vignette|Tour hertzienne du Gemeindealpe, Autriche. vignette|Relais hertzien dans le département de l’Essonne. Un faisceau hertzien est un système de transmission de signaux mono-directionnel ou bi-directionnel et généralement permanent, reliant deux sites géographiques fixes distants. Il exploite le support d'ondes radioélectriques, par des fréquences porteuses allant de La plupart des constructeurs (Ericsson, Huawei, Nokia) propose une gamme de produits qui supporte cette bande. dans la gamme des micro-ondes, focalisées et concentrées grâce à des antennes directives dites à vue directe. Ce système permet notamment de véhiculer des signaux sonores, la radiodiffusion, des liaisons vidéo, des chaînes de télévision ou des télécommunications et permet éventuellement d'échanger ces données numériques entre les différents points du réseau qu'il dessert.
Un « réseau hertzien » associant et combinant différents relais hertziens permet de couvrir une région, un territoire, un pays voire un continent. Ces émissions sont notamment sensibles aux obstacles et masquages du relief, de la végétation, des bâtiments ainsi qu'aux précipitations, aux conditions de réfractivité de l'atmosphère, aux perturbations électromagnétiques et présentent une sensibilité assez élevée aux phénomènes de réflexion notamment pour les signaux analogiques partiellement compensée par la modulation numérique concernant le taux d'erreur de transmission dû à ces nuisances.
À cause des limites de distance géographique et des contraintes de « visibilité directe », le trajet hertzien entre deux équipements d'extrémité est souvent découpé en plusieurs tronçons, communément appelés « bonds », à l'aide de stations relais comme la tour hertzienne du Vigen. Dans des conditions optimales avec profil dégagé, conditions géoclimatiques favorables, faible débit, un bond hertzien peut atteindre voire dépasser , conforme à la limite de la courbure de la surface terrestre.
Histoire Une liaison Calais-Douvres est réalisée en 1931, en 19 centimètres (~) sur de distance. Les premières recherches datent de la Seconde Guerre mondiale pour les ondes centimétriquesGirolamo Ramunnisem, Les faisceaux hertziens en France, Réseaux, 1996, , , .. Dans les années 1970, des faisceaux hertziens à vocations régionales ont été utilisés par France Télécom.. À partir des années 1990, les faisceaux hertziens sont le plus souvent utilisés car ils sont moins coûteux et plus rapide à installer que les fibres optiques. En France, l'Agence nationale des fréquences (ANFR) est responsable de la gestion du spectre radioélectrique et donc, de la régulation des faisceaux hertziens. En 2006, l'ANFR consulte les différents exploitants pour définir les Modes d'autorisation des liaisons point à point des opérateurs. En 2010, elle les consulté pour l'Utilisation des bandes hautes pour des liens fixes à haut débit : 66 GHz, 71–76 GHz et . En 2012, elle les consulté pour les évolutions futures en matière d'utilisation des faisceaux hertziens et sur les besoins en fréquences associés, notamment dans le contexte de l'évolution des réseaux vers le haut et le très haut débit.
En 2014, les conditions d’utilisation de la bande de fréquences 24,5-26,5 GHz (26 GHz) par les faisceaux hertziens sont revuesDécision de l’Autorité en date du 25 mars 2014 publiée au Journal officiel le 18 juin 2014. pour s'aligner sur le plan de fréquence de la recommandation européenne . Elles autorisent un spectre radioélectrique plus étendu, pour bénéficier de l'augmentation de la bande passante et des débits sur les différents réseaux.
Signal exploité Pour chaque liaison hertzienne bilatérale, deux fréquences distinctes sont exploitées ; elles correspondent chacune à un des sens de transmission. La ressource hertzienne est souvent saturée en raison des multiples applications exploitées localement (radiotéléphonie, télédiffusion, transmissions militaires ou de sécurité). Les différentes bandes de fréquences représentent donc une préciseuse ressource rare et leur exploitation est réglementée par certains organismes officiels nationaux et internationaux. Dans le cas d'un réseau composé de plusieurs bonds ou de liaisons géographiquement proches, certains problèmes d'interférences peuvent apparaître, affectant la qualité des transmissions ou pouvant nuire à d'autres transmissions. La définition d'un plan de fréquences est censé minimiser les perturbations tout en optimisant l'efficience de la ressource spectrale exploitée.
Le signal source (vidéo, audio, données, texte, etc.) à retransmettre est transposé en fréquence par modulation. L'opération de modulation transforme le signal d'origine en bande de base, par un signal modulé dit « à bande étroite », dans une bande passante définie et conforme aux normes exploitées.
En France, les modulations analogique (AM et FM) sont désormais remplacées par des codages numériques soit à 4 ou 16 états (QPSK, 4 QAM, 16QAM) pour les signaux de type PDH, soit à 64 ou 128 états (64 QAM, 128 QAM…) pour les signaux de type SDH. Le quadruplement du nombre d'états (de 4 à 16) réduit pour un débit donné la bande passante nécessaire d'un facteur 2 (inversement pour une bande passante donnée, il permet de doubler le débit). En contrepartie, la moins bonne tolérance au bruit des signaux modulés suppose une réduction de la portée effective des liaisons.
Le tableau suivant résume les largeurs de bande nécessaires, en fonction des débits numériques exploités en France ainsi que le type de modulation associée :
Norme PDH PDH PDH PDH SDH Débit 155 Mbit/s 4 états 3,5 MHz 7 MHz 14 MHz 28 MHz - 16 états 1,75 MHz 3,5 MHz 7 MHz 14 MHz - 64 états - - - - 56 MHz 128 états - - - - 28 MHz
Facteurs pouvant affecter la propagation
Pour élaborer avec précision l'ingénierie de liaisons hertziennes en vue directe, il convient de suivre la recommandation UIT-R P.530-8 (ou supérieure), laquelle définit les paramètres de propagation les plus significatifs.
