Komunikasi Gelombang Ruang dan Gelombang Ruang Bebas

Transkripsi

1 TTG3D3 Antena Modul#8 Antena dan Propagasi Komunikasi Gelombang Ruang dan Gelombang Ruang Bebas Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Outline Analisis Lengkungan Lintasan Gelombang Elektromagnetik Gelombang Ruang: Komunikasi LoS (Line of Sight) Geometri Perencanaan LoS Gelombang Ruang Bebas

2 Pendahuluan Komunikasi pada frekuensi di atas 30 MHz umumnya adalah komunikasi gelombang ruang ( Line Of Sight dan Wireless ) dan gelombang ruang bebas ( Space Communication ) 3 khz 300 GHz Radio Communication Radio, microwave, satellite VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 3 khz 30 khz 300 khz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz Surface Tropospheric Ionospheric Space & Line Of Sight Space Nachwan Mufti A 3 Analisis Lengkungan Lintasan Gelombang Elektromagnetik 4

3 Tujuan Analisis Lengkungan Terutama untuk komunikasi jarak jauh Jarak dekat: bumi dianggap datar, gelombang dianggap lurus Berkas gelombang melengkung dipengaruhi indeks bias atmosfir Permukaan bumi melengkung & gelombang juga melengkung Gambar analisis lintasan: Lengkungan gelombang EM ditransformasi menjadi garis lurus Lengkungan bumi (jari-jari = R) ditransformasi lengkungan baru dengan jari-jari = R eff Analisis lintasan GEM dalam Profile Chart 5 Tidak tepat jika dalam perencanaan menggambarkan muka bumi sebagai lengkungan dan lintasan GEM juga sebagai lengkungan di realita... dalam analisis.. Jari bumi = R Transformasi geometrik R eff =kr Pusat bumi 6

4 Lengkungan Gelombang EM Persamaan lengkungan GEM dn dh = ρ ρ = Jari-jari lengkungan lintasan gelombang EM ( dipengaruhi oleh perubahan indeks bias terhadap ketinggian ) Kasus : N = n 0 = 89e ( 0,36h) ) 6 ( 0,36h ) Atmosfer Standar ( ) dn = 0, exp dh untuk h km kecil, didapatkan : dn dh = 39,3.0 = ρ 6 km ρ 5.445km km ( ATM standar, h km kecil ) Nachwan Mufti A 7 Transformasi Jari-Jari Efektif Bumi Lengkung muka bumi ditransformasi menjadi lengkungan baru dengan Jari-Jari Efektif Bumi = kr R eff = kr dimana, R eff = Jari-jari lengkung bumi hasil transformasi k = faktor kelengkungan bumi ( dipengaruhi atmosfer ) dan, k dn + R dh = atau k = R ρ Untuk atmosfer standar, R = 6370 km dan ρ = 5000 km (perhitungan sebelumnya ), didapatkan : 4 4 k = = sehingga R R eff = kr = 6370= 8500km ρ Nachwan Mufti A 8

5 Kasus-Kasus : k = < k < 0 < k < k < 0 Secara praktis : 0,5 < k < 6 (kebanyakan) Nachwan Mufti A 9 Jarak Horison Radio h t d t ( kr ) + d = ( kr+ ) t h t Didapatkan, untuk h t << R dt = k Rh t Sesuaikan satuannya! kr kr Jika dt dalam mil dan ht dalam feet, d = t( mi) 3 k ht Jika jarak horison Rx = d r, maka : d = d + d = k R [ h + h ] tot t ( ft) Contoh : ATM standar (R=6370, k = 4/3) didapatkan, [ ht ( meter) hr( meter) ]( ) d tot 4, + km = Rumus praktis! r t r Untuk h t = 00 m dan h r =,5 meter d tot = 46, km 0

6 Nomogram Horison Radio Nachwan Mufti A Profile Chart Profile chart digunakan dalam perencanaan untuk mengetahui apakah titik di atas permukaan bumi terletak pada garis pandang radio dan obstacle di sepanjang lintasan 900 m 800 m 700 m 600 m 500 m 400 m 300 m h t 00 m 00 m y B x B Jari-Jari Fresnell obstacl e d d Nachwan Mufti A K = 4/ h r Untuk menggambar garis lengkung : y B x = RR B eff Tapi yang lebih cocok dipakai ( sesuai skala ) y = c B x B Dengan c (konstanta) : c ~ k Sesuai kebutuhan!

