Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading Komunikasi Bergerak

Revisi Juli 2003

Modul 5

EE 4712 Sistem Komunikasi Bergerak

Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading Komunikasi Bergerak Oleh : Nachwan Mufti A, ST

5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

1

Organisasi Modul 5 Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading Komunikasi Bergerak • A. Pendahuluan

page 3

• B. Large Scale Fading

page 19

• C. Small Scale Fading

page 27

• D. Mengatasi Fading

page 48

• E. Coverage Availability

page 64

• Referensi

page 70


2

A. Pendahuluan Pada umumnya, sinyal yang diterima pada titik penerima adalah jumlah dari sinyal langsung dan sejumlah sinyal terpantul dari berbagai obyek. komunikasi mobile, refleksi akan disebabkan oleh : • Permukaan tanah • Bangunan-bangunan • Obyek bergerak berupa kendaraan

Pada

Gelombang pantul akan berubah magnitude dan fasanya, tergantung dari koefisien refleksi, lintasannya, dan juga tergantung pada sudut datangnya. Jadi, antara sinyal langsung dan sinyal pantulan kan berbeda dalam hal : • Amplitudo, tergantung dari magnitude koefisien refleksi • Phasa, yang tergantung pada perubahan fasa refleksi serta pada perbedaan jarak tempuh antara gelombang langsung dan gelombang pantul Kondisi terburuk terjadi saat gelombang langsung dan gelombang pantul memiliki magnituda yang sama serta berbeda fasa 180o. Pada kondisi yang demikian, terjadi saling menghilangkan antara gelombang langsung dan pantulnya (complete cancellation ) 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

3

A. Pendahuluan Perbedaan fasa sebesar 180o terjadi jika terdapat perbedaan jarak tempuh gelombang seperti berikut :

∆d =

(2n − 1) λ 2

Sedangkan kondisi terbaik dicapai jika gelombang langsung dan gelombang pantul memiliki fasa yang sama atau kelipatan dari 360o ( In Phase Combination ). Perbedaan jarak tempuh gelombang langsung dan pantul pada kondisi ini dinyatakan :

∆d = n λ

dimana : n = 1,2, 3, …dst λ = panjang gelombang

Variasi dari amplituda gelombang dan fasa akan berubah dan tergantung dari berbagai keadaan dan disebabkan berbagai faktor, menjadi penyebab FADING yang akan kita diskusikan dalam modul ini. 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

4

A. Pendahuluan Distorsi Sinyal multipath juga akan menyebabkan distorsi sinyal / cacat sinyal. Problem ini secara khusus berkaitan dengan bandwidth sinyal yang digunakan dalam komunikasi mobile, dan juga karena respon pulsa yang berbeda dari sinyal multipath Channel Frequency Response Narrowband Channel

Wideband Channel

Rx Level

t Direct Wave t

Channel Pulse Response

Resultant

t

Reflected Wave

Equal level main & reflected path Lower level reflected path t

Frequency


5

A. Pendahuluan Kenapa penting untuk mengerti karakteristik-karakteristik dari kanal wireles ? – Untuk menentukan desain sinyal yang paling tepat (source dan channel coding, serta modulasi) – Untuk mengembangkan teknologi-teknologi pentransmisian dan penerimaan sinyal

baru

dalam

– Dalam komunikasi multiuser, skema akses kanal harus dilakukan dengan seefisien mungkin. – Pada sistem seluler, cakupan sinyal diinginkan dihitung dengan seakurat mungkin ! karena daya berlebih akan menghasilkan interferensi yang juga berlebihan. – Di dalam sistem seluler juga, level terendah yang diijinkan harus ditentukan untuk menjaga koneksi komunikasi dari sel ke sel.


6

A. Pendahuluan Ideal (AWGN) Channel •

Ideal Channel detection Ideal channel Transmitted bit AWGN

•

Kanal Ideal meloloskan semua spektrum sinyal tanpa distorsi (dikatakan BW kanal terberhingga, respon frekuensi ‘flat’ untuk semua frekuensi)

•

Pelemahan dan error hanya disebabkan oleh AWGN (Additive White Gaussian Noise).

