POWER CONTROL BERBASIS JARAK ARAH DOWNLINK SISTEM HIGH ALTITUDE PLATFORM STATION WCDMA Kemas Zakki 13204120
ABSTRAKSI Power control pada sistem seluler berbasis CDMA sangat penting untuk mempertahankan status sebagai sistem multiple access, meningkatkan kapasitas sistem, dan meminimalkan daya pancar. HAPS atau High Altitude Platform Station adalah suatu media komunikasi yang terletak pada pada lapisan stratosfir, sedang berkembang pesat dan telah distandarkan oleh ITU-T sebagai media dalam sistem layanan berbasis 3G-UMTS. HAPS banyak dikembangkan dan dipersiapkan sebagai penerus dari generasi telekomunikasi saat ini karena memiliki kelebihan dibanding sistem teresterial atau satelit. Pada Tugas Akhir ini performansi dari dua skema power control berbasis jarak yang digunakan pada sistem HAPS WCDMA dibahas dan dibandingkan, yang pertama adalah power control skema pangkat-n dari jarak (n-th power of distance) dan yang kedua power control skema optimum. Parameter performansi yang dibandingkan antara lain peningkatan kapasitas sistem karena penerapan power control. Performansi dari kedua skema power control dibandingkan dalam kondisi dimana HAPS tidak mampu mempertahankan kestabilan posisinya di udara karena pengaruh angin dengan berbagai skenario pergerakan yang mungkin terjadi, sehingga HAPS bergerak dan akibatnya menyebabkan degradasi kinerja pada sistem. Hasil menunjukkan kapasitas sistem sangat terpengaruh dengan pergerakan HAPS ini. Keywords: HAPS, WCDMA, power control, outage probability
1.
menuju user dan sebaliknya kanal uplink/reverse link dari user menuju BS. Dua kanal tersebut memiliki perilaku yang berbeda sehingga analisa power control pada kedua kanal tersebut pun berbeda. Sebuah sistem CDMA yang beroperasi tanpa power control akan mengalami beberapa kerugian diantaranya alokasi daya pancar yang seragam untuk user pada semua posisi, sehingga user yang berada lebih dekat akan mendominasi user yang jauh dan mendapatkan kualitas layanan yang jauh lebih baik. Karena konsep kapasitas pada CDMA menyatakan bahwa jumlah user yang mampu dilayani sebuah sistem CDMA dibatasi oleh nilai interferensi, maka kondisi ini akan mereduksi kapasitas secara signifikan. Oleh karena itu power control harus diterapkan pada sistem berbasis CDMA, secara umum harus ada pada semua sistem seluler, untuk memaksimalkan kapasitas dan utamanya untuk mempertahankan status sebagai sistem multiple access yang ditandai dengan kemampuan melayani lebih dari satu user. Ada beberapa skema power control yang dikembangkan dengan berbasis jarak, diantaranya adalah skema power control pangkat-n dari jarak (n-th power of distance) dan power control skema optimum. Skema power control optimum yang merupakan fungsi dari jarak dikembangkan dengan tujuan agar setiap user
PENDAHULUAN
Dalam dunia teknologi telekomunikasi, merupakan impian sebagian besar peneliti untuk mengembangkan jaringan wireless yang mampu memberikan coverage yang luas, memiliki propagation delay yang kecil dan seminimal mungkin terpengaruh fading karena multipath. Teknologi baru yang dikembangkan adalah berbasis aerial yang terletak pada ketinggian 17 kilometer sampai 22 kilometer yang dikenal dengan sebutan high altitude platform station (HAPS) atau stratospheric platforms (SPF). Sistem komunikasi wireless dengan menggunakan (HAPS) diusulkan karena banyaknya keuntungan jika dibandingkan dengan sistem teresterial atau sistem satelit [1]. International Telecommunication Union (ITU) telah menerima HAPS sebagai media dalam servis wireless IMT-2000 next generation. Penggunaan HAPS juga diusulkan untuk sistem CDMA berbasis IMT-2000 dan standar WCDMA lain yang berkembang [2]. Sebagaimana sistem seluler yang lain, khususnya sistem seluler berbasis CDMA, sistem HAPS WCDMA memerlukan adanya skenario power control dalam operasionalnya. Sistem CDMA seperti sistem wireless yang lain menggunakan dua jenis kanal komunikasi, yaitu kanal downlink/forward link dari base station (BS)
1
mendapatkan kualitas layanan yang seragam dimanapun letak user tersebut dalam sel referensi. Karena power control arah downlink ini beroperasi pada lingkungan yang bebas shadowing, maka performansi power control berbasis jarak ini akan menurun dan menjadi tidak optimal pada kondisi kanal shadowing karena daya yang diterima oleh user tidak hanya ditentukan oleh jarak dari base station tetapi juga redaman karena shadowing. Salah satu perbedaan utama dari arsitektur seluler sistem HAPS dan teresterial adalah karakteristik penjagaan posisi dan kestabilan wahana (station-keeping characteristic), dan hal ini telah disadari oleh proyek pengembangan wahana di seluruh dunia. Tetapi pengaruh dari ketidakstabilan wahana ini belum diketahui secara mendalam karena kesulitan dalam menentukan keakuratan spesifikasi pergerakan wahana secara analitik dan simulasi jika dibandingkan dengan kondisi praktis sebenarnya. Pada paper ini kinerja sistem HAPS WCDMA dengan power controlnya dievaluasi jika HAPS bergerak di udara dengan berbagai skenario pergerakan yang mungkin terjadi dalam batas-batas toleransi seperti telah distandarkan. ITU telah menstandarkan batas-batas toleransi pergerakan HAPS dimana wahana hanya boleh bergerak dalam lingkaran dengan jari-jari 400 meter, dan pergerakan vertikal dengan perubahan ketinggian ± 700 meter [3]
2.
