LES RESEAUX MAILLES ET LES NORMES WI-FI

Architecture topologique des réseaux maillés

   L’architecture d’un réseau maillé, dite topologie mesh, fait appel d’abord à la notion de cellule. Le territoire global à couvrir pour les communications est divisé en cellules, chacune d’elle régie par une station base. C’est une topologie de réseau où les clients sont connectés sans hiérarchie centrale. Chaque nœud du réseau doit recevoir, envoyer et relayer des données au travers d’un point d’accès nommé « hot spot ». Chaque point d’accès devient alors un relais pour les autres points d’accès. La couverture d’un hotspot est donc étendue à travers ces différents relais pour couvrir tout un territoire, en conservant autant que possible une puissance de signal élevée. L’architecture proprement dite se compose de deux entités : le backbone et le réseau utilisateur.

Le « backbone », ou épine dorsale, regroupe un ensemble de routeurs sans fil interconnectés par lien radio. Chacune des stations voisines peut remailler d’autres stations voisines, afin d’élargir la zone de couverture. Une représentation d’un tel maillage est donnée Figure 1. Les utilisateurs terminaux ne s’y connectent pas directement. La topologie du réseau maillé est surtout avantageuse au niveau de la flexibilité qu’elle propose du fait qu’elle n’est pas centralisée, ce qui le rend dynamique et robuste. La solution en maille permet un déploiement facile, simple, sécurisé et très évolutif, permettant de s’adapter à la topologie de la zone à couvrir. Figure 1 : Schéma général de l’entité backbone d’un réseau Wi-Fi maillé, avec liaison sur f = 5 GHz d’une station base à une autre. Architecture telle qu’utilisée par le groupe Osmozis, à travers différents canaux (différentes couleurs de liaisons). La deuxième entité du réseau maillé est constituée des communications par les clients – utilisateurs, mobiles ou fixes, qui se connectent via les points d’accès. Ces communications peuvent se faire sur des bandes de fréquences différentes.

Dans le cas du groupe Osmozis, et qui nous intéresse dans ce travail, la stratégie mise en place consiste à utiliser la bande de fréquence de 2,4 GHz pour cette communication entre le point d’accès et les utilisateurs. Ceci est schématisé dans la Figure 2. Un serveur à la sortie du boitier qui fournit l’accès à internet, accès se faisant aujourd’hui à travers la fibre optique, se relie à une première station. Ce premier point d’accès assure également le maillage avec une ou plusieurs stations voisines à travers la liaison point à point. Le maillage backbone établi par la bande de fréquence 5 GHz se fait à travers différents canaux isolés fréquentiellement afin de réduire les interférences entre les points d’accès. L’existence de plusieurs canaux isolés, permet la réutilisation d’une fréquence dans une zone éloignée.

La bande 2,4 GHz

   La bande fréquentielle comprise entre 2402 MHz et 2482 MHz propose au total 80 MHz de bande fréquentielle utilisable. Cette bande est divisée selon les normes 802.11 en 14 canaux de 20 MHz numérotés de 1 à 14. Le canal 14 n’est autorisé qu’au Japon. Le fait d’être connecté à un routeur, nommé également hotspot ou station de base, se fait donc à travers le canal fourni par ce routeur. Théoriquement il est possible d’avoir jusqu’à quatre canaux isolés en fréquence, les canaux numérotés 1, 5, 9 et 13. Néanmoins le canal 13, autorisé en Europe, ne l’est pas en Amérique du Nord. Or la majorité des composants électroniques sont fabriqués par des compagnies américaines. Ainsi le canal 13 n’est pas compatible avec la plupart des terminaux présents sur le marché européen, ce qui le rend très rarement présent et utilisé. Ainsi on préfère une autre répartition ; pour diminuer les interférences, on privilégie classiquement les canaux qui ne se chevauchent pas [10]–[12], soit les canaux 1, 6 et 11. La norme 802.11n, qui nous intéresse dans ce travail, prévoit donc des canaux de bande passante de 20 MHz sur la bande de fréquence 2,4 GHz avec un débit théorique de 72 Mbit/s.

Les interférences dans les canaux

   D’un point de vue radiofréquence, une interférence se produit quand le récepteur entend deux signaux différents sur la même fréquence ou sur deux fréquences proches. Le signal reçu est déformé, ce qui peut avoir un impact sévère lors du recouvrement du message utile. Cette déformation va engendrer une baisse du débit. On peut citer deux types d’interférences principales dans le système Wi-Fi, les interférences de canal adjacent et les interférences co-canal. Nous les détaillons ci-dessous.

