BAB III MODEL KANAL WIRELESS

Transkripsi

1 BAB III MODEL KANAL WIRELESS Pemahaman mengenai anal wireless merupaan bagian poo dari pemahaman tentang operasi, desain dan analisis dari setiap sistem wireless secara eseluruhan, seperti pada sistem omuniasi selular, radio paging atau pada sistem satelit mobile. Arsitetur lasi dari sistem omuniasi pada umumnya dapat dilihat pada gambar 3.1. Sumber informasi (suara manusia, amera video, omputer) mengiriman informasi e suatu tujuan (pendengaran manusia, layar monitor, omputer). Data diubah menjadi sinyal yg sesuai untu diiriman oleh pemancar dan pemancar mengirimannya melalui anal. Kanal itu sendiri memodifiasi sinyal yang diiriman. Modifiasi tersebut mungin dapat tida terpredisi oleh penerima, jadi penerima harus didisain untu mengatasi modifiasi tersebut untu mengiriman informasi e tujuan dengan esalahan atau distorsi sesediit mungin. Gambar 3.1. Arsitetur Sistem Komuniasi Pada Umumnya Kanal wireless merupaan fator poo yang mebatasi inerja sistem omuniasi wireless. Jara transmisi antara pemancar dan penerima dapat bervariasi dari LOS (line of sight) hingga tertutup oleh penghalang seperti bangunan, buit dan pepohonan. Tida seperti anal wired yang tetap dan dapat dipredisi, anal radio bersifat random dan tida bisa dianalisis dengan mudah.

2 Bahan ecepatan dari pergeraan pengguna mempengaruhi seberapa cepat level sinyal memudar. Memodelan anal anal radio merupaan bagian yang paling sulit dalam mendesain sistem radio mobile, dan biasanya dilauan dalam bentu statisti yang berdasar atas hasil penguuran Karateristi Kanal Wireless Karateristi anal wireless dapat dielompoan menjadi dua elompo besar, yaitu large-scale fading dan small-scale fading. Fading sendiri memilii arti fenomena terjadinya variasi amplituda dan/atau fasa relatif pada satu atau lebih omponen freuensi sinyal yang diterima. Fading disebaban oleh perubahan arateristi jalur propagasi terhadap watu. Large-scale fading adalah daya sinyal rata-rata sebagai fungsi dari jara antara pengirim dan penerima, sedangan small-scale fading adalah flutuasi sinyal dalam periode watu yang sangat singat di seitar nilai rata-ratanya (large-scale). Gambar 3.. Large-scale dan Small-scale Fading [] Tiga meanisme dasar yang dapat mempengaruhi sinyal propagasi pada sistem omuniasi mobile adalah : Reflection Terdapat sinyal ta langsung datang e penerima setelah mengalami pantulan terhadap obje. Mungin terdapat banya pantulan yang berontribusi terhadap besarnya delay. Diffraction 3

3 Propagasi melewati obje yang cuup besar sehingga seolah-olah menghasilan sumber seunder, seperti punca buit dan sebagainya. Scattering Propagasi melewati obje yang ecil dan/atau asar yang menyebaban banya pantulan untu arah-arah yang berbeda Large-scale Fading Large-scale fading disebaban arena aibat eberadaan obye-obye pemantul serta penghalang pada anal propagasi serta pengaruh ontur bumi, menghasilan perubahan sinyal dalam hal energi, fasa serta delay watu yang bersifat random. Sesuai namanya, large-scale fading memberian representasi rata-rata daya sinyal terima dalam suatu daerah yang luas. Statisti dari largescale fading memberian cara perhitungan untu estimasi path loss sebagai fungsi jara. Estimasi path loss sebagai fungsi dari jara hanya menghasilan nilai ratarata dan hal tersebut tida cuup untu menggambaran sinyal propagasi arena perbedaan ondisi lingungan antara pengirim dan penerima. Untu mendapatan hasil yang aurat, perhitungan path loss harus ditambahan dengan onstanta variasi sinyal yang terdistribusi Lognormal Small-scale Fading Small-scale fading, atau disebut juga dengan multipath fading, dihasilan oleh dua macam meanisme, yaitu time spreading sinyal sebagai aibat dari multipath dan time varying channel yang disebaban oleh pergeraan. Fator-fator fisi yang mempengaruhi small-scale fading adalah : Propagasi multipath Adanya obje pemantul dan scatterer aan menyebaban hilangnya energi sinyal pada amplituda, fasa, dan watu. Ini aan menyebaban penerima menerima banya versi dari sinyal yang diiriman. Kecepatan pengguna Pergeraan relatif antara base station dan pengguna aan menghasilan freuensi modulasi yang aca arena perbedaan 4

