ANALISIS PENGARUH SMART ANTENNA PADA PERLUASAN DAERAH DAN PENAMBAHAN KAPASITAS SISTEM KOMUNIKASI CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA) DENGAN MENGGUNAKAN
TEKNIK SPACE DIVISION MULTIPLE ACCESS (SDMA)
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan
sarjana ( S-1 ) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh:
040402078 Josua Simanjuntak
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
ANALISIS PENGARUH SMART ANTENNA PADA PERLUASAN
DAERAH DAN PENAMBAHAN KAPASITAS SISTEM
KOMUNIKASI CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA)
DENGAN MENGGUNAKAN TEKNIK SPACE DIVISION
MULTIPLE ACCESS (SDMA)
Oleh :
04 0402 078
JOSUA SIMANJUNTAK
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Disetujui oleh : Pembimbing,
196311281991031003 Ir. Arman Sani, MT
Diketahui oleh : Pelaksana Harian
Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,
19461022 197302 1 001 Prof. Dr. Ir. Usman S. Baafai
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
ABSTRAK
Sistem komunikasi merupakan sebuah sistem teknologi yang berkembang
dengan sangat cepat seiring dengan semakin pesatnya pertambahan jumlah pengguna
yang membutuhkan konektivitas yang tidak terbatas pada tempat. CDMA (Code
Division Multiple Access) merupakan salah satu teknologi telekomunikasi yang
memberikan layanan jasa ini.
Salah satu tuntutan pada kemajuan teknologi telekomunikasi,
khususnya sistem komunikasi CDMA, adalah kemampuan dalam mencakup para
pengguna dengan maksimal dan memiliki area cakupan komunikasi yang luas.
Kenyataanya, tuntutan ini dibatasi oleh beberapa kelemahan dari sistem CDMA itu
sendiri, misalnya users interferences, cell breathing, dan masalah near-far.
Kelemahan-kelemahan ini menyebabkan sistem CDMA tidak dapat bekerja secara
optimal. Salah satu metode untuk mengatasi masalah ini adalah dengan
mengimplementasikan teknik Space Division Multiple Access (SDMA).
Teknik SDMA bekerja dengan menggunakan ruang yang renggang
antara pengguna yang berbeda. SDMA menggunakan smart antenna sebagai
komponen utamanya. Antena ini terdiri dari beberapa elemen dimana masing-masing
elemen dapat bertindak sebagai pembuat sektor dan membuat pola radiasinya sendiri.
Hasilnya adalah kapasitas pengguna dapat ditingkatkan melalui ketersediaan dari
pola radiasi yang banyak. Susunan-susunan elemen juga menyebabkan gain yang
lebih besar, sehingga area cakupan komunikasi dapat diperlebar jika dibandingkan
dengan teknik CDMA konvensional.
Dengan mengimplementasikan teknik SDMA kedalam sistem komunikasi
CDMA, kapasitas pengguna sebanyak 46 pengguna dengan sistem konvensional
ditingkatkan menjadi 184 atau bahkan sampai 736 pengguna, dan area cakupan
komunikasi seluas 988,65 km2 pada sistem konvensional ditingkatkan menjadi 1235,81 atau bahkan sampai 1463,20 km2, tergantung pada banyaknya elemen susunan antena yang digunakan. Sehingga sistem komunikasi CDMA dapat melayani
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa atas berkat
dan rahmatNya, sehingga penulis diberikan kemampuan untuk dapat menyelesaikan
Tugas Akhir ini dengan baik.
Tugas Akhir ini berjudul: “ANALISIS PENGARUH SMART ANTENNA
PADA PERLUASAN DAERAH JANGKAUAN DAN PENAMBAHAN KAPASITAS SISTEM KOMUNIKASI CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA) DENGAN MENGGUNAKAN TEKNIK SPACE DIVISION MULTIPLE ACCESS (SDMA)”. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat
untuk memperoleh gelar kesarjanaan pada Departemen Teknik Elektro, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Penulis menyampaikan rasa hormat, bangga, dan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada kedua orang tua saya, Ayahanda Drs. Maningar Simanjuntak dan
Ibunda Rimbana Tampubolon, yang telah membesarkan, mendidik, membina, dan
selalu mendoakan saya, serta rasa sayang saya kepada saudara-saudara saya Ronald
Simanjuntak, SP, Suryani Simanjuntak, S.Pd, dan Sarina Simanjuntak, SP.
Dalam kesempatan ini juga, penulis menyampaikan rasa terima kasih yang
sebesarnya-besarnya kepada:
1. Bapak Ir. Arman Sani,MT, selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir, yang
dengan ikhlas dan sabar memberikan masukan, dukungan, bimbingan, dan
motivasi dalam penulisan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Syarifuddin Siregar, selaku Dosen Wali selama saya mengikuti
3. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman S. Baafai, selaku Pelaksana Harian Ketua
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
5. Seluruh staf pengajar di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara, yang telah memberikan bekal ilmu kepada saya
selama mengikuti perkuliahan.
6. Seluruh karyawan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
7. Teman-teman seperjuangan Angkatan 2004, Michael Jackson, Hana, Roy,
Dedi, Marojahan, Sutrisno, Batara, Juan Rio, Juan Khan, Agus, Alex CS,
Wiclif, David, Nuelta, Alex Judas, Franklyn, Bangun, Dodi B, Nurul, dan
seluruh teman-teman yang belum disebutkan.
8. Teman-teman saya di KPA Mikhael, Bang Irwan dan Sondang, dan adik-adik
saya di KPA Inicio, Agustina, Mardewina, dan Tumbur, yang senantiasa
berdoa dan memberikan motivasi dan semangat untuk menyelesaikan Tugas
Akhir ini.
9. Teman-teman sepelayanan saya baik teman-teman NHKBP Sintanauli,
KMKS, Tim Pelayanan Chapel, dan PS Cantate, yang senantiasa berdoa dan
memberikan motivasi dan semangat untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
10.Teman-teman mahasiswa dan semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih sangat jauh dari sempurna,
baik dari segi materi maupun cara penyajiannya. Oleh karena itu, penulis siap
menerima saran dan kritik dari pembaca yang sifatnya membangun demi
kesempurnaan Tugas Akhir ini.
Akir kata, penulis berharap agar Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi
pembaca dan penulis.