3.
GEOMETRI INTERFERENSI DOWNLINK
Apabila ditinjau seorang user yang berada di sel referensi dengan koordinat (r ,θ ) , maka user tersebut akan menderita dua jenis interferensi yaitu interferensi intrasel yang ditimbulkan oleh user lain yang berada di sel referensi dan interferensi intersel yang ditimbulkan oleh BS yang melayani sel lain yang dipancarkan oleh HAPS yang sama. Geometri dari interferensi kanal downlink sistem HAPS WCDMA ada pada Gambar 2. Dengan skenario power control, besar daya pancar HAPS untuk user dengan koordinat tertentu adalah
Pt (r , θ ) = Pr = R f (r , θ )
(1)
dimana Pr = R adalah daya pancar yang diperlukan untuk mencapai posisi user di r = R atau di tepi sel (daya pancar maksimum), sedangkan f (r , θ ) adalah hukum power control yang besarnya ditentukan oleh posisi user (r ,θ ) . Besar f (r ,θ ) = 1 menandakan kasus tanpa power control dimana HAPS mengalokasikan daya pancar yang sama dan maksimum untuk semua posisi user di sel referensi. Apabila jumlah user dalam sel referensi adalah sejumlah N user, maka kerapatan user di sel referensi adalah ρ = N πR 2 , dan jika daya pancar total untuk semua user di satu sel dianggap sama, maka total daya pancar tersebut adalah daya yang harus dipancarkan tiap BS yaitu sebesar
MODEL SISTEM HAPS WCDMA
Sistem HAPS yang digunakan berada pada ketinggian 22 km di lapisan stratosfir dan membawa payload komunikasi WCDMA. Dengan susunan antena yang berada pada HAPS, ratusan berkas (beam) komunikasi dapat diproyeksikan di permukaan bumi dengan pola layanan yang menyerupai pola layanan sistem komunikasi tower-based teresterial seluler yaitu dengan bentuk sel heksagonal [2]. Untuk memudahkan analisa, posisi HAPS diasumsikan tepat berada di atas titik tengah sel referensi, dimana semua sel baik sel referensi atau sel penginterferensi dianggap berbentuk lingkaran dengan jari-jari sama yaitu R km. Antena HAPS yang digunakan mengikuti standar ITU, dimana antena ini memiliki faktor roll off 60 dB/decade. Dalam tulisan ini, puncak main lobe antena (Gm) ditetapkan sebesar 34,8 dB. Pola penguatan antena terhadap sudut pandang vertikal ke bawah (sudut off boresight) dari HAPS ditunjukkan pada Gambar 1. HAPS memproyeksikan sel layanan di permukaan bumi dengan pola yang sama dengan sistem seluler teresterial yaitu pola heksagonal. Pada tugas akhir ini sel yang berperan sebagai penginterferensi berjumlah 12 sel, dimana sel-sel tersebut berasal dari dua ‘tier’ pertama dari sel referensi.
PT =
2π
R
0
0
∫ ∫ P (r,θ )ρrdrdθ t
(2)
dari Gambar 2, dapat dinyatakan besar rasio daya carrier terhadap daya interferensi, atau (C I ) yang secara matematis dinyatakan sebagai
Gambar 1. Diagram Pola Radiasi Antena (standar ITU)
2
kanal downlink sistem HAPS WCDMA nilai (C I ) lebih ditentukan oleh faktor penguatan antena, yaitu faktor interferensi downlink, daripada faktor redaman jarak atau shadowing. Oleh karena itu power control berbasis jarak sangat baik digunakan pada sistem yang menggunakan HAPS. Ekspresi untuk kapasitas sistem dapat diperoleh dengan mensubstitusi (1) dan (2) ke (4), dan hasil yang didapat adalah f (r ,θ ) (6) N (r ,θ ) = γ I (r,θ ) 2π R (C I )min f (r ,θ )rdrdθ πR 2 ∫0 ∫0 dimana (C I )min adalah nilai rasio daya carier terhadap daya interferensi minimum yang diperlukan oleh sistem WCDMA, yang nilainya adalah
(C I )min = (Eb
(7) W (Eb I 0 ) adalah rasio energi per bit terhadap rapat interferensi, dan W adalah WCDMA processing gain [4].