•

Sinyal terima adalah besaran deterministik dengan menggunakan statistik-statistik dari AWGN (terdistribusi Gaussian)


7

A. Pendahuluan Kanal Real • Kanal Real (Physical Channel) : detection

Physical Channel Transmitted bit AWGN

• • •

Kanal fisik selalu memiliki bandwidth yang terbatas Hanya komponen yang signifikan dari spektrum sinyal yang diloloskan melewati kanal ! terjadi Distorsi Bandwidth sinyal harus lebih kecil atau sama dengan bandwidth kanal agar relatif tidak terjadi distorsi ! Pertanyaannya sekarang : Bagaimana membuat BW sinyal lebih kecil dari BW kanal ??


8

A. Pendahuluan Fundamental klasifikasi propagasi


9

A. Pendahuluan Pemodelan Kanal Propagasi …


10

A. Pendahuluan Faktor utama yang mempengaruhi pemodelan kanal


11

A. Pendahuluan Wireless propagation

Problem utama ada pada air interface 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

12

A. Pendahuluan Wireless Propagation Free Space Loss Diasumsikan terdapat satu sinyal langsung (line of sight path) ! sangat mudah memprediksi dengan free space formula Reflection Terdapat sinyal tak langsung datang ke receiver setelah mengalami pantulan terhadap object. Mungkin terdapat banyak pantulan yang berkontribusi terhadap besarnya delay. Diffraction Propagasi melewati object yang cukup besar ! seolah-olah menghasilkan sumber sekunder, seperti puncak bukit dsb. Scattering Propagasi melewati object yang kecil dan/atau kasar yang menyebabkan banyak pantulan untuk arah-arah yang berbeda. 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

13

A. Pendahuluan Problems of Wireless Channel • Jika sejumlah bagian besar spektrum sinyal tidak bisa lolos melewati kanal ! Sinyal akan mengalami distorsi disebabkan terbatasnya BW kanal. • Receiver harus didesain untuk mampu mendeteksi sinyal yang terdistorsi (yang disebabkan kanal wireless + AWGN) • Distorsi yang terjadi akan semakin parah (disebabkan kanal wireless) berkaitan dengan terjadinya propagasi lintasan jamak (multipath) ! ISI • Tanpa teknologi-teknologi yang canggih, detektor tidak akan mampu mendeteksi sinyal yang diterima berhubung sinyal yang diterima dari kanal wireless sangat jelek ! 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

14

A. Pendahuluan Efek propagasi multipath pada kanal wireless mobile adalah: " Large scale fading ! Large scale path loss " Small scale propagation Large scale path loss " Large attenuation dalam rata-rata " Daya sinyal terima menurun berbanding terbalik dengan pangkat-γ terhadap jarak , dimana umumnya 2 < γ < 5 (untuk komunikasi bergerak). ! γ disebut Mean Pathloss Exponent " Sebagai dasar untuk metoda prediksi pathloss

Small scale " Flukstuasi sinyal yang cepat disekitar nilai rata-rata (large scale) - nya " Doppler spread berhubungan dengan kecepatan fading (fading rate) " Penyebaran waktu berhubungan dengan perbedaan delay waktu kedatangan masing-masing sinyal multipath. 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

15

A. Pendahuluan Definisi • Fading didefinisikan sebagai fluktuasi daya di penerima • Karena perilaku sinyal pada kanal multipath adalah acak, maka analisis fading menggunakan analisis probabilitas stokastik

Fading

Large Scale Fading " Terdistribusi Lognormal

• Fading terjadi karena interferensi atau superposisi gelombang multipath yang memiliki amplitudo dan fasa yang berbeda-beda

Small Scale Fading

" Terdistribusi Rayleigh / Rician 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

16

A. Pendahuluan Penggunaan Analisis Propagasi: • Prediksi Propagasi Large Scale : – Estimasi cakupan jaringan – Hand-off antar sel – Link budget ( dan kalkulasi interferensi) • Small scale (multipath fading) – Desain sinyal ! desain signal processing – Meningkatkan deteksi sinyal (smart receiver), ekualisasi, receive diversity, beamforming – Desain subsystem radio 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

17

A. Pendahuluan


18

B. Large Scale Fading / Shadowing Definisi : local mean ( time averaged ) dari variasi sinyal Kuat sinyal (dB)

Jarak

Large Scale Fading disebabkan karena akibat keberadaan obyek-obyek pemantul serta penghalang pada kanal propagasi serta pengaruh kontur bumi, menghasilkan perubahan sinyal dalam hal energi, fasa, serta delay waktu yang bersifat random.

