BAB II KOMUNIKASI SELULER INDOOR 2.1 Umum Komunikasi jaringan indoor merupakan suatu sistem yang diterapkan dalam gedung untuk mendukung sistem luar gedung (makrosel dan mikrosel outdoor) dalam memenuhi layanan seluler dan wireless. Perencanaan sel dalam gedung (Indoor coverage) meliputi perencanaan area cakupan sesuai dengan komitmen area, kapasitas trafik sesuai kebutuhan dan kualitas sinyal yang memuaskan pelanggan, dan dengan interferensi yang kecil. Pemenuhan akan kebutuhan sinyal dalam gedung sudah merupakan sebuah kebutuhan mendasar. Aplikasi sistem ini sangat populer dikota megapolitan dimana banyak bangunan superblock terintegrasi, gedung tinggi, tunnel dimana kondisi di dalam gedung tersebut sangat sulit menerima sinyal dari tower telekomunikasi bahkan tidak dapat menerima sinyal sama sekali. Prinsip kerja sistem ini secara sederhana adalah memanfaatkan sistem distribusi antena indoor untuk mendistribusikan sinyal dari BTS/Repeater, sehingga semua sisi bangunan dapat terjangkau sinyal dengan baik. Secara sederhana, sebuah sistem Indoor coverage terdiri atas dua bagian yaitu yang pertama adalah sumber sinyal Macrocell BTS, Picocell BTS, Repeater. Dan yang kedua adalah Distributed Antenna System yaitu Passive Distribution Mode, Active Distribution Mode, Optical Fiber Distribution Mode, Leaky Cable Distribution Mode.
Aplikasi In-building coverage sangat variatif dan spesifik mengikuti kebutuhan. Hal ini erat kaitannya dengan kondisi lingkungan dan kebutuhan konsumen disetiap gedung yang unik. Dampak positifnya, berbagai kemajuan telah dicapai dalam rekayasa RF Design, dan perkembangan teknologi perangkat terintegrasi yang mendukung aplikasi multi-sistem, multi-carrier dan multiband[1]. 2.2 Sistem Komunikasi Jaringan Indoor Prosedur dari perencanaan sel antara lain adalah cakupan dan analisa interferensi, perhitungan trafik, perencanaan frekuensi, dan parameter sel. Beberapa hal yang harus diperhatikan di dalam membuat suatu perencanaan sel adalah[1]: 1. Cakupan 2. Kapasitas 3. Kualitas Sistem jaringan selular indoor dapat dikembangkan dengan berbagai alasan kebutuhan. Ketika cakupan yang berasal dari sel (BTS) yang berada di luar gedung lemah atau kulitas rendah, sehingga pengembangan sistem jaringan selular indoor merupakan solusi yang baik. Suatu gedung dengan tingkat trafik komunikasi selular tinggi, seperti gedung konferensi, perkantoran, pusat swalayan dan airport memerlukan sistem jaringan indoor untuk menjaga kelangsungan komunikasi selular. Aplikasi sistem jaringan seluler indoor juga bertujuan untuk melengkapi maupun menggantikan sistem jaringan telepon tetap (fixed) yang jumlahnya belum sebanding dengan pengguna di Indonesia.
