BAB II KANAL WIRELESS DAN DIVERSITAS.1 Karakteristik Kanal Nirkabel Perambatan sinyal pada kanal yang dipakai dalam komunikasi terjadi di atmosfer dan dekat dengan permukaan tanah, sehingga model perambatan ruang bebas (free space propagation) kurang memenuhi untuk menggambarkan kanal dan memprediksikan kinerja sistem. Dalam sistem komunikasi nirkabel, sinyal merambat melalui pemantulan oleh berbagai objek dalam beragam lintasan sebelum sampai ke penerima (multiple reflective paths). Fenomena ini biasa disebut sebagai multipath fading. Efek dari multipath fading adalah fluktuasi dari amplituda, fasa, dan sudut dari sinyal yang masuk ke penerima. Ada tiga mekanisme dasar yang terjadi pada propagasi sinyal dalam sistem komunikasi bergerak [3], yaitu: 1. Refleksi, terjadi ketika gelombang elektromagnet yang merambat mengenai permukaan yang halus dengan dimensi besar dibandingkan dengan panjang gelombang sinyal.. Difraksi, terjadi ketika lintasan radio terhalang oleh objek padat yang lebih besar daripada panjang gelombang sinyal. Biasa disebut juga dengan shadowing. 3. Hamburan, terjadi ketika gelombang elektromagnet yang merambat mengenai permukaan kasar dengan dimensi lebih besar dibandingkan dengan panjang gelombang sinyal atau mengenai permukaan berdimensi kecil.
.1.1 Fading Fading merupakan karakteristik utama dalam propagasi radio bergerak. Fading dapat didefenisikan sebagai perubahan fase, polarisasi dan level dari suatu sinyal terhadap waktu. Defenisi dasar dari suatu fading adalah yang berkaitan dengan mekanisme propagasi yang melibatkan refraksi, refleksi, difraksi, hamburan dan redaman dari gelombang radio. Kinerja dari suatu sistem komunikasi dapat turun akibat adanya fading. Kanal fading terbagi dua [4], yaitu fading skala besar / large scale fading dan fading skala kecil / small scale fading. Fading skala besar merepresentasikan redaman / path loss karena pergerakan sinyal melalui area yang besar. Besar dari atenuasi oleh fading skala besar akan sebanding dengan jarak antara pengirim dengan penerima. Distribusi dari fading skala besar berbentuk lognormal. Fading skala kecil merupakan perubahan sangat cepat yang terjadi pada amplituda sinyal diterima di sekitar tingkat rata-rata sinyal. Fading skala kecil termanifestasi menjadi dua mekanisme, time spreading of the signal dan time variance of the channel. Distribusi dari small scale fading berbentuk Rayleigh pada umumnya dan Rician jika terdapat komponen Line of Sight (LOS). Manifestasi fading dapat dilihat pada Gambar.1: Gambar.1 Dua Jenis fading
Time spreading of signal menyatakan sinyal yang didapat penerima akan menjadi terduplikasi karena efek banyak jalur lintasan dengan keterlambatan /delay root mean square (rms) dinyatakan dengan τ m. Karena jelas bahwa kanal nirkabel yang praktis memiliki keterbatasan pita frekuensi / bandwidth (BW), maka apabila spektrum sinyal yang dikirimkan lebih kecil daripada BW sinyal, distorsi akan terjadi. Kanal demikian biasa disebut dengan kanal frequency selective dengan lawannya adalah kanal frequency non-selective. Terdapat batasan BW kanal di mana kanal akan memiliki korelasi yang tinggi bila dimasukkan sinyal dengan BW lebih kecil dari padanya, yaitu channel coherence bandwidth ( W 0 ). W 0 berelasi dengan τ m. Tabel.1 menjelaskan korelasi tersebut (T s menunjukkan perioda simbol): Tabel.1 Karakteristik time speading of signal Karakterisasi Frequency Selective Flat fading Domain waktu τ m >> Ts τ m << Ts Domain frekuensi W 0 << W W 0 > >W Perpindahan tempat dari pengguna yang bergerak akan mengubah karakteristik kanal nirkabel secara berkala / time variance of the channel. Variasi kanal ini dinyatakan dengan doppler spread ( f ). Seperti hubungan antara D τ m dengan W 0, terdapat juga hubungan sejenis antara f D dengan channel coherence time ( T 0 ). T 0 adalah waktu dimana kanal dianggap tidak berubah / time invariant. Apabila T 0 lebih kecil dari perioda sinyal ( T s ), kanal dianggap fast fading, tapi bila terjadi sebaliknya kanal dianggap slow fading. Tabel. menjelaskan karakteristik dari time variance of the channel.
