Pendahuluan Smart Antenna SPACE DIVISION MULTIPLE ACCESS

BAB III SPACE DIVISION MULTIPLE ACCESS

SDMA

3.1 Pendahuluan

Beberapa tahun terakhir ini, tantangan terbesar yang dihadapi oleh pemerintah dan penyedia layanan adalah hubungan terakhir “last- mile” connection, yaitu saluran terakhir antara pengguna dan jaringan worldwide. Hal ini tidak dapat dipenuhi oleh koneksi dengan menggunakan kabel karena segala keterbatasan yang dimilikinya. Hal ini telah dijawab dengan penyediaan layanan komunikasi wireless. Namun, beberapa tahun terakhir permintaan untuk penyediaan layanan melalui komunikasi wireless telah meningkat melebihi semua perkiraan, yang menyebabkan kelangkaan pada sumber komunikasi wireless itu sendiri, yaitu keterbatasan dari frekuensi radio yang dapat digunakan. Hal ini menyebabkan peningkatan harga untuk memperoleh lisensi yang tersisa dan peningkatan biaya infrastruktur yang diperlukan untuk menyediakan layanan ini. Space ruang adalah batas akhir menuju sistem komunikasi wireless generasi baru. Transmisi pengiriman dan penerimaan dari energi RF yang selektif secara ruang menjanjikan peningkatan yang besar dalam kapasitas, wilayah, dan kualitas sistem wireless. Penyaringan dalam daerah ruang dapat memisahkan secara spektral sinyal-sinyal yang saling menutupi overlapping dari unit mobile yang banyak. Jadi, dimensi ruang dapat dimanfaatkan sebagai teknik akses jamak hibrid yang melengkapi frequency division multiple access FDMA, time division multiple access TDMA, dan code division multiple access CDMA. Pendekatan ini Universitas Sumatera Utara biasanya disebut dengan space division multiple access SDMA dan memungkinkan pengguna yang banyak dalam sel radio yang sama dimuat dalam frekuensi dan slot waktu yang sama, seperti yang digambarkan pada Gambar 3.1. Pewujudan dari teknik ini disempurnakan dengan menggunakan smart antenna [9]. Gambar 3.1 Konsep SDMA

3.2 Perkembangan dari Omnidirectional Menuju Smart Antenna

Sebuah antena dalam suatu sistem telekomunikasi adalah port tempat terusan dimana energi frekuensi radio RF dirangkai dari pengirim ke dunia luar untuk tujuan pengiriman, dan sebaliknya, ke penerima dari dunia luar untuk tujuan penerimaan. Selama ini, antena merupakan komponen sistem telekomunikasi yang paling sering diabaikan. Padahal, cara dimana energi radio frekuensi didistribusikan ke dan dikumpulkan dari ruang memiliki pengaruh yang besar terhadap pengunaan Universitas Sumatera Utara spektrum yang efisien, biaya pendirian jaringan komunikasi personal yang baru, dan kualitas layanan yang disediakan oleh jaringan tersebut.

