Teknik Transmisi Seluler (DTG3G3) Yuyun Siti Rohmah, ST.,MT Dadan Nur Ramadan,S.Pd,MT Tri Nopiani Damayanti,ST.,MT Suci Aulia,ST.,MT FADING MITIGATION
A. Pendahuluan Dalam mengatasi fading, engineer harus melihat penyebabnya. Dari penjelasan yang telah diuraikan pada Bab sebelumnya, kita bisa melihat 3 hal penyebab fading : 1. Ketergantungan kuat sinyal terhadap jarak menyebabkan penurunan sinyal (Large scale pathloss) Analisis MS pada satu titik lokasi diam. 2. Delay spread menyebabkan variasi sinyal dalam domain frekuensi. 3. Pergerakan user (Doppler Spread) menyebabkan variasi sinyal dalam domain waktu.
11/17/2015
2
A. Pendahuluan Kesimpulan singkat, fading akan diatasi dengan berbagai cara : • Fading Margin dalam desain cakupan RF • Diversitas: space, time, frequency • Receive antenna diversity: Fading jarang terjadi pada 2 lokasi secara simultan, khususnya pada jarak kelipatan ganjil seperempat panjang gelombang • Interleaving, suatu bentuk dari diversitas waktu • Error protection coding, (atau channel coding) dengan menambahkan bit-bit redundant
11/17/2015
3
B. Mengatasi Large Scale Fading Secara umum, Large Scale Fading akan menyebabkan penurunan daya sinyal untuk jarak yang semakin jauh dari antena base station. Sehingga, untuk mengatasi Large Scale Fading, tentunya bertujuan untuk memperbaiki sinyal penerimaan , baik untuk arah Uplink maupun Downlink !! Perbaikan sinyal penerimaan, umumnya ditinjau untuk kasus terburuk, yaitu pada boundary cell Diharapkan sinyal yang terukur mencapai prosentase tertentu (disebut Cell Edge Reliability).
Parameter performansi untuk karakterisasi Large Scale Fading dapat juga diukur melalui Coverage Availability, yaitu prosentase luas cakupan daerah dalam sel yang memiliki sinyal diatas level threshold !
Now…think !! 11/17/2015
Apa metoda-metoda yang dapat dipakai untuk memperbaiki sinyal penerimaan 4
B. Mengatasi Large Scale Fading Antisipasi pengaruhnya terhadap interferensi !! Uplink
Power control
Tidak dominan
Downlink
Fading Margin
Link budget calculation
memperbesar daya kirim Tx
Mengatasi Large Scale Fading
Sectoral &Smart antena Uplink Perbaikan sensitivitas handset
memperbaiki kualitas penerima Rx
Diversitas Downlink
Catatan: dapat dikerjakan engineer
Sectoral &Smart antena
B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin
B.1. Fading Margin Fading margin secara definitif adalah kenaikan daya pancar yang harus dilakukan agar Level daya terima ≥ level daya terima minimum (thershold) yang diijinkan. Level daya terima yang dimaksud adalah penerimaan pada tepi sel (border cell) sebagai kasus yang terburuk, sehingga, fading margin sesungguhnya akan menaikkan reliabilitas sinyal pada tepi sel menjadi di atas 50%.
11/17/2015
6
B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin
B.1. Fading Margin Contoh perhitungan untuk fading margin dapat dilihat pada link berikut : http://www.invictusnetworks.com/faq/RF%20Technical%20Info%20and%20FCC%20Regs/Fade%20Margin%20Calculator %20-%20Basic.htm
Contoh parameter untuk perhitungan fading margin
11/17/2015
7
B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas
B.2. Diversitas • Definisi: – Diversitas adalah teknik untuk mengatasi multipath fading dengan menggunakan dua atau lebih sinyal yang secara statistik independen (dalam waktu, frekuensi, spasial, atau polarisasi) antara satu dengan lainnya.
• Jika probabilitas suatu sinyal berada dalam kedalaman fading adalah P maka probabilitas sejumlah n sinyal saling independen berada dalam kedalaman fading secara simultan adalah Pn
11/17/2015
8
B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas
Tipe-tipe diversitas • Frequency diversity Doppler spread tergantung pada frekuensi carrier Frekuensi berbeda akan menghasilkan efek Doppler yang berbeda Sehingga, frekuensi yang berbeda dapat menghasilkan proses fading yang independen, yang dapat secara koheren digabung.
• Time diversity Multipath fading adalah time variant Sehingga fading pada waktu yang berbeda adalah independen, sehingga dapat secara koheren juga digabung.