Sesuai namanya, large scale fading memberikan representasi rata-rata daya sinyal terima dalam suatu daerah yang luas. Statistik dari large scale fading memberikan cara perhitungan untuk estimasi pathloss sebagai fungsi jarak. 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

19

B. Large Scale Fading / Shadowing Probability Distribution Function (PDF) dari suatu variabel random yang terdistribusi lognormal dinyatakan sbb :

p( m) =

1 σ m 2π

e

 ( m −m )2  −  2  2 σ m 

Dengan, m = normal random variabel kuat sinyal (dBm) m = rata-rata (mean) kuat sinyal (dBm) = standar deviasi σm


20

B. Large Scale Fading / Shadowing Pada gambar di samping, diberikan pemetaan kuat sinyal berdasarkan hasil pengukuran di suatu kota besar. Sehingga tampak bahwa kerapatan bangunan mempengaruhi kuat sinyal. Dari gambar di samping , tampak bahwa kuat sinyal di berbagai bagian kota berbeda-beda. Hal tersebut disebabkan karena superposisi gelombang di berbagi tempat tadi bisa saling menjumlah maupun saling mengurangi. Pada gambar di samping, warna yang berbeda menunjukkan distribusi large scale fading pada masing-masing lokasi yang terkait dengan kontur bumi dan kerapatan bangunan. Jika MS bergerak, maka penerimaan akan bervariasi dengan cepat dan sangat terpengaruh dengan pergerakan MS tersebut, yang distribusi variasi-nya merupakan karakteristik dari small scale fading. 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

21

B. Large Scale Fading / Shadowing

Metoda Pengukuran dgn Regresi • Pilih beberapa lokasi berjarak d1 dan lakukan pengukuran path loss

d1

d2 d3

• Ulangi unttuk d2 and d3 , dst

Cell site (Tx)

• Plot nilai mean pathloss sebagai fungsi jarak • See next page 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

22

B. Large Scale Fading / Shadowing Pengukuran Pathloss • Hasil pengukuran sinyal dapat sebagai berikut : 2 wavelength

•

•

Range jarak pengukuran optimal umumnya pada sekitar 2 λ karena jika jaraknya terlalu dekat ! mungkin tidak memberikan harga rata-rata (mean value), sedangkan jika range jarak pengukuran terlalu jauh ! mungkin akan keluar dari nilai large scale realnya ( nilai γ mungkin sudah berubah) Jumlah sample pengukuran adalah > 36 sample untuk mendapatkan interval tingkat keyakinan 90%


23

B. Large Scale Fading / Shadowing Mendapatkan Mean dan Standar Deviasi •

•

•


x x

Path loss [dB]

•

Pengukuran biasa dilakukan untuk beberapa tipe daerah: Urban, suburban, dan open area 85 Catat bahwa pengukuran pada radius konstan dari BTS dapat 79 menghasilkan pathloss yang berbeda 75 Dengan regresi linear kita bisa mendapatkan trend mean pathloss dan standar deviasi disekitar nilai rata-rata Contoh untuk urban : path loss ! Slope = 33.2 dB/decade and ! Std dev. = 7 dB

x

o

x

x

o

x

o

x o

o

o o o

o o

o

suburban o

o

x x

o

o

x x

x

o o

x

urban

x

x

x

#

#

#

#

#

open #

#

3

4

6

Distance d [km]

24

B. Large Scale Fading / Shadowing Aplikasi dalam prediksi cakupan •

Contoh misalkan untuk jarak d2 = 4 km (lihat halaman sebelumnya untuk daerah urban)

•

Misal path loss pada 4 km adalah 79 dB.

