Statistik Respon Kanal Radio Dalam Ruang Pada Frekuensi 2,6 GHz Christophorus Triaji I, Gamantyo Hendrantoro, Puji Handayani Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Elektro Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia. Email :
[email protected] Abstrak Dalam sistem transmisi radio dalam ruang, keberadaan benda-benda dalam ruang sangat mempengaruhi kecepatan transmisi sinyal radio antara pemancar dan penerima. Semakin banyak benda dalam ruangan, maka delay transmisi dan efek lintasan jamak (multipath) juga akan bertambah. Fenomena multipath pada komunikasi radio dalam ruang menyebabkan sinyal informasi yang dikirim dari transmitter (Tx) ke receiver (Rx) akan diterima secara berurutan dengan level daya yang berbeda, serta memiliki delay waktu yang berbeda pula. Dengan mengetahui respon impuls dari setiap sinyal yang datang secara acak pada receiver, maka respon impuls dapat diolah untuk menentukan karakteristik kanal radio dalam ruang tersebut. Pada tugas akhir ini dilakukan pengukuran untuk mendapatkan parameter respon kanal H(ƒ) dalam domain frekuensi menggunakan Network Analyzer pada frekuensi tengah 2,6 GHz. Respon kanal H(ƒ) dalam domain frekuensi akan diubah menjadi domain waktu h(τ) menggunakan metode IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). Dalam domain waktu, akan dilakukan beberapa proses filtering sinyal untuk menentukan respon impuls yang akan diolah. Statistik delay akan ditentukan dengan pengolahan PDP (Power Delay Profile) pada kondisi ruang LOS(Line of Sight) dan N-LOS(Non-Line of Sight). Melalui data Power Delay Profile, maka dapat ditentukan parameter delay didalam ruang yaitu maximum excess delay, mean excess delay dan rmas delay spread. Menggunakan data statistik delay tersebut dapat diketahui karakteristik kanal dan pengaruhnya terhadapi efek multipath. Kata Kunci : Multipath, LOS, N-LOS, Network Analyzer, IFFT, PDP 1.
Pendahuluan
Karakteristik kanal radio dalam ruang sangat diperlukan untuk mendesain sistem transmisi yang baik. Pada kondisi LOS dan N-LOS, keduanya mempunyai karakteristik kanal yang berbeda. Oleh karena perbedaan tersebut, perlu dibuat suatu pemodelan kanal radio dalam ruang. Pemodelan kanal radio didapatkan dari data statistik delay antara pemancar dan penerima. Kualitas transmisi yang bagus mempunyai delay transmisi yang kecil dan efek lintasan jamak yang sedikit [1]. Pada tugas akhir ini pengambilan data dilakukan menggunakan network analyzer dengan dua buah antena sebagai Tx dan Rx. Antena yang digunakan adalah antena biconical dengan frekuensi pengukuran sebesar 2,6 GHz 2.
Teori Penunjang
Untuk menyelesaikan permasalahan yang diangkat pada tugas akhir ini, dibutuhkan teori penunjang antara lain tanggapan impuls, power delay profile (PDP), parameter statistik delay, dan fungsi korelasi.