Medan, Juni 2010
Penulis
DAFTAR ISI
ABSTRAK………i
KATA PENGANTAR………ii
DAFTAR ISI………v
DAFTAR GAMBAR………...viii
DAFTAR TABEL...x
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah...1
1.2 Rumusan Masalah...2
1.3 Tujuan Penulisan...3
1.4 Batasan Masalah...3
1.5 Metode Penulisan...3
1.6 Sistematika Penulisan...4
BAB II CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA) 2.1 Pengenalan CDMA……….5
2.2 Spektrum Frekuensi Radio untuk Komunikasi Seluler...6
2.3 Metode Akses Jamak...7
2.3.1 Akses Jamak Pembagian Frekuensi………...10
2.3.2 Akses Jamak Pembagian Waktu………11
2.3.3 Akses Jamak Pembagian Sandi………..13
2.5 Sistem Komunikasi Spread Spectrum pada CDMA...16
2.6 Kapasitas Sistem CDMA………..20
2.7 Luas Jangkauan CDMA...23
BAB III SPACE DIVISION MULTIPLE ACCESS (SDMA) 3.1 Pendahuluan………..26
3.2 Perkembangan dari Omnidirectional Menuju Smart Antenna...27
3.2.1 Antena Omnidirectional...28
3.2.2 Antena Directional dan Sistem Tersektor………..29
3.2.3 Sistem Diversitas...30
3.3 Smart Antenna………...36
3.4 Cara Kerja Smart Antena...37
3.5 Klasifikasi dari Smart Antenna...39
3.5.1 Switched Beam System………...40
3.5.2 Adaptive Array System………..41
3.6 Space Division Multiple Access………42
3.7 Antenna Array………...46
3.7.1 Array Factor………..46
3.7.2 Direktivitas Susunan...51
3.7.3 Gain Susunan...51
3.8 Luas Daerah Jangkauan dan Kapasitas dengan Teknik SDMA...52
3.8.1 Luas Daerah Jangkauan...55
BAB IV ANALISIS KAPASITAS DAN LUAS DAERAH JANGKAUAN SISTEM KOMUNIKASI CDMA MENGGUNAKAN TEKNIK SDMA
4.1 Pendahuluan...58
4.2 Luas Jangkauan CDMA...58
4.3 Kapasitas Sistem CDMA...63
4.4 Pola Pancaran dari Susunan Antena...65
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan...76
5.2 Saran...77
DAFTAR PUSTAKA...78
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Spektrum Komunikasi Seluler...7
Gambar 2.2 Berbagai Teknik Akses Jamak………..8
Gambar 2.3 Sistem Akses FDMA…....………..10
Gambar 2.4 Cara Kerja Sistem FDMA...11
Gambar 2.5 Cara Kerja Sistem TDMA...12
Gambar 2.6 Sistem Akses TDMA...13
Gambar 2.7 Sistem Akses CDMA...14
Gambar 2.8 Ilustrasi Sistem CDMA: (a) Analogi...14
(b) Cara Kerja...15
Gambar 2.9 Sistem Komunikasi Tradisional...15
Gambar 2.10 Sistem Direct Sequence Spread Spectrum………..19
Gambar 2.11 Sistem Penyebaran Pseudo Noise pada Pengirim………...19
Gambar 2.12 Sistem Penyebaran Pseudo Noise pada Penerima………..20
Gambar 3.1 Konsep SDMA...27
Gambar 3.2 Antena Omnidirectional dan Bentuk Cakupan...28
Gambar 3.3 Sistem Antena Tersektor dan Bentuk Cakupan...30
Gambar 3.4 Kelemahan-kelemahan Sistem Wireless...31
Gambar 3.5 Pilihan diversitas antena dengan empat elemen…...34
Gambar 3.6 Metode Perbaikan Diversitas...35
Gambar 3.7 Diagram Blok dari sebuah Sistem Smart Antenna...37
Gambar 3.9 Pola Pancaran...42
Gambar 3.10 Sistem SDMA: (a) Diagram Blok Fugsional Adaptive Array System……….43
(b) Diagram Blok Sistem SDMA dengan Adaptive Array System …44 Gambar 3.11 Channel Reuse via Angular Seperation...45
Gambar 3.12 Kriteria Sudut pada SDMA...45
Gambar 3.13 Geometri dari Susunan Dua Elemen...47
Gambar 3.14 Geometri Medan Jauh dan Diagram Phasor dari N Elemen Susunan Isotropis...49
Gambar 3.15 Susunan Antena Linear dengan Jarak yang Sama...54
Gambar 4.1 Pola Pancaran untuk 4 Elemen Array: (a) Δα1 = 200, d1= 0,25λ...66
(b) Δα2 = 900, d2= 0,5λ...67
Gambar 4.2 Pola Pancaran untuk 8 Elemen Array: (a) Δα1 = 200, d1= 0,25λ...68
(b) Δα2 = 900, d2= 0,5λ...69
Gambar 4.3 Pola Pancaran untuk 12 Elemen Array: (a) Δα1 = 200, d1= 0,25λ...70
(b) Δα2 = 900, d2= 0,5λ...71
Gambar 4.4 Pola Pancaran untuk 16 Elemen Array: (a) Δα1 = 200, d1= 0,25λ...72
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbandingan Operasi Teknik Akses Jamak………8
ABSTRAK
Sistem komunikasi merupakan sebuah sistem teknologi yang berkembang
dengan sangat cepat seiring dengan semakin pesatnya pertambahan jumlah pengguna
yang membutuhkan konektivitas yang tidak terbatas pada tempat. CDMA (Code
Division Multiple Access) merupakan salah satu teknologi telekomunikasi yang
memberikan layanan jasa ini.
Salah satu tuntutan pada kemajuan teknologi telekomunikasi,
khususnya sistem komunikasi CDMA, adalah kemampuan dalam mencakup para
pengguna dengan maksimal dan memiliki area cakupan komunikasi yang luas.
Kenyataanya, tuntutan ini dibatasi oleh beberapa kelemahan dari sistem CDMA itu
sendiri, misalnya users interferences, cell breathing, dan masalah near-far.
Kelemahan-kelemahan ini menyebabkan sistem CDMA tidak dapat bekerja secara
optimal. Salah satu metode untuk mengatasi masalah ini adalah dengan
mengimplementasikan teknik Space Division Multiple Access (SDMA).
Teknik SDMA bekerja dengan menggunakan ruang yang renggang
antara pengguna yang berbeda. SDMA menggunakan smart antenna sebagai
komponen utamanya. Antena ini terdiri dari beberapa elemen dimana masing-masing
elemen dapat bertindak sebagai pembuat sektor dan membuat pola radiasinya sendiri.
Hasilnya adalah kapasitas pengguna dapat ditingkatkan melalui ketersediaan dari
pola radiasi yang banyak. Susunan-susunan elemen juga menyebabkan gain yang
lebih besar, sehingga area cakupan komunikasi dapat diperlebar jika dibandingkan
dengan teknik CDMA konvensional.
Dengan mengimplementasikan teknik SDMA kedalam sistem komunikasi
CDMA, kapasitas pengguna sebanyak 46 pengguna dengan sistem konvensional
ditingkatkan menjadi 184 atau bahkan sampai 736 pengguna, dan area cakupan
komunikasi seluas 988,65 km2 pada sistem konvensional ditingkatkan menjadi 1235,81 atau bahkan sampai 1463,20 km2, tergantung pada banyaknya elemen susunan antena yang digunakan. Sehingga sistem komunikasi CDMA dapat melayani
BAB I PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang Masalah
Perkembangan pesat teknologi komunikasi seluler, khususnya teknologi Code
Division Multiple Access (CDMA), serta meningkatnya permintaan penyediaan
layanan komunikasi jarak jauh menuntut tersedianya sistem komunikasi seluler yang
bermutu tinggi. Pada sistem komunikasi CDMA, kinerja jaringan merupakan hal
penting yang berhubungan erat dengan keandalan sistem. Disamping itu, untuk
menciptakan sistem yang ekonomis dan efisien, salah satu hal yang harus
ditingkatkan adalah kapasitas pengguna (user) dalam suatu sel CDMA dan luasnya
daerah yang dapat dijangkau oleh satu BTS (Base Transceiver Station) CDMA.