3.2.1 Antena Omnidirectional

Sejak permulaan komunikasi wireless, telah ada antena dipole yang sederhana, yang memancarkan dan menerima sama baiknya dalam semua arah. Untuk menemukan penggunanya, desain elemen tunggal ini memancarkan secara omnidirectional dalam sebuah pola yang menyerupai riak pancaran yang kelihatan dalam sebuah kolam air, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.2 [10]. Gambar 3.2 Antena Omnidirectional dan Bentuk Cakupan Untuk lingkungan RF yang sederhana dimana tidak ada pengetahuan khusus keberadaan si pengguna yang tersedia, pendekatan sinyal-sinyal tersebar yang tidak terfokus ini, mencapai pengguna-pengguna yang diinginkan dengan hanya persentasi yang kecil dari keseluruhan energi yang dikirim ke lingkungan. Dengan batasan ini, strategi omnidirectional mencoba untuk mengatasi tantangan-tantangan dari lingkungan dengan cukup menaikkan level daya dari sinyal-sinyal yang disiarkan. Universitas Sumatera Utara Dalam sekumpulan pengguna yang banyak dan pengganggu, hal ini memperparah situasi yang buruk dimana sinyal-sinyal tersebut yang tidak menemukan pengguna yang dimaksudkan menjadi gangguan untuk pengguna lain yang berada di sel yang sama atau berdampingan. Dalam aplikasi uplink pengguna ke base station, antena omnidirectional menawarkan tidak ada gain istimewa untuk sinyal-sinyal dari pengguna-pengguna yang dilayani. Dengan kata lain, pengguna harus memancarkan energi sinyal yang mampu bersaing. Juga, pendekatan elemen tunggal ini tidak dapat menolak secara selektif sinyal-sinyal gangguan dari sinyal-sinyal pengguna yang dilayani dan tidak mempunyai peringanan multipath ruang atau kemampuan penyeimbang. Oleh karena itu, strategi omnidirectional secara langsung dan berlawanan dengan efisiensi spectral, membatasi penggunaan kembali frekuensi. Batasan-batasan dari teknologi antena penyiaran ini yang berkenaan dengan kualitas, kapasitas, dan cakupan geografis dari sistem wireless mendesak sebuah evolusi dalam desain fundamental dan peran dari antena dalam sistem wireless.

3.2.2 Antena Directional dan Sistem Tersektor

Sebuah antena dapat juga dibangun untuk memiliki arah-arah pengiriman dan penerimaan tertentu yang telah ditetapkan. Sistem antena tersektor mengambil area selular tradisional dan membaginya kedalam sektor-sektor yang dicakup dengan menggunakan antena directional yang ditinjau dari lokasi base station yang sama, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.3. Secara operasional, masing-masing sektor diperlakukan seperti sebuah sel yang berbeda dalam suatu sistem, dimana daerah jangkauannya dapat lebih besar daripada seperti pada kasus omnidirectional, karena daya dapat difokuskan ke area yang lebih sempit. Ini biasanya ditunjukkan sebagai Universitas Sumatera Utara gain elemen antena. Tambahan, sistem antena tersektor meningkatkan kemungkinan penggunaan ulang dari sebuah kanal frekuensi dalam suatu sistem selular dengan mengurangi gangguan yang berpotensial melewati sel asal. Akan tetapi, karena masing-masing sektor menggunakan frekuensi yang berbeda untuk mengurangi gangguan co-channel, handoff handover antara sektor diperlukan. Sektor yang lebih sempit memberikan performa yang lebih baik dari sistem tersebut, namun hal ini akan menghasilkan handoff yang banyak. Sementara sistem antena tersektor memperbanyak penggunaan dari kanal- kanal, mereka tidak mengatasi kerugian utama dari standar antena omnidirectional seperti penyaringan dari sinyal-sinyal ganggunan yang tidak diinginkan dari sel-sel berdampingan [10]. Gambar 3.3 Sistem Antena Tersektor dan Bentuk Cakupan

