prop a gas i fading 2000

5. Propagasi Sinyal Pada Kanal Fading 1

Revisi Juli 2003

Modul 5EE 4712 Sistem Komunikasi Bergerak

Propagasi Sinyal Pada KanalFading Komunikasi Bergerak

Oleh :Nachwan Mufti A, ST


Organisasi

Modul 5 Propagasi Sinyal Pada KanalFading 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


A. Pendahuluan

Pada umumnya, sinyal yang diterima pada titik penerima adalah jumlah darisinyal langsung dan sejumlah sinyal terpantul dari berbagai obyek. Padakomunikasi mobile, refleksi akan disebabkan oleh :

Permukaan tanah Bangunan-bangunan Obyek bergerak berupa kendaraan

Gelombang pantul akan berubah magnitude dan fasanya, tergantung dari koefisien refleksi, lintasannya, dan juga tergantung pada sudutdatangnya. Jadi, antara sinyal langsung dan sinyal pantulan kan berbedadalam hal :

Amplitudo, tergantung dari magnitude koefisien refleksi Phasa, yang tergantung pada perubahan fasa refleksi serta

pada perbedaan jarak tempuh antara gelombang langsung dangelombang pantul

Kondisi terburuk terjadi saat gelombang langsung dan gelombang pantulmemiliki magnituda yang sama serta berbeda fasa 180o. Pada kondisi yang demikian, terjadi saling menghilangkan antara gelombang langsung danpantulnya (complete cancellation )


Perbedaan fasa sebesar 180o terjadi jika terdapat perbedaan jarak tempuhgelombang seperti berikut :

=2

)1n2(d

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

= nd dimana :n = 1,2, 3, dst = panjang gelombang

Variasi dari amplituda gelombang dan fasa akan berubah dantergantung dari berbagai keadaan dan disebabkan berbagaifaktor, menjadi penyebab FADING yang akan kita diskusikandalam modul ini.

A. Pendahuluan


Equal level main & reflected pathLower level reflected path

Rx Level

WidebandChannel

NarrowbandChannel

Frequency

Channel Frequency Response

t

t

t

t

Channel PulseResponse

Direct Wave

Reflected WaveResultant

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

Distorsi

A. Pendahuluan


Untuk menentukan desain sinyal yang paling tepat (source danchannel coding, serta modulasi)

Untuk mengembangkan teknologi-teknologi baru dalampentransmisian dan penerimaan sinyal

Dalam komunikasi multiuser, skema akses kanal harus dilakukandengan seefisien mungkin.

Pada sistem seluler, cakupan sinyal diinginkan dihitung denganseakurat mungkin ! karena daya berlebih akan menghasilkaninterferensi yang juga berlebihan.

Di dalam sistem seluler juga, level terendah yang diijinkan harusditentukan untuk menjaga koneksi komunikasi dari sel ke sel.

Kenapa penting untuk mengerti karakteristik-karakteristikdari kanal wireles ?

A. Pendahuluan


Ideal (AWGN) Channel

Ideal Channel

Kanal Ideal meloloskan semua spektrum sinyal tanpa distorsi (dikatakanBW 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 menggunakanstatistik-statistik dari AWGN (terdistribusi Gaussian)

Transmitted bit

Ideal channel

AWGN

detection

A. Pendahuluan


Kanal Real

Kanal Real (Physical Channel) :

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 ! Pertanyaannyasekarang : Bagaimana membuat BW sinyal lebih kecil dari BW kanal ??

Transmitted bit

Physical Channel

AWGN

detection

A. Pendahuluan


Fundamental klasifikasi propagasi

A. Pendahuluan


Pemodelan Kanal Propagasi

A. Pendahuluan


Faktor utama yang mempengaruhi pemodelan kanal

A. Pendahuluan


Problem utama ada pada air interface

A. Pendahuluan

Wireless propagation


Wireless PropagationFree Space Loss

Diasumsikan terdapat satu sinyal langsung (line of sight path) ! sangatmudah memprediksi dengan free space formula

ReflectionTerdapat sinyal tak langsung datang ke receiver setelah mengalamipantulan terhadap object. Mungkin terdapat banyak pantulan yang berkontribusi terhadap besarnya delay.