Dalam teknologi CDMA, setiap pengguna menggunakan frekuensi carrier
yang sama, tetapi dikodekan dengan kode-kode yang berbeda. Hal ini berakibat
tingginya tingkat interferensi dalam satu sel apabila terjadi kepadatan kapasitas.
Interferensi akan menurunkan nilai energy bit per noise (Eb/No) sampai di bawah
nilai batas yang diperbolehkan sehingga dapat terjadi kegagalan panggilan. Dengan
Eb/No yang kecil, BTS akan menurunkan level sinyal pilotnya sehingga terjadi
penciutan sel (cell breathing). Pengguna yang berada di pinggir sel akan menerima
daya pancar yang kecil sehingga sinyal pengguna tersebut akan dikirim ke sel
tetangganya (handoff). Apabila sel tetangga juga mengalami penciutan akibat
padatnya sistem, maka pengguna tersebut akan mengalami kegagalan panggilan atau
secara maksimal. Untuk mengatasi masalah ini dapat digunakan teknik Space
Division Multiple Access (SDMA).
SDMA merupakan teknik yang dapat digunakan untuk meningkatkan
kapasitas dan daerah jangkauan sistem komunikasi seluler CDMA. SDMA
memanfaatkan pemisahan ruang (spatial separation) antara pengguna satu dengan
lainnya. Sebuah sistem SDMA terdiri dari smart antenna tipe adaptive array yang
berupa elemen tersusun, pengkombinasi algoritma dan perangkat pemrosesan sinyal
(processor), yang diimplementasikan pada BTS. SDMA mampu mengarahkan sinyal
ke pengguna yang diinginkan, sehingga interferensi antar pengguna dapat
diminimalkan. Dengan minimnya interferensi yang terjadi, maka nilai Eb/No sistem
dapat lebih stabil dan sel dapat menampung dan menjangkau pengguna dengan
optimal.
1.2 Rumusan Masalah
Dari latar belakang di atas dapat dirumuskan beberapa permasalahan yang
akan dibahas yaitu:
1. Bagaimana menghitung kapasitas pengguna dalam suatu sel pada sistem
CDMA.
2. Bagaimana menghitung luas jangkauan suatu sel CDMA.
3. Bagaimana menghitung kapasitas pengguna dan luas jangkauan sel CDMA
1.3 Tujuan Penulisan
Tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui perluasan daerah
jangkauan dan penambahan kapasitas pengguna pada sistem CDMA dengan
menggunakan teknik SDMA.
1.4 Batasan Masalah
Untuk menghindari pembahasan menjadi terlalu luas, maka penulis
membatasi permasalahan yang akan dibahas. Permasalahan yang dibahas sebagai
berikut :
1. Tidak membahas perencanaan sistem selular.
2. Tidak membahas masalah antena secara menyeluruh.
3. Hanya menghitung kapasitas dalam suatu sel sistem CDMA konvensional
dan dengan menggunakan teknik SDMA.
4. Hanya menghitung forward link budget dan radius sel untuk mendapatkan
luas jangkauan suatu sel sistem CDMA konvensional dan dengan
menggunakan teknik SDMA.
5. Tidak membahas simulasi yang digunakan untuk menunjukkan pola pancaran
dari suatu susunan antena.
6. Tidak membahas rangkaian implementasi SDMA pada sistem CDMA.
1.5 Metode Penulisan
Metode yang digunakan dalam penyelesaian Tugas Akhir ini adalah studi
literatur, yaitu studi dilakukan dengan mempelajari buku – buku teks dan
1.6 Sistematika Penulisan
Materi pembahasan dalam Tugas Akhir ini diurutkan dalam lima bab yang
diuraikan sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini berisi tentang latar belakang masalah, rumusan masalah,
tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan dan sistematika
penulisan.
BAB II CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA)
Bab ini berisi teori dasar tentang CDMA.
BAB III SISTEM KOMUNIKASI CDMA DENGAN MENGGUNAKAN
TEKNIK SDMA
Bab ini berisi uraian mengenai sistem komunikasi CDMA dengan
menggunakan teknik SDMA untuk mendapatkan jangkauan daerah
yang lebih luas dan penambahan jumlah kapasitas pelanggan.
BAB IV ANALISA PERLUASAN DAERAH JANGKAUAN DAN
PENAMBAHAN KAPASITAS SISTEM KOMUNIKASI CDMA
DENGAN MENGGUNAKAN TEKNIK SDMA
Bab ini berisi hasil analisa dari perhitungan yang dilakukan.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan dan juga berisi saran-saran untuk penelitian
lebih lanjut yang berkaitan dengan masalah perluasan daerah
jangkauan dan penambahan kapasitas sistem komunikasi CDMA
BAB II
CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA)
2.1 Pengenalan CDMA
CDMA merupakan singkatan dari Code Division Multiple Access yaitu teknik
akses jamak (multiple access) yang memisahkan percakapan dalam domain kode.
CDMA merupakan teknologi digital tanpa kabel yang pertama kali dibuat oleh
perusahaan Amerika. Teknologi CDMA dikembangkan pertama kali oleh militer di
awal tahun 1960. CDMA merupakan penggunaan dari berbagai spektrum frekuensi
yang sama tanpa ada permbicaraan ganda.
Hal ini menyebabkan CDMA lebih tahan terhadap interferensi dan noise.
Untuk menandai pemakai yang memakai spektrum frekuensi yang sama, CDMA
menggunakan kode yang unik yaitu PRCS (Pseudo Random Code Sequence).
Berbeda dengan FDMA (Frequency Division Multiple Access) dan TDMA (Time
Division Multiple Access), maka CDMA menggunakan waktu dan frekuensi yang
sama dalam akses masing-masing pemakai. Penggunaan frekuensi dan waktu yang
sama menyebabkan CDMA kritis terhadap interferensi. Semakin besar interferensi
yang terjadi maka kapasitas CDMA semakin kecil.
CDMA membawa manfaat yang besar dan berada di atas teknologi serupa
yang lain untuk saat ini. CDMA menawarkan kapasitas jaringan yang terbesar untuk
melayani lebih banyak pelanggan dengan biaya infrastruktur yang sama. CDMA
pemakai diberi dengan bilangan biner yang dinamakan DCS (Direct Code Sequence)
ketika terjadi panggilan.
DCS adalah signal yang dibangkitkan oleh linier modulation dengan
wideband PN (Pseudorandom Noise) sequence, sehingga Direct Sequence CDMA
menggunakan lebar sinyal daripada FDMA maupun TDMA. Wideband signal
berfungsi untuk mengurangi interferensi. Seluruh pengguna ada bersama-sama dalam
jarak spektrum frekuensi radio.
Kode-kode dibagi pada MS (Mobile Station) dan BS (Base Station) yang
disebut pseudorandom code sequence (PCS). Masing-masing kode pemakai secara
berlapis dan berkelanjutan ditransmisikan ke seluruh carrier. Unik dari CDMA
adalah jumlah panggilan telepon yang dapat ditangkap oleh carrier tentunya terbatas
dan jumlahnya tidak pasti. Kanal trafik dibuat dengan penentuan masing-masing
pengguna kode dengan carrier.
