Soutenance mémoire
HISTORIQUE, EVOLUTION ET APPLICATIONS DES RESEAUX SANS FIL
L’histoire des communications radio-mobiles peut être découpée en trois grandes phases. La première concerne les découvertes théoriques et la mise en évidence de l’existence des ondes radios [I.1]. Cette phase débute en 1678 avec les travaux de Huygens sur les phénomènes de réflexion et de réfraction de la lumière. C’est Fresnel qui, en 1819 en démontre la nature ondulatoire. En 1865, Maxwell établit les célèbres formules unifiant phénomènes électrique, magnétiques et lumineux mais ce n’est qu’en 1887 que Hertz met en évidence pour la première fois la possibilité d’émission/ détection d’une onde électromagnétique entre deux points distants de quelques mètres. À la fin du siècle, en 1897, Ducretet étend cette distance en établissant une liaison radio de quelques kilomètres de portée. Après avoir montré la possibilité de communications radio-mobile entre un bateau et une île en 1898, Marconi met en place la première radio transatlantique entre l’Europe et les EtatsUnis trois ans plus tard. Il marque ainsi le point de départ des premiers systèmes de communications radio [I.1]. La seconde phase est constituée par le développement et l’évolution des équipements et des techniques mais pour des usages encore réservés à certaines catégories de la population. Les stations radio d’émission/réception sont au début du 20e siècle de taille imposante [I.2]. Par exemple en 1902, une station radio militaire pour le télégraphe était constituée d’un moteur à essence pour tracer le système de communications consistant en un générateur de 1kW monté sur une remorque suivie d’une seconde remorque pour l’émetteur et le récepteur. C’est l’évolution des techniques et des équipements (taille, poids, portée des communications, …) qui permettra aux systèmes radios d’acquérir la dimension mobile [I.2] . La seconde guerre mondiale va accélérer le développement des systèmes qui vont, dans les années 1950, se multiplier pour les applications civiles (compagnies de taxis et ambulances par exemple). Les équipements restent cependant encore lourds et occupent une place importante puisqu’ils sont généralement installés dans les coffres des véhicules [I.1-I.2]. Les progrès techniques et développement des systèmes de communications vont faireentrer les systèmes de communications sans fil et mobiles dans le domaine grand public (la troisième phase). Les premiers types de systèmes de communications disponibles au plus grand nombre sont les systèmes cellulaires. Conçu comme réponse à l’augmentation de la demande et à la faible disponibilité du spectre radio, les systèmes cellulaires analogiques se développent dans la décennie 1970. En 1979, le premier système cellulaire AMPS (Advanced Mobile Phone Service) est installé à Chicago, suivi en 1980 par le HCMTS (Hight Capacity Mobile Telephone System) à Tokyo. La décennie 1980 va voir ainsi se généraliser l’implantation de systèmes cellulaires analogiques dans de nombreux pays. Parallèlement, les systèmes sans cordon, se développent et connaissent des taux de croissance impressionnants. Toutefois, c’est réellement le système cellulaire numérique GSM , avec les services de type RNIS (Réseau Numérique à Intergration de Services) et la possibilité de roaming international, qui constitue le représentant le plus significatif de la révolution des mobiles de la décennie 1990 [I.2].
PROBLEMES DE TRANSMISSIONS RADIOS DANS LES RESEAUX SANS FIL
Les ondes radios (notées RF pour Radio Frequency) se propagent en ligne droite dans plusieurs directions. La vitesse de propagation des ondes dans le vide est de 3.108 m/s. Lorsqu’une onde radio rencontre un obstacle, une partie de son énergie est absorbée et transformée en énergie (thermique par exemple), une partie continue à se propager de façon atténuée et une dernière peut éventuellement être réfléchie. L’atténuation augmente avec l’augmentation de la fréquence ou de la distance [I.1]. De plus lors de la collision avec un obstacle, la valeur de l’atténuation dépend fortement du matériel composant l’obstacle. Généralement les obstacles métalliques provoquent une forte réflexion, tandis que l’eau absorbe le signal [I.1-I.2]. Les réseaux sans fil utilisent infrarouges ou des ondes radios afin de transmettre des données. Les transmissions radios dans les réseaux sans fil sont toutefois soumises à de nombreuses contraintes, liées à la nature de la propagation des ondes radios et aux méthodes de transmissions [I.3]. Le signal transmis est sujet à nombreux phénomènes dont la plupart ont un effet de dégradation sur la qualité du signal. Cette dégradation se traduit en pratique par des erreurs dans les messages reçus qui entraînent des pertes d’informations pour l’usager ou le système. Ces contraintes sont notamment [I.1] : un