DiffractionPropagasi melewati object yang cukup besar ! seolah-olahmenghasilkan sumber sekunder, seperti puncak bukit dsb.

ScatteringPropagasi melewati object yang kecil dan/atau kasar yang menyebabkan banyak pantulan untuk arah-arah yang berbeda.

A. Pendahuluan


Problems of Wireless Channel

Jika sejumlah bagian besar spektrum sinyal tidak bisalolos melewati kanal ! Sinyal akan mengalami distorsidisebabkan terbatasnya BW kanal.

Receiver harus didesain untuk mampu mendeteksi sinyalyang terdistorsi (yang disebabkan kanal wireless + AWGN)

Distorsi yang terjadi akan semakin parah (disebabkankanal wireless) berkaitan dengan terjadinya propagasilintasan jamak (multipath) ! ISI

Tanpa teknologi-teknologi yang canggih, detektor tidakakan mampu mendeteksi sinyal yang diterima berhubungsinyal yang diterima dari kanal wireless sangat jelek !

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-terhadap jarak , dimana umumnya 2 < < 5 (untuk komunikasi bergerak). ! 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.

A. Pendahuluan


Fading

Large Scale Fading

Small Scale Fading

" TerdistribusiLognormal

" Terdistribusi Rayleigh / Rician

Fading didefinisikan sebagaifluktuasi daya di penerima

Karena perilaku sinyal padakanal multipath adalah acak, maka analisis fading menggunakan analisisprobabilitas stokastik

Fading terjadi karenainterferensi atau superposisigelombang multipath yang memiliki amplitudo dan fasayang berbeda-beda

A. Pendahuluan

Definisi


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

A. Pendahuluan


A. Pendahuluan


B. Large Scale Fading / Shadowing

Kuat sinyal (dB)

Jarak

Large Scale Fadingdisebabkan karena akibatkeberadaan obyek-obyekpemantul serta penghalangpada kanal propagasi sertapengaruh kontur bumi, menghasilkan perubahansinyal dalam hal energi, fasa, serta delay waktu yang bersifatrandom.

Definisi : local mean ( time averaged ) dari variasi sinyal

Sesuai namanya, large scale fading memberikan representasi rata-rata dayasinyal terima dalam suatu daerah yang luas.

Statistik dari large scale fading memberikan cara perhitungan untukestimasi pathloss sebagai fungsi jarak.


=

2m

2

2)mm(

m

e2

1)m(p

Dengan, m = normal random variabel kuat sinyal (dBm)

= rata-rata (mean) kuat sinyal (dBm) m = standar deviasim

Probability Distribution Function (PDF) dari suatu variabelrandom yang terdistribusi lognormal dinyatakan sbb :



Pada gambar di samping, diberikanpemetaan kuat sinyal berdasarkan hasilpengukuran di suatu kota besar. Sehinggatampak bahwa kerapatan bangunanmempengaruhi kuat sinyal.

Dari gambar di samping , tampak bahwakuat sinyal di berbagai bagian kotaberbeda-beda. Hal tersebut disebabkankarena superposisi gelombang di berbagitempat tadi bisa saling menjumlah maupunsaling mengurangi.

Pada gambar di samping, warna yang berbeda menunjukkan distribusi large scale fading pada masing-masing lokasi yang terkait dengan kontur bumi dankerapatan bangunan. Jika MS bergerak, maka penerimaan akan bervariasidengan cepat dan sangat terpengaruh dengan pergerakan MS tersebut, yang distribusi variasi-nya merupakan karakteristik dari small scale fading.



Metoda Pengukuran dgn Regresi

Pilih beberapa lokasiberjarak d1 dan lakukanpengukuran path loss

Ulangi unttuk d2 and d3 , dst

Plot nilai mean pathlosssebagai fungsi jarak

See next page

Cell site (Tx)

d1 d2d3



Pengukuran Pathloss

Range jarak pengukuran optimal umumnya pada sekitar 2 karena jikajaraknya terlalu dekat ! mungkin tidak memberikan harga rata-rata (mean value), sedangkan jika range jarak pengukuran terlalu jauh ! mungkin akankeluar dari nilai large scale realnya ( nilai mungkin sudah berubah)