2.2 Spektrum Frekuensi Radio untuk Komunikasi Seluler
Gelombang radio adalah gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh
antena dan mempunyai frekuensi yang berbeda. Pada Gambar 2.1 dijelaskan
Gambar 2.1 Spektrum Komunikasi Seluler
Pada sistem CDMA, frekuensi radio digunakan pada saluran 450 MHz, 800
MHz, 1700 MHz, dan 1900 MHz.
2.3 Metode Akses Jamak
Teknologi wireless menggunakan frekuensi sebagai media penghubung.
Keterbatasan frekuensi menyebabkan lahirnya sebuah teknologi yang memungkinkan
pengguna seluler untuk berbagi frekuensi agar dapat melakukan komunikasi.
Teknologi ini disebut Multiple Access System.
Sistem tersebut sangat penting, karena dapat mendukung pemakai dengan
jumlah banyak dan simultan. Dengan kata lain, pemakai dengan jumlah yang besar
saling berbagi ruang pada kanal radio dan sembarang pemakai dapat memperoleh
akses ke sembarang kanal (tiap pemakai tidak selalu mendapat kanal yang sama).
Kanal yang dimaksud adalah berupa bagian dari sumber radio yang terbatas, yang
bagaimana spektrum radio dibagi ke dalam kanal-kanal dan bagaimana kanal-kanal
tersebut dialokasikan ke banyak pemakai.
Akses jamak adalah suatu cara pengaksesan beberapa sumber daya secara
bersama-sama oleh lebih dari satu pemakai pada kanal radio. Digunakannya akses
jamak karena banyaknya pemakai yang ingin menggunakan kanal radio melalui
saluran yang terbatas dipakai bersama-sama baik dalam domain frekuensi, waktu,
waktu dan frekuensi secara serempak. Tiga teknik akses jamak yang sering
digunakan adalah akses jamak pembagian frekuensi (Frequency Division Multiple
Access), teknik akses jamak pembagian waktu (Time Division Multiple Access), dan
teknik akses jamak pembagian sandi (Code Division Multiple Access). Gambar 2.2
dan Tabel 2.1 menunjukkan perbandingan operasi ketiga akses jamak tersebut [2].
Gambar 2.2 Berbagai Teknik Akses Jamak
Tabel 2.1 Perbandingan Operasi Teknik Akses Jamak
OPERASI FDMA TDMA CDMA
Tabel 2.1 Lanjutan
OPERASI FDMA TDMA CDMA
Frequency Reuse 7 7 1
BW yang
diperlukan kanal
0,03 MHz 0,03 MHz 1,25 MHz
Jumlah kanal RF 12,5/0,3 = 416 12,5/0,3 = 416 12,5/1,25 = 10
Kanal/sel 416/7 = 59 416/7 = 59 12,5/1,25 = 10
Kanal kendali/sel 2 2 2
Kanal dipakai/sel 57 57 8
Panggilan per
kanal RF
1 4* 40**
Kanal suara/sel 57x1 = 57 57x4 = 228 8x40 = 320
Sektor/sel 3 3 3
Panggilan
voice/sektor
57/3 = 19 228/3 = 76 320
Kapasitas
disbanding
FDMA
1 4 16,8
* Tergantung jumlah slot
2.3.1 Akses Jamak Pembagian Frekuensi
Akses jamak pembagian frekuensi atau yang disebut Frequency Division
Multiple Access (FDMA) adalah sistem multiple access yang menempatkan seorang
pelanggan pada sebuah kanal berbentuk pita frekuensi komunikasi. Dalam FDMA,
frekuensi dibagi menjadi beberapa kanal frekuensi yang lebih sempit. Tiap pengguna
akan mendapatkan kanal frekuensi yang berbeda untuk berkomunikasi secara
bersamaan.
Pengalokasian frekuensi pada FDMA bersifat eksklusif karena kanal
frekuensi yang telah digunakan oleh seorang pengguna tidak dapat digunakan oleh
pengguna yang lain. Antar kanal dipisahkan dengan bidang frekuensi yang lebih
sempit lagi untuk menghindari interferensi antar kanal yang berdekatan. Informasi
bidang dasar yang dikirim ditumpangkan pada sinyal pembawa (carrier signal) agar
menempati alokasi frekuensi yang diberikan. Analoginya seperti sebuah ruangan
yang dibagi menjadi beberapa ruang kecil yang selanjutnya setiap ruangan tersebut
hanya dapat digunakan oleh sepasang user untuk melakukan komunikasi. Gambar
2.3 merupakan gambar sistem akses dari FDMA [3]. Cara kerja FDMA diilustrasikan
pada Gambar 2.4 [2].
Gambar 2.4 Cara Kerja Sistem FDMA
2.3.2 Akses Jamak Pembagian Waktu
Pada metode akses jamak pembagian waktu atau Time Division Multiple
Access (TDMA), tiap pemakai akan menggunakan seluruh spektrum frekuensi
tertentu yang disediakan dalam waktu yang singkat yang disebut slot waktu (time
slot). Tiap pengguna mendapatkan sebuah slot waktu yang berulang secara periodik
dan hanya diijinkan mengirimkan informasi pada slot waktu tersebut. Antar slot
waktu diberi jeda waktu untuk menghindari interferensi antar pengguna. Jika slot
waktu dalam frekuensi yang diberikan sedang digunakan semua, maka pengguna
berikutnya harus diberikan slot waktu dengan frekuensi yang berbeda. Cara kerja
Gambar 2.5 Cara Kerja Sistem TDMA
Pada TDMA beberapa pemakai dapat menggunakan kanal frekuensi yang
sama, tetapi setiap kanal hanya dapat digunakan untuk waktu yang sangat singkat.
Setiap pemakai diberikan slot waktu dan hanya dapat mengirimkan informasi pada
waktu yang telah ditentukan. Analoginya seperti sebuah ruangan yang sebelumnya
telah dibagi menjadi beberapa ruang yang lebih kecil dan selanjutnya setiap ruang
kecil tersebut digunkan oleh beberapa pasang pemakai untuk melakukan komunikasi .
tetapi untuk menghindari interferensi, pada satu waktu hanya dua orang saja yang
dapat menggunakan ruang kecil tersebut. Setiap pasang diberi slot waktu sehingga
jika waktunya habis harus segera meninggalkan ruangan dan bergantian dengan
pasangan yang lain. Jadi pada TDMA, beberapa pasang pemakai dapat secara
bergantian menggunakan ruang yang sama. Dengan cara tersebut, TDMA mampu
menampung lebih banyak orang dibandingkan FDMA. Gambar 2.6 merupakan
Gambar 2.6 Sistem Akses TDMA
2.3.3 Akses Jamak Pembagian Sandi
Dalam akses jamak pembagian sandi atau Code Division Multiple Access
(CDMA), setiap pemakai menggunakan frekuensi yang sama dalam waktu
bersamaan tetapi menggunakan sandi unik yang saling orthogonal. Sandi-sandi ini
membedakan antara pengguna satu dengan pengguna yang lain. Pada jumlah
pengguna yang besar, dalam bidang frekuensi yang diberikan akan ada banyak sinyal
dari pengguna sehingga interferensi akan meningkat. Kondisi ini akan menurunkan
unjuk kerja sistem. Ini berarti, kapasitas dan kualitas sistem dibatasi oleh daya
interferensi yang timbul pada lebar bidang frekuensi yang digunakan.