7 Klasifikasi Komunikasi > 30 MHz Komunikasi di atas 30 MHz Gelombang Ruang Asumsi : Terdapat gelombang langsung dan gelombang pantul Komunikasi Line Of Sight Rugi lintasan umumnya dianggap free space Komunikasi Jarak Dekat (mis. Mobile Communication) Rugi lintasan orde β Plane Earth Propagation Model Gelombang Ruang Bebas Asumsi : Hanya terdapat gelombang langsung saja Rugi lintasan free space Nachwan Mufti A Gelombang Ruang: Komunikasi LoS (Line of Sight) 4

8 Digital Radio Microwave Long Haul >5 km (typically km) Exceptionally fine visibility required for LOS survey Antenna heights typically very high e.g m Medium Haul 0-5 km Good visibility required Approx. 0 days/month provide right conditions Short Haul 0-0 km Visibility unlikely to cause problems esp. -5 km DMR 38 (3-7 km) ideal for urban links and dense networks Modul 3 - Line of Sight Planning 5 Pengaruh frekuensi terhadap jangkauan Frequency Band (GHz) Bandwidth (GHz) Max Hop Length Long haul GHz 7 GHz ~ 80 km ~ 50 km Medium haul 3 GHz 5 GHz ~ 40 km ~ 35 km Short haul 8 GHz 3 GHz 6 GHz 38 GHz ~ 0 km ~ 8 km ~ 5 km ~ 0 km Modul 3 - Line of Sight Planning 6

9 Overview Komunikasi LoS Modulasi: analog (FM) ataupun modulasi digital pelajari ambang daya terima (P th ) Pathloss: Rumus transmisi Friis + faktor koreksi (jika ada) Komunikasi LoS : Komunikasi point to point yg umumnya digunakan untuk broadband communication, dengan frekuensi pembawa umumnya diatas GHz Informasi: Kanal telepon, Informasi data, telegraph dan telex, Facsimile, Video, Telemetry, dsb Jarak (d) : 0 00 km 7 Pengaruh penghalang (obstacle) Gelombang dianggap melewati celah lingkaran berjari-jari tertentu dianalisis dgn Teori Difraksi Fressnell Kirchoff Sinyal terima adalah hasil superposisi gelombang langsung dan gelombang pantul 8

10 Analisis Teori Difraksi Fresnell - Kirchoff Teori difraksi Fresnell-Kirchoff : untuk menjelaskan difraksi gelombang (cahaya) yang melalui suatu celah Berdasarkan prinsip Huygens tiap titik yang dilalui gelombang dapat dianggap sebagai sumber titik gelombang, sehingga gelombang yang dipancarkan dapat dianggap sebagai superposisi gelombang dari sumber-sumber titik tersebut Agustien Jean Fresnel Tx l R n l n Rx d d d dinding Bidang lingkaran yang dibatasi R Daerah Fresnell I O R R Nachwan Mufti A Bidang lingkaran yang dibatasi R Daerah Fresnell II Dan seterusnya. Analisis Teori Difraksi Fresnell - Kirchoff Tx l R n d d d O l n dinding R R λ ( l + ln ) ( d + d) = n Untuk d >> 0 d, maka : l d Rx Sehingga, Jari-jari Fresnell diperoleh dari konsep perbedaan fasa antara gelombang pantul dan gelombang langsung, E = E + E t t j E = E e φ + R E xo j xo e ( φ +φ ) Karena, Jarak Tx-Rx >> tinggi menara, maka biasa dianggap R EV = R EH =, dan φ R = π ln d λ = n R Nachwan Mufti A 0

11 Analisis Teori Difraksi Fresnell - Kirchoff Jari-jari Fresnell dapat dihitung sbb : l n R n d = l n λ = n d l R R n n λ = n + d λ = n + d d λ = n n λd n d Karena nλ << d, maka : R = nλ n d R n akan berubah kontinyu terhadap perubahan d dan d Untuk kasus yang lebih umum, d d nλdd d Rn = = nλd R n max untuk d = d 4 Nachwan Mufti A Analisis Rumus praktis jari-jari Fresnell I R =7.3 I dd d.f GHz R = jari-jari fresnell ( dalam meter ) d, d, dan d = jarak ( dalam kilometer ) f = frekuensi ( dalam GHz ) R = 7. I dd d.f GHz R jari-jari fresnell ( dalam feet ) d, d, dan d = jarak ( dalam statute-mile ) f frekuensi ( dalam GHz ) Nachwan Mufti A