•

Pathloss ini didesain untuk suatu nilai rata-rata dengan tingkat keyakinan 50 %

•

Dengan STDev untuk urban adalah 7 dB, Maka, untuk mendapatkan tingkat keyakinan (confidence level) 84 % (1σ) membutuhkan margin 7 dB , dan untuk tingkat keyakinan 97.7 % (2σ) membutuhkan margin 14 dB

d1

d2

d3

Cell site (Tx)

Akan dijelaskan lebih lanjut bagian prediksi cakupan !!


25

B. Large Scale Fading / Shadowing Contoh : Hasil pengukuran pathloss pada kota-kota di Jerman. Dari data disamping didapatkan : mean pathloss eksponen = 2,7 dan σ = 11,8


26

C. Small Scale Fading Atau Multipath Fading , atau Short Term Fading Lingkungan kanal radio mobile ( indoor / outdoor ) seringkali tidak terdapat lintasan gelombang langsung antara Tx dan Rx, sedemikian daya terima adalah superposisi dari banyak komponen gelombang pantul masing-masing memiliki amplitudo dan fasa saling independen Multipath dalam kanal radio menyebabkan : • Perubahan yang cepat dari amplituda kuat sinyal • Modulasi frekuensi random berkaitan dengan efek Doppler pada sinyal multipath yang berbeda-beda • Dispersi waktu (echo) yang disebabkan oleh delay propagasi multipath 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

27

C. Small Scale Fading Kecepatan MS • Gerak relatif antara Base Station dengan MS menghasilkan modulasi frekuensi random berkaitan dengan pergeseran frekuensi Doppler yang berbeda untuk tiap lintasan multipath. • Doppler shift bisa positif dan negatif tergantung dari posisi pergerakan MS terhadap RBS Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Small Scale Fading

Kecepatan Obyek Pemantul • Jika obyek-obyek bergerak dalam suatu kanal radio, maka akan menghasilkan pergeseran Doppler yang berubah terhadap waktu , yang berbeda untuk tiap komponen multipath. • Jika pergerakan benda lebih besar dibandingkan gerakan MS sendiri, maka akan mendominasi small scale fading Lebar pita transmisi sinyal Pita frekuensi yang relatif lebih lebar dibandingkan bandwidth kanal multipath, akan mengalami frequency selective fading.


28

C. Small Scale Fading Model Respon Impulse Kanal Multipath •

• v RBS

•

d

•

x(t)

Variasi sinyal sesaat (small scale variation) sinyal komunikasi bergerak secara langsung berhubungan dengan respon impulse dari kanal radionya. Respon impulse ini merupakan karakteristik kanal yang memuat informasi sifat-sifat kanal radio. Karakteristik kanal perlu diketahui untuk mengetahui unjuk kerja sistem komunikasi dalam kanal radio Kanal radio mobile memiliki sifat Linear Time Varying Channel

y(t)

h(t)


29

C. Small Scale Fading - model respon impulse kanal multipath • Sinyal yang diterima , merupakan fungsi jarak (d) dan waktu (t)

x(t)

h(d,t)

y(d,t) +∞

y(d, t ) = x ( t ) ⊗ h (d, t ) = ∫ x (τ)h (d, t − τ)dτ −∞

• Karena d = v.t , sistem kausal h(d,t) = 0 untuk t < 0 t

y( v.t , t ) = ∫ x (τ)h ( v.t , t − τ)dτ −∞

• Asumsi v konstan , maka d hanya merupakan fungsi kecepatan (v) dan waktu (t)

t

y( t ) = x ( t ) ⊗ h ( v.t, t ) = ∫ x (τ)h ( v.t, t − τ)dτ −∞


30

C. Small Scale Fading … analisis sinyal multipath

Analisis Sinyal Multipath

Asumsi : Kendaraan tak bergerak Sinyal terima dapat dinyatakan sbb :

e r (t ) =

∑k=1 a k cos(2πf 0 t + φk ) N

dimana, f0 = frekuensi carrier N = jumlah lintasan multipath ak , φk = amplitudo dan fasa dari komponen multipath ke-k

e r (t ) =


Recall :

cos(2πf 0 t + φk ) = cos(2πf 0 t ) cos(φk ) − sin (2πf 0 t ) sin (φ k ) 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

31


∑

e r (t ) = cos(2πf 0 t )