CDMA merupakan akses jamak yang menggunakan prinsip komunikasi
spektrum tersebar. Sinyal dasar yang hendak dikirim disebar dengan menggunakan
isyarat dengan lebar bidang yang besar yang disebut sebagai sinyal penyebar
(spreading signal).
Metode ini dapat dianalogikan dengan cara berkomunikasi dalam suatu
ruangan yang besar. Setiap pasangan dapat berkomunikasi secara bersama-sama
dianggap seperti suara kipas bagi pengguna yang lain, karena tidak diketahui
maknanya. Pada saat banyak yang berkomunikasi maka ruangan menjadi bising.
Kondisi ini membuat ruangan menjadi tidak kondusif lagi untuk berkomunikasi.
Oleh karena itu, jumlah yang berkomunikasi harus dibatasi. Agar jumlah yang
berkomunikasi bisa maksimal maka kuat suara tiap pembicara tidak boleh terlalu
keras. Sistem akses CDMA, cara kerja dan analogi sistem ini digambarkan seperti
Gambar 2.7 dan Gambar 2.8 [3] [2].
Gambar 2.7 Sistem Akses CDMA
(b)
Gambar 2.8 Ilustrasi Sistem CDMA: (a) Analogi
(b) Cara Kerja
2.4 Konsep Dasar Sistem Selular CDMA
Code Division Multiple Access (CDMA) adalah teknik akses jamak
berdasarkan teknik komunikasi spektrum tersebar, yaitu sinyal informasi disebar
pada pita frekuensi yang lebih besar daripada lebar pita sinyal aslinya (informasi).
Teknologi tradisional berusaha menekan sinyal agar memerlukan bandwidth yang
minimum. Gambar 2.9 menggambarkan sistem komunikasi tradisional. CDMA
menggunakan bandwidth yang lebih lebar tetapi menghasilkan kapasitas yang lebih
besar [4].
Pada kanal frekuensi yang sama dan dalam waktu yang sama, CDMA
menggunakan kode-kode relatif untuk membedakan suatu pengguna dengan
pengguna yang lain. Sinyal-sinyal CDMA tersebut pada penerima dipisahkan dengan
menggunakan sebuah korelator yang hanya melakukan proses penyebaran spektrum
pada sinyal yang sesuai. Sinayl-sinyal lain yang kodenya tidak cocok, tidak tersebar
dan sebagai hasilnya sinyal-sinyal lain itu hanya menjadi noise interference.
2.5 Sistem Komunikasi Spread Spectrum pada CDMA
Sistem transmisi spektrum tersebar adalah sebuah teknik yang
mentransmisikan suatu isyarat dengan lebar bidang tertentu menjadi suatu sinyal
yang memiliki lebar bidang frekuensi yang jauh lebih besar. Aliran data asli
dikalikan secara biner dengan kode penyebar yang memiliki lebar bidang yang jauh
lebih besar daripada sinyal asal. Bit-bit dalam kode penyebar dikenal dengan chip
untuk membedakannya dengan bit-bit dalam aliran data yang dikenal dengan simbol.
Setiap pemakai memiliki kode penyebar yang berbeda dengan pemakai yang
lain. Kode yang sama digunakan pada kedua sisi kanal radio, menyebarkan sinyal
asal menjadi sinyal bidang lebar, dan menyebarkan kembali sinyal bidang lebar
menjadi sinyal bidang sempit asal. Antara lebar bidang transmisi dengan lebar
bidang sinyal asal dikenal dengan processing gain. Secara sederhana, processing
gain menunjukkan beberapa buah chip yang digunakan untuk menyebarkan sebuah
simbol data. Kode-kode penyebar bersifat unik, jika seorang pemakai telah
menyebarkan sinyal bidang lebar yang diterima, sinyal yang dibawasebarkan
Sistem spektrum tersebar memiliki beberapa kelebihan dibandingkan
sistem-sistem lain yang ada sebelumnya, yaitu:
1. Dapat bertahan pada lingkungan dengan pudaran lintasan yang tinggi karena
sinyal CDMA bidang lebar memiliki kode penyebar dengan sifat korelasi-diri
yang baik.
2. Dapat mengirimkan informasi dengan daya yang kecil sehingga
memungkinkan peralatan yang kecil sekaligus juga dengan daya baterai yang
lebih tahan lama.
3. Dapat mengurangi interferensi dengan baik karena pada saat terjadinya proses
pengawasebaran pengganggu akan mengalami proses sebaliknya sehingga
dayanya akan lebih kecil dibandingkan sinyal asli.
4. Dapat menghindari penyadapan karena menggunakan kode unik yang mirip
derau dengan spektrum frekuensi yang amat lebar.
5. Dapat melakukan kemampuan panggilan terpilih (selective calling capability).
6. Dapat melakukan penjamakan pembagian kode sehingga dimungkinkan
untuk akses jamak dengan kapasitas yang lebih besar.
Ada beberapa teknik yang digunakan dalam sistem spektrum tersebar, yakni
rangkaian langsung (direct sequence), lompatan frekue nsi (frequency hopping),
lompatan waktu (time hopping), dan hybrid.
Sistem spektrum tersebar yang dipakai pada CDMA adalah Direct Sequence
Spread Spectrum (DSSS). Pada sistem ini, sinyal pembawa dimodulasi secara
langsung (direct) oleh data terkode. Sebagai pengkode data, dipakai deret kode (code
(pseudo random). Kode tersebut bersifat sebagai noise tetapi deterministik sehingga
disebut juga noise semu (pseudo noise).
Istilah spread spectrum digunakan karena pada sistem ini sinyal
ditransmisikan memiliki bandwidth yang jauh lebih lebar dari bandwidth sinyal
informasi. Proses pelebaran bandwidth sinyal informasi ini disebut dengan spreading.
Sistem direct sequence spread spectrum (DSSS) merupakan salah satu teknik
spektral tersebar yang digunakan pada CDMA seperti yang terlihat pada Gambar
2.10. Perbandingan antara bandwidth transmisi dengan bandwidth informasi disebut
dengan processing gain. Dimana semakin besar processing gain-nya, maka semakin
tahan sistem spektral tersebar tersebut terhadap interferensi.
Pada DSSS, spreading hanya menggunakan sebuah generator noise yang
periodik yang disebut dengan Pseudo Noise Generator (PNG). Suatu sistem spread
spectrum harus memenuhi kriteria sebagai berikut [5]:
1. Sinyal yang dikirimkan mempunyai bandwidth yang jauh lebih lebar
dibandingkan dengan bandwidth yang dibutuhkan untuk mengirim sinyal
informasi.
2. Pada pengirim tejadi proses spreading yang menyebarkan sinyal informasi
dengan bantuan sinyal kode yang bersifat bebas terhadap sinyal informasi.
3. Pada penerima terjadi proses despreading yang melibatkan korelasi antara
sinyal yang diterima dengan replika sinyal kode yang dibangkitkan sendiri
oleh suatu generator lokal.
