Fondamentaux RF

Comportements RF

En plus des différents types d’interférences radio, les interactions entre la RF et l’environnement peuvent aussi affecter la performance des réseaux IEEE 802.11. La façon dont les ondes RF se déplacent s’appelle la propagation. Le comportement RF durant la propagation est le résultat des conditions environnementales telles que :

  • « Absorption » ou absorption
  • « Reflexion » ou réflexion
  • « Scattering » ou dispersion
  • « Refraction » ou réfraction
  • « Diffraction » ou diffraction
  • « Attenuation » ou atténuation
  • « Free Space Path Loss » ou atténuation en espace libre
  • « Multipath » ou trajets multiples
  • « Amplification » ou gain

Absorption

Lorsqu’un matériau absorbe le signal RF, aucun signal ne pénètre au travers, c’est le comportement le commun. Le corps humain qui contient 60% d’eau, chez un adulte, est une source d’absorption. Ce type d’absorption peut être un problème dans certains environnements à forte densité de population comme les aéroports et les salles de conférence. La majorité des matériaux absorbent une certaine quantité de signal RF. L’amplitude d’un signal RF est directement affectée par la quantité d’énergie absorbée. L’atténuation, résultante de l’absorption, est mesurée en bels (dont le symbole est B) et elle est égale au logarithme en base 10 de la puissance à la sortie du support de transmission, divisée par la puissance à l’entrée. On préfère généralement utiliser le décibel (dB) correspondant à un dixième de la valeur en Bels. Un Bel représentant 10 décibels, la formule devient :

R(dB)=10 \times log_{10}(\frac{P2}{P1})

Absorption RF

Absorption RF

R(dB)=10 \times log_{10}(\frac{P2}{P1})=-3dB

Réflexion

La réflexion se produit lorsqu’un signal rebondit sur une surface lisse non absorbante et plus large que l’onde elle même, tel un dessus de table, et change de direction, comme une balle le fait au ping-pong. Les réflexions peuvent affecter, de façon significative, les communications LAN sans fil en intérieur, en diminuant les performances et les débits. La réflexion est telle que l’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion et suit la Loi de Snell-Descartes : \theta_{2}=-\theta_{1}.

Réflexion RF

Réflexion RF

Il y a deux principaux types de réflexion : « Sky Wave Reflexion » ou réflexion ionosphérique et « Microwave Reflexion » ou réflexion micro-onde. La réflexion ionosphérique se produit à des fréquences inférieures à 1 GHz, là où les longueurs d’ondes sont très larges. Le signal rebondit sur les fines particules chargées de l’ionosphère dans l’atmosphère terrestre. C’est la raison pour laquelle vous pouvez capter, par une nuit claire, une station AM en étant très loin de la source. Les signaux micro-ondes existent entre 1 GHz zt 300 GHz. Du fait des hautes fréquences, les longueurs d’ondes sont beaucoup plus petites, d’où l’appellation micro-onde. Les micro-ondes peuvent rebondir sur de plus petits objets, comme une porte en métal. C’est le type de réflexion qui nous intéresse dans les environnements Wi-Fi. En extérieur, les micro-ondes peuvent rebondir sur des objets larges et des surfaces lisses comme les immeubles, les routes, les masses d’eau et même la surface de la terre. En intérieur, les micro-ondes rebondissent sur des surfaces lisses comme les portes, les murs et les classeurs. Tout ce qui est fait à base de métal engendre une réflexion, sachant que les matériaux comme le verre et le béton peuvent aussi engendrer une réflexion.

La réflexion peut être une source sérieuse de problème de performance pour les WLAN 802.11a/b/g. Si des portions d’ondes, rayonnées par une antenne, sont réfléchies en créant de nouveaux fronts d’ondes et atteignent le récepteur, alors cela produit un effet appelé « Multipath ». Ce phénomène peut dégrader la force et la qualité du signal reçu et même causer de la corruption de données et de l’annulation de signaux. En revanche, les radios 802.11n et 802.11ac utilisent des antennes « Multiple-Input Multiple-Output » (MIMO) et des techniques avancées de « Digital Signal Processing » (DSP) pour tirer un avantage du « Multipath ».

