de Fresnel
Série d’ellipses concentriques autour du LOS
d=distance du lien en miles
f=frequence en Ghz
r=en feet
Ex, pour 5 miles (8,35km), à 2,4 Ghz le rayon est de 31,25feet (9,52m)
Equivalent Isotropic Radiated Power
(EIRP) PIRE en français
C’est la puissance
effectivement
émise par
l’antenne
Elle tient donc en
compte le gain
apporté par
l’antenne
C’est la valeur qui
est règlementée
Sur la France
Le wifi sur la bande du 2.4GHz est libre
d'emploi en intérieur et exterieur, une
limitation des puissance du matériels est en
place :
En intérieur :
100mW de PIRE sur tout la bande.
En extérieur :
100mW de PIRE sur la plage 2400-2454MHz
10mW de PIRE sur la plage 2454-2483.5MHz
La mise en place de liaison entre node est autorisé
après l'envoi d'un dossier auprès de l'ART.
http://www.art-telecom.fr/publications/lignedir/index-ldrlan250703.htm
Les risques sanitaires
Effets Thermiques
Le phénomène de résonance :
Les effets thermiques, peuvent être amplifiés si les
fréquences auquelles le corps est soumis, est proche
des fréquences de résonance du corps.
Pour un adulte :
70 MHz isolé du sol
35 MHz sur la terre
Fréquence de résonance d'un
Puissance d’émission:
WiFi:
DCS :
GSM :
Antennes GSM :
Emetteur de la tour Eiffel :
cerveau ~ 400 MHz
<100mW
< 1W
< 2W
20 à 50 W
6 MW !
http://wifi.erasme.org