Gambar 2.10 Sistem Direct Sequence Spread Spectrum
Sedangkan pada Gambar 2.11 menjelaskan sistem penyebaran pseudo noise
pada pengirim, yaitu data input dari satu pelanggan dikalikan dengan salah satu dari
banyak kode pseudo noise, kemudian di-spreading. Jumlah kemungkinan kode yang
dihasilkan oleh generator kode pseudo noise identik dengan jumlah kanal yang
disediakan. Jika generator kode pseudo noise mampu menghasilkan 100 kode, maka
sebanyak itu pula kanal yang diperoleh. Oleh modulasi, hasil perkalian antara input
data dengan kode pseudo noise ditumpangkan pada sinyal frekuensi radio agar dapat
dikirim lewat udara [5].
Sedangkan pada Gambar 2.12 menjelaskan sistem penyebaran pseudo noise
pada penerima, yaitu demodulator memisahkan sinyal pesan dari sinyal RF yang
ditumpanginya. Sinyal pesan yang mengandung kode ini dicocokkan dengan kode
pseudo noise di penerima. Dengan adanya proses despreading, sinyal pesan akan
dipisahkan dari kode dan diteruskan jika kode PN pada sinyal masuk sama dengan
kode pseudo noise pada penerima [5].
Gambar 2.12 Sistem Penyebaran Pseudo Noise pada Penerima
2.6 Kapasitas Sistem CDMA
Untuk menghitung kapasitas sistem CDMA, pertama sekali kita
mempertimbangkan untuk sebuah sistem sel tunggal. Jaringan selular terdiri dari
sejumlah besar pengguna mobile yang berkomunikasi dengan base station. Kapasitas
sistem dapat berubah karena pengaruh aktivitas suara pada saat berkomunikasi.
Sedangkan pada sistem GSM, setiap satu frekuensi pembawa dibagi dengan delapan
slot waktu yang setiap slotnya dapat ditempati oleh satu kanal suara.
Kita anggap bahwa jumlah pengguna dalam suatu sel adalah N. Kemudian.
terdiri dari daya sinyal yang diinginkan, S, dan (N-1) user pengganggu, yang
masing-masing memiliki daya S. Maka, signal-to-noise-ratio, SNR, adalah [6]:
SNR =
Dalam sistem komunikasi, energy-to-noise ratio, Eb/N0, adalah parameter
yang sangat penting. Eb/N0 diperoleh dengan membagi perbandingan daya sinyal
dengan bit rate informasi, R, dan perbandingan daya interferensi dengan bandwidth
RF, W. Eb/N0 dapat dirumuskan dengan:
Energy-to-noise ratio, Eb/N0, juga dipengaruhi oleh thermal moise, η. Oleh
karena itu, persamaan (2.2) menjadi:
)
Dari persamaan (2.3) di atas, dapat diperoleh jumlah pengguna yang dapat
dimana W/R disebut dengan processing gain.
Akan tetapi, dalam sistem komunikasi tidak selamanya dalam proses
pembicaraan si pengguna terus mengeluarkan suaranya. Ada kalanya dia tidak
mengeluarkan suara, maka keluaran rate dari vocoder akan diturunkan untuk
mencegah daya diturunkan percuma. Oleh karena itu, persamaan (2.4) perlu
dimodifikasi dengan memasukkan efek dari voice activity, α. Sehingga persamaan
(2.4) menjadi:
(
)
Ketika jumlah pengguna sangat besar dan sistem dibatasi oleh interferensi
daripada noise, jumlah pelanggan dapat diperoleh dengan:
2.7 Luas Jangkauan CDMA
Untuk menghitung luas jangkauan suatu sel CDMA, ada beberapa tahap yang
harus dilakukan, yaitu:
1. Perhitungan Forward Link Budget
Perhitungan link budget arah forward adalah untuk menentukan pathloss
maksimum dari pengirim (BTS) ke penerima (pengguna) menggunakan persamaan
[7]:
PLmax = EIRP – Rxsensitivity – External losses + GRx + GHo………..(2.7)
PLmax = (Tx power – Cable loss + GTx) – Rx sensitivity – (Fading margin +
Penetration loss) + GRx + GH………...(2.8)
dimana:
Tx power = Pilot + Paging + Sync + Traffic………...(2.9)
Keterangan:
PLmax = Pathloss maksimum (dB)
EIRP = Effective Isotropic Radiated Power (dBm)
Rx Sensitivity = Sensitivitas antena penerima (dBm)
External losses = Rugi-rugi dari luar sistem (dB)
GRx = Gain antena penerima (dB)
GHo = Gain handoff (dB)
Tx power = Daya antena pemancar (dBm)
Cable loss = Rugi-rugi pada kabel (dB)
Pilot = Daya kanal pilot (watt)
Paging = Daya kanal paging (watt)
Sync = Daya kanal sync (watt)
Traffic = Daya kanal traffic (watt)
Fading margin = Batas fading yang dapat ditoleransi (dB)
Penetration loss = Rugi-rugi halangan pada lintasan (dB)
2. Perhitungan Radius Sel
Untuk menghitung radius sel digunakan perhitungan propagasi gelombang
radio dengan model propagasi Okumura-Hata sebagai berikut [8]:
Lb(dB) = 69,55 + 26,16 log(f) – 13,82 log(ht) – a(hm) + (44,9 – 6,55 log (ht))
log(d)...(2.10)
dimana :
f = Frekuensi yang digunakan (MHz)
ht = Tinggi antena pengirim ( m )
hm = Tinggi antena penerima ( m )
d = Jarak antara pengirim dan penerima / radius Sel (km)
a(hm) = Faktor koreksi antena penerima
Untuk kota kecil dan menengah nilai a(hm) adalah:
Nilai radius sel diperoleh dengan menggunakan persamaan :
3. Perhitungan Luas Sel (Daerah Jangkauan)
Luas daerah jangkauan suatu BTS CDMA bisa didapat dengan menggunakan
persamaan [6]:
Lsel = 2,6 d2... (2.13)
dimana d adalah jarak antara pengirim dan penerima (radius sel).
Jumlah sel yang dibutuhkan untuk menjangkau seluruh area adalah
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
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
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
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
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
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
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 3600, 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 ± 450). 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
(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 1200. 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
650 beamwidth horizontal dan 80 beamwidth vertikal. Gambar 3.5 (b) menunjukkan
dua antena polarisasi rangkap dua, dimana antena-antena tersebut dapat berjarak
sempit (λ/2) 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 450, yang juga biasa digunakan, daripada antena terpolarisasi
vertikal dan horizontal. Akhirnya, Gambar 3.5 (c) menunjukkan susunan terpolarisasi
vertikal berjarak sempit (λ/2), yang menyediakan diversitas sudut dalam sebuah
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.
