Affaissements versus Mobilité : un tutorat
Par Jacques VA2JOT

Phénomène de Réception de Multiples Faisceaux

Les premières expériences en communications mobiles eurent lieu dans les années 20 dans le bas du spectre VHF (40Mhz). Les résultats ont révélés un environnement extrêmement hostile a la propagation, tout particulièrement en régions urbaines. La qualité des signaux reçus variant d'excellent à nul en déplaçant le véhicule de seulement quelque mètres. Le signal présent au récepteur comportait non-seulement un faisceau direct, il comprenait aussi plusieurs autres faisceaux réfléchis. On venait de découvrir le phénomène des multiples faisceaux (multipath).

Multiples faisceaux dans un environnement urbain

Remarque: Les modèles de propagation utilisés présentement pour la validation de design de téléphones GSM contiennent 6, 12 et 24 faisceaux et couvrent des vitesses allant jusqu'à 500Kmh.

Ses Effets

• Véhicule rapide: Fluctuation constante de l'amplitude et la phase du signal.

• Véhicule fixe: Bon signal a certains endroits, peu ou pas de signal ailleurs.

• Télé analogique: Images fantômes (décalées sur la droite).

Ses Causes

Les objets tels que le sol, les immeubles, les panneaux de signalisation et les feux de circulation, les autos et fourgons, les aéronefs ainsi que la topographie (montagnes, collines, rochers etc.) ; toutes celles-ci absorbent et réfléchissent une certaine proportion des ondes radio qu'on a surnommé réflecteurs dans le langage de modélisation de la propagation.

Étalement Temporel

Les ondes réfléchies parcourent des chemins différents avant d'arriver au récepteur. L'onde ayant parcouru la plus grande distance arrivera en retard par rapport a la directe. La différence de temps d'arrivée au récepteur entre ces deux ondes est l'étalement temporel. Ce phénomène commence à causer de sérieux ennuis en transmission numérique lorsqu'il s'approche de la durée d'un symbole de modulation. Un tel symbole peut être perdu ou dupliqué lorsque le récepteur permute entre les divers faisceaux d'ondes.

Densité du Signal Reçu

Les faisceaux réfléchis n'arrivent pas en phase a l'antenne. Ceux dont la phase est similaire vont s'additionner. Ceux dont la phase s'approche de 180º auront tendance à se canceller ou produire leur différence. Une détérioration de la densité du signal reçu se produit lorsque ces derniers arrivent de différentes directions. Le déplacement de l'antenne à travers ce champs va affecter l'amplitude de la résultante de ces différents faisceaux.

Ci-bas une représentation de la densité du signal reçu par un véhicule traversant un champs de faisceaux arrivant de différentes directions comme le véhicule plus haut:

Bien que le signal moyen (RMS) soit d'environ 25dB au dessus du seuil de détection du discriminateur, un affaissement fait passer la densité du signal à plus de 10dB en dessous du seuil de détection provoquant ainsi, une corruption des données reçues.

Affaissement de Rayleigh

Dans tout environnement à multiples faisceaux, il va y avoir des endroits ou les faisceaux sont en phase causant une augmentation de la densité du signal (interférence constructive) et d'autres ou les faisceaux sont de phase opposée causant une atténuation voire même canceller le signal (interférence destructive). L'affaissement de Rayleigh est le résultat du déplacement de l'antenne dans un environnement ou plusieurs faisceaux réfléchis proviennent de différentes directions à cause des réflexions subies par le faisceaux principal. À cause de l'effet destructif, la valeur instantanée de l'amplitude du signal reçu à l'antenne devient une variable quasi aléatoire dont l'amplitude obéit aux règles de distribution statistique de Rayleigh*.

*Grosso-modo, les règles de distribution de Raleigh établissent à 0,1% la probabilité d'un affaissement de 30dB, à 1% la probabilité d'un affaissement de 20dB et a 10% la probabilité d'un affaissement de 10dB.

Modèle de Rice

Si l'ensemble des faisceaux réfléchis est dominé par un seul faisceau puissant (direct), le modèle d'affaissement de Rice est plus approprié.

Remarque: En milieu urbain très dense, il est fréquent que le modèle de propagation permute constamment entre celui de Rayleigh et de Rice. Ce phénomène a donné lieu à la création du terme " canyon urbain " par les spécialistes de la propagation à cause des problèmes qu'il cause aux systèmes de mobilité ainsi qu'à la localisation par GPS. Certains récepteurs GPS sont d'ailleurs spécialement conçus pour continuer à fonctionner normalement dans un canyon urbain avec un seul satellite de visible.

Espacement entre les Affaissements

Il n'existe pas de distance empirique entre les noeuds d'affaissement car ils sont déterminés par l'angle d'intersection des faisceaux. Cependant, plus la fréquence est haute, plus il y aura d'affaissements sur une distance donnée. Pour des faisceaux face-à-face, à 150MHz, les nœuds seront à chaque longueur d'onde ou aux deux mètres. À 450MHz, les nœuds sont à chaque 66cm. À une vitesse donnée et à mesure que la fréquence augmente, le taux d'affaissement augmente mais la durée de ces affaissements diminue proportionnellement.

