Caractéristiques de propagation des ondes millimétriques et leur impact sur les communications

Fondamentaux de la propagation des communications en ondes millimétriques

Ondes millimétriques la communication en ondes millimétriques (mmWave) dans les bandes de 30 à 300 GHz est un facteur clé pour les systèmes 5G exigeant un débit élevé. L'utilisation de canaux large bande (~1 GHz) permet à ces approches d'offrir des débits multimégabit pour répondre aux exigences croissantes des applications à faible latence telles que la réalité augmentée et les véhicules autonomes. Un rapport publié par Nature en 2023 a montré que la technologie mmWave pouvait atteindre 10 Gbps sur 1 km en utilisant des antennes directionnelles, bien que les caractéristiques de propagation soient très différentes de celles des micro-ondes à des fréquences inférieures.

La perte de propagation en espace libre est proportionnelle au carré de la fréquence dans le vide, ce qui entraîne des pertes de propagation 20 à 30 dB plus élevées par rapport aux bandes inférieures à 6 GHz. Les problèmes liés à l'environnement extérieur aggravent ces difficultés : les précipitations peuvent induire une atténuation de 5 à 15 dB/km à 60 GHz, tandis que des matériaux de construction tels que le béton provoquent des pertes de pénétration de 40 à 60 dB. L'atténuation due au feuillage entraîne normalement une perte de signal de 10 à 20 dB, et des solutions techniques innovantes sont nécessaires pour atteindre la même fiabilité que dans une zone dégagée.

Les techniques avancées de formation de faisceau utilisant des antennes réseau à commande de phase permettent de surmonter les contraintes de propagation en établissant des canaux de transmission dirigés. Ces faisceaux directionnels autorisent le réutilisation de la fréquence dans l'espace et une réduction des interférences — un avantage essentiel dans les déploiements urbains densément peuplés. Les architectures les plus récentes s'appuient sur des structures hybrides combinant la modulation multicarrier orthogonale (OMM) et la technologie massive MIMO, permettant ainsi de créer des réseaux intelligents qui exploitent l'abondance en fréquence des bandes mmWave ainsi que la robustesse des systèmes micro-ondes pour obtenir un débit maximal en temps réel.

Impact Environnemental Sur Les Signaux De Communication En Bande MmWave

Les systèmes de communication en bande millimétrique (mmWave) font face à des défis environnementaux spécifiques qui affectent considérablement l'intégrité du signal selon différents scénarios d'utilisation.

Mécanismes D'atténuation Du Signal Induits Par Les Conditions Météorologiques

Les précipitations provoquent une atténuation allant jusqu'à 20 dB/km à des fréquences de 60 GHz, la neige et le brouillard entraînant des effets supplémentaires de diffusion perturbant la cohérence de phase. Ces phénomènes météorologiques affectent de manière disproportionnée les liaisons en bande mmWave par rapport aux systèmes à basse fréquence, en raison de la sensibilité des courtes longueurs d'onde à l'interférence des particules.

Effets de perte liés à la végétation et à la pénétration des bâtiments

Des mesures sur le terrain montrent qu'un seul arbre peut atténuer les signaux mmWave de 35 dB, la végétation dense bloquant 98 % de l'intensité du signal. Des matériaux de construction comme le vitrail présentent une perte de transmission de 40 dB à 28 GHz – trois fois supérieure à celle des micro-ondes – nécessitant une planification stratégique du réseau pour pallier les obstacles structurels.

Défis liés à l'affaiblissement dû à la pluie et à l'absorption atmosphérique

Les pics d'absorption de l'oxygène à 60 GHz entraînent une atténuation atmosphérique de 15 dB/km, l'affaiblissement dû à la pluie tropicale pouvant dépasser 30 dB/km en conditions sévères. Ces effets combinés réduisent les distances pratiques de déploiement, rendant nécessaire le calcul adaptatif des marges d'affaiblissement et l'ajustement dynamique de la puissance.