débit plus faible que celui du cas filaire. les brouillages dus aux interférences : les liens radios ne sont pas isolés, deux transmission simultanées sur une même fréquence ou, utilisant des fréquences proches peuvent interférer. De plus, les interférences peuvent venir d’autres types de machine non dédiées aux télécommunications. Par exemple, les fréquences utilisées dans les fours à micro-ondes sont dans les fréquences de la bande ISM ; les brouillages dus au bruit ambiant (que nous distinguons des interférences), provenant d’émission d’autres systèmes par exemple ; les évanouissements (ou fadings) dans la puissance du signal dus aux nombreux effets induits par le phénomène de multi trajets ; erreurs de transmission : les erreurs de transmission radio sont plus fréquentes que dans les réseaux filaires ;liens versatiles : les transmissions radios sont très sensibles aux conditions de propagation, ce que les rend versatiles. Un contrôle de la qualité des liens est obligatoire afin de pouvoir les exploiter convenablement pour les communications radios ; puissance du signal : la puissance du signal diminue avec la distance, et la puissance utilisée est sévèrement réglementée par les autorités compétentes des pays ; les pertes de propagation dues à la distance parcourue par l’onde radio, ou affaiblissement de parcours ; les atténuations de puissance du signal dues aux effets de masques (shadowing) provoqués par les obstacles rencontrés par le signal sur le trajet parcouru entre l’émetteur et le récepteur impossibilité de détecter les collisions au cours d’une transmission. Pour détecter une collision, une station doit être capable de transmettre et d’écouter en même temps. Or, dans les systèmes radios, il ne peut y avoir transmission et écoute simultanées ; consommation d’énergie : qui dit sans fil, dit aussi mobilité, et donc autonomie. Pour maximiser la durée de vie des batteries, il faut économiser autant que possible les transmissions inutiles ; sécurité : les détecteurs des signaux et les récepteurs passifs peuvent espionner les communications radio si ces dernières ne sont pas protégées ;mobilité et topologie dynamique : la disparition ou l’apparition d’un nœud ou un lien entre deux nœuds peut être le résultat d’un déplacement, c’est aussi parce que la batterie est épuisée ou lorsqu’une panne survient.
Les technologies WPAN
Les WPAN (Wireless Personal Area Network) sont des réseaux personnels sans fil qui ont une faible portée d’environ 10 m. Ils sont utilisés pour relier des petits périphériques comme l’imprimante, ordinateur, PDA ou autres. La principale technologie du WPAN est :
Bluetooth, lancé par Ericsson en 1994, qui est un standard de la norme IEEE 802.15.1 et qui permet à tous les appareils électroniques de communiquer entre eux. Son débit théorique est de 1 Mbps mais il atteint en réalité environ 720 Kbps. Avec une portée variable de 10 à 30 m en fonction de la puissance émise (1 à 100 mW), il permet l’interconnexion simultanée de sept appareils en utilisant la bande de fréquence 2400 –2483,5 MHz. Actuellement, le Bluetooth 2 qui est une version sécurisée du Bluetooth et normalisé sous le nom de 802.15.3, a été commercialisé. Il est plus rapide que son prédécesseur et possède l’avantage de consommer peu d’énergie, ce qui le rend particulièrement bien adapté à une utilisation au sein de petits périphériques [I.4].
HomeRF (Home Radio Frequency), mais celui-ci a été abandonné en faveur du WiFi(Wireless Fidelity)[I.1-I.4].
Zigbee standardisé par IEEE sous le nom 802.15.4, il permet des liaisons sans fil à des prix très avantageux, et pour une faible consommation. Son débit peut atteindre jusqu’à 250 Kbps pour une portée maximale de 100 m environ [I.1].
Les liaisons infra-rouges sont surtout utilisées dans la domotique (télécommandes TV, voitures télécommandées etc…) pour commander à distance [I.3].
WiMAX
Le Wimax est une technologie principalement utilisé pour les MAN (Metropolitan Area Network). Il permet, notamment, aux zones rurales de se doter d’une connexion internet haut débit. L’objectif du WiMAX est de fournir une connexion internet à haut débit sur une zone de couverture de plusieurs kilomètres de rayon [I.7]. Les débits théoriques du WiMAX sont de 70 Mbits/s avec une portée de 50 kilomètres. En pratique dans le pire des cas, c’est-à-dire en NLOS «Non LineOf Sight » le débit atteint 12 Mbits/s jusqu’à 4,5 kilomètres. Le WiMAX fonctionne en mode point-multipoint, c’est-à-dire le mode infrastructure que l’on connait pour le Wifi ou encore le même fonctionnement que les technologies 2G, 3G de téléphonie mobile. Ainsi comme en 2G une station de base nommée BTS (Base Transeiver Station) ou BS (Base Station) émet vers les clients et réceptionne leurs requêtes puis les transmets vers le réseau du fournisseur d’accès [I.7].
