Propagation Model

Ringkasan minggu lalu Konsep seluler dan frekuensi reuse Kapasitas sel dan reuse  saat N kapasitas  Jenis-jenis interferensi Interferensi kochannel Perhitungan interferensi cochannel Interferensi Adjacent cahnnel Meningkatan Kapasitas dan daerah cakupan - Cell Splitting (Pembagian Sel) - Sectoring (pensektoran) - Microcell Zone (daerah mikrosel) - Penggunaan Repeater

Ringkasan Dasar-dasar propagasi Properti gelombang radio Dasar-dasar antena Pengenalan pada mekanisme radio propagasi

Intro Kanal radio dimana komunikasi bergerak berada, menjadi batasan dasar dari performansi sistem komunikasi wireless Jalur transmisi wireless dapat berupa: - LOS (line of Sight) - Non Line of Sight (NLOS), halangan dari gedung, cekungan /lembah Kanal radio bersifat random/acak dan sering bervariasi terhadap waktu (time varying) Memodelkan kanal radio merupakan bagian yang terumit dari perancangan sistem komunikasi radio

Dasar Propagasi Saat elektron bergerak, akan tercipta gelombang electromagnetic yang dapat merambat melalui udara Dengan menempatkan antena dengan ukuran yg tepat pada sebuah rangkaian listrik menjadikan gelombang elektromagnetik dapat dipancarkan secara efesien dan diterima oleh receiver (penerima) pada jarak yang jauh. Gelombang radio, miccrowave, infrared dan cahaya tampak adalah bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik yang dapat digunakan untuk mengirimkan informasi. Informasi dapat dikirm dengan memodulasi amplitudo, frekuensi atau phasa gelombangnya

Properti Gelombang Radio Mudah dibangkitkan Dapat merambat sampai jarak yang jauh Dapat menembus gedung (bangunan) Dapat digunakan untuk komunikasi indoor dan outdoor Bersifat omnidirectional – dapat merambat ke semua arah Dapat difokuskan pada frekuensi tinggi (lebih besar dari 10 MHz) menggunakan antena parabola ( seperti piring satelit)

Properti gelombang radio (2) Tergantung pada frekuensi - berperilaku seperti cahaya pada frekuensi yang tinggi - sulit melewati halangan - jalurnya langsung (jalur berupa garis lurus) - diserap oleh hujan - Bersifat seperti radio pada frekuensi yang rendah - dapat melewati halangan - dayanya turun dengan tajam seiring bertambah jarak dari sumber Terpengaruh oleh interferensi dari sumber gelombang radio yang lain.

Propagasi Radio bergerak : Dasar (1) Pada pita VLF, LF dan MF , gelombang radio mengikuti permukaan bumi, radio AM memancar menggunakan frekuensi MF pantulan ionosphere Pada pita HF, gelombang permukaan (ground wave ) cenderung di serap oleh tanah Gelombang mencapai ionosphere pada 100 – 500 km)di atas permukaan bumi, dipantulkan dan diterima kembali ke bumi

Propagasi Radio bergerak : Dasar (2) Transmisi VHF Jalur LOS Gelombang pantul Antena directional digunakan Gelombang lebih mengikuti jalan yg langsung komunikasi LOS (line off Sight) Gelombang yg dipantulkan berinterferensi dengan gelombang aslinya (langsung)

Propagasi Radio bergerak : Dasar (3) Pemodelan kanal radio dilakukan secara statistik Pemodelan secara statistik biasanya dilakukan dengan pengukuran data yang dibuat khusus untuk: - sistem komunikasi radio yang dimaksud - spektrum yang dimaksud Akan tetapi untuk frekuensi yg tinggi > 10 GHz model deterministic dipilih untuk sebagai model statistik mulai gagal. Dengan mengatur antena (kemiringan dan ketinggian) daerah cakupan dapat dikontrol

Dasar Antena (1) Penguatan antena transmiter Free space (udara) menerima daya sesuai dengan persamaan hukum Friis untuk ruang bebas Penguatan antena G dipengaruhi oleh apertur efektif Ao dengan persamaan: Aperture efektif antena tergantung pada ukuran fisik antena  berhubungan dengan frekuensi pembawa  = c/f Frekuensi yg lebih tinggi membuat gain antena lebih besar untuk ukuran antena yang sama Penguatan antena penerima Daya diterima Faktor Rugi-rugi Daya dikirim Jarak transmiter dan receiver