Modélisation des pertes de propagation dans les communications en bande millimétrique

Modèles de propagation en espace libre contre modèles en environnement urbain

La propagation en ondes millimétriques (mmWave) possède des propriétés uniques selon l'environnement. La perte de propagation en espace libre (FSPL) peut s'exprimer par l'inverse du carré de la distance de transmission, \(\frac{1}{R^2}\). Cependant, en zone urbaine, le canal introduit des interactions plus complexes, entraînant des exposants de perte de propagation compris entre 2,5 et 4,5 (LOS) et entre 4,7 et 9,2 (non-LOS). L'affaiblissement dû aux feuillages à 28 GHz est de 6 à 8 dB/m, tandis que les murs en béton provoquent une atténuation de 40 à 60 dB. La portée urbaine en ondes mmWave, sans formation de faisceau, est limitée à 150–200 mètres à cause de ces obstacles, contre une portée théorique en espace libre de 1 à 2 km. Les antennes adaptatives peuvent partiellement compenser cette perte en dirigeant la puissance vers des trajets présentant un signal viable, mais la portée effective déployée dépend finalement de la densité des obstacles.

Caractéristiques d'atténuation dépendantes de la fréquence

Les pics d'absorption atmosphérique à 24 GHz (dus à la vapeur d'eau) et à 60 GHz (dus à l'oxygène) entraînent une perte supplémentaire de 0,2 à 15 dB/km pour les systèmes en bande mmWave. L'affaiblissement dû à la pluie provoque une atténuation de 2 à 8 dB/km entre 30 et 40 GHz lors de pluies modérées. Il convient de noter que les signaux à 73 GHz subissent des pertes libres-espace 1,8 fois plus élevées par rapport à celles à 24 GHz sur les mêmes distances, ce qui est causé par la dépendance en \(f^2\) dans les équations de FSPL. Cela entraîne un compromis essentiel : bien que les fréquences plus élevées permettent des bandes passantes plus larges (jusqu'à 2 GHz par canal), elles exigent également un déploiement de stations de base 4 fois plus dense que dans la gamme inférieure à 100 GHz. De nos jours, ces limitations sont atténuées grâce à des matériaux avancés, tels que des diélectriques à faibles pertes et des antennes metasurface, qui permettent d'atteindre une efficacité de 90 % pour les liaisons de backhaul 5G aux fréquences de la bande E.

Exigences de visibilité directe pour une communication fiable

Ondes millimétriques les systèmes de communication (mmW) nécessitent un alignement parfait entre les émetteurs et les récepteurs en raison de leur fonctionnement à haute fréquence (24–100 GHz). Alors que les signaux basse fréquence peuvent diffracter autour des obstacles, jusqu'à 60 à 90 % de l'énergie des ondes millimétriques est absorbée par ces derniers (UIT 2023). Une telle contrainte rend la ligne de visée (LOS) sans obstruction essentielle pour atteindre un débit de plusieurs gigabits dans les scénarios 5G/6G.

Effets de blocage dus à l'activité humaine et aux structures

Les environnements urbains présentent trois perturbateurs principaux de la ligne de visée (LOS) :

• Obstacles statiques : Les murs en béton réduisent les signaux mmWave de 40 à 60 dB, tandis que le verre atténue la transmission de 15 à 25 dB
• Obstacles mobiles : Un piéton seul peut provoquer une perte de signal de 20 à 35 dB, le trafic routier entraînant des coupures intermittentes d'une durée de 0,8 à 3,2 secondes
• Dynamisme environnemental : Les changements saisonniers de la végétation modifient l'atténuation due au feuillage de 12 à 18 dB

Ces effets s'accentuent dans les villes denses, où la disponibilité moyenne du LOS chute à 54–72 % sans intervention de formation de faisceau.

Solutions de formation de faisceau pour les scénarios sans LOS

Les antennes réseau à commande de phase permettent une puissance équivalente isotrope rayonnée (EIRP) de 27 dBm pour diriger les faisceaux et contourner les obstacles. Les systèmes modernes atteignent :

• des groupes d'antennes de 1024 éléments pour une précision de 1,2° sur la largeur du faisceau
• Un réalignement des faisceaux en moins de 3 ms grâce à la prédiction du chemin RF pilotée par l'intelligence artificielle
• une fiabilité NLOS (Non-Line-of-Sight) de 78 % par réflexion sur les murs

Une étude de 2024 sur l'infrastructure de communication UAV a démontré comment la formation adaptative de faisceau réduit la probabilité d'interruption en milieu urbain de 63 % par rapport aux antennes à secteurs fixes. Cette approche combine une cartographie lidar en temps réel à un partage dynamique du spectre pour maintenir la qualité de service (QoS) pendant les événements de blocage.

