Comment la distance réduit la portée d’un signal sans fil

Un traceur peut envoyer des mises à jour régulières à travers un champ dégagé, puis les perdre derrière une crête voisine. Cela ne signifie pas que sa portée nominale a soudain changé. Cela signifie que le trajet radio a changé. Pour comprendre la portée utile, il faut considérer à la fois la façon dont un signal se propage et la capacité du récepteur à le décoder encore.

Que se passe-t-il quand la distance double ?

Imaginez une antenne idéale qui rayonne également dans toutes les directions. Sa puissance se répartit sur une sphère de surface 4πr². À deux fois cette distance, la même puissance couvre une surface quatre fois plus grande. Une antenne de réception en capte donc moins.

Cette loi en inverse du carré décrit la propagation en espace libre à fréquence, puissance d’émission et gains d’antenne constants, hors du champ proche des antennes. Les antennes réelles ont des diagrammes de rayonnement directionnels ; la sphère est un modèle utile, et non l’affirmation que toute antenne rayonne également dans toutes les directions. Le modèle de référence est décrit dans la recommandation ITU-R P.525.

Ce sont des valeurs relatives, arrondies par souci de clarté, et non des performances mesurées d’un traceur. Elles n’indiquent pas où la réception s’arrêtera.

Pourquoi un signal plus faible finit par faire manquer des mises à jour

Un récepteur a besoin d’un signal de qualité suffisante pour décoder un message. Sa sensibilité est la puissance reçue minimale spécifiée pour des réglages radio donnés et un taux d’erreur défini. L’écart entre la puissance reçue et ce seuil est la marge de liaison.

Pour un récepteur hypothétique dont le seuil de sensibilité est de −120 dBm, un signal de −100 dBm dispose de 20 dB de marge. Un signal de −118 dBm n’en a que 2 dB. Les deux peuvent fonctionner lors d’un test calme et stable, mais le second n’a guère de réserve pour une perte supplémentaire lorsque le traceur bouge ou qu’un obstacle entre dans le trajet.

C’est pourquoi la portée utile se juge mieux à la régularité de la réception des messages qu’au point le plus éloigné où un seul paquet est arrivé. Les interférences peuvent aussi empêcher le décodage même lorsque la puissance reçue semble suffisante.

Augmenter la puissance d’émission peut aider, mais les gains s’amenuisent. Toutes choses égales par ailleurs, doubler la portée en espace libre exige environ quatre fois plus de puissance émise (6 dB). Sans visibilité directe dégagée, Digi estime le coût d’un doublement de portée à 12 dB ou plus, soit environ 16 fois la puissance. Le gain d’antenne et la sensibilité du récepteur entrent aussi dans le bilan de liaison, comme l’explique le guide de Digi sur la portée et le gain d’antenne.

Pourquoi la portée réelle diffère des estimations en champ libre

Le modèle d’espace libre ne contient ni arbres, ni bâtiments, ni réflexions sur le sol. Une installation réelle peut réunir tout cela :

• Trajets obstrués : les collines, les murs et la végétation dense peuvent affaiblir une liaison, voire l’interrompre complètement.
• Réflexions : les signaux qui rebondissent sur le sol ou sur des surfaces proches peuvent s’additionner ou s’annuler. Un petit déplacement peut modifier la réception.
• Montage de l’antenne : l’orientation, le métal à proximité et le corps qui porte le traceur peuvent modifier l’efficacité avec laquelle son antenne émet et reçoit l’énergie.

Pourquoi le calcul en espace libre surestime la portée

Les caractéristiques de Loko indiquent une puissance d’émission maximale de 22 dBm et une sensibilité de réception de −137 dBm. Cela donne un bilan de liaison d’environ 159 dB avant gains d’antenne. À 868 MHz, l’affaiblissement en espace libre est d’environ 91 dB sur 1 km et de 117 dB sur 20 km. Pris au pied de la lettre, le modèle d’espace libre autoriserait une liaison d’environ 2 400 km.

Ce chiffre n’est pas une estimation de portée. Il montre quelle part du bilan un trajet réel consomme : réflexions sur le sol, relief, végétation, corps qui porte le traceur et courbure de la Terre.

L’horizon radio

Sur de longues distances, la courbure de la Terre s’interpose entre deux antennes basses. Une estimation courante de l’horizon radio, qui tient compte de la légère courbure des ondes radio dans la basse atmosphère, est 4,12 × (√h₁ + √h₂) kilomètres, avec les deux hauteurs d’antenne en mètres. Au-delà, le sol bloque le trajet direct et les pertes augmentent fortement.

Même sur un terrain parfaitement plat et dégagé, un traceur fixé au collier d’un chien et un récepteur tenu à hauteur de poitrine ne peuvent pas se « voir » au-delà d’environ 8 km. Une liaison de 20 km exige qu’une extrémité soit à environ 15 m au-dessus du terrain, par exemple un récepteur sur une crête ou un mât, et en pratique davantage pour garder le trajet dégagé. Une portée nominale élevée décrit un trajet surélevé et dégagé, pas deux appareils au ras du sol.

