Un viewshed pour la radio : LOS vs RF

Waveshed a deux modes, qui répondent à deux questions réellement distinctes. La LOS (ligne de visée) est un viewshed : elle indique ce qui est visible depuis un point. La RF, elle, montre jusqu’où le signal d’un émetteur parvient vraiment, et avec quelle intensité. Sur la carte, les deux peuvent se ressembler. Ce sont pourtant deux choses différentes, et bien choisir change la réponse.

Le même sommet, deux questions

Voici un émetteur sur le Mount Rigi, lancé deux fois, tous les autres réglages inchangés : un mât de 30 m, un récepteur de 2 m, 30 km de portée, cercle complet. La seule chose qui change d’une carte à l’autre, c’est la question posée.

Deux choses sautent aux yeux. La carte RF est graduée là où la carte LOS est binaire, et elle couvre plus de terrain, avec des bords plus doux. Ce n’est pas du bruit. La radio diffracte par-dessus et autour des crêtes : elle s’infiltre donc dans un terrain que la ligne de visée stricte ne touche jamais, et elle s’atténue avec la distance au lieu de s’arrêter net. Le reste de cet article explique pourquoi, et quelle carte vous voulez vraiment.

LOS : géométrie pure

Un viewshed est de la géométrie et rien d’autre. Depuis votre observateur, y a-t-il une ligne de visée droite et dégagée vers chaque point, compte tenu du terrain et de la courbure de la Terre ? Si oui, ce point est dans votre viewshed. Trois choses découlent de cette simplicité :

• Il est rapide, car c’est un test géométrique par point.
• Il est indépendant de la fréquence. Peu importe à un viewshed que vous soyez à 100 MHz ou à 10 GHz : il s’agit de vue, pas de signal.
• Il ne demande ni puissance ni fréquence. « Que puis-je voir depuis ce sommet ? » est une question complète en soi.

Cela fait de la LOS le bon outil pour les points de vue, les liaisons optiques et laser, le pointage des paraboles micro-ondes, et une vérification rapide « ces deux endroits se voient-ils ». C’est aussi la réponse honnête pour les randonneurs, géomètres et photographes, qui posent une question de visibilité, pas une question radio.

RF : physique du terrain, en dBm

Le mode RF estime l’affaiblissement de parcours pour prédire la force du signal reçu, et le modèle retenu est ITM, l’Irregular Terrain Model, mieux connu sous le nom de Longley-Rice. ITM est depuis des décennies la norme pour la couverture limitée par le terrain. Au lieu d’un oui ou non, il tient compte de la diffraction par-dessus et autour du terrain et renvoie un nombre, un niveau de signal prédit en dBm, pour chaque point de la grille. C’est exactement pourquoi la carte RF ci-dessus est graduée, et pourquoi elle montre de la couverture à des endroits qui ne sont pas en ligne de visée optique stricte.

Pour le lancer, vous fournissez deux choses dont un viewshed n’a jamais besoin : une fréquence et une puissance d’émission. Vous réglez aussi les hauteurs d’antenne et un niveau de signal minimal exploitable, le seuil qui décide où la carte devient sombre (les zones noires de la carte du Rigi sont en dessous). Une estimation plus simple, fondée uniquement sur la distance et la fréquence, le Free Space Path Loss, arrive comme deuxième modèle RF. Pour un pas à pas des réglages, voir Planifier la couverture radio.

La fréquence change le tableau

La fréquence est le seul réglage RF sans équivalent dans un viewshed, et elle déplace beaucoup la réponse. Deux effets dominent. Premièrement, l’affaiblissement de parcours augmente avec la fréquence : même à l’air libre, une bande plus haute perd plus d’énergie sur la même distance, donc à puissance et terrain égaux, elle ne porte tout simplement pas aussi loin (l’affaiblissement en espace libre grimpe d’environ 6 dB chaque fois que vous doublez la fréquence). Deuxièmement, les fréquences plus hautes diffractent moins. Les basses fréquences se courbent par-dessus et autour des crêtes et comblent les ombres. Les hautes fréquences, elles, se comportent davantage comme la lumière : elles projettent des ombres plus dures et plus nettes, et leur zone de Fresnel est plus petite, ce qui leur impose un parcours plus dégagé.

Ainsi le même émetteur dessine une carte très différente selon la bande. Voici le Mount Rigi à nouveau, les mêmes 100 W et les mêmes hauteurs et portée, à 121 MHz (VHF) et à 9 GHz (micro-ondes) :

À 9 GHz, le signal porte à peu près jusqu’à la ligne de visée et guère plus loin. C’est précisément pour cela que les liaisons micro-ondes point à point exigent un parcours dégagé, et que la VHF et l’UHF restent les valeurs sûres de la couverture limitée par le terrain, comme pour les relais et les portatifs. Lancez la bande qu’utilise réellement votre système, car elle change la carte.

L’horizon n’est pas où vous le croyez

La lumière et la radio ne partagent pas d’horizon. L’atmosphère réfracte la radio légèrement vers le bas, donc son horizon effectif se situe un peu au-delà de l’horizon optique. La façon habituelle de modéliser cela est le rayon terrestre effectif 4/3. Dans l’outil de profil altimétrique vous pouvez voir les deux à la fois : le rayon optique sur la Terre réelle, et le rayon radio sur la Terre 4/3 qui porte un peu plus loin.

Il y a une deuxième chose dont la radio se soucie et la vue non : la zone de Fresnel. Une liaison radio veut plus qu’une simple ligne de visée : elle veut du dégagement autour de cette ligne. La règle empirique est de garder la première zone de Fresnel dégagée à au moins 60 pour cent (le premier rayon de Fresnel vaut F1 = 547,7 × √(d1·d2 / (f·D)), avec les distances en km et la fréquence en MHz). L’outil de profil représente en grisé cette enveloppe de Fresnel à 0,6 ; il signale ainsi un obstacle qu’une simple vérification LOS laisserait passer.

Alors lequel utiliser ?

La version courte : la LOS répond à la visibilité, la RF répond à la couverture. Si une fréquence compte pour votre question, c’est la RF qu’il vous faut.

Ce qu’aucun des deux modes ne sait

Les deux modes tournent sur des données de terrain globales d’environ 30 m, et tous deux modélisent le sol, pas ce qui s’y trouve. Les arbres isolés, la végétation et la plupart des bâtiments ne sont pas représentés (les emprises de bâtiments peuvent être rasterisées comme des blocs pleins, mais les réflexions et la diffraction autour d’eux ne sont pas modélisées). Les antennes sont traitées comme de simples points sans diagramme de gain. Traitez donc chaque résultat comme une estimation de planification plutôt qu’une garantie, et vérifiez les cas limites sur le terrain. Plus d’informations à ce sujet dans Précision & sources de données.

Essayez-le sur votre propre colline

Placez un point, lancez la LOS, puis passez en RF et regardez le même endroit répondre aux deux questions. C’est gratuit et ça tourne dans le navigateur. Si vous vous demandez d’où vient le nom, c’est une histoire en soi dans pourquoi nous l’avons appelé Waveshed.