Jumlah sample pengukuran adalah > 36 sample untuk mendapatkan interval tingkat keyakinan 90%

2 wavelength

Hasil pengukuran sinyal dapat sebagai berikut :



Mendapatkan Mean dan Standar Deviasi

Pengukuran biasa dilakukan untukbeberapa tipe daerah: Urban, suburban, dan open area

Catat bahwa pengukuran padaradius konstan dari BTS dapatmenghasilkan pathloss yang berbeda

Dengan regresi linear kita bisamendapatkan trend mean pathlossdan standar deviasi disekitar nilairata-rata

Contoh untuk urban : path loss ! Slope = 33.2 dB/decade and! Std dev. = 7 dB

Distance d [km]

Path

loss [dB]

urban

suburban

open

x x x

x x

x x x

x x

x x

x x

x x

o o o

o o o

o o

o o

o o

o o

o

o o

# #

# #

# #

#

3 4 6

79

85

75



Aplikasi dalam prediksi cakupan Contoh misalkan untuk jarak d2 = 4 km

(lihat halaman sebelumnya untukdaerah 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 tingkatkeyakinan (confidence level) 84 % (1) membutuhkan margin 7 dB , danuntuk tingkat keyakinan 97.7 % (2) membutuhkan margin 14 dB

Cell site (Tx)

d1 d2d3

Akan dijelaskan lebih lanjutbagian prediksi cakupan !!



Contoh : Hasil pengukuranpathloss pada kota-kotadi Jerman.

Dari data disampingdidapatkan : mean pathloss eksponen = 2,7 dan = 11,8



C. Small Scale Fading

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

Lingkungan kanal radio mobile ( indoor / outdoor ) seringkali tidakterdapat lintasan gelombang langsung antara Tx dan Rx, sedemikian daya terima adalah superposisi dari banyakkomponen gelombang pantul masing-masing memiliki amplitudodan fasa saling independen

Atau Multipath Fading , atau Short Term Fading


Faktor-FaktorYang MempengaruhiSmall Scale Fading

Gerak relatif antara Base Station dengan MS menghasilkanmodulasi frekuensi random berkaitan dengan pergeseranfrekuensi Doppler yang berbeda untuk tiap lintasanmultipath.

Doppler shift bisa positif dan negatif tergantung dari posisipergerakan MS terhadap RBS

Jika obyek-obyek bergerak dalam suatu kanal radio, makaakan menghasilkan pergeseran Doppler yang berubahterhadap waktu , yang berbeda untuk tiap komponenmultipath.

Jika pergerakan benda lebih besar dibandingkan gerakanMS sendiri, maka akan mendominasi small scale fading

Pita frekuensi yang relatif lebih lebar dibandingkanbandwidth kanal multipath, akan mengalami frequency selective fading.


Lebar pita transmisi sinyal

Kecepatan Obyek Pemantul

Kecepatan MS


RBS

v

d

Variasi sinyal sesaat (small scale variation) sinyal komunikasi bergerak secara langsungberhubungan dengan respon impulse darikanal radionya.

Respon impulse ini merupakan karakteristikkanal yang memuat informasi sifat-sifatkanal radio.

Karakteristik kanal perlu diketahui untukmengetahui unjuk kerja sistem komunikasidalam kanal radio

Kanal radio mobile memiliki sifat Linear Time Varying Channel

h(t)x(t) y(t)

Model Respon Impulse Kanal Multipath



h(d,t)x(t) y(d,t) Sinyal yang diterima , merupakan fungsi jarak (d) dan waktu (t)

+

== d)t,d(h)(x)t,d(h)t(x)t,d(y

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

=t

d)t,t.v(h)(x)t,t.v(y

Asumsi v konstan , maka d hanya merupakan fungsi kecepatan (v) danwaktu (t)

==t

d)t,t.v(h)(x)t,t.v(h)t(x)t(y

C. Small Scale Fading - model respon impulse kanal multipath


( ) ( ) = +=N

1k k0krtf2cosate

Sinyal terima dapat dinyatakan sbb :

dimana,f0 = frekuensi carrierN = jumlah lintasan multipathak , k = amplitudo dan fasa dari

komponen multipath ke-k

( ) ( ) = +=N

1k k0krtf2cosate

( ) ( ) ( ) ( ) ( )k0k0k0 sintf2sincostf2costf2cos =+Recall :