Gambar 2. Geometri Interferensi Downlink
C = I
[∑
Pt G (ψ 0 )l0 ζ 0
J j =0
]
−α
PT G (ψ j )l jζ j − Pt G (ψ 0 )l0 ζ 0 −α
(3)
4.
pancar total tiap base station (BS) HAPS, G (ψ 0 ) dan G (ψ j ) masing-masing adalah penguatan antena untuk
user dan penguatan antena penginterferensi. l0 dan l j adalah jarak dari BS0 dan BSj menuju ke user, sedangkan α adalah koefisien redaman jarak kanal. ζ 0 dan ζ j adalah faktor shadowing kanal. Karena keunikan geometri dari HAPS, dimana semua berkas dipancarkan melalui titik yang sama, maka posisi BS0, BS1, BS2, … , BSj dapat diasumsikan berada pada titik yang sama. Sebagai akibat dari keunikan ini maka jarak dari semua BS ke posisi user dapat dianggap sama, l0 ≈ l j , dan karena semua berkas ditransimikan melalui
4.1
menghilangkan faktor pengurang pada pembilang karena tidak signifikan, persamaan (3) kini menjadi Pt C (4) ≈ I PT γ I (r , θ ) Pada persamaan (4) terdapat suatu besaran baru yaitu j =0
G(ψ j )
(5) G(ψ 0 ) Variabel ini adalah faktor interferensi downlink, yang secara matematis adalah rasio jumlah penguatan antena dari semua sel terhadap penguatan antena untuk sel referensi. Faktor ini sangat penting dalam penentuan parameter power control dan juga kapasitas sistem. Dari persamaan (4) diatas dapat disimpulkan bahwa untuk
γI
Skema Pangkat-n dari Jarak
Kenyataan bahwa pada sistem HAPS WCDMA interferensi lebih ditentukan oleh pola penguatan antena daripada faktor redaman jarak atau shadowing kanal membuat pengaturan daya pancar oleh BS, dalam hal ini HAPS, harus memperhatikan faktor interferensi downlink yang persamaannya sudah didapat pada bagian sebelumnya. Karena nilai dari faktor interferensi downlink ini bergantung kepada posisi user dalam sel referensi, maka power control berbasis jarak lebih cocok digunakan pada sistem yang menggunakan HAPS daripada sistem seluler teresterial. Salah satu skema power control berbasis jarak arah downlink yang sering digunakan adalah skema pangkat-n dari jarak user dari pusat sel, yang dikenal dengan nama model Gejji, atau Gejji’s Model [5]
kanal yang sama, maka faktor shadowing pun bisa diaproksimasi sama, ζ 0 ≈ ζ j , kemudian dengan
J
SKEMA POWER CONTROL DOWNLINK
Skema power control yang digunakan dan dibandingkan pada paper ini adalah skema pangkat-n dari jarak (n-th power of distance) dan power control skema optimum. Hukum power control dari kedua skema ini telah dibahas dan performansinya untuk sistem HAPS WCDMA telah dievaluasi pada [2]. Hanya saja pada [2] analisa dilakukan dengan asumsi HAPS mampu mempertahankan posisinya di udara, dimana asumsi ini sangat ideal dan cenderung jauh dari kenyataan praktis. Berikut ini adalah penjelasan mengenai masing-masing skema power control
Pt adalah daya pancar HAPS untuk user, PT adalah daya
∑ (r,θ ) =
I0 )
⎧(r R )n f (r ) = ⎨ 0 n ⎩ (r R )
3
untuk untuk
0 ≤ r ≤ r0 r0 ≤ r ≤ R
(8)
Hukum power control skema ini memberikan daya pancar yang besarnya sama untuk jarak kurang dari suatu jari-jari threshold r0 dan mengasumsikan untuk jarak user yang lebih besar dari r0 daya pancar user berbanding lurus dengan jarak dipangkatkan suatu eksponen n. jika persamaan hukum power control ini dimasukkan kedalam persamaan umum kapasitas (6) didapat (9) f (r ) N downlink = n +2 ⎤ ⎡ 2 n ⎛ r0 ⎞ (C I )min γ I (r ,θ )⎢ + ⎜ ⎟ ⎥ n 2 n 2 ⎝ R ⎠ ⎦⎥ + + ⎣⎢
Pergerakan berkas sinyal secara elektronis dapat membantu, tetapi sangat bergantung kepada kecepatan respon dari kontrol elektronis yang digunakan sehingga tidak mungkin mampu mengkompensasi secara sempurna. Lebih jauh apabila letak sumber berkas sinyal berubah karena pergerakan HAPS, tentunya akan menimbulkan perubahan analisa pada kanal downlink, sehingga analisa sistem secara keseluruhan juga akan berubah. Ada tiga kemungkinan skenario pergerakan HAPS di udara [6] yaitu pergerakan vertikal, pergerakan horizontal dan gerak sudut inklinasi. Pada masingmasing skenario pergerakan, terjadi perubahan analisa kanal downlink dan mempengaruhi nilai kapasitas sistem.