N k =1

∑

a k cos(φ k ) − sin (2πf 0 t )

N

a sin k =1 k Y

e r (t ) = X cos(2πf 0 t ) − Y sin (2πf 0 t )

(φk ) r X

Dengan asumsi : N besar (banyak lintasan) ! Secara teori tak terbatas, secara praktis > 6 φk terdistribusi uniform pada (0 sd 2π) ak masing-masing dapat dibandingkan (tidak ada yang cukup dominan) X dan Y terdistribusi secara Identik Gaussian tetapi saling Independen Identically Independently Distributed (IID)

Maka :

Sinyal Envelope = r = X 2 + Y 2 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

Terdistribusi RAYLEIGH !! 32

C. Small Scale Fading … analisis sinyal multipath DISTRIBUSI RAYLEIGH memiliki probability density function (pdf), sbb:

 r  r2   exp − 2  p(r ) =  σ 2  2σ   0 

(0 ≤ r ≤ ∞ )

Probability Density

(r < 0) Threshold

Dimana, σ = nilai rms dari sinyal terima sebelum deteksi envelope σ2 menyatakan daya rata-rata waktu deteksi envelope

Amplitude

Kemudian, probabilitas envelope sinyal tidak melebihi suatu nilai R yang ditentukan, dapat diturunkan sbb:

 R2  P( R ) = Pr (r ≤ R ) = p(r )dr = 1 − exp − 2   2σ  0 R

∫

Ini adalah CDF (Cumulative Distribution Function) !


33

C. Small Scale Fading … analisis sinyal multipath Nilai mean rmean dari distribusi Rayleigh diberikan oleh : ∞

rmean = E[r ] = r p(r )dr = σ

∫ 0

π = 1.2533 σ 2

Sedangkan variansi dari distribusi Rayleigh, σr2 , menyatakan daya ac envelope sinyal ,

σ 2r

[ ]

∞

σ2π π = E r − E [r ] = r p(r )dr − =σ 2 2 0 2

∫

2

2

π  = σ 2  2 −  = 0.4292 σ 2 2  Nilai median dapat diselesaikan,

1 = 2

rmedian

∫ p(r )dr ⇒ r

median

= 1.177 σ

0


34

C. Small Scale Fading … analisis sinyal multipath Bagaimana DISTRIBUSI RICIAN ? reflections line of sight TX

Distribusi Rician terjadi kalau ada komponen sinyal yang dominan ! Pada model di atas, komponen sinyal yang dominan adalah komponen sinyal LOS (line of sight)

Model persamaan sinyal :

e r (t ) = C cos 2πf 0 t +

N

∑a

RX

k

cos(2πf 0 t + φk )

k =1

Dimana,

C = amplitudo komponen sinyal LOS ak , φk = amplitudo dan fasa sinyal multipath ke-k


35

C. Small Scale Fading … analisis sinyal multipath Distribusi RICIAN diberikan oleh persamaan berikut:

(

 r  r 2 + C2  exp − p(r ) =  σ 2 2σ 2   0 

). I  Cr   

0

σ  2

(A ≥ 0, r ≥ ∞ ) (r < 0)

I0(•) adalah fungsi Bessel termodifikasi bentuk pertama orde nol Distribusi Rician sering dideskripsikan dalam Parameter K ( K factor ), dimana:

C2 K= 2 2σ

atau , dalam dB


 C2  K (dB) = 10 log 2   2σ 

36


NILAI-NILAI K

•

K = 4 ... 1000 (6 to 30 dB) ! Untuk sistem micro-cellular

•

K tak berhingga (K!∞), artinya : ! Komponen dominan sangat kuat dibanding komponen lainnya ! PDF Rician berbentuk menuju PDF Gaussian dengan σ kecil

•

Severe Fading (K = 0): Fading terjadi dengan hebat dan sangat galak ! Itulah Rayleigh Fading