Dasar Antena (2) Sebuah radiator isotrophic merupakan antena yang ideal yang meradiasikan power dengan unit gain yang merata ke semua arah. Inilah yang dijadikan acuan antena dalam sistem komunikasi wireless. EIRP (effective isotrophic radiated power) didefinisikan sebagai EIRP = PT.GT ERP adalah power yang diradiasikan dibandingkan dengan antena dipole ½ panjang gelombang Karena antena dipole memiliki penguatan 1,64 (2,15 dB) ERP = EIRP – 2,15 dB Dalam prakteknya gain antena sering dinyatakan sebagai dBi (satuan gain dilihat dari sumber isotrophic)

Dasar antena (3) Rugi-rugi jalur (path loss) merepresentasikan atenuasi sinyal sebagai sebagai kuantitas yg negatif dan dinyatakan dalam satuan dB Saat gain antena tidak diperhitungkan Model Friis untuk ruang bebas hanya valid pada daerah yang jauh atau daerah Fraunhofer Daerah Fraunhofer didefinisikan sebagai: dimana D merupakan dimensi fisik linier terbesar antena Sebagai tambahan maka kita harus memiliki df >> D dan df >> 

Dasar antena (4) Hukum Friis untuk ruang bebas tidak berlaku untuk d = 0 Untuk itu digunakan referensi daya close-in untuk jarak d0 Jarak referensi/acuan dipilih sedemikian hingga d>d0 > df Sehingga Kadang kita mendefinisikan power yang diterima dengan referensi 1 mW dalam dBm dalam Watt

Contoh Transmiter dengan daya 50 Watt, jika pada jarak 100 m daya yang diterima 0.0035 mWatt. Cari daya yang diterima pada jarak 10 Km. Jawab

Contoh Berapa daerah far field sebuah antena Base Station dengan: dimensi antena terbesar 0,5 m frekuensi kerja f1 = 900 MHz frekuensi kerja f2 = 1800 MHz Untuk 900 MHz =(3.108/900.106)= 0,33 m Untuk 1800 MHz  =(3.108/1800.106)= 0,17 m

Dasar antena(5) Power flux pada jarak d ke (titik) antena ideal 1 m PT .GT

Contoh Sebuah base station, jika Pt = 10 watt, fc = 900MHz, Gt = 2 dan Gr = 1,mobile station pada jarak 5 Km, berapa power yang di terima dalam dBm? Pr(d) = -92,6 dBW atau Pr(d) = -62,6 dBm

contoh Sebuah BS GSM memiliki power transmitted Pt = 500 mW, fc = 900 MHz,GT = 2 ,Gr = 1, MS ada pada jarak 10 Km, berapa daya yang diterima? Pr(d)= -111,6 dBW = -81,6 dBm Note GSM sensitivity receiver = < -100 dBm

Contoh Sebuah transmiter mengirimkan daya 50 W. Jika do 100 m dan power yg diterima pada jarak itu 0,0035 mW, cari daya yg diterima pada jarak 10 km. Jawab:

Mekanisme radio propagasi Refleksi Mekanisme radio propagasi Scattering Difraksi

Mekanisme radio propagasi Refleksi terjadi saat gelombang elektromagnetik jatuh ke sebuah benda yang memiliki dimensi yang sangat besar dibandingkan dengan panjang gelombang contohnya permukaan bumi , bangunan, dinding , etc. Difraksi terjadi saat jalur radio antara transmiter dan receiver dihalangai oleh permukaan yang memiliki ketidak teraturan ketajaman (edges) - menjelaskan bagaimana sinyal radio dapat merambat pada lingkungan urban dan rural tanpa jalur LOS. Scattering terjadi saat medium memiliki objek yang lebih kecil atau dapat dibandingkan dengan panjang gelombang (objek yang kecil, permukaan yang kasar dan ketidak teraturan lain dalam kanal, contoh scattering pada 10 GHz terjadi jika adanya hujan contoh WIMAX namun GSM tidak terpengaruh)

Refleksi Terjadi ketika propagasi gelombang radio mengenai medium lain yang memiliki sifat elektrik berbeda. Jika gelombang radio jatuh pada medium yang memiliki sifat dielektrik sempurna maka : a. sebagian energi dipantulkan kembali b. sebagian energi diteruskan Intensitas medan listrik yang dipantulkan dan diteruskan berhubungan dengan koefisien Fresnel “I” Jika gelombang jatuh pada konduktor yang sempurna maka semua enenergi dipentulkan kembali (contoh, top of building, window surface dll)

Polarisasi Secara umum gelombang elektromagnetik mengalami polarisasi contoh: gelombang e.m memiliki komponen medan listrik sesaat dalam arah yang orthogonal di udara. Gelombang polarisasi dapat diwakili sebagai penjumlahan dari 2 komponen spasial yang ortogonal: a. Vertikal atau horisontal (jika kita memiliki antena dg polarisasi vertikal, maka dipenerima harus memiliki polarisasi yg sama jika tidak maka kita tdk dpt mendapatkan seluruh energinya) b. lingkaran polarisasi arah kiri ataupun kanan Polarisasi juga dapat digunakan sebagai derajat kebebasan dari perencanaan frekuensi.