Correction d'Erreurs sans Voie de Retour (forward error correction ou FEC)

Plusieurs méthodes d'encodage de l'information permettent de récupérer les données corrompues par le bruit ou les affaissements sans pour autant avoir recours à la retransmission. L'inconvénient de cette solution est qu'il ajoute jusqu'à 50% et même davantage de bits de redondance par paquet. Afin de ne pas ralentir le débit tel que perçu par l'usager (débit réel), la vitesse de transmission doit donc être doublée. Cette augmentation du taux de modulation a l'effet pervers d'abaisser le seuil de détection d'environ 4,5dB (empirique= 3dB, pratique= ~4,5dB). Ainsi, en augmentant la vitesse, on diminue le seuil de détection ce qui augmente la largeur et la profondeur des affaissements sous le seuil de détection du récepteur ce qui en retour, requiert de plus en plus de redondance d'encodage. Il en résulte une spirale ou l'on atteint très rapidement la limite pratique de débit d'une liaison mobile.

L'inconvénient majeur de la correction d'erreurs sans voie de retour est qu'il s'attaque aux symptômes de l'affaissement et non sa cause.

La Diversité

Historique

La diversité a été employée pour la première fois dans les années 20 afin de combattre l'affaissement sélectif sur les liaisons téléphoniques HF d'outre-mer. Deux sites de réception éloignés l'un de l'autre d'une centaine de kilomètres (ex : Yamachiche et Drummondville par la Canadian Overseas Telecommunications Corporation) acheminaient la ligne de réception de chaque voie par liens dédiés vers un point de commutation. On utilisait même la double diversité (physique et en fréquence) afin d'augmenter la fiabilité des liaisons. L'avènement des faisceaux de micro-ondes dans les années 50 a aussi fait appel à la diversité afin de combattre les affaissements.

L'avantage de la diversité est qu'il s'attaque directement aux causes de l' affaissement.

Types de Diversité

Il existe différents types de diversité dont certains sont mieux adaptés à l'environnement de la mobilité.

• Physique

• Polarisation

• Fréquence

Diversité Physique

Basée sur la probabilité que deux ou plusieurs antennes ne peuvent subir un affaissement de faisceaux au même instant, un mécanisme de commutations ou de combinaison est ensuite utilisé. Sur les liaisons fixes, les inversions de température, la vapeur d'eau, la neige, la pluie et les objets volant à faible altitude son les facteurs les plus courants d'affaissement. Les obstacles, les réflecteurs fixes ou mobiles sont les facteurs les plus courants d'affaissement sur les systèmes mobiles. La diversité physique est la plus facile a implanter sur systèmes mobiles.

Diversité par Polarisation

Il existe trois genres de polarisation, verticale, horizontale et circulaire. Environ 24dB d'isolation existe entre la polarisation verticale et horizontale et de même entre circulaire gauche et droite. Certains réflecteurs changent la polarisation du faisceaux. Ainsi, un faisceaux circulaire gauche change pour la droite quand il est réfléchit. Si une antenne polarisée circulaire gauche reçoit deux faisceaux d'une même source, un réfléchit et l'autre direct, le faisceaux réfléchit sera atténué de 24dB. Donc même si ce dernier est déphasé de 180°, il n'aura pratiquement pas d'effet destructif sur l'autre faisceau à cause de son atténuation.

Les faisceaux polarisés horizontalement et verticalement réagissent de façon différente face aux phénomènes de propagation tel que l'effet de conduit (ducting) et les inversions de température. Parfois, les deux polarités sont utilisées avec des antennes spécialement conçues a cette fin. La polarisation circulaire n'est pas pratique pour des mobiles en milieu rural et urbain car il est possible qu'on n'ait pas de faisceaux direct entre la base et le mobile, seulement des faisceaux réfléchis (Rayleight versus Rice).

Diversité de Fréquence

Brièvement, deux fréquences véhiculent les mêmes informations afin d'atténuer l'impact de l'affaissement sélectif en fréquence. Cette technique est utilisée presque exclusivement sur les systèmes micro-ondes mais pourrait servir aux systèmes mobiles si plus de spectre était disponible.

Traitement de Faisceaux Diversifiés

Commutation

La commutation entre les deux faisceaux est faite par comparaison du niveau du signal des circuits de contrôle automatique de gain (AGC) ou l' l'indicateur de niveau de réception (RSSI) afin de décider quel faisceau alimentera le détecteur ou le discriminateur. Cette méthode fonctionne bien pour des porteuses a faible densité d'information comme la voix car il permet de maintenir un niveau de signal acceptable face aux affaissements. Le bruit de commutation est habituellement plus bas que le bruit de fond. Cette méthode n'apporte aucune amélioration du rapport signal/bruit.

Somation

La somation consiste a combiner ensemble les faisceaux avant de les offrir au récepteur. Cette méthode fonctionne bien pour des porteuses à faible densité d'information comme la voix car il permet de maintenir un niveau de signal acceptable face aux affaissements.