Analisis Sinyal MultipathAsumsi : Kendaraan tak bergerak

C. Small Scale Fading analisis sinyal multipath


( ) ( ) ( ) ( ) ( ) == =N

1k kk0N

1k kk0rsinatf2sincosatf2coste

( ) ( ) ( )tf2sinYtf2cosXte 00r =Dengan asumsi :N besar (banyak lintasan) ! Secara teori tak terbatas, secara praktis > 6k terdistribusi uniform pada (0 sd 2)ak masing-masing dapat dibandingkan (tidak ada yang cukup dominan)X dan Y terdistribusi secara Identik Gaussian tetapi saling Independen

Maka :22 YXrEnvelopeSinyal +== Terdistribusi RAYLEIGH !!

Identically Independently Distributed (IID)

X

Y r

C. Small Scale Fading analisis sinyal multipath


DISTRIBUSI RAYLEIGH memiliki probability density function (pdf), sbb:

( ) ( )

( )

BW koheren , sehingga memerlukan equalizer

Jadi,

C. Small Scale Fading Parameter kanal multipath parameter dispersi waktu





Intersymbol Interference (ISI):

Ketika multipath delay spread lebih besar dari 20% durasisimbol, ISI dapat menjadi problem. Untuk mengatasi ISI

Pertama, receiver dipasangi dengan adaptive equalizerEqualizer ini menguji efek delay multipath pada deretan training bit yang diketahui, selanjutnya menggunakan informasi hasil pengujianini untuk mengatasi efek delay multipath pada deretan bit-bit informasisesungguhnya

Kedua, menggunakan kode-kode proteksi error (channel coding) untuk mendeteksi dan mengkoreksi error

Catatan : ISI tidak bisa diatasi dengan memperbesar kuatsinyal !!


Typical Delay SpreadsMacrocells 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



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 terhadapwaktu (time invariant).

Dalam kata lain: Channel coherence time adalah waktudimana 2 sinyal terima memiliki korelasi amplitudo yang kuat

Jika periode simbol (reciprocal BW) lebih besar dari coherence time ! artinya kanal akan berubah selama periode simboltersebut ! terjadi fast fading.



Doppler Spread dan Coherence Time

Doppler shift (pergeseran doppler) adalah pergeseranfrekuensi yang disebabkan pergerakan penerima.

Doppler shift meningkatkan bandwidth sinyal yang ditransmisikan

Latar belakang : Pergeseran Doppler ( Doppler Shift )

C. Small Scale Fading Parameter kanal multipath Efek doppler


Doppler spread , fm , adalah pergeseran doppler maksimum

Coherence Time, TC :

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

maksimum, cos = 1



Example Sebuah vehicle melaju pada v = 36 km/jam menerima

sinyal multipath pada frekuensi 900 MHz menjauh daripemancar. 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



SMALL SCALEFADING

FLAT FADING

Berdasarkanatas multipathTime DelaySpread

Berdasarkanatas DopplerSpread

FREQUENCYSELECTIVE FADING

FAST FADING

SLOW FADING

# BW sinyal < BW koheren# Delay spread < periode

simbol

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

# Doppler spread >># Coherence time < periode

simbol# Variasi kanal lebih cepat dari

variasi sinyal baseband

# Doppler spread periode

simbol# Variasi kanal lebih lambat dari

variasi sinyal baseband

KlasifikasiSmall Scale Fading



%------------------% fading parameters%------------------

c_light = 3E8; % speed of light (m/s)v = 10; % vehicle's speed (kph)B = 40; % number of bit per slotR = 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 slotlen = 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 signalfigure(1);plot(ts*T,abs(y));title('Fading Signals')xlabel('time (sec)')ylabel('amplitude')

Fading Simulator : Jakes Method


Referensi-Referensi

[1] Bogi W, Nachwan MA, Lecture Notes : Transmisi KomunikasiBergerak, 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 SistemKomunikasi Seluler , ITB , 2003

[6] Lee, William CY, Mobile Communication Engineering, McGraw-Hill, 1982

[7] Linnartz, Jean-Paul MG, Wireless Communication CD ! see on his web

prop a gas i fading 2000

Documents