Dispersion

Lorsqu’un signal RF frappe une surface inégale, les fronts d’onde du signal vont se réfléchir dans différentes directions. Cette autre forme de perte qui peut dégrader sévèrement le signal est appelé dispersion.

Dispersion RF

Dispersion RF

La couleur du ciel est bleue parce que les molécules de l’atmosphère sont plus petites que la longueur d’onde de la lumière. Ce phénomène est appelé la diffusion Rayleigh (du nom du physicien anglais du 19ème siècle John William Strutt, Lord Rayleigh). La longueur d’onde bleue de la lumière est absorbée par les gaz dans l’atmosphère et dispersée dans toutes les directions. La dispersion peut se décrire comme de multiples réflexions. Ces multiples réflexions se produisent lorsque la longueur d’onde du signal électromagnétique est plus large que les morceaux de matériaux sur lesquels le signal se réfléchit ou qu’il traverse.

La dispersion peut se produire de deux façons. La première est sur un plus bas niveau et à moins d’effet sur la force et la qualité du signal. Ce type de dispersion peut se manifester quand le signal RF traverse un matériau et les ondes électromagnétiques se réfléchissent sur les particules minuscules à l’intérieur de la matière. La pollution dans notre atmosphère et les tempêtes de sable dans le désert peuvent produire ce type de dispersion. Le deuxième type de dispersion se produit quand un signal RF rencontre une surface irrégulière et quand il est réfléchi dans de multiples directions. Le grillage, le treillis métallique dans les murs en stuc ou dans les vieux murs de plâtre, le feuillage des arbres et les terrains rocheux produisent la plupart du temps ce genre de dispersion. En frappant la surface irrégulière, le signal principal se disperse en plusieurs signaux réfléchis ce qui peut produire une réduction du signal, voire même une perte du signal.

Réfraction

En plus du fait qu’un signal puisse être absorbé ou puisse rebondir (via réflexion ou dispersion), si certaines conditions existent, un signal RF peut subir une réfraction. Lorsqu’un signal RF traverse deux matériaux de densités différentes, il peut changer de vitesse et fléchir. Ce comportement est appelé la réfraction. Le verre est un exemple de matériau qui peut causer la réfraction en fléchissant le signal lors de la traversée du verre et en faisant perdre une partie du signal en fonction du type de verre, de son épaisseur et de ses propriétés. Les conditions atmosphériques sont souvent la cause de la réfraction. L’utilisation d’un pont en extérieur induit une préoccupation : le « k-factor » ou facteur k. Un facteur k de 1 signifie qu’il n’y a aucune flexion. Un facteur k inférieur à 1, comme 2/3, représente une flexion du signal qui s’éloigne du sol. Un facteur k supérieur à 1 représente une flexion vers le sol. Les conditions atmosphériques normales ont un facteur k de 4/3, qui représente une flexion légèrement en direction de la courbure de la terre. Les trois principales composantes des conditions atmosphériques qui causent la réfraction sont la vapeur d’eau, des changements dans la température de l’air et des changements de pression de l’air.

La réfraction est décrite mathématiquement par la loi de Snell-Descartes, qui spécifie la façon dont l’angle d’incidence est liée à l’angle de réfraction en prenant en considération les indices de réfraction des deux milieux (n1 et n2).

n=\frac{c}{v}

v est la vitesse de la lumière dans ce milieu et c est la vitesse de la lumière dans le vide

La relation de Snell-Descartes s’écrit : n1 \times sin(\theta_{1})=n2 \times sin(\theta_{2})

Réfraction RF

Réfraction RF

Diffraction

Alors que la réfraction est une flexion du signal lors de la traversée de la matière, la diffraction est une flexion du signal autour d’un objet en changeant de direction lors du franchissement de l’obstacle. Ce comportement peut se produire face à un bâtiment, un pilier dans un hall ou dans une grande salle de conférence, en engendrant un affaiblissement lié à une certaine perte de signal. La diffraction permet à une partie de l’énergie d’une onde de passer outre un obstacle car les vagues se courbent dans les coins. Les conditions nécessaires pour que la diffraction se produise dépendent entièrement de la forme, la taille et la matière de l’obstacle, ainsi que des caractéristiques exactes du signal RF, comme la polarisation, la phase et l’amplitude.