(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
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
mewujudkan kecepatan data yang lebih tinggi. Hal ini dilakukan supaya beam utama
melacak pengguna yang diinginkan dan/atau meniadakan (menolkan) arah dari
pengganggu dan/atau 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
Smart antenna bekerja seperti berikut; asumsikan bahwa ada seorang
pengguna mengirimkan sebuah sinyal ke base station. Kemudian masing-masing
elemen dari susunan smart antenna pada base station akan menerima sinyal tersebut
tetapi pada waktu yang berbeda dikarenakan jarak antara pengguna dan
masing-masing elemen dari susunan berbeda yang satu dengan yang lain. Dengan
pengguna tersebut dapat diperhitungkan. Oleh karena itu, pengirim dapat mengirim
sebuah sinyal ke lokasi yang tepat dari pengguna itu. Strategi ini dapat diaplikasikan
untuk sistem dengan banyak pengguna juga. Sebuah penerima smart antenna dapat
menekan interferensi dengan menggunakan strategi ini. Smart antenna mampu
mengolah sinyal-sinyal yang diterima oleh susunan antena atau yang dipancarkan
oleh susunan antena dengan menggunakan susunan algoritma-algoritma yang sesuai
untuk meningkatkan performa sistem wireless. Sebuah susunan antena terdiri dari
seperangkat elemen antena terdistribusi (dipole, monopole, atau
elemen-elemen antena directional) yang diatur dalam ukuran tertentu (linear, circular, atau
rectangular grid) dimana jarak antara elemen-elemen dapat berbeda-beda.
Sinyal-sinyal yang dikumpulkan oleh elemen-elemen individu digabungkan secara koheren
yang meningkatkan kekuatan sinyal yang diinginkan dan mengurangi interferensi
dari sinyal-sinyal yang lain. Sebab itu, sebuah smart antenna dapat dipandang
sebagai kombinasi dari elemen-elemen antena ”regular atau conventional” yang
sinyal-sinyal pancar atau terimanya diproses menggunakan algoritma-algoritma
smart.
Gambar 3.8 Diagram Blok dari Implementasi Smart Antenna
Gambar 3.8 menunjukkan sebuah implementasi umum dari sistem smart
input (masukan) atau output (keluaran) sebagai sinyal-sinyal RF dalam domain
analog. Sinyal-sinyal ini dilewatkan ke/dari front end analog Radio Frequency (RF)
yang biasanya terdiri dari pengeras bunyi (suara) yang rendah, mixer (penggabung),
dan penyaring analog. Pada mode menerima, sinyal-sinyal RF diubah ke domain
digital dengan menggunakan Analog to Dogital Converters (ADCs) dan dalam mode
memancarkan, sinyal-sinyal digital baseband diubah ke RF dengan menggunakan
Digital to Analog Converters (DACs). Perubahan ke bawah dari RF ke baseband
atau perubahan ke atas dari baseband ke RF dapat melibatkan penggunaan
sinyal-sinyal IF. Sinyal-sinyal-sinyal baseband yang diterima dari masing-masing antena
kemudian digabungkan menggunakan algoritma-algoritma smart pada bagian
pengolahan digital. Karena itu, masing-masing elemen antena mempunyai sebuah
rantai RF mulai dari elemen antena ke front end RF ke konversi digital untuk
penerima dan sebaliknya untuk pengirim. Bagian pengolahan digital dapat
diimplementasikan pada sebuah mikroprosesor atau sebuah DSP (Digital Signal
Processor) atau FPGA (Field Programmable Gate Array). Oleh karena itu,
implementasi algoritma smart biasanya adalah sebuah kode perangkat lunak
(software) jika tidak diimplementasikan dalam sebuah ASIC (Application Specific
Integrated Circuit) atau FPGA.
3.5 Klasifikasi dari Smart Antenna
Dasar pemikiran di balik sebuah smart antenna bukanlah hal baru melainkan
kembali ke awal tahun 60-an ketika pertama kali diusulkan untuk alat perang
elektronik sebagai tindakan pencegahan (perlwanan) terhadap gangguan. Sampai
sistem komersial. Akan tetapi, kemajuan dari Digital Signal Processors (DSPs) yang
berbiaya rendah, Application Specific Integrated Circuits (ASICs), dan
algoritma-algoritma pengolahan sinyal yang inovatif telah membuat sistem-sistem smart
antenna praktis untuk penggunaan komersial. Sistem-sistem smart antenna untuk
base station selular dapat dibagi kedalam dua kategori utama, yaitu:
3.5.1 Switched Beam System
Sebuah sistem antena switched beam terdiri dari beberapa beam yang terarah,
tertentu, dan ditetapkan terlebih dahulu yang dapat dibentuk dengan sebuah jaringan
beamforming. Sistem akan mendeteksi kekuatan sinyal dan memilih satu beam dari
beberapa beam yang memberikan daya terima maksimum (paling kuat). Sebuah
antena switched beam dapat dipikirkan sebagai perluasan dari antena sektor yang
biasa (konvensional) dalam hal membagi sebuah sektor kedalam beberapa
microsector. Ini merupakan teknik paling sederhana dan paling mudah untuk
menyesuaikan dengan teknologi-teknologi wireless yang ada. Akan tetapi, sistem
antena switched beam efektif hanya pada lingkungan yang memiliki co-channel
interference rendah sampai sedang (menengah) dikarenakan kekurangannya akan
kemampuan untuk membedakan pengguna yang diinginkan dari pengganggu.
Misalnya jika sebuah sinyal pengganggu yang kuat ada di pusat beam yang terpillih
dan pengguna yang diinginkan berada jauh dari pusat beam yang diinginkan, sinyal
pengganggu tersebut dapat dinaikkan jauh melebihi sinyal yang diinginkan dengan
3.5.2 Adaptive Array System
Dalam sebuah sistem adaptive array, sinyal-sinyal yang diterima oleh
masing-masing antena ditahan dan digabung dengan menggunakan weight yang
kompleks (magnitudo dan phasa) dengan tujuan untuk memaksimalkan standar
performa tertentu, misalnya signal to interference plus noise ratio (SINR) atau signal
to noise ratio (SNR). Sistem adaptif penuh (fully adaptive) menggunakan
algoritma-algoritma pengolahan sinyal yang lebih maju untuk menemukan dan melacak sinyal
yang diinginkan dan sinyal pengganggu, untuk meminimalkan interferensi dan
memaksimalkan penerimaan sinyal yang diharapkan secara dinamis. Untuk sejumlah
antena yang diberikan, adaptive array dapat menyediakan jangkauan (gain sinyal
yang diterima) yang lebih besar atau memerlukan antena yang lebih sedikit untuk
mencapai jangkauan yang diberikan.
Melalui pembentukan beam, sebuah algoritma smart antena dapat
mengutamakan penerimaan dari arah yang diinginkan (arah dari sumber yang
diinginkan) dibandingkan dengan beberapa arah yang tidak diinginkan (arah dari
sumber ganguan). Hal ini menyatakan secara tidak langsung bahwa pengolahan
digital memiliki kemampuan untuk membentuk pola pancaran untuk kedua
penerimaan dan pengiriman dan secara adaptif mengemudikan beam pada arah
sinyal-sinyal yang diinginkan dan menolkan pada arah dari sinyal-sinyal gangguan.
Ini menghasilkan interferensi co-channel yang rendah dan gain antena yang besar
untuk sinyal yang diinginkan.
