Spectrum Sensing

TEORI PENUNJANG 2.1Radio kognitif

2.2 Spectrum Sensing

Spectrum sensing adalah satu dari beberapa fungsi penting dari radio kognitif (CR) untuk mendeteksi spectrum holes atau spektrum bebas pada pengguna utama dalam band frekuensinya. Pengguna yang telah terdaftar dan memiliki ijin untuk memanfaatkan spektrum frekuensi dalam sistem radio kognitif disebut sebagai pengguna utama (primary user/PU), sedangkan pengguna yang tidak memiliki lisensi spektrum dan akan memanfaatkan spektrum frekuensi pada waktu pengguna utama tidak memanfaatkannya disebut sebagai pengguna sekunder (secondary user /SU). Pengguna sekunder dapat memanfaatkan frekuensi kosong pada waktu tertentu saat pengguna utama tidak memanfaatkannya. Agar pemanfaatan frekuensi tersebut tidak mengganggu pengguna utama, maka perlu mekanisme untuk mendeteksi kekosongan spektrum, yang dikenal sebagai spectrum sensing. Ketika pengguna primer tidak memanfaatkan band frekuensinya, maka pengguna sekunder dapat memakainya supaya pemanfaatannya meningkat dan efisien. Sensor spektrum dasarnya melakukan uji hipotesa biner apakah ada atau tidak ada sinyal utama dalam saluran tertentu. Saluran bebas dibawah hipotesa 0 dan sibuk dibawah hipotesa 1.

ℋ₀ (𝑖𝑑𝑙𝑒) 𝑣𝑠. ℋ₁(𝑏𝑢𝑠𝑦) (2.1)

Secara umum spectrum sensing dapat diklasifikasikan seperti Gambar 2.4.

13 2.2.1 Spectrum Sensing Terdistribusi

Pada arsitektur centralized, banyak informasi yang harus dilewatkan melalui jaringan dan central controller (kontrol pusat) untuk mengkoordinasi spektrum mereka. Hal ini mengakibatkan terjadinya jumlah trafik yang padat. Oleh karena itu spectrum sensing terdistribusi lebih unggul dan diutamakan. Pada spectrum sensing terdistribusi deteksi band frekuensi yang kosong dari setiap pengguna kognitif radio dapat berbeda-beda tergantung dari tingkat deteksi mereka terhadap kondisi sebenarnya. Hal ini dapat dipengaruhi oleh trafik, jarak, kondisi kanal dan lain sebagainya seperti contoh pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Ilustrasi dari spectrum sensing terdistribusi[6] Dari gambar 2.5 dapat dilihat kognitif radio (CR) bertindak sebagai secondary user. Dengan menggunakan metode deteksi kanal, pengguna kognitif radio dapat melakukan spectrum sensing dari pengaruh jarak. CR1 diibaratkan dapat mendeteksi keberadaan PU sedangkan CR2 dan CR3 tidak. Maka salah satu cara untuk dapat mengetahui kondisi sebenarnya dari PU adalah dengan mendapatkan informasi dari CR1 yang hasil deteksinya sesuai dengan kondisi sebenarnya. Oleh karena itu hal ini dapat dilakukan jika ketiga CR saling bekerjasama.

2.2.2 Transmitter Detection (Non-cooperative Detection)

Dari Gambar 2.4 diketahui bahwa teknik yang umum digunakan untuk melakukan penginderaan spektrum (spectrum sensing) berdasarkan transmitter detection adalah Energy Detection, Matched Filter Detection dan Cyclostationery Detection. Pada transmitter detection signal yang diterima oleh Secondary User (SU) dimodelkan dalam membuat sebuah keputusan tentang uji hipotesa dalam memilih ℋ0 atau ℋ1 didasarkan pada sinyal yang diterima[7].

ℋ₀∶ r(t) = n(t) Primary User (PU) tidak ada (2.2) CR1

CR2 PU

14

ℋ1 ∶r(t) = s(t) + n(t) Primary User (PU) ada (2.3) Keterangan :

s(t) adalah sinyal yang dipancarkan oleh primary transmitter n(t) adalah noise AWGN dengan zero mean and variance(𝜎𝑠²) dan

identically and independent distribution (i.i.d).

r(t) adalah sinyal yang diterima dari hipotesa yang dilakukan. Kondisi pertama merupakan keadaan ketika sinyal yang diterima SU hanya berupa noise saja yakni n(t). Jika kondisi ini terpenuhi maka pada sisi SU tidak ada PU yang terdeteksi. Kondisi kedua merupakan keadaan ketika sinyal yang diterima adalah sinyal yang dipancarkan oleh PU yang telah bercampur dengan noise kanal yaitu s(t)+n(t). Pemodelan hipotesis ini sama untuk semua model deteksi yang merupakan metode non-cooperative pada spectrum sensing.