Cette méthode apporte une légère détérioration du rapport signal / bruit qui se produit toujours lorsqu'on combine un signal de moindre qualité à un autre de meilleure qualité.

Sélection - Somation

La sélection du faisceau est basée soit sur le niveau du signal de contrôle de gain automatique (AGC) ou par l'indicateur de niveau de réception (RSSI). Seuls les faisceaux excédant un seuil pré-déterminé ou d'amplitude égale sont présentes au circuit de somation avant d'être offert au récepteur. Tout comme les méthodes de diversité précédentes, celle-ci fonctionne bien pour des porteuses à faible densité d'information comme la voix car il permet de maintenir un niveau de signal acceptable face aux affaissements. Un gain de rapport signal/bruit de l'ordre de 2,5 à 3dB est réalisable avec cette méthode.

L'Ère du Numérique

La naissance de la transmission par modulation par impulsions et codage (pulse code modulation ou PCM) à la fin des années 50 pour les bancs de voies numériques en téléphonie et les tentatives subséquentes d'adapter les systèmes micro-ondes déjà en place ont révélées plusieurs failles dans les systèmes de diversité. Les liens radio qui fonctionnaient à merveille avec les bancs de voies analogiques s'avérèrent tout à fait inutilisables pour la transmission numérique après conversion. Les commutations des systèmes de diversité causaient de la corruption de trame et des pertes de synchronisation. Pour l'usager ceci se traduisait par des rafales de bruit impulsif et des pertes de connexions.

La commutation entre faisceaux avec étalement temporel en était responsable. La perte ou l'ajout de bits dans une trame causait une perte de synchronisation. Le phénomène d'étalement temporel commence à causer de sérieux ennuis en transmission numérique lorsqu'il s'approche de la durée d'un symbole de modulation. Donc, plus le taux de modulation est élevé, plus la commutation en diversité devient critique.

Sur les systèmes de micro-ondes, l'étalement temporel entre les faisceaux peut être mesuré et compensé (égalisé). Ceci peut être fait soit par l'ajout de câble coaxial sur un ou plusieurs faisceaux (ancienne méthode) ou encore, en post détection au niveau numérique par des tampons de trame variables.

Sur les faisceaux numériques a très haut débits, l'étalement temporel peut représenter un grand nombre de bits surtout lorsqu'on utilise un schéma de modulation d'amplitude en quadrature à 256 ou 512 points (256 / 512 QAM). Dans de tels cas, un étalement d'a peine quelque degrés entre deux porteuses qui transportent de l'information à la fois dans les domaines de l'amplitude et de la phase peut occasionner une perte de synchronisation lorsqu'on les commute. La marge d'erreur d'égalisation de l'étalement temporel est pratiquement inexistante.

Ceci implique donc que les systèmes traditionnels de diversité ne peuvent satisfaire les exigences des schémas de modulation numériques à plusieurs bits par symbole de modulation utilisés de nos jours.

Les systèmes de micro-ondes numériques contemporains utilisent des codes de correction d'erreurs (Viterbi-Trellis, hyper codes, turbo codes, etc.) et de détection d'erreurs (CRC-32 etc.) et en plus, ils tamponnent une ou plusieurs trames afin de pouvoir offrir sans arrêt des trames libres de toute erreur.

Une situation identique se présente donc pour les systèmes de données mobiles; une commutation en diversité ne peut être effectuée de façon optimale qu'en post-détection et implique que le processus de décision doit être effectué par le démodulateur un symbole de modulation à la fois.

Solution Québécoise

Des chercheurs de chez nous ont mis au point un procédé de démodulation des symboles en parallèle. Un radio à récepteur double (un seul synthétiseur) est utilisé. Effectué en post-détection, le symbole de chaque faisceaux est analysé par un DSP et sa qualité pondérée. Le processus de décision est ensuite basé sur la pondération de chaque symbole afin de maximiser la probabilité d'une bonne décision (maximum likelyhood symbol estimator ou MLSE). Ceci assure que toute l'information que contient chaque symbole est utilisée dans la prise de décision. Puisque toute l'information est utilisée, ceci assure un maximum de gain et réduit au minimum le risque d'une mauvaise décision.

Des essais pratiques ont démontrés qu'un gain de diversité de l'ordre de 10dB face aux affaissements et une amélioration du rapport signal / bruit de 3dB avaient étés réalisés grâce à cette technologie. Un tel gain de performance signifie que des systèmes de radio qui fonctionnaient bien a 9600 bits/sec. auparavant ou pu être convertis à 44,000 bits/sec. sans pour autant devoir ajouter des stations de base ou de réduire la zone de couverture des systèmes déjà en place.

De tels systèmes sont présentement sous exploitation en Amérique du Nord par plusieurs agences de protection publique. Pour en connaître davantage sur cette technologie québécoise, utiliser le terme Parallel Decode sur votre engin de recherche préféré.

La rumeur voulant que les Québécois soient de méchants patenteux est très bien fondée et je suis très fier d'avoir eu l'opportunité d'apporter ma très humble contribution à cet effort et réussite en développement expérimental des technologies du sans fil.

73 de Jacques, VA2JOT