Tujuan dari pengembangan sistem jaringan selular indoor hampir sama dengan perencanaan sel biasa atau outdoor yaitu untuk mendapatkan cakupan yang baik dan kapasitas yang sangat memadai sesuai dengan kebutuhan pelanggan dengan tetap mengusahakan tingkat interferensi yang kecil. 2.2.1 Karakteristik Seluler Indoor Sistem dalam gedung sangat berbeda dengan sistem luar gedung, hal yang paling mendasar adalah model perancangan sistem radio dan distribusi antenanya harus disesuaikan dengan karakteristik gedung tempat sel tersebut terpasang. Pada sistem sel dalam gedung dibutuhkan teknik khusus untuk mengatasi kondisi propagasi dalam ruangan. Tidak sama dengan area ruang kosong, sistem dalam gedung mengalami banyak rugi seperti kepadatan material dalam gedung, konstruksi gedung, kepadatan orang dalam gedung, dan terbatasnya celah antar ruangan seperti jendela dan pintu. Beberapa karakteristik sel dalam gedung sebagai berikut[1]: a. Area cakupan sel kecil b. Sinyalnya terbatas sampai pada sisi gedung c. Daya pemancar yang digunakan rendah d. Antena dipasang di dalam gedung e. Ukuran antena kecil 2.2.2 Penetrasi sinyal luar gedung ke dalam gedung Komunikasi mobile dan nirkabel adalah kebutuhan dasar dalam masyarakat modern. Statistik menunjukkan bahwa di banyak negara seluler penetrasi telepon sudah lebih tinggi dari yang tetap. Ponsel mobile digunakan di
mana-mana, tidak hanya di luar ruangan, tetapi juga lebih yaitu dalam ruangan.dalam lingkungan ini, pelanggan menuntut baik cakupan maupun kualitas layanan. Sinyal dari BTS makrosel untuk kondisi tertentu bisa saja sangat kuat, misalnya untuk gedung berlantai tinggi dimana sudut datang dari posisi BTS dan penerima dalam gedung sangat kecil, hal lain yang mempengaruhi adalah loss sinyal dari BTS luar karena dinding luar gedung hanya dari kaca. Maka untuk mempertahankan prioritas cakupan sel dalam gedung, perlu ditetapkan level sinyal dari transmitter dalam gedung lebih tinggi dari level daya pancar transmitter dari BTS luar. Hal ini untuk menghindari agar trafik makrosel tidak digunakan oleh pelanggan dalam gedung dan juga untuk menghindari terjadinya handover dari BTS mikro indoor ke BTS makro atau sebaliknya jika pelanggan masih berada[1]. 2.2.3 Alokasi Frekuensi Alokasi frekuensi jaringan GSM 900 MHz dan 1800 MHz ditunjukkan pada Tabel 2.1[2]. Tabel 2.1 Alokasi Jaringan GSM 900 dan DCS 1800 Mhz Parameter GSM 900 Mhz GSM 1800 Mhz Frekuensi Kerja 8890-960 MHz 1710-1880 MHz Uplink ( dari MS ke BTS 890-915 MHz 1710-1785 MHz Downlink ( dari BTS ke MS ) 935-960 MHz 1805-1880 MHz RF Carier 25 MHz 75 MHz Bandwith setiap kanal 200 KHz 200 KHz Kanal Frekuensi 124 Kanal 374 Kanal Frekuensi Duplex 45 MHz 95 MHz Isi satu Frekuensi Carier 8 timeslot 8 timeslot Kecepatan Pengiriman 13 kbps ( suara ) 13 kbps ( suara ) 9,6 kbps (data ) 9,6 kbps ( data )
Suatu jaringan telekomunkasi yang berbasis GSM (1800 MHz) didalam gedung yaitu mempunyai solusi untuk mendesain/planning jaringan telekomunikasi di dalam gedung, menyediakan sinyal bagi pengguna agar dapat menggunakan suatu alat telekomunikasi (celluler phone) dimana saja berada terutama di dalam gedung yang sulit dijangkau oleh sinyal luar (outdoor). 2.3 Prinsip Kerja Komunikasi Seluler Indoor Sistem seluler jaringan indoor yaitu suatu sistem dengan perangkat pemancar dan penerima (transceiver) yang dipasang di dalam gedung yang bertujuan untuk melayani kebutuhan telekomunikasi dalam gedung tersebut baik kualitas sinyal, cakupan (coverage) maupun kapasitas trafficnya. Sebenarnya sistem ini memiliki prinsip yang sama BTS dengan sel standar, dengan perangkat pemancar dan penerima ( transceiver ), dengan menggunakan frekuensi 890-945 MHz dan menggunakan sel mikro. Basis kapasitas trafik biasanya digunakan untuk[3]: 1. Public Access area (mall, bandara, stadion hotel, rumah sakit dan lain lain) Merupakan tempat-tempat umum yang sering dikunjungi tiap harinya. 2. Business/Offices area (daerah perkantoran, pusat perbisnisan ) Dituntut adanya indoor cell yang memungkinkan tingkat telekomunikasi yang tinggi. Penyaluran sistem komunikasi seluler indoor dapat dibagi dua: 1. Penyaluran sistem antena menggunakan komponen pasif seperti spliter, coupler, dan kabel.