Diffraction RF

Diffraction RF

Une analogie simple à se représenter est d’imaginer un cours d’eau au milieu duquel se trouve un gros rocher. La majorité du courant maintient son flux initial, mais une partie du courant qui rencontre le rocher est réfléchie par le rocher et une autre partie est diffractée autour du rocher.

En se tenant directement derrière l’obstacle, on se trouve dans une zone appelée « RF Shadow ». En fonction des changements de direction des signaux diffractés, la zone « RF Shadow » peut devenir une zone de couverture appelée « Dead Zone » ou continuer à recevoir des signaux mais dégradés. Le concept « RF Shadow » est important pour choisir la localisation de l’antenne. En se fixant à une poutre ou une autre structure murale il existe un risque de créer virtuellement un angle mort pour les signaux RF.

Atténuation

L’atténuation ou perte est décrite par la diminution de l’amplitude ou force du signal. Un signal peut perdre de la force quand il est transmis sur un câble ou dans l’air. Sur le câble, le signal électrique AC perd de la puissance à cause de l’impédance électrique du câble coaxial et des composants comme les connecteurs. Avant, l’atténuation n’était pas voulue, mais avec la densification des réseaux, les designs des réseaux sans fil ont évolué de la planification de la couverture à la planification de la capacité.

Une fois que le signal RF est propagé dans l’air via l’antenne, le signal s’atténue du fait de l’absorption, de la distance et peut être de l’effet négatif du « Multipath ». Lorsqu’un signal traverse différents matériaux, le signal peut être absorbé ce qui produit une perte d’amplitude. Différents matériaux engendrent différents résultats d’atténuation. Un signal RF 2,4 GHz qui traverse une cloison sèche, s’atténue de 3 dB et perd la moitié de son amplitude d’origine. Le même signal qui traverse un mur un mur de brique s’atténue de 12 dB, ce qui engendre un signal avec une amplitude 16 fois moins importante que celle d’origine. L’eau est une source majeure d’absorption, comme les matériaux denses tels que les parpaings.

Atténuation des matériaux en 2,4 GHz
Matériaux 2,4 GHz
« Foundation wall » ou Mur de fondation -15 dB
« Brick, concrete, concrete blocks » ou Brique, béton, blocs de béton -12 dB
« Elevator or metal obstacle » ou Ascenseur ou obstacle en métal -10 dB
« Metal rack » ou Armoire métallique -6 dB
« Drywall or sheetrock » ou Cloison sèche ou doublage placoplâtre -3 dB
« Nontinted glass windows » ou Fenêtres en verre non tinté -3 dB
« Wood door » ou Porte en bois -3 dB
« Cubicle wall » ou Mur cellulaire -2 dB

Il est important de comprendre qu’un signal RF perd aussi de l’amplitude simplement du fait de la distance à cause de l’atténuation en espace libre. De même, les phénomènes de réflexion, durant la propagation, peuvent engendrer les effets négatifs du « Multipath » et générer une atténuation de la force du signal.

Atténuation en espace libre

La diffusion se produit quand le signal RF s’élargit naturellement à la sortie de l’antenne, ce qui engendre une diminution d’amplitude et une baisse de puissance au fur et à mesure de l’éloignement de l’antenne indépendamment de l’atténuation causée par les obstacles, l’absorption, la réflexion, la diffraction, etc…. Ce comportement est connu sous le nom de « Free Space Path Loss » (FSPL), parfois appelé « Beam Divergence », ce qui est le facteur de perte le plus important dans une liaison RF. FSPL se calcule à l’aide de la formule de Friis. L’antenne réceptrice est seulement capable de recevoir une petite quantité du signal transmis du fait de la propagation dans l’air. Tout signal qui n’est pas reçu par l’équipement est considéré comme perdu. La perte de puissance n’est pas linéaire mais logarithmique. Un signal 2,4 GHz perd 80 dB après 100 mètres, mais ne perd que 6 dB les 100 mètres suivants.