• Space diversity Multipath fading adalah independen pada lokasi yang berbeda Sehingga dapat secara koheren digabung.
11/17/2015
9
Antenna Diversity
Receive (SIMO)
11/17/2015
Transmit (MISO)
Both (MIMO)
10
MIMO(Multiple Input Multiple Output) TX1
h11
RX1
h21 h12
TX2
RX2 h22
MIMO menggunakan prinsip diversitas spasial, yaitu dengan menggunakan banyak antena di sisi Tx maupun Rx : Mengantisipasi akibat adanya multipath fading meningkatkan data rate meningkatkan link reliability untuk mendapatkan diversitas spasial secara maksimal pada kanal MIMO melalui teknik Space Block time coding .
11/17/2015
11
B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas
Diversitas Spasial: Kenapa harus 2 antena Rx di Base Station ? ro(t)
wo
r1(t)
w1
rK(t)
y(t)
wK Processor
ri(t) adalah input sinyal ke-i wi bobot sinyal ke-i y(t) output diversitas Dapat dituliskan y(t) = w*r(t)= wi.ri 11/17/2015
• Dual antennas diversity akan meningkatkan sensitivitas penerimaan sebesar 2 hingga 5 dB dibandingkan single antenna • Spasi antena biasanya kelipatan ganjil dari l/4, umumnya >8l • Beberapa metoda combining diversitas (algoritma pd prosesor): – Switching/selection – Equal gain – Maximal ratio Metoda combining ini adalah pilihan desain oleh vendor , dan tidak distandarisasikan !!
12
B. Mengatasi Large Scale Fading
B.3. Antena Sektoral dan Smart Antenna A. Antena Sectoral dapat mengurangi Co-channel interference Co-channel interference merupakan interferensi tak terduga yang sulit diidentifikasi dan diatasi.
B. ”Smart antennas” (adaptive phased arrays) dapat mengatasi persoalan ini lebih baik (tetapi high cost) 11/17/2015
13
C. Mengatasi Small Scale Fading
Pendahuluan Pada Bab sebelumnya, dijelaskan bahwa small scale fading mengakibatkan beberapa tipe fading seperti yang diperlihatkan pada diagram berikut :
11/17/2015
14
C. Mengatasi Small Scale Fading C.1 Teknik-Teknik Anti Flat Fading Flat Fading Fluktuasi sinyal dapat diperhatikan terjadi hanya pada domain waktu, sehingga masalah akan muncul dari 2 kategori akibat efek Doppler: Fast Fading & Slow Fading !! Amplituda sinyal Th
11/17/2015
Sekarang … hanya dengan melihat gambar di samping…kira-kira teknik apa yang bisa digunakan untuk mengatasi flat fading !!
15
C. Mengatasi Small Scale Fading Antisipasi pengaruhnya terhadap interferensi !!
Rate simbol > rate fading (Fading dibuat menjadi “Slow”)
Modulator yg robust
Diversitas
Fading Margin
Fast Fading
Mengatasi Flat Fading
Fading Margin Diversitas
Perbaikan sensitivitas handset
Slow Fading
Power control
Catatan: dapat dikerjakan engineer
What next ?
error correction coding dan interleaving
C. Mengatasi Small Scale Fading – power control Power Control
Example • To achieve a satisfactory power control performance when a vehicle moving at 30 km/h (carrier freq = 1.8 GHz) the rate of power control is at least 30 times higher than the fading rates. – Compute the minimum signalling rate required for power control. – If the voice channel is transmitted at 9.6 kbps, what percentage of band width is lost due to power control with (a) fixed step algorithm (b) variable step with 3 bit algorithm – If the deepest fading is 30 dB below its average level, what is the incremental power ajustment (step size) if fixed step adjustment is employed to equalize the deepest fading. 11/17/2015
17
C. Mengatasi Small Scale Fading – power control Power Control • Answer to The Problem – Fading rate fD =v/wavelength = (30x1000/3600 m/s)/wavelength = 50 Hz. Therefore power control signalling rate is 30 x 50 Hz = 1.5 kHz. – For (a) Fixed step algorithm signalling bandwidth = 1.5 kHz. The lost BW is 1.5/9.6 x 100 % = 15.6 %. (b) For variable step with 3 bit the signalling BW is 4.5 kbit/s, therefore the lost BW is 4.5/9.6 x 100 % = 49 % – 30 dB deep must be compensated using 15 updates so the step size would be 2 dB. 11/17/2015
18
C. Mengatasi Small Scale Fading C2.Teknik-Teknik Anti Frequency Selective Fading Frequency Selective Fading, fluktuasi sinyal terjadi pada domain waktu dan domain frekuensi, sehingga menyebabkan ISI (InterSymbol Interference ).
