ITU-R P 1814 FRENCH-2007 Prediction methods required for the design of terrestrial free-space optical links《设计地面自由空间光链路所需要的预测方法》.pdf

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1、 Rec. UIT-R P.1814 1 RECOMMANDATION UIT-R P.1814*Mthodes de prvision ncessaires pour la conception de liaisons optiques de Terre en espace libre (Question UIT-R 228/3) (2007) Domaine de comptence La prsente Recommandation contient des mthodes de prvision de la propagation applicables la planificatio

2、n des systmes optiques de Terre en espace libre et des mthodes permettant destimer laffaiblissement par temps clair, de brouillard, de pluie ou de neige. Elle traite galement de la scintillation et des problmes lis la lumire solaire. LAssemble des radiocommunications de lUIT, considrant a) que le sp

3、ectre optique visible et le spectre infrarouge sont disponibles pour les radiocommunications sur Terre; b) quil est ncessaire de disposer de donnes de propagation appropries pour planifier comme il convient les systmes de radiocommunication optiques en espace libre (FSO, free-space optical) fonction

4、nant dans le spectre optique visible et dans le spectre infrarouge; c) quon a labor des mthodes permettant de calculer les paramtres de propagation les plus importants ncessaires la planification des systmes FSO fonctionnant dans le spectre optique visible et dans le spectre infrarouge; d) que ces m

5、thodes ont t testes par rapport aux donnes disponibles et quelles se sont rvles tre dune prcision la fois compatible avec la variabilit naturelle des phnomnes de propagation et suffisante pour la plupart des applications actuelles lors de la planification des systmes fonctionnant dans le spectre opt

6、ique visible et dans le spectre infrarouge, reconnaissant a) que le numro 78 de larticle 12 de la Constitution de lUIT dispose quune des fonctions du Secteur des radiocommunications consiste procder . des tudes sans limitation quant la gamme de frquences et en adoptant des Recommandations ., recomma

7、nde 1 que les mthodes de prvision des paramtres de propagation donnes dans lAnnexe 1 soient adoptes pour la planification des systmes optiques en espace libre dans les intervalles de validit respectivement indiqus dans cette annexe. NOTE 1 On trouvera dans la Recommandation UIT-R P.1817 Donnes de pr

8、opagation ncessaires pour la conception de liaisons optiques de Terre en espace libre, des renseignements supplmentaires sur des mthodes de prvision de la propagation dans le spectre optique visible et dans le spectre infrarouge. *La prsente Recommandation devrait tre porte lattention des Commission

9、s dtudes 1 et 9 des radiocommunications. 2 Rec. UIT-R P.1814 Annexe 1 1 Introduction Lors de la conception de liaisons FSO, il faut tenir compte de plusieurs effets, tels que les pertes dues labsorption atmosphrique, la diffusion et aux turbulences, au microclimat et aux effets localiss, la longueur

10、 de la liaison et un dfaut dalignement. Il faut galement prendre en considration la longueur donde choisie, le dbit de donnes, les questions lies la protection des yeux et les rayonnements solaires ambiants. Lexploitation de systmes FSO doit se faire en visibilit directe (LoS, line-of-sight). Lors d

11、es essais de LoS, tant donn que ces systmes ont recours un largissement du faisceau et un faisceau collimat, le dgagement requis entre le centre du faisceau et un obstacle est en gnral gal au rayon du faisceau, ce qui diffre des systmes radiolectriques qui ncessitent un dgagement de la zone de Fresn

12、el. Le principal inconvnient des systmes FSO est quils sont sensibles aux effets atmosphriques comme laffaiblissement et la scintillation, lesquels rduisent la disponibilit des liaisons. En outre, avec un faisceau troit, lalignement du terminal de communication laser prend encore plus dimportance qu

13、e lorsquil sagit de systmes radiolectriques. Pour concevoir des liaisons FSO, il est essentiel dexaminer le bilan de puissance. La marge de liaison linkM (dB), qui est la puissance disponible au-dessus de la sensibilit du rcepteur, peut tre calcule avec lquation (1): systemionscintillatatmogeorelink

14、AAAASPM = (1) o: Pe(dBm): puissance totale de lmetteur Sr(dBm): sensibilit du rcepteur, qui dpend galement de la largeur de bande (dbit de donnes) Ageo(dB): affaiblissement gomtrique de la liaison d ltalement du faisceau dmission en fonction de la distance Aatmo(dB): affaiblissement atmosphrique d l

15、absorption et la diffusion Ascintillation(dB): affaiblissement d aux turbulences atmosphriques Asystem(dB): toutes les autres pertes lies au systme: dfaut dalignement du faisceau, perte optique dans le rcepteur, perte due au dplacement du faisceau, diminution de la sensibilit due la lumire ambiante

16、(rayonnement solaire), etc. On trouvera dans les paragraphes qui suivent une dfinition et une mthode de calcul de ces paramtres, ainsi que les premiers lments prendre en compte lors de la planification de liaisons FSO. 2 Premiers lments prendre en considration lors de la conception de liaisons FSO L