37

C. Small Scale Fading … analisis sinyal multipath Asumsi : Kendaraan bergerak ! terpengaruh efek Doppler Sinyal terima MS diam sudah dinyatakan :

e r (t ) =

v


Untuk MS bergerak, f0 ! fk , karena frekuensi yang diterima untuk masing-masing lintasan berbeda-beda

e r (t ) =

∑k =1 a k cos(2πf k t + φk ) N

dimana,

fk = 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

v cos θ k λ

Rumit tapi menarik ! 38

C. Small Scale Fading

fk =

v cos θ k λ

fk =

v cos(γ − α k ) cos β k λ

sudut γ

Untuk penurunan lengkap Doppler spectrum, lihat pada: Parson, David,”The Mobile Radio Propagation Channel”, Pentech Press,1992 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

39



40


Karakterisasi Kanal Multipath Delay Spread Model dan Time Varying Model • Fokus pada multipath fading, disebabkan 2 hal: – Time spreading sinyal ! Akibat sinyal datang dengan delay yang berbeda-beda, dianalisis dengan Delay Spread Model – Time varying of channel ! akibat pergerakan, dianalisis dengan Time Varying Model • Evaluasi/analisis biasa dilakukan dalam – Domain waktu, dan – Domain frekuensi 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

41

C. Small Scale Fading •

Amplitudo sinyal terima tergantung dari lokasi dan frekuensi

•

Jika antena bergerak, maka lokasi x akan berubah linear terhadap waktu t (x = v t)

Amplitudo

Frekuensi


Waktu

Parameters: • probability of fades • duration of fades • bandwidth of fades 42


Delay Spread Model •

Untuk mengetahui karakteristik delay kanal, biasanya dilakukan Channel sounding (dengan respon impulse) Multipath channel

•

Maximum excess delay τ didiskritkan menjadi N kelompok path, tiap path dipisahkan oleh selang waktu ∆τ.

•

Model digunakan untuk menganalisa sinyal dengan BW < 1/(2∆τ).

•

Total daya terima adalah jumlah semua komponen multipath , jika komponenkomponen itu dapat dipecahkan / diatasi.

•

Jika BW sinyal << BW kanal ! multipath dapat diatasi

•

Jika BW sinyal >> BW kanal ! multipath tidak dapat diatasi.

•

SIRCIM (Simulation of Indoor Radio Channel IMpulse response)

•

SMRCIM (Simulation of Mobile Radio Channel IMpulse response.)


43

C. Small Scale Fading Hasil dari suatu channel sounding dapat dilihat dari gambar berikut :

Power delay profile

Dari gambar di samping tampak bahwa sinyal pulsa pertamakali datang dengan level daya tertinggi. Berikutnya kemudian datang sinyal-sinyal lain dengan level daya yang lebih rendah


44

C. Small Scale Fading Model channel SMRCIM/SIRCIM pada daerah urban, daerah mikrocell, dan propagasi indoor diasumsikan memiliki max excess delay masing-masing 96 us, 5 us, dan 50 ns. Jumlah komponen multipath dibagi dalam 24 kelompok path yg dapat dianggap sebagai sebuah path yg dapat diresolusikan. Hitung BW max dari signal impulse yg masih bisa dianalisis atau representatip untuk masing-masing model channel tsb.

Jawab: • Urban ∆τ = 96/24=4 us ! Signal BW <= 1/(2*4 us)=0.125 MHz • Mikrocell ∆τ = 5/24= !Signal BW <= • Indoor ∆τ = 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

45

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – parameter dispersi waktu Parameter dispersi waktu adalah :

• Mean Excess Delay • RMS Delay Spread • Maximum Excess Delay Spread

Mean Excess Delay : ! momen pertama dari power delay profile

∑a τ τ= ∑a

2 k k

k

2 k

k

RMS Delay Spread : ! akar kuadrat dari momen tengah kedua dari power delay profile ! RMS Delay Spread adalah standar deviasi excess delay ! Merupakan rata-rata simpangan terhadap mean excess delay 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

∑ P(τ )τ = ∑ P(τ ) k

k

k

k

k

σ τ = τ 2 − (τ) 2 τ2

∑a τ = ∑a

2 2 k k

k

2 k

k

∑ P(τ )τ = ∑ P(τ ) k

2 k

k

k

k

46

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – parameter dispersi waktu Maximum Excess Delay Spread

! delay waktu selama energi multipath jatuh sebesar X dB (biasanya 10 dB) dibawah maksimum