Techniques de modélisation des canaux pour les communications en bande mmWave

mécanismes de propagation spatiale 3D

Des modèles spatiaux 3D à haute résolution sont nécessaires pour que les systèmes de communication en ondes millimétriques (mmWave) puissent comprendre les interactions des signaux avec les éléments urbains, aussi bien dans le plan d'élévation que dans celui d'azimut. Contrairement aux modèles classiques 2D, ils utilisent des techniques de modélisation statistique pour reproduire la probabilité de visibilité directe (LOS), incluant les dimensions des bâtiments et les obstacles variables dans le temps, par exemple avec le modèle étendu de Saleh-Valenzuela. Nous montrons que ces modèles prédisent une variation de la perte par diffraction de 12 à 18 dB selon la géométrie des structures.

Analyse du fading multipath et des réflexions

Les courtes longueurs d'onde des mmWave créent des amas de trajets multiples peu nombreux, les réflexions subissant une atténuation de 6 à 9 dB par rapport aux signaux en dessous de 6 GHz. Des études en intérieur montrent qu'environ 20 à 30 % seulement de l'énergie diffusée contribue à des liens multipath exploitables, ce qui rend nécessaire l'utilisation de modèles statistiques revisés, privilégiant les chemins de réflexion dominants plutôt que la diffusion diffuse.

Paradoxe industriel : compromis entre bande passante élevée et portée limitée

Bien que les bandes mmWave offrent des largeurs de bande de 400 à 800 MHz, leurs pertes de propagation en espace libre à 28 GHz sont 29 dB plus élevées qu'à 3 GHz. Cela oblige les réseaux à déployer des petites cellules tous les 150 à 200 mètres dans les centres urbains, soit 4 fois plus dense que les systèmes basés sur les micro-ondes, afin de maintenir un débit de gigabit.

Étude de cas sur le déploiement urbain réel

Un essai mené dans le métro de Madrid utilisant des fréquences de 26 GHz a atteint une fiabilité de 94 % dans les gares bondées en combinant le beamforming avec une prédiction en temps réel des obstacles. Toutefois, les mouvements des piétons ont provoqué des fluctuations du RSS de 3 à 5 dB, soulignant ainsi la nécessité d'une adaptation des canaux assistée par l'intelligence artificielle dans les espaces publics.

Stratégique Station de base Planification des réseaux de communication

Sélection des sites pour atténuer les interférences

En plaçant de manière optimale les stations de base, le niveau d'interférence est minimisé dans les réseaux en ondes millimétriques dont les signaux s'affaiblissent très rapidement en raison des obstacles. Le déploiement dans un environnement urbain exige une disposition optimale afin de résoudre les problèmes de blocage et de chevauchement des signaux. Grâce à une modélisation complexe de la propagation, les planificateurs de systèmes sont capables d'identifier précisément les zones qui minimisent l'interférence entre canaux et maximisent la densité de couverture. Nous constatons que la sélection des emplacements prenant en compte le relief peut réduire le nombre de zones mortes de 45 % et le diamètre moyen de 24 % par rapport à un espacement uniforme. Les facteurs clés sont la densité des bâtiments, la différence d'altitude, ainsi que la cartographie de l'infrastructure existante afin de permettre la suppression des interférences sans investissement supplémentaire en matériel.

Tendances futures : Architectures hybrides RF-MmWave

Les architectures à double bande intégrant la technologie mmWave avec les bandes sub-6 GHz se révèlent être des solutions réalisables pour les réseaux futurs. Cette architecture hybride combine des systèmes massifs MIMO en bande mmWave pour des centres urbains denses à haut débit et des fréquences RF pour une couverture élargie en zones suburbaines/rurales. Des protocoles de commutation intelligents allouent dynamiquement les utilisateurs sur les bandes en fonction de leur mobilité et de leurs profils de service. Le système réduit la densité de déploiement de 60 % par rapport à un réseau utilisant uniquement la bande mmWave et préserve la qualité de service requise lors des transferts (handover). Cette solution combinée s'avère également prometteuse pour les applications IoT industrielles où la connectivité continue sur différents types de terrain est essentielle.