yang kemudian diolah dengan IFFT (inverse fast fourier transform) untuk mendapatkan respon impulse yang merupakan fungsi transfer kanal dalam domain waktu h(τ). Pada umumnya pengukuran dilakukan pada sistem tetap (fixed), maka respon impulse dimodelkan sebagai Response Impulse Time Invariant. Jadi observasi hanya dilakukan terhadap delay (τ) saja [2]. N
h ( ) a k e j k ( k )
(1)
k 1
2.2. Power Delay Profile (PDP) Faktor utama yang dapat digunakan untuk menentukan statistik delay adalah power delay profile dari tanggapan impuls sinyal hasil pengolahan data pengukuran. PDP (Power Delay Profile) adalah daya terima per satuan waktu dengan excess delay rata-rata dari tanggapan impuls sejumlah sample spatial. Dari persamaan (1) dapat digunakan untuk mencari nilai power delay profile yang secara matematis dapat ditulis : PDP =
| h( ) | 2
ss
(2)
Dengan, ss = jumlah sampel spatial
2.1. Tanggapan Impuls
2.3. Parameter Statistik
Dalam suatu pengukuran biasanya didapat suatu persamaan hasil yang dinamakan dengan fungsi transfer kanal dalam domain frekuensi H(f) ,
Dari power delay profile di atas, bisa didapatkan beberapa parameter delay statistik yang berupa
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
1
maximum excess delay, mean excess delay dan root mean square (RMS) delay spread
Rx(τ) =
h( ) h(t )d
(7)
2.3.1. Maximum excess delay Maximum excess delay adalah rentang waktu antara munculnya impuls pertama sampai impuls terakhir pada power delay profile . Secara rumus matematis dapat dituliskan sebagai berikut : maximum excess delay= τ (max) – τ(1) (3) 2.3.2. Mean excess delay Mean excess delay (τ) adalah momen pertama dari PDP yang dinormalisasi dengan daya sinyal ratarata[3] , secara matematis diberikan rumus seperti di bawah ini :
1 N k P( k ) N k 1 mean excess delay = = 1 N P( k ) N k 1
(4)
2.3.3. Root Mean Square (RMS) delay spread Momen kedua dari mean excess delay disebut sebagai Root Mean Square delay spread (στ) dan dapat dihitung berdasarkan persamaan di bawah ini [3]
2
3.1. Lokasi Pengukuran Pada tugas akhir ini dilakukan pengukuran respon kanal radio didalam ruang (indoor). Lokasi pengukuran dilakukan di laboratorium Antena dan Propagasi B.306 dan B.305 jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Penjelasan tentang kondisi ruang dapat dilihat pada tabel 1 dan gambar 1. Tabel 1. Pembagian Lokasi Pengukuran
dengan τk delay waktu relatif (dalam s) terhadap τ=0 (waktu pertama munculnya PDP), P adalah level daya absolut dan N adalah jumlah titik pengamatan PDP.
= 2
3. Proses Pengukuran Pada tugas akhir ini dilakukan pengukuran menggunakan Network Analyzer untuk mendapatkan data berupa magnitudo dan fasa. Pengukuran dilakukan pada dua kondisi transmisi yaitu LOS dan N-LOS
Nama Ruang
Kode
Dimensi
Kondisi Transmisi Tx-Rx
B.306
A
10,5m 5,8m
LOS dan NLOS
Pengajar
B
8m 3,6m
NLOS
S2
C
4,8m 3m
LOS
B.305
D
7,5m 4,8m
NLOS
(5)
Dengan,
2
=
1 N
N
2 k
P( k )
k 1 N
1 N
P(
(6) k)
k 1
2.4. Fungsi Korelasi Data hasil pengukuran merupakan variabel acak yang sifatnya acak (random) karena pengaruh lintasan jamak. Oleh karena itu, untuk menentukan korelasinya, diperlukan suatu proses acak. Jika respon impuls hasil satu pengukuran diasumsikan mempunyai fungsi matematis seperti persamaan (1), maka korelasi sinyal antar elemen yang berbeda pada path yang sama dapat dinyatakan sebagai fungsi otokorelasinya dan dapat dituliskan dengan persamaan berikut :
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
Gambar 1. Denah lokasi pengukuran Pada penelitian ini menggunakan 3 posisi antena pemancar (Tx) dan 24 posisi antena penerima (Rx). 3.2. Set-up Pengukuran Pada tugas akhir ini pengukuran dilakukan menggunakan network analyzer pada frekuensi tengah 2,6 GHz dan bandwith pengukuran sebesar 200 MHz. Jumlah titik yang digunakan sebanyak
2
201 titik. Set-up pengukuran ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Set-up pengukuran Proses pengukuran ditunjukkan pada diagram alir dibawah ini
Gambar 4. Diagram alir analisa data 4.1. Tanggapan Impuls Dari data hasil pengukuran berupa magnitudo dan fasa, maka akan didapatkan transfer function domain frekuensi H(f) seperti ditunjukkan pada gambar 6.