2. Penyaluran sistem antena menggunakan komponen aktif seperti amplifier, repeater. Keuntungan dari komunikasi seluler indoor antara lain: 1. Meningkatkan coverage area dan meningkatkan layanan ke pelanggan 2. Menyediakan konnektivitas wireless ke pelanggan 3. Meningkatkan kualitas suara 4. Merupakan solusi alternatif lain dari jaringan fixed telekomunikasi. 2.4 Propagasi Jaringan Indoor Model propagasi pada umumnya bertujuan untuk memprediksi kekuatan sinyal yang diterima pada jarak tertentu dari pemancar, juga perubahan kekuatan sinyal yang dekat dengan lokasi tertentu. Propagasi sinyal dalam representasi waktu dan jarak dari satu titik ke titik lainnya akan mengalami benturan dan rintangan dengan benda-benda disekitarnya. Akibatnya sinyal yang sampai di penerima tidak hanya dari satu lintasan, melainkan dari banyak lintasan. Hal ini menyebabkan sinyal yang diterima Mobile Station (MS) mengalami penaikan dan penurunan sinyal. Karakteristik propagasi pada jaringan bergerak (seluler) berbeda dibandingkan dengan karakteristik propagasi jaringan tetap. Pada jaringan bergerak fading yang terjadi lebih hebat dan fluktuatif dibandingkan dengan jaringan tetap. Untuk menghitung path loss pada propagasi jaringan seluler telah banyak dilakukan percobaan dan penelitian. Beberapa diantaranya yang sering dipakai adalah[4]:
1. Model Hata 2. Model Walfisch-Ikegami ( COST-231 ) 3. Model Okumura Karakteristik utama dari propagasi indoor yang membedakannya dengan kondisi outdoor adalah multipath yang cenderung lebih banyak, bahkan path yang line of sight bisa jadi tidak ada. Selain itu kondisi lingkungan dapat berubah secara drastis dalam waktu maupun jarak yang singkat. Jarak yang discover cukup sempit, berkisar pada 100 meter atau kurang. Dinding, pintu, furniture, dan manusia dapat menyebabkan redaman yang cukup signifikan. Gambar 2.1 berikut menunjukkan sistem propagasi jaringan indoor[4]. Gambar 2.1 Sistem Propagasi jaringan indoor Kekuatan sinyal di dalam gedung dapat berubah ubah tergantung pada kondisi pintu di dalam bangunan tersebut (terbuka atau tertutup). Letak antena juga berpengaruh pada large scale path loss. Antena yang diletakkan di ketinggian setingkat meja di dalam kantor yang disekat sekat akan menerima sinyal yang berbeda bila dibandingkan dengan antena yang ditempatkan di langitlangit. Model propagasi ruang bebas (Free Space Loss) digunakan untuk memprediksi kekuatan sinyal yang diterima ketika pemancar dan penerima
memiliki LOS (line of sight) atau memiliki jalur lintasan yang segaris pandang. Daya di ruang bebas yang diterima oleh sebuah antena penerima dengan jarak tertentu dari antena pemancar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.1 berikut[4]: P r (d) = (2.1) Dengan : P t P r (d) G r G t d L = Daya yang ditransmisikan oleh pemancar = Daya yang diterima dalam watt = Penguatan antena pemancar = Penguatan antena penerima = Jarak pemancar dan penerima (meter) = Faktor rugi atau redaman Lingkungan indoor sangat dipengaruhi oleh multipath, dalam kaitannya dengan beberapa mekanisme propagasi ( Reflection, Diffraction dan Scattering), yang tergantung pada posisi dinding bangunan, bahan-bahan bangunan, ukuran dan bentuk bangunan. Path loss atau pelemahan sinyal RF terjadi apabila jarak antara pemancar dan penerima semakin jauh, serta adanya