Contoh polarisasi di LMDS (local to multipoints distribution services) yang dapat digunakan untuk standar 802.16 H1 H2 V1 V2 H1 = horisontal di frekuensi band 1 V1 = vertikal difrekuensi band 1 Base Station Radius sel Salah satu teknik meningkatkan penggunaan frekuensi reuse adalah dg membedakan arah polarisasi, jika band frekuensi yg sama digunakan kembali tapi dengan arah polarisasi yg berlawanan maka tidak akan terjadi interferensi

Refleksi dari dielektrik Ey Er Ei Er Ei Hr Hi Hr i Hi 1,1, 1 i r 1,1, 1 r Ex 2,2, 2 t 2,2, 2 t Et Et

Kebutuhan mengetahui model propagasi 1. Menentukan daerah cakupan transmiter Menentukan daya transmiter yang dibutuhkan Menentukan umur pakai baterai 2. Mencari skema modulasi dan koding untuk meningkatkan kapasitas kanal a. Menentukan kapasitas kanal maksimum

Model Propagasi ruang bebas/free space propagation (1) Menggunakan prediksi kuat sinyal yg diterima dalam kasus LOS antara T dan R contohnya komunikasi satelit

Small Scale Propagation

Large Scale Propagation

Refleksi permukaan(1) Pada jalur LOS skenario refleksi pada permukaan sangat penting Model refleksi permukaan two-ray sering digunakan Model ini cukup akurat untuk memperkirakan kuat sinyal skala besar pada jarak beberapa km. Asumsinya tinggi transmiter > dari 50 m

Model Refleksi Permukaan (2) ELOS Tinggi antena (Ht) Etot =ELOS+Eref ENLOS Eref Hp=tinggi antena receiver transmiter Penerima/MS d

Direct Path Untuk jalur LOS jika jarak sepanjang permukaan d, tinggi antena pengirim (ht) dan penerima (hr) padaTX and RX, maka d’

Jalur Pantul 2 hal yang berbeda untuk jalur pantul dibandingkan dengan jalur LOS: Jalurnya lebih panjang dibandingkan jalur LOS dengan total panjang Kuat sinyal pantul berubah sesuai dengan faktor 

Perbedaan jarak ELOS d’ ht-hp Etot =ELOS+Eref ENLOS ht Eref d’’ ht+hp 35

Rugi-rugi jalur dg jarak Log (Log Distance Path Loss) Penurunan daya Daya diterima pada model log distance path loss: 0 (dBm) adalah persamaan Friis, tapi Lp (dB) berubah dengan faktor 10n , bukannya 20. d0 merupakan tepi dari near field dan far field sekitar 1 m untuk propagasi indoor dan 10 – 100 m untuk propagasi outdoor

Indoor dan Model Jalur Site-specific Large Scale Model Atenuasi Jika jenis bahan halangan antara transmiter dan receiver diketahui, maka gain berikut dapat ditambahkan: PAFi adalah rugi-rugi yg disebabkan oleh halangan i (partition attenuation factor)

9.2 Ray-tracing models

Propagasi Ruang Bebas (free space propagation) Power yg diterima berkurang sesuai kuadrat jarak T dan R. Power yg diterima berkurang sesuai pertambahan jarak denga pengurangan 20 dB/decade ELOS Tinggi antena (Ht) Hp=tinggi antena receiver transmiter Penerima/MS d 39

Propagasi ruang bebas Jarak referensi (d0) a. Persamaan Friis tidak berlaku untuk d=0 b. Model untuk jarak dekat do sebagai titik referensi power yg diterima. - do harus >= dr sehingga efek near field tidak mengganggu - do harus lebih kecil daripada jarak lain pada pengguna mobile. c. do untuk sistem praktis (untuk frekuensi 1- 2 GHz) - 1 m dalam lingkungan indoor - 100 m- 1 km untuk outdoor

Free Space Propagation Model Path Loss (PL) mewakili atenuasi sinyal dalam dB PL merupakan perbedaan efektif power di TX dan Power di Rx