Tabel. Karakteristik time variance of the channel Karakterisasi Fast fading Slow fading Domain waktu T0 << Ts T0 >>Ts Domain frekuensi fd >> W fd << W Sebagai kesimpulan, klasifikasi dari kanal fading ada pada Tabel.3: Tabel.3 Klasifikasi Kanal Fading Model Kanal T0 << Ts T0 >>Ts W0 << W W0 > >W Time Frequency selective fading Time selective Frequency nonselective Frequency selective Time nonselective Time Frequency nonselective Masalah lain yang timbul dari kanal nirkabel adalah interferensi. Interferensi ialah gangguan yang muncul pada sinyal yang dikehendaki yang disebabkan oleh sinyal lain. Sinyal lain tersebut bisa berasal dari kanal yang bersebelahan (adjacent channel interference), maupun dari kanal lain yang memiliki frekuensi yang sama (co-channel interference). Sistem Alamouti dirancang untuk memberikan jarak cukup antara dua antena pengirim agar tidak terjadi interferensi..1.. AWGN Salah satu jenis noise yang ada pada sistem komunikasi adalah noise thermal. Noise thermal ini disebabkan oleh pergerakan-pergerakan elektron di dalam
konduktor yang ada pada sistem telekomunikasi, misalnya pada perangkat penerima. Pada bidang frekuensi, noise thermal ini memiliki nilai kepadatan spektrum daya yang sama untuk daerah frekuensi yang lebar, yaitu sebesar N 0 /, seperti yang dapat dilihat pada Gambar.(a) sedangkan fungsi kepadatan probabilitas AWGN ditunjukkan pada Gambar. (b). (a) (b) Gambar. (a) Grafik Kepadatan Spektrum Daya White Noise (b) Fungsi Kepadatan Probabilitas AWGN Karakteristik seperti ini disebut white. Noise yang memiliki karakteristik white disebut white noise, sehingga noise thermal merupakan white noise. Pergerakan elektron penyebab noise thermal bersifat acak, sehingga besarnya noise thermal juga berubah secara acak terhadap waktu. Perubahan secara acak tersebut dapat diperkirakan secara statistik, yaitu mengikut i Distribusi Gaussian, dengan rata-rata nol. Seperti yang terdapat pada Gambar.3, noise ini merusak sinyal dalam bentuk aditif, yaitu ditambahkan ke sinyal utama, sehingga noise thermal pada perangkat penerima ini disebut Additive White Gaussian Noise (AWGN).