11/17/2015
19
C. Mengatasi Small Scale Fading
InterSymbol Interference (ISI) •
1. , receiver terpasang dengan adaptive equalizer – Equalixer ini mendeteksi/mengetahui efek multipath delay pada deretan training bit yang diketahui, dan menggunakan informasi itu untuk mengatasi ISI pada deretan bit informasi dengan cara memberikan replika delay internal pada sinyal – Channel equalizer diperlukan untuk mengkompensasi ISI yang disebabkan kanal multipath (Freq. Selective Fading Channel). • Decision Feedback Equalizer dengan RLS Algorithm (algoritma Kalman), Fast Kalman Algorithm, dan juga Tap Gain Interpolasi • Adaptive Array Antenna beamforming • Rake Diversity untuk sinyal spread spectrum
•
2. penggunaan error protection codes (channel coding) untuk mendeteksi/mengkoreksi error (baik yang disebabkan ISI ataupun fading) You know ? …. ISI tak dapat diatasi dengan penguatan sinyal.
11/17/2015
20
Beamforming •
•
Beamforming adalah proses pembentukan beam menuju ke arah user yang diinginkan serta menekan sinyal pengganggu dari arah lain. Dengan demikian, beamforming bisa dikatakan sebagai spatial filtering sinyal Pembentukan beam ke arah sinyal yang diinginkan bisa dilakukan dengan memberikan pembobotan dengan algoritma adaptif pada elemen antena
pengganggu-1
user yang diinginkan pengganggu-2
11/17/2015
21
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation How do systems handle Doppler Spreads? •Analog Carrier frequency is low enough to avoid problems •GSM
Channel bit rate well above Doppler spread TDMA during each bit / burst transmission the channel is fairly constant. Receiver training/updating during each transmission burst Feedback frequency correction
•DECT Intended to pedestrian use: • only small Doppler spreads are to be anticipated for Original DECT concept did not standardize an equalizer •IS95 Downlink: Pilot signal for synchronization and channel estimation Uplink: Continuous tracking of each signal
11/17/2015
22
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation
How do systems handle delay spreads? fenomena ISI Analog Narrowband transmission GSM Adaptive channel equalization Channel estimation training sequence DECT Use the handset only in small cells with small delay spreads Diversity and channel selection can help a little bit “pick a channel where late reflections are in a fade” IS95 Rake receiver separately recovers signals over paths with excessive delays Digital Audio Broacasting OFDM multi-carrier modulation The radio channel is split into many narrowband (ISI-free) subchannels
11/17/2015
23
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation
Typical Delay Spreads Macrocells TRMS < 8 sec •
GSM (256 kbit/s) uses an equalizer
•
IS-54 (48 kbit/s): no equalizer
•
In mountanous regions delays of 8 sec and more occur GSM has some problems in Switzerland
Microcells •
TRMS < 2 sec
Low antennas (below tops of buildings)
Picocells
TRMS < 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
11/17/2015
24
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation How to handle fast multipath fading? Analog User must speak slowly
GSM Error correction and interleaving to avoid burst errors Error detection and speech decoding Fade margins in cell planning
DECT Diversity reception at base station
IS95 Wideband transmission averages channel behaviour This avoids burst errors and deep fades
11/17/2015
25
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation
How to handle long fades when the user is stationary? Analog Disconnect user GSM Slow frequency hopping Handover, if appropriate Power control DECT Diversity at base station Best channel selection by handset IS95 Wide band transmission avoids most deep fades (at least in macro-cells) Power control Wireless LANs Frequency Hopping, Antenna Diversity
11/17/2015
26
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation
Teknik mengatasi fading juga tampak pada desain paket yang optimal , sebagai salah satu tugas dalam membangun standar komunikasi : Misal : Diinginkan optimasi pada througput: Throughput efektif
bit user Prob(sukses) bit paket
Kondisi di atas menyebabkan adanya trade-off : • Jika panjang paket terlalu pendek, Terlalu banyak overhead (bit header, sinkronisasi, word, dsb), sehingga tidak efisien • Jika panjang paket terlalu panjang, Kemungkinan terjadinya fading sebelum akhir paket. 11/17/2015
27
THANK YOU FOR YOUR TIME