Model Radio Propagasi Membutuhkan model untuk karakterisasi kuat sinyal yg diterima pada penerima setelah mengalami refleksi, difraksi dan scattering a. small scale propagation b. Large scale propagation Model Propagasi radio dapat diturunkan dengan: Metode emphiris mengumpulkan pengukuran dan mencocokkan kurva Menggunakan metode analisis: memodelkan mekanisme propagasi secara matematis dan menurunkan persamaan path loss

Model Propagasi Small Scale Saat mobile user bergerak dengan jarak pendek, sinyal yg diterima akan berfluktuasi dengan cepat sehingga menimbulkan apa yg disebut small – scale fading - akibat dari sinyal yg merupakan jumlah dari kontribusi sinyal berbagai arah - karena faseny acak maka hasil penjumlahannya bersifat sebagai noise (Rayleigh Fading)  Dalam fading skala kecil kuat sinyal yg diterima dapat bervariasi antara 30 dB sampai 40 dB, saat penerima hanya bergerak beberapa bagian dari panjang gelombang.

Small scale Propagation model Jarak antara T-R hanya kecil (beberapa panjang gelombang) Terjadi di daerah dengan populasi padat (urban) Mekanisme propagasi yg sering terjadi : Scattering Beberapa duplikasi sinyal yg dikirim tiba di penerima melalui jalur dan waktu delay yg berbeda menambahkan power vektor dipenerima dikenal sbg fading. Koefisien atenuasi sinyal terdistribusi : Rayleigh dan Rician.

Model Propagasi Large-Scale Saat mobile user begerak menjauh dari transmiter melalui jarak yang jauh, rata-rata sinyal yg diterima akan perlahan-lahan berkurang Hal ini dinamakan Large –scale path Loss Umumnya rata-rata sinyal yg diterima dihitung dengan merata-ratakan pengukuran sinyal melalui jarak 5 sampai 40 (untuk PCS 1m – 10 m)

Model Propagasi Large Scale Jarak antara T-R besar (beberapa ratus atau ribuan meter) Mekanisme propagasi yg utama: refleksi Atenuasi kuat sinyal mengikuti rugi-rugi sepanjang jarak tempuh: shadowing Distribusi rugi-rugi sinyal : Log –Normal Model Log normal shadowing Fluktuasinya kecil sekitar rata-rata Bermanfaat untuk estimasi cakupan daerah radio sebuah transmitter.

Outdoor Propagation model Tergantung pada daerah cakupan, lingkungan propagasi outdoor terbagi atas: 1.propagasi pada macro cell 2.propagasi micro cell 3.Propagasi jalan micro cell

Macro cell BS berada pada titik tertinggi Daerah cakupan beberapa km Rata-rata rugi jalur (path loss) berupa distribusi normal, -rugi-rugi jalur adalah rugi2 akibat efek hamburan(scattering) dari beberapa halangan (obstacle),yg masing-masing menyumbangkan faktor multiplikasi acak -perubahan ke dB memberikan faktor random variable (variable acak) -jumlahnya biasanya terdistribusi karena adanya teorama central limit

Micro cell Karakteristik propagasi lebih lembut Multipath kecil delay spread dan fading yg kecil mengakibatkan data range dapat lebih besar. Kebanyakan diaplikasikan untuk daerah urban yg padat Jika Antena transmiter lebih rendah dibandingkan lingkungan sekitarnya dan sinyal merambat sepanjang jalan, maka dinamakan street micro cell.

Street Micro Cell Kebanyakan daya signal berpropagasi sepanjang jalan Sinyal dapat diterima dg kondisi jalur LOS jika receiver masih dalam jalan yg sama dg transmiter Sinyal dapat sampai melalui mekanisme propagasi tak langsung jika receiver berada di jalan yg berbeda.

Street Micro Cell Blok Bangunan D C A B

Sel Makro dibandingkan dengan Sel Mikro Macrocell Microcell Rdius Sel 1 – 20 km 0,1 – 1 km Daya Transmisi 1 – 10 W 0,1 – 1 W Fading Rayleigh Nakagami-Rice Sebaran delay RMS 0,1 – 10 mikro detik 10 – 100 nano detik Max Bit Rate 0,3 Mbps 1 Mbps

Model Propagasi Out door Transmisi radio outdoor terjadi pada daerah dengan permukaan tidak beraturan Gambaran permukaan harus dijadikan pertimbangan untuk memperkirakan rugi-rugi jalur Lembah, pohon, bangunan . Gurun, harus dijadikan pertimbangan

Longley Rice Model Diaplikasikan untuk komunikasi point to point Menjangjau frekuensi 40 MHz sampai 100 GHz Mencakup daerah yg luas Jalur geometri permukaan dan refraktifitas trophosphere digunakan dalam perhitungan Optik geometrik digunakan melalui model refleksi 2 sinar