Dégagement autour du trajet

Voir l’autre antenne aide, mais la radio a aussi besoin d’un dégagement autour du trajet direct. Cette région s’appelle la zone de Fresnel. Elle est la plus large au milieu du trajet : à 868 MHz, son rayon y est d’environ 9 m sur une liaison de 1 km et d’environ 13 m sur une liaison de 2 km. Une règle empirique courante consiste à garder dégagés au moins 60 % de ce rayon, soit environ 8 m à 2 km. Lorsque les deux antennes ne sont qu’à un ou deux mètres au-dessus d’un sol plat, le sol empiète largement sur cette zone ; c’est pourquoi surélever l’une ou l’autre antenne aide souvent davantage qu’augmenter la puissance. Voir l’explication de Digi sur la visibilité optique et la visibilité radio et notre guide sur la visibilité radio.

Une antenne directive peut concentrer la couverture vers un récepteur fixe. Pour un traceur en mouvement, une couverture dans les directions où il se déplace réellement peut être plus utile qu’un faisceau étroit à gain élevé.

Ce que cela signifie pour les traceurs GPS LoRa

LoRa n’échappe pas à l’affaiblissement de propagation. Elle utilise des réglages radio capables de décoder des signaux très faibles. À bande passante fixe, augmenter le facteur d’étalement améliore la sensibilité, mais allonge chaque transmission. On échange ainsi du débit et du temps d’émission contre un meilleur bilan de liaison, comme le décrit la présentation de LoRa et LoRaWAN par Semtech.

Loko prend en charge les facteurs d’étalement SF7 à SF12 avec une bande passante de 125 ou 250 kHz. À bande passante égale, SF12 peut décoder des signaux environ 12,5 dB plus faibles que SF7. En espace libre, cela représente environ quatre fois la portée ; sur un trajet obstrué, où doubler la portée coûte 12 dB ou plus, c’est plutôt le double. Chaque palier de facteur d’étalement double aussi à peu près la durée d’émission d’un paquet.

Ces valeurs supposent un taux de codage de 4/5, un préambule de 8 symboles et un en-tête explicite avec CRC. Le paquet de 20 octets est une taille indicative pour un court message de position.

Les courts messages de coordonnées se prêtent mieux à ce compromis que les gros transferts de données. Un temps d’émission plus long influe aussi sur l’énergie consommée par message et sur l’occupation du canal : le réglage le plus sensible n’est donc pas automatiquement le meilleur choix pour chaque usage. Testez le long de votre itinéraire et utilisez le facteur d’étalement le plus bas qui livre encore les mises à jour de façon fiable à l’intervalle souhaité. La page du traceur GPS LoRa Loko explique chaque paramètre radio.

Une position GPS et une liaison radio sont deux choses distinctes

Le récepteur GPS calcule sa position à partir des signaux diffusés par les satellites. Il n’a pas besoin d’être proche de votre récepteur portatif ; GPS.gov décrit ce positionnement à sens unique. Une liaison de communication distincte vous transmet ensuite ces coordonnées.

Dans un système de suivi LoRa direct comme Loko, la distance et le terrain affectent la liaison entre le traceur et le récepteur. Un traceur peut toujours connaître sa position alors que ses messages ne vous parviennent pas. À l’inverse, une liaison radio fonctionnelle ne garantit pas une position GPS récente sous un ciel masqué.

Si les mises à jour s’arrêtent, vérifiez l’horodatage de la dernière position reçue. Cette position indique où se trouvait le traceur au moment de la mise à jour, pas forcément où il est maintenant.

Comment vérifier et améliorer la portée sur le terrain

1. Commencez par une référence sur un trajet dégagé. Testez les deux appareils à proximité l’un de l’autre dans un espace dégagé, avec leurs antennes et réglages habituels. Vérifiez que des messages de position récents arrivent.
2. Utilisez un montage réaliste. Placez le traceur là où il sera réellement porté. Un test avec les deux antennes tenues en hauteur n’est pas représentatif d’un traceur proche du sol.
3. Changez de position avant de changer de puissance. Essayez un emplacement plus dégagé ou surélevez le récepteur. Comparez les résultats à la même distance.
4. Enregistrez la réception dans la durée. Comptez les mises à jour attendues et reçues à chaque point de test. Notez le terrain, l’orientation de l’antenne, les réglages et toute mesure de signal fournie par l’appareil.
5. Répétez le long de l’itinéraire prévu. Incluez les creux, les virages, la végétation et les autres points délicats probables. Choisissez une zone d’utilisation où les mises à jour arrivent de façon fiable, plutôt que de considérer un seul message reçu à longue distance comme une garantie de couverture.

La distance explique la perte de base. C’est l’ensemble du trajet radio qui détermine si la prochaine mise à jour passe. Pour une installation fiable, accordez à l’emplacement des antennes, au terrain et aux mesures répétées sur le terrain la même attention qu’à la portée annoncée.