➢ Interférences de canal adjacent :Les interférences de canal adjacent apparaissent quand des signaux de fréquences proches, comme celles utilisées entre deux zones voisines d’une même cellule, se chevauchent. Ce type d’interférence de chevauchement ou « overlapping interference » est généré par deux équipements, comme des points d’accès, réglés sur des bandes de fréquences qui se recouvrent, tels que les canaux 4 et 6 par exemple. Pour le high-Rate DSSS et l’Extended Rate DSS dans la bande autour de f = 2,4 GHz, une telle interférence ne se produit pas pour des fréquences séparées d’au moins 25 MHz, tels que les canaux 1 et 6. La présence de ces interférences induit une baisse du rapport SINR (Signal to Interference and Noise Ratio – rapport signal à interférence et bruit). Cela a pour effet d’augmenter le nombre d’erreurs en réception [16]. Il est à noter qu’une transmission sans fil, correctement architecturée, possède toujours des cellules qui se recouvrent pour fournir une continuité de couverture quand les clients sont mobiles. Néanmoins pour minimiser les interférences du canal adjacent, un design préalable à l’implantation doit être fait en tenant compte de la localisation possible des points d’accès, des canaux à disposition, des puissances transmises, et du niveau de recouvrement possible.

Catégories d’antennes pour station base

➢ Antennes quasi omnidirectionnelles :On trouve dans cette catégorie des antennes unitaires de type dipôle ou monopôle, ou des réseaux colinéaires. Les antennes ou réseaux quasi-omnidirectionnels sont caractérisés par un diagramme de rayonnement constant sur le plan horizontal. L’énergie rayonnée est équi-répartie dans l’espace, il n’y a pas de direction privilégiée de rayonnement. Ce type d’antenne ou de réseau était le plus utilisé par les stations de base mobile de 3ème génération et antérieures. Le gain est généralement faible, il est difficile d’atteindre G = 10 dB. L’avantage de ces systèmes est de pouvoir couvrir une zone de 360° dans le plan horizontal. Ces antennes ou réseaux sont placés en général au centre de la cellule à couvrir.

➢ Antennes agiles :Ce type d’antennes, dite « agiles » ou « reconfigurable », voient l’un de ses paramètres, soit la fréquence, la polarisation ou le diagramme de rayonnement, changer de façon dynamique en fonction de l’environnement. Elles présentent l’avantage de pouvoir, en appliquant une technique de commutation de nature électrique, mécanique, optique ou autre, étendre les capacités du réseau et améliorer le fonctionnement et les performances des terminaux sans fils. En revanche ces antennes sont beaucoup plus complexes à implémenter. Elles ont un prix de production élevé, et sont largement associées à une électronique adaptée.

➢ Antennes directives :Cette catégorie recouvre des antennes avec des angles de rayonnement petits, avec une direction privilégiée de rayonnement. Elles sont utilisées pour couvrir des zones étroites. On peut citer parmi ces antennes les antennes paraboliques, les antennes cornets, les antennes Yagi et les réseaux bidimensionnels d’antennes imprimées. Ce type d’antenne est plutôt utilisé pour établir des communications dites « point à point » comme dans le « backbone » des réseaux mobiles ou encore entre un satellite et une station de base terrestre. Cela consiste à focaliser le rayonnement émis dans une direction précise pointée sur la ligne droite entre les deux objets communicants. Elles ont comme avantage de proposer un gain élevé dans la direction maximale de rayonnement.

En revanche, seules, elles ne peuvent pas couvrir toute une zone à 360°. Les antennes sectorielles font partie des antennes directives et font l’objet de l’étude présentée ici. Les secteurs couverts possèdent des angles variables en fonction de l’application, classiquement de 60° ou 90°. Le gain obtenu par ce type d’antenne est évidemment plus important que celui d’une antenne omnidirectionnelle et dépend toujours de l’ouverture choisie. L’antenne seule, elle-même, peut être considérée directive. L’utilisation de quatre antennes avec un angle d’ouverture de 90° ou encore six antennes avec un angle d’ouverture de 60° permet de retrouver une couverture omnidirectionnelle. On trouve parmi les antennes sectorielles les antennes à réflecteur, ou les antennes en technologie imprimée.

