Rapport DEA Philippe Buhr - INSA de Lyon

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DEA Images et SystèmesOptimisation de prédiction de couverture radio2 Présentation du simulateurCette partie a pour but de présenter le simulateur sur lequel j’ai effectué mon travail. Cemoteur logiciel permet de prédire la couverture radio en milieu intérieur, en se limitant pourl’instant à la prédiction dans le plan (2D)..Nous nous intéresserons dans un premier temps à l’étude de l’ensemble des méthodes existantdéjà, puis sera présentée la méthode originale développé par Gorce et al. dans [1] et [2].2.1 BibliographieLa propagation des ondes électromagnétiques est un phénomène complexe. Les premiersmodèles sont apparus avec le développement de la radiodiffusion et de la télédiffusion.2.1.1 Modèles statistiquesLes premières méthodes apparues (dans les années 1960) sont des méthodes statistiquesdéveloppées de manière empirique. Leur origine tient dans de grandes campagnes de mesureseffectuées à différentes fréquences. Le premier modèle ayant fait ses preuves est celuid’Okumura. Il s’agit d’un modèle simple encore très populaire. C’est un ensemble deméthodes statistiques adaptées à différents milieux (urbain, semi-urbain, quasi-ouvert,ouvert). C’est pour les environnements urbains que ce modèle fonctionne le mieux. Mais enmilieu urbain, l’orientation des rues les unes par rapport aux autres, hauteur et répartition desimmeubles peuvent beaucoup influencer les résultats pratiques. Ce modèle est ainsi très bienadapté aux villes du Japon, pays où il a été développé, et fonctionne moins bien en Europe ouen Amérique.Dans les années 1980, les modèles de Okumura ont été repris et adaptés par Hata. Hata en atiré des expressions analytiques rendant possible leur implémentation au prix de la réductionde nombre paramètres. Les capacités du modèle on alors quelque peu diminuées, la longueurde propagation a par exemple été limitée à 20km. Ce modèle est tout de même fréquemmentutilisé par les opérateurs de téléphonie mobile pour la planification de leur réseau GSM et leplacement des antennes-relais.Ce modèle a été revu récemment. La hauteur de l’antenne de réception est maintenant priseen compte, des corrections ont été apportées concernant la prise en compte de la fréquence etla longueur du chemin de propagation a été portée à 300km. Ce modèle ne tient pas compte del’ensemble de la topographie de l’espace, mais que du type de terrain sur lequel se trouvel’antenne d’émission, conduisant à des erreurs sur les niveaux de champ reçu, parfoisinférieurs à ceux que l’on aurait obtenus dans le vide.L’ensemble de ces modèles statistiques sont adaptés à des systèmes cellulaires de grandetaille et pour des environnements extérieurs. Les temps de calcul sont faibles mais cesméthodes sont bien trop approximatives pour la propagation intérieure. La propagationintérieure est particulière de par la quantité de réflexions et l’importance du phénomène dediffraction.2.1.2 Le ray-tracing, méthode microcellulaireCette méthode assez récente est la plus utilisée pour la prédiction de couverture radio (à encroire le nombre d’articles trouvés à son sujet), notamment en milieu urbain et semi-urbain.Philippe Buhr 8/42 2002/2003
DEA Images et SystèmesOptimisation de prédiction de couverture radioElle permet de couvrir une zone moins étendue mais de manière plus précise que lesméthodes précédentes.Cette méthode est basée sur la méthode de ray-tracing utilisée pour générer des images desynthèses. En imagerie de synthèse, ce sont des ondes électromagnétiques de longueur d’indede quelques centaines de nanomètres qui sont propagées, la lumière, et ici on décided’appliquer ceci à des ondes électromagnétiques de fréquences différentes (quelques centainesou milliers de MHz).L’idée vient de McKnown [4] qui proposa le premier en 1991 d’associer le ray-tracing et unebase de données géométriques pour simuler la propagation des ondes dans un réseau radio. En1992, Schaubach et al. [5] proposèrent d’y ajouter les caractéristiques électromagnétiques desbâtiments. En 1993, Valenzuela [6] propose d’appliquer cette méthode aux environnementsindoor. La même année, Seidel [7] met au point la simulation des phénomènes de diffractionpar lancer de rayon. Ce phénomène est très présent en milieu indoor. La gestion desressources radio (handover et allocation de canaux) est modélisée par cette méthode en 1994par Hussman[8]. La même année, Wagen [9] analyse les effets du passage de zone en visiondirecte à une zone dite d’ombre (zone où les ondes provenant de l’émetteur n’arrivent pasdirectement mais indirectement après une ou plusieurs réflexions).Connaissant les grands principes physiques de la théorie de la propagation ondulatoire, onpeut dire que le modèle du lancer de rayon permet de tout modéliser. Mais pour se rapprocherde la réalité, de nombreux paramètres doivent être pris en compte et optimisés. Les différentespublications se focalisent le plus souvent sur un point précis et essayent d’améliorer lesperformances.Un émetteur est modélisé par une source sphérique à partir de laquelle sont émis des rayonsde manière isotrope. Plus le nombre de rayons émis est élevé, meilleure est la résolutionobtenue (typiquement on considère 3 ou 7 rayons). Les rayons sont soit modélisés par desvecteurs (ray-tracing) soit par des cônes (beam-tracing). D’après Flores[10], le beam-tracingest moins coûteux en temps que le ray-tracing et réduit intrinsèquement les erreursd’échantillonnage. Mais lorsque l’environnement est trop complexe, l’approximation despetites irrégularités de l’environnement fournit une mauvaise prédiction.Au niveau du récepteur, deux grands modèles existent. Il s’agit soit de la méthode dite de« force brute », soit la « méthode image ». En « force brute » tous les rayons de la source sontpris en compte et calculés jusqu’à ce qu’ils aient subi un certain nombre de réflexions (dans laplupart des cas, 3 réflexions sont suffisantes) ou que leur puissance soit passée sous un certainseuil. Tous les rayons qui passent au voisinage du récepteur contribuent alors à la puissancereçue par celui-ci. Mais cette méthode ne garantit pas que tous les rayons possibles aient étéreçus et certains rayons calculés sont inutiles. La seconde méthode ne considère que lesrayons allant de la source au récepteur. Elle calcule le nombre exact de rayons nécessaire etcalcule tous les rayons reçus. Elle est très rapide mais très sensible à la complexité del’environnement et n’est utilisable que dans des contextes particuliers (quadrillage de rues parexemple).Des améliorations ont été apportées quant à la modélisation de l’espace, ceci pour gagner dutemps de calcul. Plutôt que de conserver l’ensemble des faces des bâtiments, Maurer [11]montre qu’il suffit de conserver les faces en visibilité directe car ce sont les réflexions sur cesfaces qui fournissent la plus grande partie du signal reçu par les récepteurs après ceuxprovenant directement de l’émetteur. Une autre technique proposée par Rajkumar [12] utiliseun partitionnement de l’espace en arbre binaire. Plus on descend dans l’arbre, plus on obtientun niveau de résolution important.Les temps de calcul demandés par le ray-tracing sont très importants lorsque l’on augmente larésolution et donc le nombre de rayons lancés. Mais il est très efficace en milieu accidenté ouurbain-dense (rues encaissées,…) …Philippe Buhr 9/42 2002/2003
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