Terdapat dua parameter teknis pada persamaan kapasitas (9) yaitu r0 dan n. Kombinasi dari kedua parameter tersebut harus dicari nilainya lewat simulasi sehingga memaksimalkan kapasitas sistem. 4.2
5.1
Skema Optimum
Skenario pergerakan pertama adalah pergerakan HAPS secara vertikal. Misalkan semula HAPS berada pada ketinggian h dari permukaan bumi, kemudian terjadi pergerakan vertikal sebesar Δh , maka ketinggian HAPS sekarang menjadi h ± Δh . Pada analisa pergerakan vertikal ini, susunan antena pada HAPS dianggap horizontal sempurna dan tidak ada kesalahan sudut inklinasi HAPS. Karena pergerakan vertikal ini, ukuran sel hasil proyeksi di permukaan bumi berubah, seperti terlihat pada Gambar 3. Perubahan sel yang terjadi hanya dari segi jari-jari sel, tetapi bentuk sel masih tetap lingkaran. Perubahan terjadi juga pada jarak pusat sel penginterferensi dari pusat sel referensi sehingga faktor interferensi downlink juga berubah besarnya.
Ide dasar dari pengembangan power control skema ini adalah konsep memberikan kualitas layanan yang seragam dimanapun letak user dalam sel referensi, sehingga parameter penilai kualitas sistem bukan lagi merupakan fungsi dari posisi. Untuk mewujudkan konsep tersebut, hukum power control harus mengikuti alur atau pola dari faktor interferensi. Secara matematis, hukum power control dari skema ini adalah
f (r ,θ ) =
γ I (r ,θ ) γ I (R,300 )
(10)
hukum power control dinormalisasi ke arah (R,300) untuk menjamin nilai f (R,30 0 ) = 1 . Arah 300 dipilih karena pada arah ini interferensi maksimum terjadi. Dengan hukum power control seperti persamaan (10), didapat persamaan untuk kapasitas downlink dari power control skema optimum 1 (11) N downlink = 1 2π R (C I )min 2 ∫0 ∫0 f (r ,θ )rdrdθ πR Jika diperhatikan, nilai kapasitas yang didapat dari persamaan (11) tidak lagi bergantung kepada posisi user dalam sel, tetapi persamaan (11) akan menghasilkan satu nilai kapasitas yang besarnya konstan untuk semua nilai koordinat posisi user (r , θ ) , sehingga dimanapun letak user dalam sel, kualitas layanan yang akan diterimanya dari segi kapasitas akan sama.
5.
Pergerakan Vertikal HAPS
5.2
Pergerakan Horizontal HAPS
Skenario pergerakan kedua adalah jika HAPS bergerak pada arah horizontal di udara, tanpa disertai
SKENARIO PERGERAKAN HAPS
Simulasi yang dilakukan pada [2] untuk melihat peningkatan kapasitas dengan dua skema power control berbasis jarak dilakukan dengan asumsi HAPS yang berada di lapisan stratosfir tidak bergerak, atau pengaruh pergerakan HAPS diasumsikan mampu dikompensasi secara sempurna dengan menggerakkan (steering) berkas sinyal (beam) secara elektronis. Tetapi asumsi ini terlalu ideal. Angin dan keadaan fisis di lapisan stratosfir tentunya akan mempengaruhi posisi HAPS di udara.
Gambar 3. Perubahan Ukuran Sel karena Pergerakan Vertikal HAPS
4
Gambar 4. Pengaruh Pergerakan Horizontal HAPS
dengan perubahan ketinggian HAPS. Asumsi yang digunakan sama seperti pada kasus pergerakan vertikal, dimana susunan antena pada HAPS dianggap horizontal sempurna dan tidak ada kesalahan inklinasi HAPS. Pada kasus ini HAPS berpindah sebesar Δr , dimana Δr ≥ 0 , pada arah θH tertentu sehingga sel hasil proyeksi bergeser secara horizontal. Pada kondisi HAPS diam, koordinat user dalam sel referensi dinyatakan sebagai berikut x = r cos θ y = r sin θ (12) Karena pergerakan horizontal HAPS sebesar (Δr , θ H ) , koordinat user kini berubah menjadi x ' = x − Δr cos θ H
untuk tiap sel. Untuk penyederhaan simulasi, HAPS dimodelkan bergerak roll menurut sumbu yang sejajar dengan sumbu-x, atau sejajar dengan garis θ = 0 . Koordinat posisi user akan berubah, jarak pusat sel penginterferensi menuju titik pusat sel referensi juga berubah, dan perubahan itu berbeda untuk tiap sel. Gambar 5 adalah grafis yang menggambarkan pengaruh pergerakan inklinasi HAPS pada sel ke-j. HAPS digambarkan sebagai bidang datar, untuk memudahkan pengertian tentang sudut inklinasi HAPS, Δα . Pada kondisi awal, titik pusat sel ke-j memiliki sudut off boresight sebesar ψ j , dan dari arah sumbu-x membentuk sudut sebesar θ j . Kemudian karena inklinasi HAPS, sudut off boresight sel ke-j berubah menjadi ψ j ' dan terhadap sumbu-x membentuk sudut