12 Analisis Arti fisis jari-jari Fresnell Clearance Factor = C R clearance C RI = = first fresnellradius C R I a. Medan yang diterima dari daerah Fresnell ganjil adalah sefasa, demikian juga yang berasal dari daerah Fresnell genap. Tetapi antar keduanya berlawanan fasa b. Jika ada sebuah layar dengan luas tak berhingga, dilubangi sebesar daerah Fresnell I, maka penerimaan kuat medan di penerima adalah kali penerimaan kuat medan tanpa layar c. Jika lubang diperbesar lagi seluas daerah Fresnell II, maka penerimaan kuat medan di penerima adalah = 0 d. Pembesaran lubang dilanjutkan, maka diperoleh penerimaan kurang dari kali.mengecil.sampai kali seperti tanpa layar e. Pada lubang dengan jari-jari = 0,6 jari-jari fresnell I, maka kuat medan penerimaan sama dengan kuat medan penerimaan jika tanpa layar 3 Rugi Lintasan L p Pada lubang dengan jari-jari = 0,6 jari-jari fresnell I, maka kuat medan penerimaan sama dengan kuat medan penerimaan jika tanpa layar Redaman lintasan (pathloss) dianggap seolah adalah redaman ruang bebas (free space loss), jika clearance factor = 0,6 L (db) = 3,5 + 0logf + 0logd fs fs (MHz) L (db) = 9,45 + 0logf + 0logd fs (GHz) L (db) = 36,5 + 0logf + 0logd (MHz) (km) (km) (mi) Jika clearance factor 0,6 Pathloss terkoreksi dari nilai L fs Nachwan Mufti A 4

13 Rugi Lintasan koreksi harga pathloss Pathloss ( db) + = 3,5 + 0log f( MHz) + 0log d( km) f koreksi Sumber : From Free Spa ace ( db ) Nachwan Mufti A Obstruction zone R = 0 Knife Edge Diffraction R = 0.3 R =.0 Smooth Sphere Diffraction Flat Earth R = - Line Of Sight R = Koefisien Refleksi Fresnell zone numbers Interference zone.0.5 Clearance Factor Freeman, Roger L, Radio System Design For Telecommunications (-00 GHz), John Willey & Sons, Step Proses Desain. Perencanaan awal dan pemilihan lokasi menara Meliputi perencanaan modulasi, beberapa syarat sistem komunikasi (digital / analog), besar informasi yang hendak dikirimkan, jenis service ( syarat QoS ), dsb. Perencana juga harus mengetahui apakah komunikasi yang dilakukan adalah independen atau merupakan bagian dari network yang lebih besar. Menggambar profil lintasan Yang diperhatikan : profile bumi sepanjang lintasan, path clearance, refleksi bumi. 3. Analisis lintasan Daya pancar yang diperlukan, metoda-metoda perbaikan 4. Survey lokasi Detail lokasi site (lintang dan bujur), lokasi antena, ketersediaan catu daya, data cuaca lokasi, survei EMI (Electromagnetic Interference), dan berbagai faktor pembatas lokasi lainnya. Detail dari perencanaan komunikasi LOS diberikan dikuliah Perencanaan Radio Terestrial. Kuliah Antena dan Propagasi terutama membahas tentang point dan 3 di atas Nachwan Mufti A 6

14 Review: Power Link Budget EIRP P T L P = 3,45 + 0log f(mhz) + 0 log d(km) L ft G T G R L ft P R Fading Margin dihitung dgn rumus Barnett-Vignant utk reliability yg diinginkan Noise Figure Noise Spectral Density Threshold C N BER Effective Noise Spectral Density Nachwan Mufti A 7 Koordinat Site & Jarak Antar Site Koordinat Site : Dinyatakan dalam garis lintang dan garis bujur, dengan satuan derajat Dibelahan bumi utara garis lintang utara, dibelahan bumi selatan garis lintang selatan Disebelah timur kota Greenwich (Inggris) garis bujur timur, disebelah baratnya garis bujur barat Koordinat suatu site yang tidak pada garis lintang/bujur dalam topografi dihitung dengan mempergunakan interpolasi (perkiraan) Modul 3 - Line of Sight Planning 8