4 Doppler shifts pada tiap omponen multipath. Doppler shift aan bernilai positif atau negatif tergantung apaah pengguna bergera mendeat atau menjauh dari base station. Kecepatan obje di seitarnya Jia obje pada anal radio bergera maa aan terjadi perubahan Doppler shift terhadap watu pada setiap sinyal multipath. Efe pergeraan obje tersebut aan menjadi dominan etia obje bergera lebih cepat dibandingan pengguna dan sebalinya. Bandwidth sinyal jia bandwidth sinyal yang ditansmisian lebih besar daripada bandwidth anal multipath, sinyal yang terima aan terdistorsi tetapi euatan sinyal tida aan berurang banya Delay Spread Time spreading sinyal menyebaban sinyal datang dengan delay yang berbeda-beda atau disebut dengan delay spread. Delay spread biasanya digambaran dengan delay profile, dimana sinyal utama dan sinyal delay digambaran dengan beberapa sinyal pulsa dengan delay dan daya yang berbeda-beda. Gambar 3.3. Delay Profile [] Parameter-parameter yang digunaan adalah : Excess delay masimum ( τ m ) Rata-rata excess delay (τ ) 5

5 aτ τ = a = P ( τ ) P τ ( τ ) (3.1) RMS delay spread ( σ τ ) σ τ = τ (3.) - ( τ ) Dimana, τ = a τ a = P ( τ ) P( τ ) τ (3.3) Delay spread menentuan channel coherence bandwidth atau bandwidth anal yang memilii arti uuran statisti jangauan freuensi dimana suatu anal dapat dipertimbangan sebagai respon yang flat (fasa yang linier dan gain yang sama). Nilai dari channel coherence bandwidth dapat diperiraan dengan persamaan. 1 W o =, untu orelasi freuensi 90% (3.4) 50σ τ 1 W o =, untu orelasi freuensi 50% (3.5) 5σ τ Gambar 3.4. Channel Coherence Bandwidth [] Efe-efe yang ditimbulan oleh delay spread adalah : Flat fading Jia anal memilii gain yang onstan dan respon fasa yang linier terhadap bandwidth yang lebih besar daripada bandwidth sinyal transmisi atau nilai masimum excess delay lebih ecil dibandingan 6

6 dengan durasi simbol ( W o > W atau τ m < Ts ). Jenis fading ini mengaibatan berurangnya daya sinyal dan dapat diatasi dengan teni diversitas, error control, dan power control. Frequency selective fading Jia anal memilii gain yang onstan dan respon fasa yang linier terhadap bandwidth yang lebih ecil daripada bandwidth sinyal transmisi atau nilai masimum excess delay lebih besar dibandingan dengan durasi simbol ( W o < W atau τ m > Ts ). Jenis fading ini mengaibatan beurangnya daya sinyal dan inter-symbol interference (ISI) dan dapat diatasi dengan proses eualisasi Doppler Spread Doppler spread adalah uuran perluasan spetral (Spectral Broadening) arena adanya perubahan anal terhadap watu. Perluasan spetral tersebut adalah aibat dari pergeseran freuensi arena adanya pergeraan pengguna atau obje di seitarnya. Pergeseran freuensi dapat dihitung dengan persamaan beriut. f v cosθ v Δf = = c λ Dimana, f = freuensi carrier v = ecepatan pengguna (3.6) θ = sudut edatangan sinyal relatif terhadap arah ecepatan pengguna Pergeseran freuensi masimum terjadi pada saat sudut edatangan sinyal sama dengan 0 dan nilai tersebut dapat bernilai positif dan negatif sehingga nilai masimum perluasan spetral adalah dua ali besar pergeseran freuensi masimum ( f m ). f v f m = (3.7) c Doppler spread menentuan channel coherence time yang memilii arti uuran statisti dari durasi watu dimana impuls respon dari anal masih bisa 7

