L’affaiblissement en espace libre
Une onde radio s’étale en se propageant : la puissance qui atteint l’antenne de réception diminue avec la distance. En espace libre, avec une visibilité directe, l’affaiblissement entre deux antennes isotropes vaut :
FSPL (dB) = 20 log10(d) + 20 log10(f) + 32,45
avec d en kilomètres et f en mégahertz. Doubler la distance ou la fréquence ajoute 6 dB de perte.
Le bilan de liaison
Le niveau reçu vaut la puissance d’émission plus les gains, moins les pertes :
Niveau reçu (dBm) = puissance d’émission + gain antenne émission + gain antenne réception − pertes câbles − FSPL
La marge de liaison est le niveau reçu moins la sensibilité du récepteur. Elle doit couvrir les évanouissements dus à la pluie, au feuillage, aux trajets multiples et aux obstacles. On vise en général 10 à 20 dB.
Exemple
Une liaison Wi-Fi à 2,4 GHz sur 1 km, émetteur de 20 dBm, antennes de 2 dBi, 1 dB de pertes de câble, sensibilité de −85 dBm :
- FSPL : 20 log(1) + 20 log(2 400) + 32,45 ≈ 100,1 dB ;
- niveau reçu : 20 + 2 + 2 − 1 − 100,1 ≈ −77,1 dBm ;
- marge : environ 7,9 dB, un peu juste pour une liaison fiable.
La zone de Fresnel
Une visibilité optique ne suffit pas. Les ondes radio ont besoin qu’une zone en forme d’ellipsoïde autour du trajet direct, la première zone de Fresnel, soit en grande partie dégagée. Son rayon à mi-parcours vaut :
r (m) ≈ 8,66 × √(d km ÷ f GHz)
Pour 1 km à 2,4 GHz, environ 5,6 m. Gardez au moins 60 % de cette zone libre d’arbres, de bâtiments et de relief, et tenez compte de la rotondité de la Terre sur les longues liaisons.
La réglementation en France
La PIRE (puissance isotrope rayonnée équivalente : puissance d’émission plus gain d’antenne moins pertes) est limitée par l’ARCEP. Dans la bande Wi-Fi 2,4 GHz, la limite est de 100 mW PIRE, soit 20 dBm, à l’intérieur comme à l’extérieur. L’exemple ci-dessus (21 dBm de PIRE) la dépasse d'1 dB : il faudrait baisser la puissance d’émission. Pour gagner de la portée, on monte des antennes à plus fort gain en baissant d’autant la puissance d’émission : la PIRE reste dans la limite, et le gain supplémentaire profite aussi à la réception, qui n’est pas limitée. En 5 GHz, les limites dépendent des sous-bandes (200 mW à 1 W PIRE).
Au-delà de l’espace libre
L’espace libre est le cas idéal. Les liaisons réelles ajoutent :
- murs et planchers : 3 à 15 dB chacun en intérieur ;
- végétation : plusieurs dB par arbre, davantage mouillé ;
- pluie : significative au-dessus de 10 GHz environ ;
- évanouissements par trajets multiples en milieu encombré.