Gambar.3 Penambahan Noise ke Sinyal Utama Persamaan Distribusi Gaussian yang mewakili AWGN, yaitu [6]: π σ f ( n) = e (.1) πσ Dimana: mean = 0 dan varians = σ. Varians memiliki nilai: N 0 σ = (.) T b Dimana: N kts = adalah kerapatan spektral daya dari noise dan T b adalah 0 B laju bit. Sehingga: kt B T s σ = ` (.3) b Dimana: k = konstanta Boltzman (1,38.10-3 J/K) Ts = temperatur noise (K) B = bandwith noise (Hz)
.1.3 Kanal Rayleigh Pada sistem komunikasi wireless terdapat gangguan khusus berupa komponen multipath dari sinyal yang dipancarkan. Multipath merupakan jalur propagasi yang berbeda-beda, yang dilalui sinyal antara pengirim dan penerima, yang disebabkan karena pantulan oleh halangan-halangan dan benda-benda yang ada di sepanjang jalur propagasi. Perbedaaan jalur propagasi menimbulkan komponen multipath dari sinyal yang dipancarkan tiba pada penerima melalui jalur propagasi yang berbeda dan pada waktu yang berbeda pula. Perbedaan waktu tiba pada penerima tersebut menyebabkan sinyal yang diterima mengalami interferensi, yang akan menimbulkan fenomena fluktuasi amplitude dan fasa sinyal yang diterima, dan menimbulkan fenomena mendasar yang disebut fading. Fluktuasi amplitudo sinyal yang terjadi adalah acak dan tidak dapat ditentukan sebelumnya, besar dan kapan terjadinya. Namun berdasarkan penelitian, fading tersebut dapat diperkirakan secara statistic, berupa perubahan nilai secara acak dengan distribusi tertentu. Salah satu distribusi tersebut adalah Distribusi Rayleigh. Distribusi Rayleigh merupakan salah satu distribusi yang dapat menjadi model untuk mewakili fading, sehingga fading yang memiliki Distribusi Rayleigh ini disebut Fading Rayleigh. Pada Fading Rayleigh, setiba sinyal yang melalui jalur yang berbeda-beda tersebut, memberikan sejumlah energi yang sama terhadap sinyal gabungan yang ada pada penerima. Sinyal yang dipengaruhi Fading Rayleigh yang sampai pada penerima dapat dipresentasikan dengan persamaan [5]. e ( t) = r( t) [ π ft + θ ( t) ] cos (.4)
Dimana: r(t)= fluktuasi amplitude sinyal e(t) sebagai fungsi waktu = e ( t) θ ( t) = fluktuasi fasa sinyal e(t) sebagai fungsi waktu = e( t) Fluktuasi amplitude gelombang pembawa pada sinyal yang dipengaruhi Fading Rayleigh mengikut i Distribusi Rayleigh, dengan persamaan:.4 : Dimana: r σ r p ( t) = e (.5) σ p(t)= fungsi kepadatan probabilitas munculnya r. r = amplitudo acak. σ = variansi pdf. Fungsi kerapatan probabilitas Distribusi Rayleigh dapat dilihat pada Gambar Gambar.4 Grafik PSD Distribusi Rayleigh
. Diversitas Diversitas adalah teknik yang umum digunakan pada sistem komunikasi bergerak untuk mengatasi fading sinyal. Prinsip dasar dari diversitas adalah sebagai berikut: apabila beberapa replika sinyal yang membawa informasi diterima melalui beberapa kanal dengan kuat sinyal yang tidak sama (sebab terjadi fading yang independed) maka besar kemungkinan setidaknya satu atau lebih kombinasi sinyal yang diterima tersebut tidak akan melemah kurang dari ambang batas level sinyal yang dibutuhkan oleh penerima. Tanpa teknik diversitas, pada kanal propagasi yang terfading kuat, pemancar harus memancarkan level daya yang lebih tinggi untuk menjaga link tetap optimal. Hal ini berarti pemborosan daya. Sebagian besar jaringan komunikasi seluler terbatas oleh interferensi, sehingga teknik mitigasi kanal dengan diversitas dapat mengurangi carrier to interference ratio (C/I), serta meningkatkan factor reuse dan kapasitas sistem. Terdapat dua teknik umum untuk mendapatkan gain atas kanal fading. Pertama dengan mengirimkan sinyal berulang baik pada dimensi waktu maupun ruang. Kedua adalah sinyal dikirimkan sekali, namun memanfaatkan sifat timespreading dari kanal dengan menambahkan korelator (seperti yang dipakai pada rake receiver). Pemanfaatan diversitas membutuhkan desain link komunikasi yang baik. Pada bagian penerima diperlukan teknik combining untuk menggabungkan sinyal diversitas sehingga bit error rate dapat ditekan.