La sectorisation déjà utilisée dans les relais GSM (Global Système Mobile communication) et dans les réseaux 4G de la téléphonie mobile fait largement appel à la trisectorisation. Celle-ci sera appliquée au territoire à couvrir dans le cadre de cette thèse. Nous allons donc concevoir une antenne sectorielle sur un angle de 120° que nous pourrons ensuite combiner à deux autres pour couvrir l’angle total de 360° d’une cellule. Pour assurer cette sectorisation nous partons sur une structure comprenant un élément rayonnant et un plan réflecteur. Pour minimiser les coûts et simplifier le design, une technologie en circuit imprimé est envisagée pour l’élément rayonnant. Sachant que les lobes arrière de rayonnement d’une antenne peuvent être à l’origine d’une baisse importante du débit de communication de par l’occupation fictive d’un canal, nous avons souhaité faire un état des lieux des antennes disponibles en technologie imprimée et de leurs caractéristiques point de vue lobe arrière. Cette étude est donnée dans la section suivante.

L’outil d’étude des paramètres d’antennes : le logiciel de simulation CST

   Le simulateur électromagnétique commercial 3D Computer Simulation Technology Microwave Studio (CST MWS) est l’un des principaux logiciels commerciaux pour les simulations électromagnétiques en trois dimensions. Pour commencer une simulation il s’agit de découper l’objet, donc on veut simuler le comportement en éléments unitaires, soit effectuer un maillage. Tout d’abord, le maillage réalisé est volumique. Le volume à calculer est discrétisé en de petits volumes cuboïdes de tailles variables. Chaque cuboïde représente une maille où les champs magnétique et électrique vont être calculés. Le nombre total de mailles agit sur la vitesse de calcul et la précision des résultats obtenus. Ce logiciel permet d’analyser le comportement électromagnétique des composants hyperfréquences (antennes, filtres, coupleurs…) à travers un maillage hexaédrique. Ce simulateur comporte différents types de solvers pouvant être appliqués. Nous citons les principaux utilisés dans nos études :

• Le solver Time Domain : Il est généralement appliqué pour l’étude des antennes classiques, il utilise la technique d’intégration finie FIT (Finite Integral Technique) pour résoudre les équations de Maxwell. Cette méthode consiste à échantillonner spatialement les équations de Maxwell sous leur forme intégrale. Cette technique de maillage tient compte des phénomènes de diffraction sur les bords et permet d’estimer correctement les comportements électromagnétiques des composants hyperfréquences. Pour les antennes micro-ondes la solution Time-domain génère des résultats précis au niveau des éléments macroscopique comme les paramètres S, des champs électriques/magnétiques, des courants de surface, de la directivité, du gain…Cet outil de résolution temporel remplace les dérivées partielles t par des différentielles t pour résoudre les équations de Maxwell.

• Le solver Frequency-domain : Ce solver qui s’appuie sur la méthode des éléments finis est plutôt adapté à la simulation des réseaux d’antennes à multi-ports et des circuits résonants, structures périodiques, filtres, etc… Il permet la simulation d’une structure périodique infinie par l’analyse d’une cellule élémentaire de la structure, en tenant compte du couplage entre les cellules adjacentes, et ce à travers les conditions aux limites de chaque cellule. L’approche de Floquet est une méthode incluse dans ce solver qui nous intéresse en particulier. Elle considère que chaque cellule est extraite d’un réseau infini périodique de cellules toutes identiques. Chaque cellule est étudiée séparément. La cellule est illuminée par une onde plane avec une incidence normale grâce au port de Floquet.

L’élément à simuler est placé au bout d’un cube rectangulaire (Cuboïde) où la largeur et la longueur de sa section sont identiques aux dimensions de l’élément considéré. Les quatre côtés de l’élément sont reliés aux parois du cuboïde, ce qui permet de modéliser la périodicité de la structure avec les parois de Floquet (nommées « Unit Cell Condition » dans le logiciel CST MWS). Un ou plusieurs ports dits ports de Floquet peuvent être utilisés comme source de rayonnement. Le port de Floquet excite un ensemble de modes, qui sont fondamentalement des ondes planes avec une direction de propagation dépendant de la fréquence et de la géométrie de la structure. Ces ports permettent de simuler les taux de transmissions à travers une cellule, ainsi que ses niveaux et ses phases de coefficients de réflexion.

L’élément à simuler, en l’occurrence dans notre cas, un motif d’une structure périodique, est placé au bout du cuboïde comme présenté dans la Figure 13. Le port de Floquet est situé sur la face supérieure du cuboïde. Au-delà du port de Floquet on prend en compte le rayonnement de la cellule par une condition aux limites de type « Open Space ». Aucune réflexion peut provenir de cette direction, et donc permet d’isoler la structure de tout phénomène perturbateur. A l’arrière du cuboïde on définit un conducteur électrique parfait. Un plan de référence pour le calcul des coefficients de réflexion est mis en place dans la structure. Ce plan de référence doit être placé au niveau de la structure périodique afin d’évaluer la phase de réflexion propre de cette structure.