Pour évaluer l’affaiblissement en espace libre en fonction de la longueur d’onde, on utilise la formule suivante, déduite de la formule de Friis, qui est plus générale :

A=(\frac{4\pi d}{\lambda})^{2}

A_{dB}=2 \times 10 \times log(\frac{4\pi d}{\lambda})=20 \times log(\frac{4\pi d}{\lambda})=20 \times log(\frac{4\pi}{\lambda})+20 \times log(d)

Avec :

  • A, l’affaiblissement en espace libre en dB
  • d, la distance entre l’émetteur et le récepteur en mètres
  • \lambda, la longueur d’onde du signal en mètres

Pour évaluer l’affaiblissement en espace libre en fonction de la fréquence, on utilise la formule suivante :

A=(\frac{4\pi d}{\lambda})^{2}=(\frac{4\pi df}{c})^{2}

A_{dB}=2 \times 10\,log(\frac{4\pi \times (d \times 10^{3}) \times (f \times 10^{6})}{c}=20\,log(\frac{4\pi \times 10^{9}}{c})+20\,log(f)+20\,log(d)

A_{dB}=32,45+20 \times log(f)+20 \times log(d)

Avec :

  • A, l’affaiblissement en espace libre en dB
  • d, la distance entre l’émetteur et le récepteur en kilomètres
  • f, la fréquence du signal radio en MHz

Une façon simple pour estimer la perte en espace libre est d’utiliser la règle des 6 dB, qui dit que doubler la distance équivaut à une perte de 6 dB.

Exemple d’atténuation en espace libre
Distance (km) Atténuation (dB)
2,4 GHz 5 GHz
1 100,0 106,4
2 106,1 112,4
4 112,1 118,5
8 118,1 124,5

Chaque appareil radio possède un niveau de sensibilité en réception. Le récepteur radio peut recevoir et interpréter correctement un signal jusqu’à un certain niveau d’amplitude. Si la radio reçoit un signal supérieur à son seuil d’amplitude, le signal est assez fort pour que la radio puisse l’interpréter. Si l’amplitude du signal reçu est en dessous du seuil de sensibilité de la radio du récepteur, la radio ne peut plus recevoir et interpréter correctement le signal. Non seulement le signal reçu doit être assez puissant pour être perceptible par la radio réceptrice, mais il doit également être suffisamment puissant pour être entendu au delà du bruit de fond RF, appelé « Noise Floor ». Lors du design d’un réseau WLAN intérieur ou extérieur, non seulement il faut veiller à ce que le signal RF ne s’atténue pas en dessous du seuil de sensibilité de réception, mais il faut également être certain que le signal ne s’atténue pas au niveau ou en dessous du niveau du « Noise Floor ».

Trajets multiples

Le phénomène de propagation « Multipath » résulte d’au moins deux chemin pour un signal arrivant à l’antenne réceptrice en même temps ou à quelques nanosecondes d’intervalle. Du fait de l’élargissement naturel des ondes, les comportements lors de la propagation, tels que la réflexion, la dispersion, la diffraction et la réfraction se produisent différemment en fonction des environnements. Ces comportements, lors de la propagation, peuvent engendrer de multiples chemins pour le même signal.

En intérieur, les signaux reflétés peuvent être dûs à des longs couloirs, des murs, des bureaux, des sols, des classeurs et pleins d’autres obstacles. Les intérieurs avec de grandes quantités de surfaces métalliques, comme les hangars d’aéroports, les entrepôts et les usines, sont connus pour être des environnements avec de nombreux phénomènes de « Multipath ». En extérieur, le « Multipath » peut être causé par une route plate, un large plan d’eau, un immeuble ou des conditions atmosphériques. Le sigbnal principal continue son voyage vers l’antenne réceptrice, mais de nombreux signaux réfléchis vont trouver leur route vers l’antenne réceptrice via des chemins différents. Les signaux réfléchis mettent généralement un peu plus de temps pour arriver à l’antenne réceptrice parce qu’ils doivent parcourir de plus longues distances que le signal principal. La différences de temps entre les signaux peut être mesurée en nanosecondes et se nomme le « Delay Spread ».