17、e bon fonctionnement dun systme FSO passe par le choix dun emplacement adapt pour la liaison. Pour fonctionner de manire optimale, une liaison FSO doit tre installe compte tenu des conditions mtorologiques, des obstacles physiques et des types de surface que lon rencontre habituellement le long du t

18、rajet, ainsi que de la manire dont est mont lmetteur-rcepteur. Rec. UIT-R P.1814 3 2.1 Facteurs mtorologiques En fonction des conditions mtorologiques, et en particulier du climat local proximit du trajet choisi pour la liaison, on notera plus ou moins frquemment la prsence de chutes de neige ou de

19、pluie, de bruine, de brume, darosols et de poussire/sable, phnomnes qui entraneront une absorption et une diffusion du signal mis. 2.2 Caractristiques du trajet Il faut bien sr viter les obstacles physiques sur le trajet entre lmetteur et le rcepteur. Il convient de noter qu lge adulte, un arbre peu

20、t grandir de 0,5 1 m par an et que la densit de son feuillage varie au cours de lanne. Dans le cas dune liaison entre btiments, il faudrait tenir compte des arations thermiques, du fait de la prsence de telles arations, le trajet de la liaison pourrait tre travers par des remontes dair chaud, et les

21、 turbulences qui en dcouleraient risqueraient dentraner une importante scintillation au niveau du rcepteur. La topographie et le type de surface au-dessous du trajet en LoS peuvent avoir une incidence notable sur le fonctionnement de la liaison FSO. Les liaisons FSO situes dans des valles fluviales

22、ou dans des zones maritimes seront souvent amenes fonctionner par temps de brouillard. La construction de structures sous la liaison risque de provoquer un surplus dactivit thermique dans lair au-dessus desdites structures, ce qui risque daccrotre la scintillation du signal reu. 2.3 Montage de lmett

23、eur-rcepteur La plupart des systmes FSO ont des faisceaux trs troits; il est donc essentiel daligner correctement lmetteur et le rcepteur, un dfaut dalignement entranant un affaiblissement du signal important. Le support du tlescope doit tre stable et on estime quil est essentiel quil soit mont dire

24、ctement sur un mur pais, ou en haut dune colonne unique, pour fonctionner de faon fiable. Les mouvements provoqus par la dilatation thermique diffrentielle ou par des rafales de vent devraient tre rduits au minimum. 3 Affaiblissement gomtrique Mme par temps clair, le faisceau diverge et le dtecteur

25、reoit donc un signal moins puissant. Laffaiblissement d ltalement du faisceau dmission en fonction de la distance, appel affaiblissement gomtrique, est calcul avec la formule (2): =capturedgeoSSA10log10)dB( (2) o: Scapture: surface de dtection du rcepteur (m2) Sd: superficie du faisceau dmission une

26、 distance d, qui correspond lapproximation suivante: 2)(4= dSdo: : divergence du faisceau (mrad) d: distance entre lmetteur et le rcepteur (km). 4 Rec. UIT-R P.1814 Dans le cas de liaisons courtes, la superficie de la zone de dtection peut tre suprieure celle du faisceau. La valeur de Ageodevrait al

27、ors tre fixe zro, car la totalit de lnergie du faisceau est reue. 4 Affaiblissement atmosphrique linique d labsorption et la diffusion atmoLaffaiblissement atmosphrique linique atmo(dB/km) peut tre reprsent comme la somme de deux termes: excessairclearatmo_+= (3) o: clear_air: affaiblissement liniqu

28、e par temps clair (d la prsence de molcules gazeuses) excess: affaiblissement linique d la prsence occasionnelle de brouillard, de bue, de brume, de bruine, de pluie, de neige, de grle, etc. Latmosphre tant un support de transmission qui volue dans le temps, atmoest un paramtre stochastique. Toutefo

29、is, comme lindique lquation (1), imposer des limites la disponibilit du systme et effets qui en rsultent sont gnralement traits de manire statistique. La marge de liaison Mlinkcorrespond au niveau daffaiblissement que peut tolrer un systme donn une distance donne. 4.1 Affaiblissement linique par tem

30、ps clair clear_airLaffaiblissement par temps clair est principalement d labsorption par des molcules gazeuses. Labsorption atmosphrique des longueurs donde optiques particulires rsulte de linteraction entre des photons et des atomes ou des molcules (N2, O2, H2, H2O, CO2, O2, etc.) qui entrane labsor

31、ption du photon considr et une lvation de la temprature. Le coefficient dabsorption dpend: du type des molcules de gaz; et de leur concentration. Labsorption molculaire est un phnomne li la longueur donde et qui cre des zones de transmission atmosphrique et des rgions dabsorption atmosphrique. Leau,