rintangan antar pemancar dan penerima. Jumlah attenuasi bervariasi tergantung dari halangan jenis material dan kepadatan gedung. Untuk menghitung cakupan bukan LOS (line of sight) dengan teliti sangat sulit dilakukan, karena meliputi banyak penghalang dan variabel yang mengakibatkan pantulan. Penurunan sinyal yang terdapat pada material dinding sehingga mengurangi kekuatan sinyal dari antena. Dinding gedung juga mempunyai rugi-rugi (loss), bahan dasar dinding seperti Gypsum, Beam, wooden, glass, concrete atau tembok bata sekalipun mempunyai
nilai loss yang berbeda. Pelemahan sinyal karena terhalang oleh suatu material ditunjukkan pada Tabel 2.2. Diharapkan dengan tabel tersebut, dapat memprediksi daya terima yang dipancarkan oleh antena setelah melewati material di dalam gedung. Tabel 2.2 Nilai Material Konstruksi Umum Pada Pelemahan 1800 MHz[7] Material Redaman ( dbm ) Kayu / Wood 2,5 Beton / Concrete 8,0 Σ ( redaman material ) 10,5 2.4.1 Karakteristik Propagasi Sinyal Mekanisme yang terjadi dibalik propagasi gelombang elektromagnetik secara umum terdapat 3 jenis yaitu pemantulan (reflection), pembelokan (difraction), dan penghamburan (scattering). Mekanisme propagasi tersebut dapat mengakibatkan pelemahan gelombang (attenuasi) atau pelenyapan sinyal secara gradual (fading) yang bersifat merusak sinyal dan telah menjadi permasalahan umum pada suatu kanal propagasi[7]. 1. Pemantulan sinyal (reflection) Sinyal radio bisa memantul bila menemui cermin/kaca. Biasanya banyak terjadi pada ruangan kantor yang di sekat. Pemantulan tergantung dari frekuensi sinyalnya. Ada beberapa frekuensi yang tidak terpengaruh sebanyak frekuensi yang lainnya. Dan salah satu efek dari pemantulan sinyal ini adalah terjadi multipath. sinyal datang dari 2 arah yang berbeda. Karakteristiknya adalah penerima kemungkinan menerima sinyal yang sama beberapa kali dari arah yang berbeda. Ini tergantung dari panjang gelombang dan posisi penerima.
2. Pemecahan sinyal (scattering) Pemecahan sinyal terjadi saat sinyal dikirim dalam banyak arah. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa objek yang dapat memantulkan sinyal dan ujung yang lancip, seperti partikel debu di air dan udara. Ilustrasinya dalah menyinari lampu ke pecahan kaca. Cahaya akan dipantulkan ke banyak arah dan menyebar. Dalam skala besar adalah bayangkan saat cuaca hujan. Hujan yang besar mempunyai kemampuan memantulkan sinyal.oleh karena itu disaat hujan, sinyal wireless dapat terganggu. 3. Pembelokan Sinyal (Refraction) Refraction adalah perubahan arah, atau pembelokan dari sinyal disaat sinyal melewati sesuatu yang beda massanya. Sebagai contoh sinyal yang melewati segelas air. Sinyal ada yang di pantulkan dan ada yang dibelokkan. 2.4.2 Efek Propagasi Gelombang Radio Adanya pemantulan dari berbagai macam objek menyebabkan gelombang elektromagnetik menempuh jalur (path) yang berbeda-beda panjangnya. Interaksi antar gelombang yang terpisah ini menyebabkan multipath fading (fading yang disebabkan oleh multipath). Suatu kanal yang memiliki karakteristik multipath tersebut disebut multipath channel[7]. 1. Pemudaran (Fading) Fading didefinisikan sebagai perubahan fase, polarisasi, atau level suatu sinyal yang ditransmisikan terhadap waktu. Fading merupakan fenomena yang diakibatkan oleh mekanisme-mekanisme propagasi yang ada.