Gambar 3.9 menunjukkan pola cakupan yang diperoleh dengan menggunakan
sistem smart antenna dengan tipe switched beam system dan adaptive array system
(a)
(b)
Gambar 3.9 Pola Pancaran: (a) Switched Beam System (b) Adaptive Array System
3.6 Space Division Multiple Access
Space division multiple access adalah perkembangan terakhir dari smart
antenna. Sebuah konsep yang benar-benar berbeda dari skema akses jamak yang
telah dibukakan sebelumnya. Sistem SDMA menggunakan teknik dimana sinyal
dibedakan di base station sesuai dengan asalnya di dalam space (ruang). Dalam
Penyaringan di wilayah ruang dapat memisahkan secara spektral sinyal-sinyal
yang saling menutupi dari beberapa unit mobile dan memampukan beberapa
pengguna di dalam sel radio yang sama diakomodasi pada frekuensi dan slot waktu
yang sama. Maksudnya adalah bahwa lebih dari satu pengguna dapat dialokasikan ke
fisik kanal komunikasi yang sama dalam sel yang sama secara serentak, dengan
hanya pemisahan dalam sudut. Ini dapat dikerjakan dengan memiliki N beamformer
paralel di base station yang bekerja secara independent, dimana masing-masing
beamformer memiliki adaptive beamforming algorithm sendiri untuk mengendalikan
seperangkat weight dan direction-of-arrival (DOA) algorithm-nya sendiri untuk
menentukan waktu tunda dari masing-masing sinyal pengguna, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 3.10, yang menunjukkan sebuah sisitem SDMA yang
terdiri dari smart antenna tipe adaptive array [9].
(b)
Gambar 3.10 Sistem SDMA:
(a) Diagram Blok Fugsional Adaptive Array System (b) Diagram Blok Sistem SDMA dengan Adaptive Array System
Masing-masing beamformer memaksimumkan pengguna yang diinginkan
sambil menolkan atau melemahkan pengguna yang lain. Tekhnologi ini secara
meningkatkan frequency reuse yang menghasilkan peningkatan kapasitas dan
pengurangan biaya infrastruktur.
Dengan SDMA, beberapa mobile dapat mendiami frekuensi yang sama dalam
sebuah sel. Beberapa sinyal yang sampai di base station dapat dipisahkan oleh base
station penerima selama jarak pisah sudutnya lebih besar dari beamwidth
pancar/terima, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.11. Beam yang memiliki
corak yang sama menggunakan pita frekuensi yang sama. Teknik ini disebut dengan
channel reuse via angular seperation (penggunaan kembali kanal melalui pemisahan
sudut) [9].
Gambar 3.11 Channel Reuse via Angular Seperation
Pada Gambar 3.12, dapat dilihat bahwa MS1 mendapat gangguan yang
disebabkan oleh MS2. Komponen multipath sinyal yang diterima dari MS2
diasumsikan dihasilkan dalam bentuk sirkular di sekitar MS2 dengan radius s = 200λ,
yang terlihat di bawah sudut α. Oleh karena itu, jarak minimal yang harus terpenuhi
agar 2 pengguna atau lebih dapat dilayani oleh beam yang berbeda disebut dengan
jarak angular minimum φmin [13]:
α = sudut yang terbentuk dari multipath terdekat dengan pengguna 2
β = beamwidth
3.7 Antenna Array
Parameter-parameter yang dihitung berkaitan dengan antenna array (susunan
antena) adalah:
3.7.1 Array Factor
Untuk dua elemen array, total medan pancaran, dengan menganggap bahwa
tidak ada kopling antara elemen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.13 (a)
sama dengan jumlah medan kedua elemen tersebut [14]:
dimana β adalah beda phasa antara elemen. Besarnya pemancar adalah identik.
Dengan melakukan observasi pada medan jauh seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 3.13 (b).
untuk variasi phasa
r r
r1 ≈ 2 ≈ untuk variasi amplitudo
(a) (b)
Gambar 3.13 Geometri dari Susunan Dua Elemen: (a) Dua Dipole sangat kecil (infinitesimal)
(b) Observasi Medan Jauh
Et = âθjη 0 cos
[
( cos )/2 ( cos )/2]
Terlihat jelas dari persamaan (3.3) bahwa total medan dari array sama
dengan medan dari elemen tunggal yang berada di titik asal dikalikan dengan sebuah
faktor yang sering disebut dengan array factor (faktor susunan). Jadi untuk dua
elemen susunan dengan amplituda tetap, array factor diperoleh dari:
yang dalam bentuk ternormalisasi ditulis sebagai:
Array factor adalah fungsi dari geometri susunan dan phasa. Dengan mengubah-ubah
nilai jarak d dan/atau phasa β antara elemen-elemen, karakteristik dari array factor
dan total medan susunan dapat dikendalikan.
Untuk elemen dengan jumlah N elemen, array factor-nya dapat diperoleh
dari analisis lebih jauh dari array factor dua elemen. Sesuai dengan Gambar 3.14 (a),
diasumsikan bahwa elemen-elemen dari susunan antena memiliki amplitudo yang
identik, tetapi masing-masing elemen yang berurutan memiliki beda phasa, β, relatif
terhadap elemen yang sebelumnya. Sebuah susunan dari elemen-elemen yang identik
yang semuanya memiliki besar yang identik dan masing-masing memiliki phasa
progresip disebut dengan uniform array (susunan seragam). Array factor dari N
elemen dapat diperoleh dari:
∑
= − +yang dapat ditulis sebagai:
∑
= −Gambar 3.14 Geometri Medan Jauh dan Diagram Phasor dari N Elemen Susunan Isotropis
Karena total array factor untuk susunan uniform (seragam) adalah
penjumlahan dari eksponensial, ini dapat ditunjukkan oleh jumlah vektor dari N
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.14 (b). Terlihat jelas bahwa besar dan phasa
AF dapat dikontrol dalam susunan uniform dengan memilih phasa ψ relatif di antara
elemen-elemen; dalam susunan nonuniform, besar dan phasanya dapat digunakan
untuk mengontrol formasi dan distribusi dari total array factor.
Array factor dapat juga dituliskan dengan cara lain, dengan mengalikan
kedua sisi dari persamaan (3.7) dengan ejψ:
Dengan pengurangan persamaan (3.7) dari persamaan (3.8), diperoleh:
)
Yang dapat juga ditulis sebagai:
Jika titik referensi adalah pusat fisik dari susunan, array factor dari persamaan (3.10)
menjadi:
Untuk nilai ψ yang kecil, persamaan di atas dapat diperkirakan menjadi:
3.7.2 Direktivitas Susunan
Intensitas radiasi dari suatu susunan antena dapat ditetapkan sebagai [14]:
[ ]
2 )( AF
U θ = ...(3.13)
Susunan-susunan antena memiliki kemampuan untuk mengarahkan atau
memusatkan daya pancar pada satu arah angular tertentu dalam ruang. Kemampuan
ini diukur dengan apa yang disebut gain direktif, ditetapkan sebagai:
antena
Gain direktif pada arah kepadatan radiasi maksimum disebut sebagai
direktivitas dan diperoleh dari:
rad
direktivitas dapat diperoleh dengan:
direktivitas dapat diperoleh dengan:
3.7.3 Gain Susunan
Jika daya sebesar W masuk pada satu antena, maka besar medannya adalah
[15]:
0
1 E