Lorsqu'elle se propage, l’onde hertzienne subit principalement trois types d’atténuations comme celle correspondant à son rayonnement en espace libre, laquelle est inévitable et toujours fixe (de l'ordre de en général) et parfois aggravée par la présence d'obstacles ; celle provenant des variations aléatoires des conditions climatologiques : guidage et précipitations (déperditions pouvant atteindre une trentaine de dB) ; celles engendrées par certains phénomènes d’interférences, conséquences de la réflexion principale ou de multi-trajets, de perturbations électromagnétiques, brouillages, fading (déperditions pouvant atteindre une trentaine de dB). Propagation en espace libre et dégagement
La station émettrice rayonne. Les ondes électromagnétiques véhiculent une énergie par unité de surface qui décroît comme le carré de la distance. De plus, sur l’ensemble du trajet parcouru par l’onde, il est impératif de veiller au dégagement de la liaison. Relief, végétation, bâtiment interceptant le faisceau entraînent des pertes dont il faut tenir compte.
L’essentiel de l’énergie est concentrée dans la zone que l’on appelle « premier ellipsoïde de Fresnel ». L’étendue de cette zone (quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres) varie proportionnellement avec la longueur d'onde et la longueur de la liaison. On veille donc au dégagement de ce volume.
Réfraction atmosphérique
Ce volume toutefois n’est pas fixe. Il faut tenir compte pour la définition de cette zone des conditions de l’atmosphère le long du trajet de l’onde. En effet, les rayons ne se propagent pas en ligne droite, mais suivent préférentiellement les zones de fort indice électromagnétique, soit les couches de l’atmosphère les plus denses. C'est la réfraction atmosphérique. En fonction des paramètres climatiques, la disposition de ces couches change. Les rayons hertziens sont donc plus ou moins courbés vers la terre (super réfraction), ou au contraire, « pointent » vers le ciel (infra réfraction). Dans ce dernier cas, le dégagement de la liaison est rendu plus difficile.
Il est donc nécessaire de mener des études statistiques pour quantifier la durée au cours de laquelle ces phénomènes pourront nuire à la qualité de la liaison, et avec quelle intensité. On remarque que pour l’ensemble des calculs, cela revient à donner une courbure moyenne au rayon. Une représentation commode est de faire comme si les rayons voyageaient toujours en ligne droite, et de courber en conséquence le profil des liaisons. Cela facilite notamment la description de la géométrie des rayons réfléchis. On introduit donc un « rayon terrestre apparent », tenant compte de la déformation virtuelle de la terre vis-à-vis des ondes propagées. Il est déduit du rayon réel par un paramètre, appelé « », traduisant le gradient vertical de coindice de réfraction. Sa valeur médiane en Europe est le rapport d’environ 4 sur 3.
Dégagement / diffraction
L’ellipsoïde de Fresnel est parfois partiellement obstrué par un obstacle. On distingue habituellement trois types d’obstacle : lame, pour des obstacles « minces » ; rugueux, pour une paire d’obstacles de type « lame » ou sphérique, pour des obstacles obstruant le faisceau sur une distance importante. Pour chacun, des méthodes de calcul permettent de prévoir l’atténuation supplémentaire à prendre en compte dans les bilans. Dans le cas où l’obstacle obstrue sur une portion trop importante le rayon, la liaison peut toujours être établie, mais cette fois-ci par diffraction (méthode de calcul spécifique). Guidage et précipitations
Certaines caractéristiques du milieu propagateur sont donc « aléatoires ». Pour celles-ci, on a recours à des statistiques climatologiques (par ex. la concentration moyenne en vapeur d’eau). Il convient de considérer principalement deux phénomènes :
Phénomènes de guidage
Pendant un certain temps, les conditions atmosphériques peuvent entraîner un guidage du faisceau, généralement en super réfraction. Le résultat est alors similaire à un dépointage d’antenne. La probabilité d’occurrence, sur le mois quelconque, de ces « évanouissements non sélectifs » est donnée dans l' par un paramètre statistique appelé « » (de 2 % à 30 % en France). Dans les dernières versions des , un autre paramètre est utilisé : le .
Ce phénomène de guidage est dimensionnant dans l'ingénierie des liaisons dont la bande de fréquences est inférieure à . Il réduira la longueur possible du bond pour des exigences de disponibilité données.
Atténuations due à la pluie
Pour les FH de fréquence supérieure à 8 GHz, les précipitations entraînent des pertes également considérables, d’autant plus que le taux de précipitations (en mm/h) et la fréquence sont élevés. De plus, la phase de ces précipitations influence également l'atténuation du signal. Ainsi la neige, qui a une très petite constante diélectrique, a beaucoup moins d'influence que des gouttes de pluie de même masse. La neige fondante, d'autre part, allie le large diamètre des flocons et le coefficient de la pluie pour créer un obstacle plus important que les deux séparément que l'on nomme la « bande brillante ». Ainsi le passage d'une onde de dans cette bande rencontre de trois à trente fois plus d'atténuation que dans la pluie sous la bande.
En France, l'intensité de pluie qui est atteinte ou dépassée 0,01 % du temps varie, selon la région, de sur l'année moyenne. Ce phénomène de précipitations est donc dimensionnant dans l'ingénierie des liaisons dont la bande de fréquences est supérieure à . Il réduira la longueur possible du bond pour des exigences de disponibilité données. L'onde est également partiellement dispersée sur la polarisation croisée (phénomène de transpolarisation). Atténuation et transpolarisation sont plus marquées pour un signal en (horizontale).
Réflexion, trajets multiples