15 Koordinat Site & Jarak antar Site (cont d) Jarak antar Site: Usahakan < 40 km bisa lebih dari 40 km, tetapi pertimbangkan biaya dan tinggi tower (mungkin perlu solusi repeater (aktif / pasif) Dihitung dengan cara : Buat garis lurus antara kedua titik yang telah dipilih pada peta topografi Ukur panjang garis lurus tersebut Kalikan hasil ukur dengan besarnya skala pada peta topografi Modul 3 - Line of Sight Planning 9 Koordinat Site & Jarak antar Site (cont d) A x B A U Z S y B B B Ekuator L B L A Jarak antara titik koordinat dapat juga dicari dari rumus berikut : Z o = tan tan ( LA LB ) sin ( y + x) sin ( y x) Jarak A-B = Z o x, (km) = Z o x 69,05 (mile) = Z o x 60,00 (n.mile) Catatan: posisi koordinat (bujur dan lintang) dapat diketahui dari penerima GPS Modul 3 - Line of Sight Planning 30

16 Koordinat Site & Jarak Antar Site (cont d) Arah Antar Site: Dinyatakan dengan sudut azimut (bearing), satuan derajat. Dihitung dari arah utara diputar searah jarum jam True north True north B A Sudut bearing Sudut bearing Modul 3 - Line of Sight Planning 3 Geometri Perencanaan LoS 3

17 Desain komunikasi LoS dalam Profile Chart K = 4/3 900 m 800 m y B x B 700 m 600 m 500 m Jari-Jari Fresnell h r 400 m 300 m h t 00 m obstacle 00 m d d Digambar, verifikasikan daerah fresnel-nya, dan rekomendasikan ketinggian antena yang diperlukan! Nachwan Mufti A Analisis Koreksi Kelengkungan Bumi d d d = t k R h t = kry = x = kry y x = kr h t =y d = x x Tanda minus (-) karena anggap sbg kurva parabola terbalik y d 34

18 Tinggi koreksi kelengkungan bumi (y x atau h corrected y = x y x = h y ( d ) x y x = kr kr corrected ) y = -x x y = kr h x y y x = h corrected d 35 Tinggi koreksi kelengkungan bumi (y x atau h corrected ( d ) x y x = kr kr ( d ) ( d d ) y x kr kr corrected ) dd y = x = kr h x y y x = h corrected d d Modul# - Pengenalan Silabus dan Kontrak Belajar 36

19 Analisis Path Profile-LOS E 300 D c x h B A B h o C h A d A y o d B y B 50 y A d y x Modul# - Pengenalan Silabus dan Kontrak Belajar 37 Analisis Geometri h p h t p t h d d t = hd d + h d + d h p = Clear Modul# - Pengenalan Silabus dan Kontrak Belajar 38

20 Tugas# Perencanaan LOS Rencanakanlah link transmisi radio LOS antara titik di permukaan bumi dengan data-data sebagai berikut: Frekuensi =,5 GHz K = 4/3 R h M h M hp = 50 m h B = 300 m h B = 50 m hc D = 5 km D = 5 km 39 Pertanyaan:. Hitung hc (tinggi koreksi kelengkungan bumi, diinginkan clearance factor 00%. Jika diinginkan ketinggian h m dan h m SAMA, berapakah ketinggian kedua menara untuk mencapai komunikasi LOS (line of sight), dimana R diharapkan clear (Clearance Factor = 00%) 3. Rekomendasikan diameter antena minimum yang diperlukan di kedua menara, jika : Redaman kabel = 0,5 db/meter, daya pancar 5 Watt, daya threshold receiver = -90 dbm Redaman konektor diabaikan Diinginkan reliability 99,9% yang membutuhkan fading margin 40 db Catatan: efisiensi antena parabola = 50% Modul# - Pengenalan Silabus dan Kontrak Belajar 40

21 Menghitung Fading Margin (FM) rumus Barnett-Vignant Rumus Barnett-Vignant untuk menghitung fading margin microwave link stasioner (LOS terrestrial) Fading Margin 0 db 0 db 30 db 40 db Reliability 90% 99% 99,9% 99,99% Nachwan Mufti A 4 Peranan Antena Gelombang ruang terdiri komponen, yaitu gelombang langsung dan gelombang pantul, yang komposisinya selain tergantung pada koefisien refleksi, juga tergantung pada diagram arah antena ϕ θ θ ϕ ϕ ϕ Pada antena dengan gain besar dan jarak Tx-Rx kecil ϕ besar, sehingga GEM langsung cukup besar dibandingkan GEM pantul (pengaruh gelombang pantul cukup kecil ) Pada jarak yang jauh, ϕ 0 besar, perbandingan gelombang langsung terhadap gelombang pantul mendekati Nachwan Mufti A 4