Dalam prakteknya beberapa tantangan untuk spectrum sensing adalah diharuskan SNR untuk deteksi serendah mungkin. Pada kanal nirkabel ada multipath fading dan time dispertion yang dapat mempersulit masalah deteksi. Tantangan lainnya saat level derau/interferensi yang dapat berubah terhadap lokasi dan waktu, dimana daya derau yang tidak menentu adalah masalah untuk deteksi. Tujuan utama dari deteksi yaitu menentukan ada dan tidak adanya pengguna primer pita frekuensi (band frequency). Dari setiap metode deteksi yang digunakan untuk menentukan keberadaan pengguna primer dapat ditentukan oleh nilai probabilitas deteksi (𝑃_𝑑) dan probabilitas false alarm (𝑃_𝑓𝑎). Probabilitas deteksi adalah probabilitas bahwa detektor memutuskan bahwa saluran tersebut kosong sesuai dengan keadaan sebenarnya. Probabilitas false alarm adalah probabilitas yang memutuskan bahwa sinyal utama ada ketika sinyal itu sebenarnya tidak ada. Satu lagi probabilitas yang dikenal dalam metode deteksi adalah probabilitas missed detection (𝑃_𝑚𝑑). Probabilitas missed detection ini adalah probabilitas bahwa detektor memutuskan bahwa saluran tersebut kosong ketika saluran tersebut diduduki. Jika 𝑃_𝑓𝑎 tinggi maka tingkat pemanfaatan spektrum akan dikurangi dan pada sisi lain jika 𝑃𝑚𝑑 tinggi maka gangguan kepada pengguna primer meningkat. Hubungan antara 𝑃𝑑 dan 𝑃𝑓𝑎saling bertolak belakang. Apabila nilai 𝑃𝑑

semakin besar maka nilai 𝑃𝑓𝑎 semakin kecil. Untuk mendapatkan nilai 𝑃𝑑

yang besar maka diperlukan jumlah hasil deteksi yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan 𝑃𝑓𝑎. Oleh karena itu, setiap pengguna sekunder perlu saling membagi hasil sensing mereka. Perilaku inilah kemudian

15

dikenal dengan penginderaan kooperatif (cooperative sensing). Dalam permasalahan dari cooperative sensing berbagi informasi diantara pengguna sekunder adalah sesuatu yang penting. Informasi yang dibagikan diantara pengguna sekunder diatur dalam decision fusion. Aturan-aturan yang digunakan untuk membuat keputusan akhir ini adalah aturan “OR” dan aturan “AND”. “1” untuk sinyal yang ada dan “0” untuk sinyal yang tidak ada.

1. Aturan OR

Pada aturan OR ini jika salah satu keputusannya adalah “1” maka keputusan akhir adalah “1”. Pada aturan ini diasumsikan bahwa seluruh keputusan adalah independen sehingga probabilitas deteksi dan probabilitas false alarm adalah:

𝑃𝑑= 1 − ∏ (1 − 𝑃^𝐽_𝑖=1 𝑑,𝑖) (2.4)

𝑃_𝑓𝑎= 1 − ∏ (1 − 𝑃^𝐽_{𝑖=1 𝑓𝑎,𝑖}) (2.5)

2. Aturan AND

Pada aturan AND ini jika dan hanya jika seluruh keputusan adalah “1” maka keputusan akhir adalah “1”. Probabilitas deteksi dan probabilitas false alarm adalah:

𝑃_𝑑= ∏ (1 − 𝑃^𝐽_{𝑖=1 𝑑,𝑖}) (2.6)

𝑃𝑑= ∏ (1 − 𝑃^𝐽_𝑖=1 𝑓𝑎,𝑖) (2.7)

2.3 IEEE 802.16

Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) merupakan bagian dari teknologi Broadband Wireless Access (BWA), yaitu teknologi yang mampu memberikan layanan data dengan kecepatan tinggi. Sertifikasi yang menunjukkan interoperabilitas peralatan dibangun dengan standar IEEE 802.16. Dalam perkembangannya dikenal dua standar mainstream interface yakni standar IEEE 802.16d (fixed WiMAX) dan standar IEEE 802.16e (mobile WiMAX). WiMAX menyerupai Wi-Fi dalam hal penggunaan teknologi modulasi yang sama. WiMAX juga merupakan teknologi dengan open standar dalam arti komunikasi perangkat WiMAX di antara beberapa vendor yang berbeda tetap dapat dilakukan. Jaringan ini mendukung komunikasi nirkabel yang beroperasi pada batas frekuensi 2 GHz sampai dengan 11 GHz.

OFDM yang digunakan pada standar ini mempunyai 200 subcarrier, 192 subcarrier digunakan untuk data dan 8 lainnya digunakan untuk pilot. Masing-masing subcarrier mempunyai bandwidth sebesar 5

16

MHz. Modulasi yang digunakan pada masing-masing subcarrier bisa menggunakan Binary Phase Shift Keying (BPSK), Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), 16QAM dan 64 QAM. Untuk penggunaan pada frekuensi 3.5 GHz lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 2.1 berikut ini. Tabel 2.1 Rate Parameter 802.16[12]

Data Rate Mbps Modulation ^Coding Rate Coded bits per subcarrier Coded bits per OFDM symbol Periode symbol (µs) 1.41 BPSK ½ 1 192 68 2.12 BPSK ¾ 1 192 68 2.82 QPSK ½ 2 192 68 4.23 QPSK ¾ 2 192 68 5.64 16-QAM ½ 4 192 68 8.47 16-QAM ¾ 4 192 68 11.29 64-QAM 2/3 6 192 68 12.21 64-QAM ¾ 6 192 68