47

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – parameter dispersi waktu Coherence Bandwidth • Adalah ukuran statistik suatu range frekuensi pada kanal yang dapat dianggap “flat” atau bandwidth diantara 2 frekuensi yang memiliki potensi kuat dalam korelasi amplitudo. • Semua kompunen spektrum dalam range bandwidth koheren dapat diperhatikan (adapat dianggap) mendapatkan gain dan fasa yang linier • Bandwidth koheren sebaiknya diukur, tetapi bisa didekati dengan persamaan : atau


48

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – parameter dispersi waktu Contoh : Hitunglah mean excess delay, rms delay spread, dari suatu kanal multipath yang profile multipath-nya diberikan pada gambar berikut. Berikan rekomendasi apakah kanal multipath tersebut cocok untuk AMPS dan GSM tanpa menggunakan equalizer ? Mean excess delay, Jawab : 2

∑a τ τ= ∑a

k k

Pr(τ)

k

2 k

0 dB

k

-10 dB

τ=

-20 dB -30 dB 2

5

k

k

k

k

k

(1)(5) + (0.1)(1) + (0.1)(2) + (0.01)(0) = 4.38 µs (0.01 + 0.1 + 0.1 + 1)

Momen kedua delay profile,

τ (ms) 0 1

∑ P(τ ) τ = ∑ P(τ )

τ2 =

(1)(5) 2 + (0.1)(1) 2 + (0.1)(2) 2 + (0.01)(0) 2 = 21.07 µs 2 (0.01 + 0.1 + 0.1 + 1)


49

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – parameter dispersi waktu RMS delay spread,

σ τ = 21.07 − (4.38) 2 = 1.37 µs Coherence bandwidth, 1 BC ≈ = 146 kHz 5σ τ

Jadi,

• Untuk AMPS ( BW kanal RF = 30 kHz ), BW kanal RF < BW koheren sehingga tidak memerlukan equalizer • Untuk GSM ( BW kanal RF = 200 kHz ), BW kanal RF > BW koheren , sehingga memerlukan equalizer


50

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – parameter dispersi waktu


51

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – parameter dispersi waktu Intersymbol Interference (ISI): • Ketika multipath delay spread lebih besar dari 20% durasi simbol, ISI dapat menjadi problem. Untuk mengatasi ISI … • Pertama, receiver dipasangi dengan adaptive equalizer Equalizer ini menguji efek delay multipath pada deretan training bit yang diketahui, selanjutnya menggunakan informasi hasil pengujian ini untuk mengatasi efek delay multipath pada deretan bit-bit informasi sesungguhnya

• Kedua, menggunakan kode-kode proteksi error (channel coding) untuk mendeteksi dan mengkoreksi error • Catatan : ISI tidak bisa diatasi dengan memperbesar kuat sinyal !! 5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading

52

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – parameter dispersi waktu Typical Delay Spreads Macrocells T RMS < 8 µsec •

GSM (256 kbit/s) uses an equalizer

•

IS-54 (48 kbit/s): no equalizer

•

In mountanous regions delays of 8 µsec and more occur GSM has some problems in Switzerland

Microcells •

T RMS < 2 µsec

Low antennas (below tops of buildings)

Picocells

T RMS < 50 nsec - 300 nsec

•

Indoor: often 50 nsec is assumed

•

DECT (1 Mbit/s) works well up to 90 nsec Outdoors, DECT has problem if range > 200 .. 500 m


53


Time Varying Model • Variasi kanal (karena gerakan) ! Doppler spread • Doppler spread fD ! channel coherence time TC . • Channel coherence time adalah suatu selang waktu dimana kanal diperhatikan (dapat dianggap) tidak berubah terhadap waktu (time invariant). • Dalam kata lain: Channel coherence time adalah waktu dimana 2 sinyal terima memiliki korelasi amplitudo yang kuat • Jika periode simbol (reciprocal BW) lebih besar dari coherence time ! artinya kanal akan berubah selama periode simbol tersebut ! terjadi fast fading.