(13)
y ' = y − Δr sin θ H Sehingga koordinat baru user dalam koordinat polar menjadi
( x ') + ( y ') θ ' = arctan ( y ' x ') r' =
2
⎛ ψ 0 ' = arctan ⎜ ⎜ ⎝ 5.3
sebesar θ j ' . besaran baru didefinisikan yaitu α j , dimana besaran ini adalah sudut yang dibentuk antara proyeksi koordinat pada arah x dengan tinggi HAPS, yaitu 1 α = arctan⎛⎜ x j ⎞⎟ (15) j ⎜ h⎟ ⎝ ⎠ nilai sudut ini berbeda-beda untuk tiap sel-j. Gerak sudut inklinasi HAPS adalah perubahan dari sudut α j ini, yaitu
2
(14)
(x ')2 + ( y ')2 ⎞⎟ h
⎟ ⎠
Δα . Jika ditinjau seorang user di sel referensi (sel ke-0), maka mula-mula user tersebut memiliki koordinat dilihat dari HAPS
Gerak Sudut Inklinasi HAPS
Skenario pergerakan ketiga adalah jika HAPS di udara bergerak roll atau berputar menurut sumbu tertentu, tanpa disertai dengan perubahan posisi HAPS. Gerakan ini disebut pergerakan sudut inklinasi HAPS atau HAPS’s tilt [6]. Pengaruh dari pergerakan inklinasi ini relatif lebih banyak dari kedua pergerakan sebelumnya, dimana sudut inklinasi akan membuat sel hasil proyeksi di permukaan bumi yang semula lingkaran menjadi tidak lagi lingkaran, ukuran sel dapat membesar dapat pula mengecil, dan pengaruhnya berbeda-beda
x0 = h tan ψ 0 cos θ 0 = h tan α 0 y0 = h tan ψ 0 sin θ 0
(16)
Karena pergerakan inklinasi HAPS sebesar Δα , maka koordinat baru user menjadi
Gambar 5. Pengaruh Pergerakan Inklinasi HAPS
5
x0 = h tan (α 0 + Δα ) = h tan [arctan (r cos θ h ) + Δα ] '
(17)
'
y0 = y0
Perhatikan bahwa pada kasus inklinasi HAPS ini, koordinat user pada di sumbu-y tidak berubah karena pergerakan inklinasi menggunakan sumbu yang sejajar dengan sumbu-x, sehingga tidak mempengaruhi komponen koordinat sumbu-y. simulasi dilakukan dengan mengubah-ubah sudut inklinasi dari nol derajat sampai suatu nilai derajat tertentu. Pada simulasi tugas akhir ini nilai sudut gerak inklinasi dinyatakan dalam kesalahan dari sudut awal α 0 . Sudut α 0 adalah sudut yang dibentuk antara garis
Gambar 6. Hasil Simulasi Kapasitas Sistem terhadap Nilai n dan r0
hubung HAPS – titik pusat sel penginterferensi dan garis hubung HAPS – titik pusat sel referensi. Kemudian sudut gerak inklinasi, Δα , yang nilainya bisa positif atau negatif, adalah persentase dari nilai α 0 . Nilai α 0 adalah
Tabel 1 Kapasitas Sistem pada Kondisi HAPS Tidak Bergerak
sebagai berikut
Kondisi
α 0 = tan R 3 −1
(18)
h
Untuk h = 22km dan R = 1.2km didapat nilai α 0 = 5.3970. nilai sudut gerak inklinasi HAPS adalah persentase dari sudut α 0 ini.
6.
Tanpa power control Pangkat-n dari jarak Optimum power control
HASIL SIMULASI
Untuk melengkapi model sistem dan sebagai parameter simulasi ditetapkan beberapa nilai sebagai berikut • jari-jari sel HAPS, R adalah sebesar 1.2 km, nilai jari-jari ini adalah nilai tipikal untuk sel HAPS daerah urban/perkotaan [4]. • sistem WCDMA yang digunakan memiliki processing gain, W sebesar 256 dan nilai rasio energi bit terhadap rapat interferensi, Eb I 0
(
30.5
Peningkatan kapasitas (terhadap kondisi tanpa power control) 0%
56.29
86.97 %
59.35
97.13 %
Gambar 6 adalah hasil simulasi untuk mendapatkan kombinasi nilai parameter n dan r0 yang memaksimalkan nilai kapasitas sistem dengan skema power control pangkat-n dari jarak. Nilai puncak dari grafik pada gambar 6 adalah kapasitas sistem maksimum yang bisa diraih dengan memilih nilai-nilai r0 dan n yaitu sebesar 56,29 user/sel. Pembuat maksimum dari grafik diatas terjadi pada titik n = 2.7 dan r0 =0.733, variasi nilai n dan r0 lainnya memberikan hasil nilai kapasitas yang lebih kecil. Persamaan kapasitas (11) dievaluasi untuk mendapatkan nilai kapasitas sistem dengan skema power control optimum. Hasil yang didapat adalah sebesar 59.35 user/sel. Tabel 1 menyajikan data lengkap kapasitas sistem dan peningkatan kapasitas sistem relatif terhadap sistem tanpa power control pada kondisi HAPS tidak bergerak. Pada keadaan HAPS tidak bergerak dapat disimpulkan power control skema optimum lebih baik daripada skema pangkat-n dari jarak. Namun, skema power control optimum memiliki kompleksitas algoritma yang lebih tinggi.