Dans le domaine des transmissions de signaux télévisés, le « Multipath » produit un effet fantôme avec une image estompée en double sur la droite de l’image principale. Avec les signaux RF, les effets du « Multipath » peuvent être bénéfiques ou destructeurs, bien que la plupart du temps ils soient destructeurs. Du fait de la différence de phase des différents chemins, le signal résultant de leur combinaison est souvent atténué, amplifié ou corrompu. Ces effets sont parfois appelés « Rayleigh Fading » du nom du physicien anglais Lord Rayleigh.

Les quatre résultats possibles du « Multipath » sont les suivants :

  • « Upfade » – Cest une augmentation de la force du signal. Quand de multiple signaux RF arrivent au récepteur en même temps et sont en phase, ou seulement partiellement déphasés, avec le signal principal, le résultat est une augmentation de la force du signal (amplitude). Les plus petites différences de phases comprises entre 0 et 120° engendrent un « Upfade ». Il faut tout de même comprendre que le signal final ne peut jamais être plus fort que le signal transmis à l’origine, du fait de l’atténuation en espace libre. « Upfade » est un exemple de « Constructive Multipath ».
  • « Downfade » – C’est une diminution de la force du signal. Quand les multiples signaux RF arrivent en même temps au récepteur mais déphasés par rapport à l’onde principale, le résultat est une diminution de la force du signal (amplitude). Les différences de phases se situant entre 121 et 179° engendrent un « Downfade ». La diminution de l’amplitude du fait du « Multipath » est considérée comme un « Destructive Multipath ».
  • « Nulling » – C’est une annulation du signal. Quand les multiples signaux RF arrivent en même temps au récepteur mais déphasés de 180° par rapport à l’onde principale, le résultat est une annulation totale du signal. L’annulation du signal est, bien sûr, un « Destructive Multipath ».
  • « Data Corruption » – Du fait de la différence de temps entre le signal principal et les signaux réfléchis (« Delay Spread »), le récepteur peut avoir des problèmes pour démoduler les informations du signal RF. La différence de temps peut faire se chevaucher les bits et faire, qu’au final, la donnée soit corrompue. Ce type d’interférence « Multipath » est souvent connue sous le nom de « Intersymbol Interference » (ISI). C’est le plus commun des « Destructive Multipath ».

La mauvaise nouvelle, c’est que dans les environnements fortements soumis au phénomène de « Multipath », « Intersymbol Interference » généré par le « Delay Spread » peut engendrer la corruption des données. La bonne nouvelle, c’est que la station réceptrice détecte les erreurs à l’aide du « Cyclic Redundancy Check » (CRC) défini en 802.11, parce que le calcul du checksum n’est pas assez précis. La norme 802.11 exige que le plus possible de trames unicast soient acquittées par la station réceptrice à l’aide d’une trame d’acquittement (ACK), sinon la station émettrice doit renvoyer la trame. La station réceptrice n’acquitte pas une trame dont le CRC ne correspond pas. Malheureusement la trame doit alors être retransmise, mais c’est mieux que de mal l’interpréter.

Les retransmissions de niveau 2 affectent négativement le débit global de n’importe quel WLAN 802.11 et peuvent aussi affecter la latence des paquets sensibles comme pour les applications VoIP. « Multipath » est l’une des principales causes des retransmissions de niveau 2 qui affectent le débit et la latence des anciens WLANs 802.11a/b/g. L’utilisation d’antennes directionnelles peut souvent réduire le nombre de réflexions et la diversité d’antennes peut aussi être utilisée pour compenser les effets négatifs du « Multipath ». Parfois, la réduction de puissance de transmission ou l’utilisation d’une antenne de moindre gain peut résoudre le problème tant qu’il y a suffisamment de signal pour fournir la connectivité à l’autre extrémité.

Le « Multipath » peut aussi avoir un effet constructif avec les transmissions radio 802.11n et 802.11ac qui utilisent la diversité d’antennes « Multiple-Input, Multiple-Output » (MIMO) et les techniques de traitement du signal « Maximal Ratio Combining » (MRC). L’utilisation d’antennes unidirectionnelles était une façon de réduire les réflexions dans les environnements intérieurs propices au « Multipath ». Avec la technologie MIMO utilisée par les radios 802.11n et 802.11ac, le « Multipath » est un allié et l’utilisation d’antennes unidirectionnelles n’est que rarement nécessaire en intérieur. Cependant les « MIMO patch antennas » ou antennes planaires MIMO sont souvent utilisées en intérieur pour fournir une couverture sectorielle dans les environnements à forte densité d’utilisateurs.