54

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – Efek doppler Doppler Spread dan Coherence Time

Latar belakang : Pergeseran Doppler ( Doppler Shift ) • Doppler shift (pergeseran doppler) adalah pergeseran frekuensi yang disebabkan pergerakan penerima. • Doppler shift meningkatkan bandwidth sinyal yang ditransmisikan


55

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – Efek doppler • Doppler spread , fm , adalah pergeseran doppler maksimum maksimum, cos θ = 1

• Coherence Time, TC :

• Jika kecepatan simbol lebih besar dari 1/TC , maka sinyal tidak mengalami distorsi kanal yang disebabkan pergerakan penerima


56

C. Small Scale Fading – Parameter kanal multipath – Efek doppler

Example • Sebuah vehicle melaju pada v = 36 km/jam menerima sinyal multipath pada frekuensi 900 MHz menjauh dari pemancar. – Hitung channel coherence time – Hitung perioda sample untuk mendapatkan sample yang masih berkorelasi tinggi – Hitung jumlah sample serta berama lama pengukuran sample dalam jarak tempuh 25 m. – Berapa Doppler spread dari channel tersebut


57


Klasifikasi Small Scale Fading

FLAT FADING

Berdasarkan atas multipath Time Delay Spread

FREQUENCY SELECTIVE FADING # BW sinyal > BW koheren # Delay spread > periode simbol

SMALL SCALE FADING

Berdasarkan atas Doppler Spread


# BW sinyal < BW koheren # Delay spread < periode simbol

FAST FADING # Doppler spread >> # Coherence time < periode simbol # Variasi kanal lebih cepat dari variasi sinyal baseband SLOW FADING # Doppler spread << # Coherence time > periode simbol # Variasi kanal lebih lambat dari variasi sinyal baseband

58

Fading Simulator : Jake’s Method %-----------------% fading parameters %-----------------c_light = 3E8; % speed of light (m/s) v = 10; % vehicle's speed (kph) B = 40; % number of bit per slot R = 60; % bit rate (kbps) T = 1/(R*1E3); % symbol duration (s) f = 1.8; % carrier frequency (GHz) fd = (v*1E3/3600)*f*1E9/c_light; % Doppler freq (Hz) %----------------------% variable in simulation %----------------------Tp = 1000; % number of data slot len = B*Tp; % number of symbol (B symbols/slot) % function y = fading(len, fd, T) %-------------------------% parameter in Jakes Method %---------------------------

N = 34; N0 = (N/2 - 1)/2; alpha = pi/4; xc = zeros(len,1); xs = zeros(len,1); sc = sqrt(2)*cos(alpha); ss = sqrt(2)*sin(alpha); ts = 0:len-1; ts = ts'.*T + round(rand(1,1)*10000)*T; wd = 2*pi*fd; xc = sc.*cos(wd.*ts); xs = ss.*cos(wd.*ts); for lx =1:N0 wn = wd*cos(2*pi*lx/N); xc = xc + (2*cos(pi*lx/N0)).*cos(wn.*ts); xs = xs + (2*sin(pi*lx/N0)).*cos(wn.*ts); end; y = (xc + i.*xs)./sqrt(N0+1); %plot fading signal figure(1); plot(ts*T,abs(y)); title('Fading Signals') xlabel('time (sec)') ylabel('amplitude')


59

Referensi-Referensi [1]

Bogi W, Nachwan MA, “Lecture Notes : Transmisi Komunikasi Bergerak”, Edisi Pertama, Mobilecomm.Labs-STTTelkom, 1998

[2]

Nachwan MA, “Lecture Notes : Transmisi Komunikasi Bergerak”, Edisi Kedua, Mobilecomm.Labs-STTTelkom, 2001-2002

[3]

Rappaport, Theodore ,”Wireless Communication”,

[4]

Parsons, David, “The Mobile Radio Propagation Channel”, Pentech Press Publishers-London, 1992

[5]

Kurniawan, Adit,”Material Kuliah Pasca-Sarjana Sistem Komunikasi Seluler “, ITB , 2003

[6]

Lee, William CY,” Mobile Communication Engineering”, McGrawHill, 1982

[7]

Linnartz, Jean-Paul MG,” Wireless Communication CD” ! see on his web


60

Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading Komunikasi Bergerak

Recommend Documents