)
sebesar 4.3 dB [2]. hasil simulasi pada kondisi HAPS tidak bergerak digunakan sebagai pembanding terhadap hasil simulasi pada kondisi HAPS bergerak di udara sehingga degradasi sistem karena pergerakan wahana di udara dapat dikuantisasi besarnya. 6.1
Kapasitas sistem (user/sel)
Kondisi HAPS Tidak Bergerak
Simulasi menggunakan prosedur yang sama seperti pada [2] kecuali dengan menetapkan besar jari-jari sel HAPS sebesar 1,2 km. Dengan menyelesaikan persamaan (6) didapat nilai kapasitas sistem tanpa power control sebesar 30,5 user/sel. Karena pada persamaan (6) nilai kapasitas bergantung kepada posisi user dalam sel referensi, maka untuk mendapatkan nilai kapasitas sistem harus diambil nilai minimumnya.
6.2
Kondisi Instabilitas Posisi HAPS di Udara
Setelah mendapatkan hasil nilai kapasitas sistem pada kondisi HAPS tidak bergerak maka hasil tersebut digunakan sebagai pembanding terhadap hasil simulasi
6
jika wahana bergerak di udara. Hasil simulasi untuk masing-masing skenario pergerakan HAPS adalah sebagai berikut A.
tetap lingkaran. Simulasi dilakukan dengan mengubah besar pergeseran HAPS, Δr dari nol sampai 0.4 km dan dipilih pada arah θ H = 30 0 . Gambar 7 adalah hasil lengkap dari pengaruh pergerakan horizontal HAPS terhadap kapasitas sistem untuk ketiga kondisi. Pada pergeseran = 0 km, hasil kapasitas untuk ketiga kondisi yang dibahas sama seperti hasil untuk HAPS tidak bergerak, dan dengan semakin meningkatnya pergeseran horizontal, kapasitas untuk semua kondisi menurun. Pemilihan besar pergeseran sampai Δr = 0,4km pada simulasi ini sesuai dengan standar penguncian posisi HAPS dengan sistem GPS closed loop control yang memiliki window sebesar 400 x 700 meter. Lebih jauh International Telecommunication Union telah menstandarkan sebuah HAPS maksimal dapat bergerak dalam lingkaran horizontal dengan radius 400 meter [3]. Suatu skenario koreksi letak titik pusat sel (center cell correction) ditambahkan pada evaluasi kinerja power control untuk kasus HAPS bergerak horizontal. Skenario koreksi letak titik pusat sel ini menyebabkan sehingga posisi pusat sel referensi tidak berpindah walaupun secara fisik HAPS berpindah posisi [3]. Hal ini dimungkinkan dengan mengarahkan berkas HAPS dengan suatu sudut gerak tertentu yang secara matematis adalah sebagai berikut
Pergerakan Vertikal HAPS
Simulasi dilakukan dengan menggerakkan HAPS secara vertikal dan kapasitas berubah untuk masingmasing skema power control sesuai dengan hasil yang ada di Tabel 2. Ketinggian HAPS yang digunakan pada simulasi sebelumnya adalah 22 km, dan perubahan tinggi HAPS sebesar Δh = ±0.7km sesuai standar dari ITU [3]. Pergerakan vertikal HAPS akan membuat ukuran sel hasil proyeksi di permukaan bumi berubah ukurannya, apabila HAPS menjadi lebih tinggi, atau ( + Δh ) km , maka ukuran sel akan membesar dan sebaliknya jika HAPS berkurang tingginya atau ( − Δh ) km, maka ukuran sel mengecil. Perubahan ukuran sel ini berlaku untuk semua sel hasil proyeksi, baik sel referensi atau sel penginterferensi. Membesarnya ukuran sel akan membuat kapasitas menurun sesuai dengan rumus (6) dan sebaliknya mengecilnya ukuran sel akan memperbesar kapasitas. Namun perubahan nilai kapasitas pada pergerakan vertikal ini tidak terlalu besar karena pengaruh pergerakan HAPS berlaku sama untuk semua sel Untuk Δh = ±0.7km , kapasitas berubah sebesar 7.95 % dan 4.17 % masing-masing untuk skema pangkat-n dari jarak dan optimum. Ukuran jari-jari sel HAPS berubah 2.25 % dengan pergerakan HAPS ini. Dari nilai kapasitas sistem karena pergerakan vertikal ini, power control skema optimum mengalami perubahan nilai yang lebih kecil dibanding skema pangkat-n dari jarak, jadi power control skema optimum lebih tahan terhadap pergerakan vertikal HAPS. B.
⎛ Δr ⎞ (18) Δφ = arctan⎜ ⎟ ⎝ h ⎠ Δφ pada persamaan (18) adalah nilai sudut yang diperlukan oleh berkas HAPS untuk tetap menjaga titik pusat sel pada posisi semula, dan besarnya koreksi sudut ini merupakan fungsi dari perpindahan horizontal Δr . Koreksi letak titik pusat sel ini menyebabkan titik pusat sel referensi tidak berpindah tetapi menyebabkan bentuk sel hasil proyeksi tidak lagi lingkaran. Untuk perpindahan Δr tertentu, bentuk sel berubah dan semakin tidak lingkaran dengan bertambahnya Δr .