• Le solver eigenmode : Ce solver intègre des méthodes mathématiques de calcul et permet de simuler le comportement des structures périodiques et des métamatériaux. Il permet de calculer les modes propres pouvant se propager dans ces structures à l’aide du théorème de Bloch-Floquet [50]. Afin d’illustrer le fonctionnement de ce solver, nous commençons par nous appuyer sur une zone de Brillouin qui est la plus petite zone représentative du comportement d’une cellule élémentaire. Le calcul de la constante de propagation en fonction de la pulsation dans cette zone permet d’obtenir les modes de propagation de la structure. Un vecteur d’onde ?⃗ peut se décomposer en une composante kx selon ⃗??⃗⃗⃗⃗ et une composante ky selon ??⃗⃗⃗⃗⃗ . La zone de Brillouin est délimitée par trois points , M et X. Ces points définissent un triangle isocèle rectangle en X. Afin de parcourir tous les modes de propagation possibles, le solver eigenmode calcul les constantes de propagation en parcourant le triangle  → X → M → .

Table des matières

Introduction générale
Le Wifi : Architecture, Sectorisation et Interférences
I. LES RESEAUX MAILLES ET LES NORMES WI-FI
i) Architecture topologique des réseaux maillés
ii) Les Normes Wi-Fi
II. PRINCIPE DE LA SECTORISATION
i) Les bandes fréquentielles
ii) La tri-sectorisation
III. INTERFERENCES DANS LES COMMUNICATIONS STATION BASE- UTILISATEUR
i) Les atténuations en propagation
ii) Les interférences dans les canaux
IV. PROBLEMATIQUE DE LA THESE
i) Implantation de la tri-sectorisation
ii) Propagation et mise en évidence du problème des lobes arrière
iii) Etat de l’art des antennes de station base et problématique des lobes arrière
Etude d’une antenne a réflecteur en métamatériaux
I. LES ANTENNES ET LEURS CARACTERISTIQUES FONDAMENTALES
i) Système de coordonnées pour l’étude électromagnétique d’antennes
ii) Zones de propagation, diagramme de rayonnement et angle d’ouverture
iii) Gain, directivité et efficacité
iv) Polarisation
v) L’outil d’étude des paramètres d’antennes : le logiciel de simulation CST
vi) Choix du type d’antenne unitaire sectorielle
II. PHENOMENES A L’ORIGINE DE LOBES ARRIERES DE RAYONNEMENT
i) Impact des réflecteurs sur les lobes arrière de rayonnement d’antennes
ii) Mise en application de l’étude du plan réflecteur avec une antenne
III. LES SURFACES HAUTE IMPEDANCE : LA STRUCTURE DE SIEVENPIPER
i) Introduction aux métamatériaux
ii) Structure périodique – Modèle de Sievenpiper
iii) Etude de l’impact de la géométrie et du substrat sur les caractéristiques d’une structure de Sievenpiper
iv) Etude des caractéristiques d’une structure de Sievenpiper sur un substrat FR-4
v) Application d’un plan réflecteur de type champignon à associé à un dipôle
IV. CONCLUSION
Système d’antennes tri-sectorisées
I. DIPOLE ET PLAN REFLECTEUR POUR ANTENNE UNITAIRE SECTORIELLE
i) Effet de la distance élément rayonnant – réflecteur : les zones d’ombre
ii) Adaptation et impédance d’entrée du dipôle muni de son réflecteur
iii) Elément rayonnant de type dipôle à impédance élevée
iv) Dipôle replié avec réflecteur : amélioration du rapport F/B
II. BOUCLE ET PLAN REFLECTEUR POUR ANTENNE UNITAIRE SECTORIELLE
i) Géométrie et impédance
ii) Antenne rectangulaire fine devant un plan de masse
iii) Effet de la géométrie du plan réflecteur
iv) Etude du rapport longueur /largeur du plan réflecteur
III. PARTIE EXPERIMENTALE DE L’ANTENNE ET DE SON ASSEMBLAGE
i) Outils expérimentaux
ii) Antenne unitaire boucle imprimée sectorisée munie de son réflecteur
iii) Système tri-sectorisé
iv) Antenne tri-sectorisée avec radôme
IV. Mesures avec le prototype industriel
i) Mesures des caractéristiques principales
ii) Tests du système tri-sectorisé en environnement réel
iii) Mesures sur terrain de loisirs
iv) Interférences et réflexions
v) Niveaux de signal détectés chez les clients
V. Conclusion
Conclusion Générale
Perspectives
Bibliographie
Table des figures
Liste des tableaux
Annexe

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