3.2.3 Sistem Diversitas

Sistem komunikasi wireless dibatasi dalam performa dan kapasitas oleh tiga kelemahan utama seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.4. Yang pertama adalah multipath fading, yang disebabkan oleh lintasan yang banyak yang ditempuh oleh sinyal yang dipancarkan untuk mencapai antena penerima. Sinyal-sinyal dari lintasan Universitas Sumatera Utara ini ditambah dengan phasa yang berbeda, menghasilkan amplituda dan phasa sinyal yang diterima berubah berbeda dengan lokasi, arah, dan polarisasi antena juga dengan waktu dengan pergerakan dalam lingkungan [9]. Gambar 3.4 Kelemahan-kelemahan Sistem Wireless Kelemahan yang kedua adalah delay spread, dimana perbedaannya adalah penundaan propagasi diantara lintasan yang banyak. Ketika lebarnya penundaan melebihi kira-kira 10 persen dari durasi simbol, gangguan intersimbol yang signifikan dapat terjadi, yang membatasi kecepatan data maksimum. Kelemahan yang ketiga adalah co-channel interference. Sistem selular membagi kanal-kanal Universitas Sumatera Utara frekuensi yang tersedia kedalam kumpulan-kumpulan kanal, menggunakan satu kumpulan kanal tiap sel, dengan penggunaan ulang frekuensi. Inilah yang menyebabkan co-channel interference. Untuk level gangguan co-channel yang ditentukan, kapasitas dapat dinaikkan dengan menyusutkan ukuran sel, tetapi dengan penambahan base station. Ada tiga cara untuk menyediakan gain diversitas, yaitu: i ruang spatial, ii polarisasi, dan iii sudut diversitas. i Untuk diversitas ruang, antena-antena dipisahkan cukup jauh untuk korelasi fading yang rendah. Pemisahan yang diperlukan tergantung pada lebar sudutnya, yang mana adalah sudut dimana sinyal sampai pada antena penerima. Dengan handset, yang biasanya dikelilingi dengan objek-objek yang lain, lebar sudutnya tipikal 360 , dan jarak pisah seperempat panjang gelombang dari antena sudah cukup. Ini juga berlaku untuk antena-antena base station dalam sistem indoor. Untuk sistem oudoor dengan antena-antena base station yang tinggi, lebar sudutnya mungkin hanya beberapa derajat saja walaupun dapat jauh lebih tinggi dalam area urban, dan pemisahan horizontal sebesar 10-20 panjang gelombang diperlukan, dan hal ini yang membuat ukuran dari susunan antena menjadi sebuah persoalan. ii Untuk diversitas polarisasi, dua polarisasi orthogonal digunakan yang sering adalah ± 45 . Polarisasi-polarisasi orthogonal ini memiliki korelasi yang rendah, dan antena dapat memiliki profil yang kecil. Akan tetapi, diversitas polarisasi hanya dapat menggandakan diversitas, dan untuk antena base station yang tinggi, polarisasi horizontal menjadi 6-10 dB lebih lemah daripada polarisasi vertikal, yang mengurangi gain diversitas. Universitas Sumatera Utara iii Untuk diversitas sudut, beam-beam sempit yang berdekatan yang digunakan. Profil antenanya adalah kecil, dan beam-beam yang berdekatan biasanya memiliki korelasi fading yang rendah. Akan tetapi, dengan lebar sudut yang kecil, ketika sinyal yang diterima sebagian besar sampai pada satu beam, beam-beam yang berdekatan memiliki level sinyal yang diterima lebih dari 10 dB lebih lemah daripada beam yang terkuat, menghasilkan gain diversitas yang kecil. Gambar 3.5 menunjukkan tiga pilihan diversitas antena dengan empat elemen antena untuk sebuah sistem tersektor 120 . Gambar 3.5 a menunjukkan diversitas ruang dengan jarak kira- kira tujuh panjang gelombang 7λ antara elemen-elemen 3,3 m pada 1900 MHz. Sebuah elemen antena khas memiliki gain 18 dBi dengan 65 beamwidth horizontal dan 8 beamwidth vertikal. Gambar 3.5 b menunjukkan dua antena polarisasi rangkap dua, dimana antena-antena tersebut dapat berjarak se mpit λ2 untuk menyediakan kedua diversitas sudut dan polarisasi di dalam profil yang kecil, atau berjarak lebar 7λ untuk menyediakan kedua diversitas ruang dan polarisasi. Elemen-elemen antena yang ditunjukkan adalah antena-antena polarisasi dengan kemiringan 45 , yang juga biasa digunakan, daripada antena terpolarisasi vertikal dan horizontal. Akhirnya, Gambar 3.5 c menunjukkan susunan terpolarisasi vertikal berjarak sempit λ2, yang menyediakan diversitas sudut dalam sebuah profil yang kecil. Universitas Sumatera Utara Gambar 3.5 Pilihan diversitas antena dengan empat elemen: a diversitas ruang b diversitas polarisasi dengan diversitas sudut dan ruang c diversitas sudut Diversitas menawarkan perbaikan dalam kekuatan sinyal diterima yang efektif dengan menggunakan salah satu dari dua metode berikut ini [11]: • Switched diversity. Anggap bahwa paling sedikit satu antena akan berada dalam suatu lokasi yang baik tepat pada suatu waktu, sistem ini secara berkesinambungan berganti diantara antena-antena menghubungkan masing- masing kanal penerimaan ke antena pelayanan yang terbaik sehingga selalu menggunakan elemen dengan daya sinyal yang paling tinggi. • Diversity combining. Pendekatan ini memperbaiki phasa yang salah dalam dua sinyal multipath dan secara efektif menggabungkan daya dari kedua sinyal untuk menghasilkan gain. Gambar 3.6 menunjukkan kedua metode di atas. Universitas Sumatera Utara a b Gambar 3.6 Metode Perbaikan Diversitas: a Switched Diversity b Combined Diversity Antena-antena diversitas bergantian beroperasi dari satu elemen yang bekerja ke elemen yang lain. Walaupun pendekatan ini mengurangi besar multipath fading, manfaatnya dari satu elemen pada satu waktu tidak menawarkan peningkatan uplink gain lebih dari pendekatan elemen tunggal yang lain. Sistem diversitas dapat berguna pada lingkungan-lingkungan dimana fading adalah mekanisme yang dominan untuk Universitas Sumatera Utara penurunan siyal. Dalam lingkungan dengan interferensi yang signifikan, bagaimanapun, strategi sederhana dari penguncian sinyal terkuat atau penyulingan daya sinyal maksimum dari antena jelas tidak tepat dan dapat menghasilkan penerimaan bersih dari sebuah pengganggu dengan mengorbankan sinyal yang diinginkan. Kebutuhan untuk memancarkan ke banyak pengguna lebih efisien tanpa penggabungan permasalahan interferensi menuntun kepada tahap selanjutnya dari evolusi sistem antena yang secara cerdas mengintegrasikan operasi bersama dari elemen-elemen antena diversitas.