Jarak yang ditempuh gelombang dan mekanisme perambatan yang telah dialami gelombang menyebabkan gelombang yang datang memiliki amplitude dan fase yang berbeda satu sama lain. Kondisi lingkungan yang selalu berubah dari waktu ke waktu juga mengakibatkan amplitude dan fase gelombang radio yang diterima berubah-ubah (bervariasi) dari waktu ke waktu. Keadaan ini dikenal dengan istilah pemudaran (fading). Secara umum, fading terbagi atas dua jenis short term fading dan long term fading. Short term fading terjadi pada periode waktu dan jarak yang pendek dan disebabkan oleh pantulan multipath suatu sinyal yang ditransmisikan seperti akibat pemantulan oleh rumah-rumah, gedung-gedung, hutan atau pepohonan. Sedangkan long term fading terjadi pada periode waktu dan jarak yang panjang seperti akibat pada pemantulan oleh gunung atau bukit. 2. Multipath Multipath dapat didefinisikan secara sederhana sebagai fenomena perambatan dari sinyal yang dikirimkan melalui lintasan yang bervariasi. Dengan kata lain, multipath merupakan fenomena diterimanya sinyal-sinyal yang mengalami fading oleh penerima. Karena adanya fenomena ini maka sinyal yang datang dari Tx akan diterima oleh Rx dengan level daya dan waktu kedatangan yang bervariasi dimana sinyal secara LOS (langsung) akan diterima oleh Rx dengan waktu kedatangan yang lebih awal dan level daya yang lebih besar dibandingkan sinyal yang berpropagasi secara NLOS (tidak langsung). Oleh karena itu total sinyal yang diterima oleh Rx merupakan penjumlahan dari masing-masing komponen sinyal yang melalui lintasan dengan berbagai macam mekanisme propagasi. Ini berarti daya yang diterima oleh penerima merupakan jumlahan
(vektor) dari seluruh gelombang radio yang datang tersebut yang memiliki kemungkinan untuk saling menguatkan atau malah melemahkan. 2.5 Konfigurasi Sistem Antena Konfigurasi antena untuk sistem aplikasi indoor dapat dibagi menjadi 4 kategori, yaitu[8]: 1. Antena integrasi, dimana antena tersebut terintegrasi di dalam base station. Area indoor yang dicakup dapat dilakukan pada satu lokasi, seperti tempat atau ruangan yang terbuka dimana memungkinkan untuk menempatkan RBS pada salah satu dinding. Contoh aplikasi ini dapat diterapkan pada arena olahraga dan stasiun kereta. 2. Antena distribusi, dengan menggunakan jaringan coax. Antena distribusi dengan konfigurasi ini merupakan aplikasi yang sering dipergunakan. Hal ini disebabkan adanya beberapa keuntungan, yaitu biaya instalasi yang murah, fleksibilitas di dalam mendesain cakupan, kuat dan telah teruji. 3. Kabel terbuka ( Leaking cable) Kabel terbuka merupakan salah satu alternatif antena distribusi yang digunakan untuk beberapa aplikasi, seperti pada terowongan kereta maupun kenderaan. Kabel terbuka juga dapat digunakan untuk jaringan selular indoor. Dibandingkan dengan antena distribusi (coaxial), maka biaya instalasi dan peralatan kabel terbuka lebih mahal. Terdapat dua loss yang berhubungan dengan kabel terbuka :