Pada kenyataannya, fading sinyal pada masing-masing cabang diversitas tidak seratus persen independen. Cross-korelasi Envelope (ρ) antara sinyal-sinyal tersebut diukur berdasarkan derajat kebebasannya: E[[ r1 r1 ][ r r ]] ρ = (.6) E r r E r r 1 1 Dimana r dan 1 r mewakili level amplitude dari sinyal ternormalisasi pada dua penerima rn 1 dan rn. Cross korelasi 0,7 antar kedua envelope sudah cukup untuk menghasilkan gain diversitas. Berdasarkan tipe diversitas yang digunakan, kedua kanal diversitas tersebut haruslah memiliki separasi dimensi diversitas yang cukup. Sebagai contoh, pada space diversity untuk memastikan korelasinya kurang dari 0,7 antena haruslah terpisah sejauh coherence distance. Pada diversitas frekuensi, pemisahan frekuensi harus lebih besar dari coherence bandwidth. Pada diversitas waktu, pemisahan kanal time reuse harus lebih besar dari coherence time. Coherence factors tersebut berubah sesuai dengan karakteristik kanal, antara lain angle sprea, delay spread, dan Doppler spread. Teknik diversitas akan bekerja optimal untuk mengatasi link fading, oleh sebab itu apabila link fading yang terjadi tidak signifikan, seperti pada kasus line of sight misalnya, maka diversity combining tidak akan memberikan tambahan gain diversitas yang berarti...1 Diversitas Ruang Sesungguhnya dimensi diversitas ini adalah yang paling umum digunakan untuk radio base station karena mudah untuk diaplikasikan dan tidak membutuhkan
tambahan alokasi spectrum frekuensi. Cara pengaplikasikannya dapat digunakan pada downlink maupun uplink. Gain diversitas didapatkan dengan menempatkan antena (pemancar maupun penerima) dengan jarak tertentu sedemikian sehingga didapatkan de-korelasi yang cukup. Jarak yang dibutuhkan antar antena tersebut bergantung terhadapa derajat multipath angle tersebar. Semakin besar sudut multipathnya maka jarak antena yang kecil sudahlah cukup dan sebaliknya. Berdasarkan pengukuran empiris, terdapat hubungan yang erat antar tinggi antena dengan jarak minimum antar antena. Semakin tinggi antena maka coherence distance yang dibutuhkan juga makin besar. Diversitas bias didapat baik dengan pemisahan antena secara horizontal maupun vertikal (asalkan dapat menghasilkan cross korelasi ρ 0,7 atau lebih. Untuk diversitas ruang pada sisi pemancar, apabila kanal forward tidak diketahui maka diversitas ruang ini perlu di transformasi ke diversitas dalam dimensi yang lain sehingga dapat diolah di penerima. Dalam tugas akhir ini, transformasi yang dimaksud adalah diversitas waktu... Diversitas Waktu Pada kanal komunikasi bergerak, pergerakan pesawat penerima dan adanya hamburan menyebabkan time selective fading pada sinyal sehingga envelope sinyal terdistribusi rayleigh. Fading sinyal yang terpisah sejauh coherence time memiliki korelasi rendah sehingga dapat dimanfaatkan untuk diversitas. Coherence time bergantung terhadap Doppler spread sinyal yang merupakan fungsi dari kecepatan penerima dan frekuensi carier.
Kelemahan dasar diversitas waktu adalah delay yang diperlukan untuk mengumpulkan replika sinyal. Apabila coherence time besar, sebagai contoh bila pesawat penerima bergerak lambat, maka delay yang dibutuhkan menjadi terlalu besar. Untuk kasus ideal dimana sekitar penerima terdapat penghambur maka fungsi autokorelasi untuk sinyal yang diterima x(t) adalah sbb: E [ x( t) x( t + τ )] = J 0 (πτv / λ) (.7) Dimana x(t) adalah symbol yang dikirimkan pada waktu t. J 0 adalah fungsi Bessel orde 0 dan v adalah kecepatan penerima. τ adalah rentang pengiriman antar symbol...3 Diversitas Space-time Coding Pendekatan yang digunakan dalam space-time coding adalah memisahkan data yang telah dikodekan kedalam beberapa deretan dimana deretan ini dimodulasikan dan ditransmisikan secara simultan dari beberapa antena. Sinyal yang diterima adalah superposisi dari beberapa sinyal yang dikirimkan sebelumnya. Decoding kanal dapat digunakan untuk mendapatkan kembali informasi asli. Karena data yang telah dikodekan melalui kanal fading yang berbeda dengan korelasi rendah sebelum sampai ke penerima maka gain diversitas bisa didapatkan.