Pergerakan Horizontal HAPS
Skenario pergerakan horizontal HAPS dijelaskan pada Gambar 4 dimana titik transmisi HAPS bergeser sejauh ( Δr ,θ H ). Jika dibandingkan dengan pergerakan vertikal, pergerakan horizontal ini menyebabkan lebih banyak perubahan analisa pada sistem, dimana titik pusat sel referensi dan sel penginterferensi berpindah walaupun tidak mengubah ukuran jari-jari sel dan bentuk sel masih
Tabel 2 Pengaruh Pergerakan Vertikal HAPS
Ketinggian h (km)
Jari-jari sel HAPS (km)
21,3 22 22,7
1,162 1,2 1,238
Kapasitas skema pangkat-n dari jarak (user/sel) 58,93 56,29 50.14
Kapasitas skema optimum (user/sel) 62.93 59,45 56.12
Gambar 7. Nilai Kapasitas Sistem dengan Pengaruh Pergerakan Horizontal HAPS untuk Ketiga Kondisi
7
Performa power control skema optimum masih tetap lebih baik dari pangkat-n dari jarak dalam kasus pergerakan horizontal ini. Dari hasil yang ada pada Tabel 3 dapat disimpulkan bahwa pergerakan horizontal wahana sebesar 400 meter tidak terlalu mempengaruhi nilai kapasitas sistem dan performansi power control.
Tabel 3 Hasil Numerik Pengaruh Pergerakan Horizontal HAPS
Kondisi
Kapasitas HAPS diam (user/sel) 30.5
Kapasitas HAPS bergerak Δr = 0,4km (user/sel) 23.84
Tanpa power control Power control skema pangkat-n dari jarak Power control skema optimum
Penurunan kapasitas
21.83 %
56.29
39.27
29.88 %
59.35
54.27
8.7 %
C.
Gerak Sudut Inklinasi HAPS
Pergerakan inklinasi HAPS pada sumbu yang sejajar sumbu-x ini menyebabkan semua sel berubah ukurannya dengan efek perubahan yang berbeda-beda. Jarak pusat sel penginterferensi menuju pusat sel referensi yang menentukan penguatan antena penginterferensi berubah, ada yang bertambah dekat dan ada yang bertambah jauh. Pergerakan sudut inklinasi dinyatakan dalam persen dari sudut ketika diam, yaitu Δα , gerak sudut ini dapat bernilai positif dan bisa juga negatif. Pengaruhnya akan sama saja kepada kapasitas sistem, hanya saja tanda positif/negatif akan mempengaruhi sel mana yang bertambah besar atau bertambah kecil. Tidak seperti kedua pergerakan HAPS sebelumnya, pengaruh gerak sudut inklinasi ini berbeda-beda untuk tiap sel, walaupun masih ada pola keteraturan karena layout heksagonal yang digunakan. Jarak pusat sel penginterferensi menuju titik pusat referensi (letak titik pusat sel referensi tidak berubah) secara numerik berubah bervariasi antara 6 – 20 % baik bertambah dekat dan bertambah jauh. Gambar 9 adalah hasil simulasi nilai kapasitas sistem untuk ketiga kasus dengan nilai gerak sudut inklinasi HAPS dalam persentase dari α 0 . Seperti kasus pada
Gambar 8 adalah perubahan bentuk sel referensi dengan koreksi pusat sel jika HAPS bergerak horizontal pada arah θ H = 30 0 dan Δr yang divariasikan. Dari gambar 8 dapat disimpulkan bahwa jika HAPS bergerak pada θ H = 30 0 , jarak terjauh terjadi pada
θ = 210 0 sehingga pada arah tersebut terjadi interferensi maksimum dan kapasitas minimum. Interferensi yang terjadi pada arah 2100 ini akan semakin besar dengan membesarnya Δr , karena semakin besar Δr akan semakin jauh jarak tepi sel arah 2100 dengan titik pusat referensi sehingga penguatan antena carrier G (ψ 0 ) akan semakin kecil sebaliknya penguatan antena sel penginterferensi G ψ j membesar. Rekayasa letak titik
( )
pergerakan horizontal HAPS, semakin besar perpindahan dari kondisi diam, kapasitas sistem menurun sampai pada persentase kesalahan sudut 70% nilai kapasitas sistem tanpa dan dengan power control hampir sama sebesar 1,7 user/sel. Pada kondisi ini sistem sudah tidak bisa dibilang sebagai multiple access lagi karena hanya mampu melayani satu orang user saja.
pusat sel dengan koreksi seperti persamaan (18) menyebabkan bentuk sel tidak lagi lingkaran. Secara numerik nilai kapasitas sistem dengan koreksi pusat sel ini jika HAPS bergerak horizontal ada pada Tabel 3.