Gambar 3. Diagram alir proses pengukuran 3.3. Data Pengukuran Data yang diperoleh dari hasil pengukuran adalah fungsi transfer kanal pada domain frekuensi H(f). Data berupa besaran vector dan dapat ditulis seperti persamaan (8) Hch ( f ) = |H( f ) |. ejθ
(8)
dengan, H( f ) adalah magnitudo (dB) dan θ adalah fasa (derajat). 4. Analisa dan Pengolahan Data Pengukuran Pada tugas akhir ini analisa pengolahan data pengukuran mengikuti diagram alur dibawah ini
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
Gambar 6. H(f)
3
Sebelum tanggapan impuls domain frekuensi diubah kedalam domain waktu menggunakan proses IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), maka H(f) harus dikalikan dahulu dengan window menurut persamaan (9). Hestimasi (f) = H ch( ) . W(f)
(9)
Window yang digunakan pada analisa adalah window Blackmnn Harris. Hasil perkalian dengan window ditunjukkan pada gambar 7. 4.2. Proses IFFT Setelah perkalian fungsi transfer H(f) dengan window, maka proses selanjutnya adalah mengubah domain frekuensi menjadi domain waktu menggunakan metode IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). Hasil proses IFFT untuk salah satu sampel pengukuran kondisi LOS ditunjukkan pada gambar 8.
diterima oleh receiver karena kondisi transmisinya LOS (Line of Sight) 4.3. Proses filter sinyal pada kondisi LOS dan N-LOS Proses filter merupakan salah satu metode yang digunakan untuk mendapatkan Power Delay Profile (PDP) dari hasil IFFT. Proses filter memiliki dua tahapan yaitu filter konsistensi dan filter sinyal tetangga [4]. Filter konsistensi sinyal adalah menghilangkan sinyal yang tidak konsisten muncul dalam satu sampel (10 data pengukuran). Satu periode sinyal dibandingkan dengan satu periode sinyal lainnya. Filter sinyal tetangga adalah menghilangkan impuls sinyal yang tidak memiliki tetangga di sebelah kanan dan sebalah kiri sinyal. Sebagai contoh apabila sebuah impuls sinyal berada diantara dua sinyal bernilai nol maka akan dihilangkan. 4.3.1. Filter Kondisi LOS Contoh transmisi yang digunakan adalah transmisi LOS antara antena pemancar (Tx2) dan antena penerima (Rx1). Sebelum proses pergeseran, hasil proses IFFT diubah dalam skala logaritma. Setelah diubah dalam skala logaritma (dB), sinyal di threshold sebesar -30 dB. Batas penentuan threshold adalah lebih besar dari pada level lobe utama window. Proses berikutnya adalah pergeseran amplitudo tertinggi ke posisi t=0. Setelah melakukan proses threshold dan menggeser sinyal pada t=0, proses berikutnya adalah filter konsistensi sinyal untuk kondisi transmisi LOS. Hasil filter konsistensi sinyal ditunjukkan dalam skala linier pada gambar 9.
Gambar 7. Hasil perkalian H(f) dengan window
4.3.2. Filter Kondisi N-LOS Filter konsistensi pada transmisi NLOS menggunakan contoh data pengukuran antara Tx3 dengan Rx19. Pada pengukuran ini, transmisi terhalang oleh dinding tembok. Proses menentukan filter konsistensi sinyal pada transmisi N-LOS, tidak dilakukan proses pergeseran amplitudo tertinggi ke t =0, karena tidak ada sinyal yang langsung diterima oleh receiver. Hasil threshold 30 dB dan filter konsistensi sinyal kondisi N-LOS ditunjukkan pada gambar 10.
Gambar 8. Hasil IFFT Pada gambar 8 menunjukkan bahwa sinyal dengan amplitudo tertinggi adalah sinyal yang pertama kali
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
4
Gambar 9. Hasil filter konsistensi sinyal linier (LOS)
Gambar 12. Hasil filter sinyal tetangga (NLOS) 4.4. Bandwidth dari Korelasi sinyal Tujuan dari proses korelasi sinyal dalam satu sampel adalah mendapatkan bandwidth yang terbesar dimana sinyal lintasan jamak sudah tidak berkorelasi.
Gambar 10. Hasil filter konsistensi sinyal linier (N-LOS) Proses berikutnya, hasil dari filter konsistensi sinyal akan diolah dengan filter tetangga. Hasil filter tetangga ini adalah tanggapan impuls domain waktu yang akan diolah untuk mendapatkan power delay profile (PDP). Hasil filter tetangga untuk kondisi LOS dan N-LOS ditunjukkan pada gambar 11 dan gambar 12.