32、 le dioxyde de carbone, lozone et loxygne sont des molcules importantes prsentes dans latmosphre qui entranent une absorption leve dans le spectre infrarouge. La taille des molcules de gaz tant largement infrieure la longueur donde, laffaiblissement d la diffusion provoqu par les molcules de gaz est

33、 ngligeable. En rgle gnrale, on slectionne des longueurs donde laser de sorte quelles soient situes dans la zone de transmission atmosphrique; ainsi clear_airest ngligeable. Les longueurs donde gnralement utilises pour les systmes FSO sont proches de 690, 780, 850 et 1 550 nm. Toutefois, par rapport

34、 celles situes en zone suburbaine relativement peu pollues, les applications exploites dans des zones urbaines denses fort contenu darosols utiliseront peut-tre une longueur donde diffrente. 4.2 Affaiblissement linique supplmentaire Laffaiblissement supplmentaire est celui caus par la prsence occasi

35、onnelle de particules de brouillard, de bue, de brume, de bruine, de pluie ou de neige. Cette prsence entrane une redistribution angulaire du flux incident, connue sous le nom de diffusion, et provoque une rduction de la propagation du flux dans la direction de dpart. Toutefois, elle nentrane pas de

36、 Rec. UIT-R P.1814 5 perte dnergie analogue labsorption. La dimension physique des sources de diffusion par rapport la longueur de londe laser dmission dtermine le type de diffusion. Le Tableau 1 montre les trois diffrentes catgories de diffusion, selon la taille de la source et la relation approxim

37、ative entre la longueur donde et le coefficient daffaiblissement de la source de diffusion (section transversale quivalente). Il indique en outre le type de source pour chaque catgorie pour les ondes visibles et infrarouges. TABLEAU 1 Catgorie de diffusion en fonction de la taille r de la source de

38、diffusion par rapport la longueur de londe laser dmission et relation approximative entre la longueur donde et le coefficient Q() daffaiblissement de la source de diffusion Diffusion de Rayleigh Diffusion de Mie Diffusion non slective ou gomtrique r 0)(Q Type de source de diffusion Molcules dair Bru

39、me Brume Brouillard Arosol Brouillard Pluie Neige Grle Compte tenu de la relation Q() 4dans le cas de la diffusion de Rayleigh, la part de la diffusion molculaire de lair dans le coefficient daffaiblissement total est ngligeable. Dans le cas de particules bien plus grandes que la longueur donde, la

40、diffusion peut tre dcrite par des paramtres optiques gomtriques qui ne dpendent pas de la longueur de londe laser. Les chutes de pluie, la neige, la grle, les gouttelettes deau des nuages et un brouillard pais provoqueront une diffusion gomtrique de la lumire laser. Dans le cas de particules dont la

41、 taille est comparable la longueur de londe laser, il est possible dappliquer la thorie de la diffusion de Mie, diffusion dont les particules de brouillard et darosol sont les principaux facteurs. Il est possible dadopter une approche analytique selon laquelle les prvisions de calcul de laffaiblisse

42、ment linique reposent sur les sections transversales quivalentes des particules atmosphriques tablies de faon thorique, avec une rpartition de la taille des particules dtermine au pralable. Toutefois, la rpartition de la taille des particules dun arosol ou du brouillard, qui est un paramtre essentie

43、l pour dterminer les proprits physiques et optiques de ces particules, est difficile modliser et mesurer. 4.2.1 Estimation de laffaiblissement linique d au brouillard fog(diffusion de Mie) Etant donn quil nest souvent pas pratique dadopter une approche analytique pour calculer laffaiblissement d la

44、diffusion de Mie, des mthodes empiriques ont t utilises par les oprateurs de systmes FSO. Selon ces mthodes, le coefficient daffaiblissement d la diffusion de Mie est li la visibilit. Dun point de vue technique, la visibilit ou champ visuel est la distance laquelle la lumire ne reprsente plus que 2%

45、 de la puissance de dpart ou, dun point de vue qualitatif, la visibilit est la 6 Rec. UIT-R P.1814 distance laquelle il est possible de distinguer un objet fonc lhorizon. Le paramtre de visibilit est facile mesurer et stocker dans les bases de donnes des stations mtorologiques ou des aroports et sa

46、rpartition permet dvaluer lefficacit de ces systmes de tlcommunication sur le plan gographique local. Toutefois, les donnes recueillies dans les aroports concernant la visibilit ne reflteront pas ncessairement les conditions que lon trouve en milieu urbain ou rural, qui peuvent tre trs diffrentes en

47、 termes de topographie et de proximit de leau. La formule empirique simplifie ci-aprs a t utilise par les oprateurs des systmes FSO libre pour calculer laffaiblissement linique d au brouillard, fog() (dB/km): qfogV=nm55091,3)( (4) o: V: visibilit (km) : longueur donde (nm) q: coefficient qui dpend de la rpartition de la taille des particules de diffusion. Il est dtermin partir de donnes exprimentales et est donn par: q = 1,6 V 50 km = 1,3 6 km 1 m) et