a. Longitudinal loss Longitudinal loss hampir sama dengan loss pada penghubung biasa. Kabel terbuka memiliki loss yang sedikit lebih tinggi dibandingkan kabel coaxial normal. b. Coupling loss Coupling loss adalah perbedaan rata rata antara level sinyal di dalam kabel dan power yang diterima oleh antena dipole. 4. Antena distribusi dengan menggunakan jaringan fiber optik Solusi yang berbeda tergantung dari fiber optik yang digunakan pada sistem jaringan indoor. Tujuan utama dari konfigurasi ini adalah untuk mengatasi masalah loss yang terjadi pada kabel penghubung coaxial yang panjang. Terdapat beberapa tipe antena yang biasa digunakan pada aplikasi jaringan selular indoor. Tipe antena yang sering digunakan dalam aplikasi ini adalah: a. Antena omnidirectional Antena jenis ini paling banyak digunakan dalam perencanaan indoor. Antena omni memiliki karakteristik propagasi melingkar 360 0. Gambar 2.2 menunjukkan antenna omnidirectional. Gambar 2.2 Antena Omnidirectional
b. Antena directional Antena directional memiliki karakteristik propagasi sektoral. Antena jenis ini memiliki peningkatan gain pada satu atau beberapa arah, akan tetapi mengalami pengurangan gain pada arah yang lain. Antenna directional pada perencanaan indoor, biasanya digunakan pada bangunan yang memiliki lorong lorong. c. Antena bidirectional Antena jenis ini memiliki karakteristik propagasi yang sama dengan antena directional yaitu sektoral, tetapi antena bidirectional memancar dua arah, sehingga cocok digunakan untuk area yang memanjang dimana antena directional tidak dapat mencapai areanya ( areanya terlalu panjang ). Antena yang digunakan pada sistem indoor ini adalah antena omnidirectional keluaran Kathrein. Berdasarkan jenis antena yang digunakan, sel dapat dibagi menjadi dua yaitu sel omnidireksional dan sel sektoral seperti terlihat pada Gambar 2.3. Sel omnidirectional hanya mampu melayani dengan luasan yang sempit. Pada sel sektoral terdapat tiga arah pancaran, yang masingmasing melingkupi area sebesar 120 0 [1]. (a) Omnidireksional ( b ) sektoral Gambar 2.3 Sel Sektoral Pancaran Antena Omnidireksional
2.6 Loss Loss jaringan seluler indoor dapat dilihat dari spesifikasi material yang digunakan. Loss ini berpengaruh terhadap sinyal output antena dan besarnya throughput data yang diterima oleh user di dalam gedung dengan menggunakan antena microcell dimana antena mempunyai nilai EIRP dan semuanya tergantung dari material yang digunakan. Untuk mendapatkan hasil perhitungan Link Budget diperlukan adanya beberapa komponen Loss yang terdapat pada jaringan GSM indoor yaitu[6] : 1. Panjang Kabel Feeder ( coaxial Cable ) dan 2. Jumper loss yang dibutuhkan. Setiap kabel baik dari segi jenis dan juga merk mempunyai rugi-rugi (loss) yang berbeda-beda. Semakin besar diameter kabel yang dipakai, maka rugi-rugi (loss) yang didapat semakin kecil dan secara tidak langsung akan mempengaruhi daya yang dipancarkan oleh antena. Kabel yang digunakan pada perencanaan cakupan indoor adalah kabel koaksial, ½ dan 7/8. Jumper berfungsi untuk menghubungkan antara feeder / kabel dengan antena. Pada ujung-ujung kabel jumper yang elastis terdapat sebuah konektor. Untuk Besarnya nilai redaman pada masing-masing kabel dapat dilihat pada Tabel 2.3[6]. Tabel 2.3 Redaman Pada Cabel Coaxial dan Jumper Tipe Kabel Panjang Kabel Nilai Loss Total Loss ½ 50 m 7,12 db/m 7,0225 db 7/8 50 m 4,72 db/m 10,593 db Jumper ½ 1 m 1 db/m 1 db Σ ( Feeder dan Jumper Loss ) 18,6155 db