Gambar 9. Kapasitas Sistem dengan Pengaruh Pergerakan Inklinasi HAPS
Gambar 8 Bentuk sel hasil proyeksi HAPS dengan koreksi pusat sel untuk Δ r (a) 0,1 km (b) 0,2 km (c) 0,3 km (d) 0,4 km
8
Dibanding dua skenario pergerakan sebelumnya, gerak sudut inklinasi membuat analisa kanal berubah paling banyak, dan juga paling rumit. Hal ini karena pergerakan tilt HAPS ini mempunyai efek yang berbedabeda ke tiap sel, sehingga analisa harus dilakukan per sel dan tentunya akan menambah algoritma kerja power control. Dari segi nilai kapasitas, degradasi kinerja sistem karena gerak inklinasi ini paling besar dibandingkan dua pergerakan sebelumnya. Nilai kapasitas dari dua skema power control yang dibandingkan menunjukkan hasil yang hampir sama, dengan keunggulan masing-masing skema pada nilai sudut tertentu (Gambar 9). Tidak seperti pada kasus kedua gerak HAPS sebelumnya dimana skema optimum selalu mengungguli skema pangkat-n dari jarak, pada gerak inklinasi dapat disimpulkan performansi kedua skema tersebut berimbang. Karena belum ada standar mengenai batas maksimum pergerakan inklinasi HAPS, simulasi dilakukan sampai pada nilai sudut inklinasi yang menyebabkan kapasitas menurun hingga dibawah 10 user/sel. Simulasi dilakukan sampai kesalahan sudut inklinasi sebesar 70% dari sudut ketika HAPS diam yaitu α 0 . Pada kondisi kesalahan
Gambar 10. Peluang Outage terhadap Nilai Kapasitas sistem (user/sel)
7.
KESIMPULAN
Pada paper ini telah dilakukan evaluasi kinerja power control arah downlink jika HAPS tidak mampu mempertahankan stabilitas posisinya di udara sehingga wahana bergerak dan menyebabkan degradasi pada kinerja sistem. Simulasi dilakukan untuk mendapatkan hasil nilai kapasitas sistem pada kondisi HAPS tidak bergerak sebagai pembanding hasil simulasi pada kondisi HAPS bergerak. Kesimpulan yang didapat adalah bahwa pergerakan vertikal dan horizontal HAPS tidak terlalu mempengaruhi kinerja sistem pada batas-batas pergerakan yang telah distandarkan oleh ITU. Untuk skenario pergerakan ketiga yaitu gerak sudut inklinasi HAPS dapat disimpulkan bahwa pada nilai Δα = 70% sistem sudah tidak mampu melayani lebih dari satu user sehingga nilai kesalahan sudut ini adalah batas toleransi maksimum pergerakan inklinasi HAPS.
70% tersebut, kapasitas user tanpa power control hanya mampu melayani satu user/sel, keadaan penurunan signifikan juga terjadi untuk power control kedua skema. Untuk skema pangkat-n dari jarak, kapasitas sistem juga menyentuh nilai satu user/sel, dan untuk skema optimum ada pada nilai 2 user/sel. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa batas toleransi pergerakan inklinasi HAPS yaitu 70 % kesalahan dari sudut ketika diam atau 3.780. Untuk mendapatkan kesimpulan yang lebih komprehensif mengenai evaluasi kinerja power control pada kondisi pergerakan HAPS di udara, dilakukan simulasi untuk mendapatkan nilai peluang outage (outage probability). Peluang outage secara matematis didefinisikan sebagai peluang seorang user memiliki nilai rasio daya carrier terhadap daya interferensi lebih kecil daripada nilai minimum sistem yang disyaratkan. Simulasi dilakukan peluang outage ini pada pergerakan sudut inklinasi Δα = 0%, 10 %, dan 15 %. Hasil simulasi ada pada Gambar 10. Secara teoritis pada nilai kapasitas sistem maka peluang outage akan sama dengan nol. Namun jika nilai kapasitas dinaikkan melebihi kapasitas sistem, maka akan muncul peluang user mendapatkan nilai (C I ) kurang dari nilai minimum yang disyaratkan. Untuk mendapatkan hasil numerik dari simulasi ini, ambil contoh untuk peluang outage sebesar 10-2 sistem dengan Δα = 15 % mampu mempertahankan nilai kapasitas sebesar 63 % dari nilai kapasitas sistemnya. Untuk nilai kesalahan sudut sebesar 10 % nilai kapasitas sistem mampu dipertahankan sebesar 80,7 %.
REFERENSI [1] Goran Djuknic, John Freidenfelds, Yuriy Okunev. “Establishing wireless communications services via high-altitude aeronautical platforms-a concept whose time has come” IEE communication Magazine, vol. 35, no. 9, pp. 128-135, September 1997. [2] Y.C.Foo, W.L.Lim, R.Tafazolli, L. Barclay. “Forward link power control for high altitude platform station WCDMA system” VTC 2001 Fall IEEE VTS 54th, pp. 165-169. [3] J. Thornton, D.Grace. “Effect of lateral displacement of a high-altitude platform on cellular interference and handover” IEEE Transaction on Wireless Communication, vol.4, no. 4, pp. 1483-1490, July 2005. [4] B.T. Ahmed, M.C. Ramon, L.H. Ariet. “High altitude platforms (HAPs) W-CDMA system over
9
cities” VTC 2005 Spring IEEE VTC 61st, pp. 26732677. [5] B.T. Ahmed, M.C. Ramon, L.H. Ariet. “Quasi optimum downlink power control of high altitude pltform WCDMA system” VTC 2003 Spring IEEE 57th , vol. 3.
[6] Bashir El-Jabu, R.Steele. “Effect of positional instability of an aerial platform on its CDMA performance” VTC 2003 Spring 57th, pp. 24762479.
10