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Table des matières
Liste des abréviations
Liste des figures
Liste des tableaux
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I EVOLUTION DES STANDARDS DE TELECOMMUNICATION
I. INTRODUCTION
II. HISTORIQUE, EVOLUTION ET APPLICATIONS DES RESEAUX SANS FIL
III. PROBLEMES DE TRANSMISSIONS RADIOS DANS LES RESEAUX SANS FIL
IV. LES TECHNOLOGIES SANS FIL
IV.1 Les technologies WPAN
IV.2 Les technologies WLAN
IV.3 Les technologies WMAN
IV.4 Les technologies WWAN
IV.5 Les technologies BAN
IV.6 WiMAX
V. EVOLUTION DES SYSTEMES DE TELEPHONIE MOBILE
V.1 Première génération (1G)
V.2 Le GSM (2G)
V.2.1 Standard GSM (Global System for Mobile communications)
V.2.2 Notion de réseau cellulaire
V.2.3 Architecture du réseau GSM
V.3 Le GPRS (2,5G)
V.3.1 Introduction au standard GPRS
V.3.2 Architecture du réseau GPRS
V.4 L’EDGE (2,75G)
V.5 La troisième génération (3G)
V.6 La 3,5G : HSDPA
V.7 La 3,75G : HSUPA
V.8 La quatrième génération (4G)
VI. LE FONCTIONNEMENT DES TELECOMMUNICATIONS PAR SATELLITE
VI.1 Les satellites de télécommunication
VI.2 Les fréquences et les orbites
VI.3 Les services de télécommunication par satellite
VI.4 Le Service mobile par satellite (SMS)
VI .5 Les différentes orbites et leurs constellations
VI.5.1 Orbite géostationnaire
VI.5.2 Orbite basse et moyenne
VI.6 Les systèmes satellitaires de positionnement
VI.6.1 GPS
VI.6.1.1 Le segment spatial
VI.6.1.2 Le segment de contrôle
VI.6.1.3 Le segment utilisateur
VI.6.1.4 Principe de fonctionnement
VI.6.2 Le RADAR ( Radio Detection And Ranging )
VI.6.2.1 Radar Impulsionnel
VI.6.2.2 Radar à ondes continues
VII. CONCLUSION
VIII. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE II CARACTERISTIQUES DES ANTENNES
I. INTRODUCTION
II. ANTENNES ET MODELES DE PROPAGATION
II.1 Impédance d’entrée
II.2 Directivité et Gain
II.3 Fréquence de résonnance et bande passante
II.4 Coefficient de réflexion
II.5. Le Rapport d’Onde Stationnaire
II. 6 Diagramme de rayonnement
II. 6.1 L’angle d’ouverture
II. 6.2 Formes particulieres
II. 6.2.1 Les antennes directive
II. 6.2.2 Les antennes sectorielle
II. 6.2.3 Les antennes omnidirectionelle
II. 7 Polarisation
II.8 Déséquilibre de polarisation
II. 9 Efficacité
III. LES DIFFERENTS TYPES D’ANTENNES
III.1 Les antennes filaires
III.2 Les antennes microbandes
III.2.1 Description
III.2.2 Element rayonnant
III.2.3 Le substrat
III.2.4 alimentation des antennes
III.2.4.1 Alimentation coaxiale
III.2.4.2 Alimentation directe par une ligne micro ruban
III.2.4.3 L’alimentation de proximité :
III.2.4.4 Alimentation couplée par ouverture
III.2.5 NOUVELLES TECHNIQUES POUR L’AMELIORATION DE LA BANDE PASSANTE
III.2.6 Les avantages et les inconvénients des antennes micro ruban
III..3 les antennes PIFA
VI. QUELQUES METHODES NUMERIQUES
VI. 1 La méthode des elements finies
VI. 2 La méthode des différences finies
VI .3 La méthode des moments
VI.4Comparaison entre les différentes méthodes d’analyse numériques
VII. CONCLUSION
VIII. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE III LES TECHNIQUES APPLIQUEES DANS LA CONCEPTION DES ANTENNES
I. INTRODUCTION
II. QUELQUES TECHNIQUES APPLIQUEES DANS LA CONCEPTION D’ANTENNES
II.1 Technique de miniaturisation
II.1.1 Insertion de fentes ou creation de méandres
II.1.2 Repliement
II.2 Combinaison de plusieurs éléments rayonnants
II.3 Technique De Diversité D’antennes
II.3.1 Les différents types de diversité d’antennes
II.3.1.1 diversité spaciales
II.3.1.2 diversité de polarisation
II.3.1.3 diversité de diagramme
II.3.1.4 les autres types de diversité existants