Gambar 13. Hasil Korelasi sinyal 4.5. Rata-rata Kuadrat Sinyal dan Power Delay Profile (PDP) Rata-rata kuadrat sinyal merupakan proses terakhir dalam menentukan power delay profile (PDP). Prosesnya adalah 10 data yang telah difilter dikuadratkan masing-masing kemudian diambil rata-rata dari semuanya sesuai dengan persamaan (2) . Gambar hasil power delay profile (PDP) ditunjukkan pada gambar 14.
Gambar 11. Hasil filter sinyal tetangga (LOS)
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
5
multipath yang terjadi. Selain itu, besarnya redaman obstacle pada transmisi NLOS juga mempengaruhi banyaknya multipath. Benda atau obstacle yang memiliki redaman tinggi akan mempunyai koefisien pantul yang tinggi sehingga jumlah multipath akan bertambah. 6.
Gambar 14. Power Delay Profile 4.6. Statistik Parameter Delay Untuk mendapatkan desain dan mengembangkan kanal lintasan jamak, maka harus mengetahui parameter-parameter yang mempengaruhinya. Parameter-parameter tersebut antara lain maximum excess delay, mean excess delay, dan RMS delay spread [5]. Data statistik parameter delay pada salah satu ruang yang diteliti ditunjukkan pada tabel dibawah ini. Tabel 2. Parameter delay di Ruang A menggunakan pemancar 1 (Tx1) Rx max Link Ke(nS) (nS) (nS) 1 247,5 140,4 28,57 N-LOS 2 375 187,8 94,8 N-LOS 3 532,5 178,4 100,7 N-LOS 4 185 182 64,2 N-LOS 5 340 200 88,5 N-LOS 6 497,5 85 126 LOS 7 497,5 77 131,5 LOS 8 825 54,9 130,1 LOS 9 497,5 55,5 113,5 LOS 10 662,5 106,2 137,7 LOS Data hasil pada tabel 2 menunjukkan nilai maximum excess delay yang tinggi. Nilai tinggi ini diperoleh dari rentang waktu sinyal terakhir yang diterima di penerima dikurangi waktu sinyal awal. Besarnya maximum excess delay sebanding dengan jarak dari multipath yang terjadi pada transmisi antara pemancar dan penerima [5].
Daftar Pustaka
[1] H. Gamantyo, ”Model Statistik Vektor Kanal Radio Untuk Propagasi Lintasan Jamak Dalam Ruang”, IES Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, 2003. [2] H. Hashemi, ”Impulse Respon Modeling of Indoor Radio Propagation Channels”, IEEE Journal on Selected Areas in Communication, September 1993. [3] H. Hashemi and David Tholl, ”Statistical Modeling and Simulation of the RMS Delay Spread of Indoor Radio Propagation Channels,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 43, no. 1, Feb. 1994 [4] E. Sousa, “Delay Spread Meassurements for the Digital Cellular Channel in Toronto”, IEEE Transaction on Vehicular Technology, November 1994 [5] Siswandari Nur Adi, “Analisa Korelasi Spatial Propagasi Kanal Radio 1,7 GHz Dalam Ruang Menggunakan Antena Array Planar Sintetis”, IES 2003,EEPIS-ITS Surabaya, April 2003. 7.
Biodata Penulis Christophorus Triaji Irwandaru dilahirkan di Malang, Jawa Timur pada tanggal 8 Mei 1986. Setelah lulus dari pendidikan diploma, penulis melanjutkan pendidikan sarjana di Jurusan Teknik Elektro ITS dengan bidang studi telekomunikasi multimedia. Email :
[email protected]
5.
Kesimpulan Ruang yang memiliki dimensi besar akan mempunyai nilai maximum excess delay yang besar pula. Hal ini terjadi karena semakin besar ruangan maka jarak komponen lintasan jamak juga semakin panjang, sehingga delay waktu transmisi antara antena pemancar dan penerima juga semakin tinggi. Jumlah multipath tergantung dari kondisi ruangan. Ruangan yang memiliki banyak benda didalamnya seperti meja,almari, dan peralatan lainnya akan menyebabkan semakin banyaknya
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
6