22 Peranan Antena. Contoh: 4π o G A = 40 db beamwidth : θ = φ =, h A = 00 m ; d = 60 km sudut ϕ tan 0, Sehingga perbandingan antara GEM langsung dan GEM pantul mendekati!! Untuk ϕ <<, dan E tot = E R.e πh th sin λd r jπ Pola pancar dari antena juga menjadi dasar bagi perhitungan interferensi. Diskusikan!! o Nachwan Mufti A 43 Rugi Lintasan Orde β Penerima tidak hanya menerima gelombang langsung dan gelombang pantul, tetapi juga gelombang pantulan dari obyek-obyek yang lain. P Rx = P Tx λ 4πd 0 cosφ 0 + n i= λ 4πd i R ( φ )e i i π j λ ( d d ) dengan : cos φ = PLF masing masing lintasan n = jumlah lintasan pantul R i (φ I) = koefisien refleksi masing-masing pemantul i 0 cosφ i Pengembangan model Friis tersebut diatas sulit diaplikasikan (jumlah lintasan >>), sehingga dibuat model sederhana sbb : d = jarak Tx ke Rx β = orde rugi lintasan Nachwan Mufti A P P Tx Rx β = d

23 Rugi Lintasan Orde β Aplikasi Sistem Komunikasi Bergerak umumnya : < β < 5 tergantung dari tipikal daerah yang ditinjau : urban, suburban, atau rural β disebut pathloss exponent Dengan asumsi bahwa gelombang pantul sangat signifikan ( terdapat gelombang langsung dan satu gelombang pantul ), maka : β = 4 P Tx = P Rx d 4 Nachwan Mufti A Harga β = 4 tersebut di atas sering juga digunakan sebagai model teoritis pada sistem komunikasi bergerak, sering disebut sebagai Plane Earth Propagation Model 45 Gelombang Ruang Bebas 46

24 Overview Gelombang ruang bebas (space wave) atau disebut juga sebagai gelombang langsung (direct wave) dipakai pada komunikasi antara stasiun bumi dengan satelit, atau komunikasi antar satelit itu sendiri. Seperti juga komunikasi Line Of Sight, komunikasi satelit membawa beragam informasi, suara ataupun data. Band Name Frequency L band S band C band X band Ku band K band Ka band - GHz - 4 GHz 4 8 GHz 8 GHz 8 GHz 8 7 GHz 7 40 GHz Jarak Komunikasi Geostasioner sekitar km Nachwan Mufti A 47 Tipikal Kanal Fading sangat kecil karena hampir tidak ada pantulan, kecuali karena hujan dan awan yang menyebabkan resonansi bagi frekuensi tertentu Fading margin tidak perlu Redaman akibat cuaca dan hujan biasanya dipertimbangkan dalam perencanaan Disebut Margin Hujan Karena fading kecil, maka ketelitian 0, db sering diperhitungkan untuk redaman sekitar 00 db, terutama pada 4 GHz dimana deraunya rendah Perbaikan Sistem dan Device Peralatan PA, HPA, dan LNA sangat peka dan mahal Sistem deteksi rumit, TED (Threshold Extension Devices), desain sinyal sangat kritis dalam hal level dan derau Nachwan Mufti A 48

25 3 Tipe Karakteristik Peralatan Komunikasi Ruang Angkasa I. Di planet bumi Derau besar karena temperatur tinggi (man made noise) Daya besar pancar mudah dibuat, frekuensi uplink umumnya lebih besar dari frekuensi downlink Gain antena besar, struktur besar, pengarahan harus teliti sistem kontrol II. Di satelit Derau kecil Daya pembangkit mahal, daya terbatas untuk ukuran kecil Gain antena besar, mahal, masalah stabilisasi, dan pengarahan antena cukup sulit Reliability paling penting III. Antar kendaraan ruang angkasa Sederhana, segala frekuensi dapat dipakai termasuk cahaya Kendala terbesar : pengarahan dan trackin antar kendaraan ruang angkasa Nachwan Mufti A Devices Stasiun bumi Antena di dalam radome untuk hubungan LOS Satelit pemantau cuaca Nachwan Mufti A 50

26 Lampiran: Nomogram pathloss Nachwan Mufti A End Of Modul#8 5