Gain

L’amplification d’un signal RF engendre un gain. Le gain d’une antenne se mesure en décibels isotropes (dBi) qui est un changement de la puissance du fait de l’accroissement de l’énergie isotrope. L’énergie isotrope est définie comme une énergie émise de façon égale dans toutes les directions. Une antenne isotrope est une antenne théorique idéale qui irradie dans toutes les directions avec un gain de 1 (0 dB). Ceci est l’équivalent de zéro gain et zéro perte (Gain = 0 dBi).

Rayonnement idéal d'une antenne isotrope

Rayonnement idéal d’une antenne isotrope

Surface de la sphère : 4 \times \pi \times r^{2}

Une augmentation de l’amplitude du signal est le résultat soit d’une amplification active du signal avant que celui-ci n’atteigne l’antenne, soit d’un gain passif en concentrant le signal rayonnant depuis l’antenne. Sans l’aide d’une source d’énergie extérieure, une antenne fournit un gain passif, comme le ferait une loupe qui concentrerait les rayons du soleil en un point. Une antenne avec un gain passif ne peut pas créer de l’énergie, la puissance totale rayonnée est identique à celle d’une antenne isotrope. Toute énergie supplémentaire rayonnée dans le sens favorisé est également compensée par moins d’énergie rayonnée dans une autre direction. La seule façon d’accroitre le gain horizontalement pour une antenne omnidirectionnele, est de décroitre le gain verticalement. Le gain passif est produit en concentrant le signal RF à l’aide d’une antenne, qui est un équipement passif ne nécessitant pas d’alimentation externe.

Les antennes qui ont gain plus élevé ont des largeurs de faisceau plus étroites et donc moins de chance de recevoir des interférences. En revanche, les antennes qui ont un gain plus faible ont une largeur de faisceau plus importante favorisant la réception d’interférences. La largeur de faisceau horizontale d’une antenne omnidirectionnelle est de 360° et lorsque le gain augmente ou diminue, la largeur du faisceau reste de 360° mais la couverture augmente ou diminue.

Changer et accroitre le gain d’une antenne augmente la quantité d’énergie RF à sa sortie, ce qui peut violer les règles des organismes de régulation locaux et rendre caduque la certification.

En utilisant une source d’énergie extérieure, un amplificateur peut fournir un gain actif, en vérifiant que l’amplificateur est certifié et que la quantité d’énergie RF résultante respecte les règles des organismes de régulation locaux.

Un gain actif est généralement produit par le « Transceiver » ou émetteur/récepteur ou par l’utilisation d’un amplificateur sur le câble qui connecte l’émetteur/récepteur à l’antenne. De nombreux « Transceivers » sont capables d’émettre à différents niveaux de puissance avec la plus haute puissance produisant un signal amplifié. Un amplificateur est généralement bidirectionnel, c’est à dire qu’il amplifie la tension AC aussi bien en entrée qu’en sortie. Les appareils produisant un gain actif nécessite une source d’alimentation externe.

Deux types d’outils différents peuvent être utilisés pour mesurer l’amplitude d’un signal à un point donné. Le premier, un outil du domaine fréquentiel, peut être utilisé pour mesurer l’amplitude dans un spectre fini de fréquences. Cet outil commun dans le domaine du WLAN s’appelle un « Spectrum Analyzer » ou analyseur de spectre. Le deuxième, un outil du domaine temporel, peut être utilisé pour mesurer la façon dont l’amplitude du signal change au fil du temps. Le nom classique de cet appareil est un oscilloscope. Alors qu’un analyseur de spectre est très fréquemment utilisé lors d’une étude de site, l’oscilloscope n’est presque jamais utilisé sur le terrain, mais plutôt en laboratoire dans des environnements de tests.

Outils de mesure d'amplitude

Outils de mesure d’amplitude