7 diategorian invariant dan menguantifiasi esamaan respon anal pada watu yang berbeda. Nilai dari channel coherence time dapat diperiraan dengan persamaan beriut. Tc 9 =, untu orelasi watu 50% (3.8) 16π f m = 9, untu pendeatan geometris (3.9) Tc 16π f m Channel coherence time juga dapat dilihat dengan pendeatan spetrum atau Doppler spectrum. Doppler spectrum menunjuan sebaran pergeseran fasa. Beriut ini adalah beberapa Doppler spectrum yang dapat digunaan : Rounded Doppler Spectrum f o f o f o 1 f S ( f ) =, f o = (3.10) 0 f f o > 1 m Model spetrum ini menunjuan sebaran pergeseran Doppler yang terdistribusi di seitar nol. Model ini sesuai untu apliasi fixed. Gambar 3.5. Rounded Doppler Spetrum [10] Classic Jaes Doppler spectrum S ( f ) = π f m 1 1 f f m (3.11) 8

8 Model spetrum ini menujuan sebaran pergeseran Doppler yang lebih terdistribusi di seitar pergeseran freuensi masimum. Model ini sesuai untu apliasi mobile. Gambar 3.6. Classic Jaes Doppler Spectrum Efe yang ditimbulan oleh Doppler spread adalah : Slow fading Kecepatan perubahan respon impuls anal lebih lambat daripada durasi simbol sinyal yang ditransmisian. Hal ini diaibatan arena time coherence channel jauh lebih besar dibandingan dengan periode simbol atau bandwidth Doppler lebih ecil dibandingan bandwidth sinyal ( T s << Tc atau B s >> BD ). Dalam asus ini anal diasumsian statis. Jenis fading ini mengaibatan berurangnya daya sinyal dan dapat diatasi dengan teni diversitas, error control, dan power control. Fast Fading Respon impuls anal berubah dengan cepat dalam satu durasi simbol. Hal ini diaibatan arena coherence time lebih ecil daripada periode simbol sinyal yang ditransmisian atau bandwidth Doppler lebih besar dibandingan bandwidth sinyal ( T s > Tc atau B s < BD ). Jenis fading ini mengaibatan berurangnya daya sinyal, distorsi sinyal dan 9

9 masalah sinronisasi dan dapat diatasi dengan error control dan interleaving Model Fading Pada omuniasi mobile dengan anal multipath, model statisti yang sering digunaan adalah : Fading Rayleigh Pada lingungan NLOS, distribusi Rayleigh sering digunaan untu mengambaran statisti variasi sinyal pada anal flat fading atau pada masing-masing omponen path pada lingungan multipath. Kecepatan variasi sinyal bergantung pada Doppler spread. Amplitudo dari setiap omponen multipath digambaran dalam omponen in-phase dan quadrature. Karena pergeraan yang aca, edua omponen tersebut terdistribusi Gaussian dengan rata-rata nol. Sebagai contoh r = a + j a adalah suatu distribusi omples Gaussian. Amplituda a I, i. Q, i dari omponen multipath i adalah : r = a + a (3.1) i I, i Q, i Amplituda dari variabel distribusi omples Gaussian adalah terdistribusi Rayleigh dengan pdf : p () r r r exp untu r 0 = σ σ (3.13) 0 lainnya Dengan σ adalah standar deviasi. 30

10 Gambar 3.7. PDF Rayleigh [7] Fading Rician Ketia ada satu dominan omponen, seperti omponen sinyal LOS, distribusi variasi sinyal dapat berubah menjadi terdistribusi Rician. Sama seperti pada contoh Rayleigh dengan ditambah omponen LOS dengan rata-rata tida nol. Sinyal yang diterima adalah superposisi dari omponen LOS dan omponen omples Gaussian dari omponen NLOS. Amplituda sinyal yang diterima mempunyai distribusi Rician yang diperoleh melalui persamaan : ( K + 1) r ( K + 1) r K( K + 1) p() r = exp K Ω r 0, K 0, Ω 0 Dimana n Ω I 0 Ω r I adalah fungsi Bessel termodifiasi orde 1, Ω = E[ r ] (3.14), dan K (fator K) adalah rasio daya yang diterima dari omponen LOS terhadap daya dari omponen NLOS. Untu K = 0 ita aan mendapatan distribusi Rayleigh, dan untu fading. K = tida terjadi 3.. Model Kanal Propagasi Karateristi-arateristi anal yang dijelasan sebelumnya dapat diestimasi dengan berbagai cara dan metode. Model anal propagasi adalah model 31