3.3 Smart Antenna

Sebuah smart antenna didefenisikan sebagai susunan antena-antena dengan unit pengolahan sinyal digital yang dapat mengubah polanya secara dinamis untuk menyesuaikan dengan noise, interferensi, dan multipath. Konsep diagram blok dari sebuah sistem smart antenna ditunjukkan pada Gambar 3.7. Tiga blok utama dapat diidentifikasi sebagai: i susunan antena, ii weight kompleks, iii prosesor sinyal adaptif. Susunan antena terdiri dari sebuah Uniform Linear Array ULA atau Uniform Circular Array UCA dari elemen-elemen antena. Elemen-elemen antena secara individu diasumsikan identik, dengan pola omnidirectional dalam bidang azimuth. Sinyal-sinyal yang diterima pada elemen-elemen antena yang berbeda digandakan dengan weight dan kemudian dijumlahkan. Weight kompleks disesuaikan secara terus-menerus oleh prosesor sinyal adaptif yang menggunakan semua informasi yang tersedia untuk menghitung weight-nya. Konfigurasi yang demikian dapat meningkatkan kapasitas dari saluran wireless melalui sebuah kombinasi dari gain diversitas, gain susunan, dan penekanan interferensi, dan peningkatan kapasitas Universitas Sumatera Utara mewujudkan kecepatan data yang lebih tinggi. Hal ini dilakukan supaya beam utama melacak pengguna yang diinginkan danatau meniadakan menolkan arah dari pengganggu danatau side lobes yang mengarah ke pengguna yang lain diperkecil. Oleh karena itu, istilah smart sebenarnya mengacu pada sistem antena secara keseluruhan dan tidak hanya pada susunan antena itu saja [12]. Gambar 3.7 Diagram Blok dari sebuah Sistem Smart Antenna

3.4 Cara Kerja Smart Antena