III .LES TECHNIQUES APPLIQUEES POUR LE CHANGEMENT DE LA POLARISATION D’ANTENNE
III.1 calcul du rapport axial
III.2 Elément rayonnant avec plusieurs alimentations
III.3 Elément rayonnant avec une seule alimentation
III.3.1 Antenne sur substrat ferrite
III.3.2 Antenne à onde progressive
III.3.3 Les réseaux séquentiels
III.3.4 Antenne avec perturbation géométrique
IV. CONCEPTION D’ANTENNE A UNE POLARISATION LINEAIRE
IV.1 Antenne dipôle adaptée à la bande Bluetooth avec une polarisation linéaire
IV.1.1 Coefficient de réflexion
IV.1.2 Rapport axial
IV.1.3 Comparaison entre le gain de la polarisation horizontale et verticale
IV.2 Antenne bi bande à polarisation linéaire fonctionnant en GSM/WLAN
IV.2.1 Le coefficient de réflexion
IV.2 .2 Rapport axial
IV.2.3 Polarisation d’antenne
IV.2.4 Gain d’antenne
IV.3 Antenne patch fonctionnant dans les deux bandes BLUETOOTH et GPS
IV.3.1 Influence de longueur de substrat et plan de masse
IV.3.2 Polarisation d’antenne patch (Linéaire / circulaire)
IV.3.3 Le choix de la polarisation Lineaire ( Verticale/horizontale )
V. CONCEPTION D’UNE ANTENNE A POLARISATION CIRCULAIRE
V.1 antenne patch large bande à polarisation circulaire pour la bande [2 6.5]GHz
V.1.1 Influence Des Encoches Sur Le coefficient de réflexion S11
V.1.2 Influence des Encoches sur Le Rapport Axial
V.2 Antenne patch fonctionnant pour la bande de Télévision
V.2 .1 Coefficient de réflexion
V.2.2 Rapport axial
V.2.3 Gains simulés en polarisation circulaire
VI. CONCLUSION
VII. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE IV REALISATION D’ANTENNE COMBINEE A POLARISATION MULTIPLES
I. INTRODUCTION
II. LES TRAVAUX EXISTANTS
II.1 Antenne Combinée UMTS/WLAN
II.2 Antenne Combinée GSM/DCS-WLAN
II.3 Antenne combiné GSM/DCS-WLAN
II.4 Antenne Quadri Filaire à Hélices et Pifa
II.5 Antenne à polarisation circulaire doubles bandes
III. COMBINAISON DE DEUX ANTENNES
III.1 Combinaison de deux antennes patch à une polarisation linéaire fonctionnant dans la bande C
III.1.1 Les paramètres S (S11, S12, S21, S22)
III.1.2 Rapport Axial
III .2 Combinaison de deux antennes planaire à une polarisation linéaire Multiples Tri Bandes
III.2.1 Coefficient de réflexion
III.2.2 Polarisation d’antenne combinée
III.3 Combinaison de deux antennes multi bandes à polarisation multiples
III.3.1 Coefficient de réflexion
III.3.2 Rapport axial
IV.4 Antenne combinée à polarisation multiples fonctionnant dans GSM/WLAN
IV.4.1 Coefficient de réflexion
IV.4.2 Rapports axiaux
IV.4.3 Type de polarisation
IV.5 Antenne combinée multibandes à polarisation multiples fonctionanant dans la bande WLAN/Ku satellite
IV.5.1 Coefficient de réflexion
IV.5.2 Rapports axiaux
IV.5.3 Gain d’antenne combinée à polarisation linéaire
IV.5.4 Gain d’antenne combinée à polarisation circulaire
IV.6 Conclusion
V. REALISATION ET MESURE
V.1 Réalisation antenne combinée multi bandes à polarisation multiples dans la bande Bluetooth et WLAN
V.1.1 Coefficient de réflexion
V.1.2 Rapport axial en fonction de Thêta
V.1.3 L’isolation d’antenne combinée
V.1.4 Rapport axial en fonction de la fréquence
V.1.5 Gain d’antenne RHCP/LHCP
V.1.6 Comparaison entre polarisation verticale et horizontale
V.2 Antenne combinée miniaturisé à polarisation multiples fonctionnant dans la bande C
V.2.1 coefficient de réflexion
V.2.2 Rapport axial en fonction de Thêta
V.2.3 Comparaison entre le gain LHCP et RHCP
VI. CONCLUSION
VII.REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE
LISTE DES PUBLICATIONS ET COMMUNICATIONS
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