11 estimasi arateristi anal. Model anal propagasi sangat berperan penting dalam perencanaan jaringan wireless, terutama untu penentuan coverage base station dan penentuan persyaratan RF bagi perangat base station maupun perangat subscriber station. Secara umum, model anal propagasi dapat dielompoan menjadi tiga elompo besar, yaitu : Model empiri Model yang diturunan dari hasil penguuran lapangan di loasi-loasi yang dianggap mewaili sampel lingungan wireless. Model Deterministi Model yang diembangan dari teori propagasi gelombang eletromagneti dan digunaan untu perhitungan daya panacar di loasi yang ditinjau. Model stoasti Model yang menyertaan peubah aca sebagai representasi ondisi lingungan yang berubah dari watu e watu dan dari satu loasi e loasi lain. Dari etiga model anal propagasi di atas, model anal propagasi empiri merupaan model yang sangat diminati alangan peneliti maupun industri arena emudahan penggunaan serta toleransi terhadap etidatersediaan informasi terrain. Yang termasu dalam model anal propagasi empiri adalah model ECC- 33, COST Hatta, dan SUI. Dari etiga model tersebut, model anal SUI menyediaan informasi yang terait dengan arateirsti dispersif anal Stanford University Interim Model Model anal seperti yang didesripsian di poin-poin sebelumnya menyediaan dasar untu menspesifiasian anal dengan senario tertentu. Model ini diembangan oleh elompo erja IEEE SUI model merupaan model yang diembangan untu freuensi di bawah 11 GHz. Model 3

12 ini didefinisian untu pita freuensi.5.7 GHz, yani pita freuensi untu MMDS (Multipoint Microwave Distribution System) di Ameria. Berdasaran terrain, model SUI membagi 3 jenis, yaitu : Tipe A : path loss terbesar yaitu perbuitan dengan densitas pepohonan sedang sampai tinggi. Tipe B : path loss pertengahan antara tipe A dan C. Tipe C : path loss terecil yaitu terrain rata dengan pepohonan jarang. Persamaan umum model empiri SUI : d PL = A + 10γ log10 + X f + X h + s d, untu d>d 0 (3.15) 0 Keterangan : - d : jara antara antenna dan CPE dalam meter - d 0 : 100 meter - s : peubah aca yang terdistribusi secara lognormal sebagai representasi shadowing oleh pepohonan atau bangunan, dengan nilai berisar db. 4πd - A = 0log 0 10 (3.16) λ - c γ = a bhb + (3.17) h h b a,b,c b : tinggi antenna base station : onstanta perhitungan pangat path loss yang tergantung jenis terrain Tabel 3.1. Parameter Terrain [11] Model Parameter Terrain A Terrain B Terrain C a b (m -1 ) c (m)

13 - X f : fator oresi untu penggunaan freuensi f ( dalam MHz) di atas GHz. X f f = 6log (3.18) - X h : factor oresi tinggi antenna CPE pada berbagai ondisi terrain dengan h r dalam meter. hr X h = 10.8log10 untu terrain tipe A & B 000 (3.19) hr X h = 10.8log10 untu terrain tipe C 000 (3.0) 3... Perbandingan Model Path Loss SUI dengan Model Lain Gambar beriut menunjuan perbandingan model path loss SUI dan model lainnya seperti COST-31 Hatta dan ECC-33. Gambar 3.8. Perbandingan Model Kanal untu Daerah Rural [6] 34

14 Tabel 3.. Statisti Kesalahan untu Daerah Rural [6] Gambar 3.9. Perbandingan Model Kanal untu Daerah Suburban [6] Tabel 3.3. Statisti Kesalahan untu Daerah Suburban [6] 35

15 Gambar Perbandingan Model Kanal untu Daerah Urban [6] Tabel 3.4. Statisti Kesalahan untu Daerah Urban [6] Dari etiga tabel di atas, dapat terlihat bahwa pada model path loss SUI tida mempredisi sebai ECC-33 dan COST-31. Namun, ECC-33 tida dapat digunaan untu suburban area, sementara COST-31 memerluan perhitungan yang jauh lebih omples. Sehingga untu mendapatan hasil yang masih cuup aurat untu segala tipe topografi dengan perhitungan yang tida terlalu omples, maa SUI adalah model yang tepat Karateristi Kanal Multipath SUI Untu model small-scale fading atau multipath fading, ada 6 jenis parameter SUI yang didesripsian pada tabel-tabel di beriut ini : 36

16 Tabel 3.5. Parameter model SUI [11] Tipe Topografi Kanal SUI C SUI-1, SUI- B SUI-3, SUI-4 A SUI-5, SUI-6 Fator-K : Rendah Doppler Low delay Moderate High delay spread delay spread spread Low SUI-3 SUI-5 High SUI-4 SUI-6 Fator-K: Tinggi Doppler Low delay spread Low SUI-1, High Moderate delay spread High delay spread 37