ANALISA KAPASITAS KANAL MIMO UNTUK KOMUNIKASI WIRELESS (ANALYSIS OF CAPACITY MIMO CHANNEL FOR WIRELESS COMMUNICATION)
Aryana Fanani¹, -²
¹Magister Elektro Komunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom
Abstrak
Pada sistem komunikasi nirkabel pita sempit ada dua hal yang penting yaitu menghilangkan multipath fading channels dan memperbesar efisiensi spektrum. Teknik MIMO (Multi Input Multi Output) bisa menambah kapasitas kanal tanpa mengurangi bandwidth yang ada. Di sini dilakukan penelitian pengaruh lingkungan, jumlah antenna, distribusi daya dan jarak spasi antar elemen antenna untuk mengetahui karakteristik kapasitas kanal MIMO. Kriteria unjuk kerja yang dicari adalah besar kapasitas kanal (bps/Hz) terhadap perubahan nilai Signal to Noise Ratio (SNR). Dari hasil penelitian pada pengamatan SNR 20dB, diperoleh pencapaian kapasitas yang besar dapat terjadi jika dipakai pada lingkungan propagasi outdoor microcell sebesar 15,8 b/s/Hz. Pemakaian jumlah antena 4x4 dapat menghasilkan kapasitas sebesar 15,5 b/s/Hz. Pemakaian jarak spasi 2λ bisa memperoleh kapasitas sebesar 26 b/s/Hz.
Kata Kunci : MIMO, multipath fading channels, SNR
Abstract
Wireless narrowband system has two importants cases, that is eliminate multipath fading and expand the spectrum eficiency. MIMO (Multi-Input Multi-Output) is the solution of this cases, this technique can expand the channel capacity without reducing its bandwidth. In this thesis we investigates channel capacity of MIMO is influence of environments, power distribution, the number of antennas and the space between each antenna elements. Results show that a total capacity of 15,8 b/s/Hz can be achieved in outdoor microcell environment, 15,5 b/s/Hz for using 4x4 antenna configuration and if used 2λ space in each element of antennas achieve capacity 26 b/s/Hz at a SNR of 20dB.
Keywords : MIMO, multipath fading, SNR
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Pendahuluan
Pertumbuhan yang sangat pesat dari wireless communication telah menimbulkan peningkatan suatu permintaan user pada kapasitas kanal dengan menggunakan bandwidth terbatas. Sistem MIMO (multi-input multi-output) adalah mengadopsi pemakaian antenna array baik disisi pengirim maupun disisi penerima.
Berdasarkan analisa penelitian, sistem MIMO tersebut dapat meningkatkan efisiensi bandwidth dalam pendekatannya pada komunikasi wireless. Sistem MIMO merupakan sistem transmisi (pengirim – penerima) dimana jumlah antena baik pengirim maupun penerima terdiri dari beberapa elemen antena (N antena pengirim dan M antena penerima).
Proses MIMO ini tidak terlepas dari pengembangan komunikasi wireless secara SISO (single-input single-output) yang telah lebih dahulu digunakan. Penggambaran proses komunikasi wireless dengan single antennas dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 1.1 Konfigurasi komunikasi wireless single antennas
Hanya ada satu antena disisi pengirim dan satu antena disisi penerima untuk komunikasi SISO ini.
Dari model tersebut terlihat sangat sederhana dan kapasitasnya adalah sangat kecil. Hal ini berdasarkan pada teori klasik kapasitas Shannon’s berikut : C=log (12 +SNR).
Gambar 1.2 Konfigurasi komunikasi wireless multiple antennas
Pengembangan dari sistem single antennas adalah pemakaian multiple antennas, seperti terlihat pada gambar diatas. Perbedaan dari single antennas adalah penggunaan beberapa antenna disisi pengirim dan disisi penerima. Dari sisi kapasitas tidak terlihat peningkatan yang begitu berarti, hal ini berdasarkan persamaan berikut C=log (12 +SNR• n2)
Gambar 1.3 Konfigurasi komunikasi MIMO
Maka dari itu pemakaian metode MIMO seperti gambar diatas sangat membantu dalam hal peningkatan kapasitas. Walaupun terlihat lebih kompleks akan tetapi keuntungan yang diperoleh juga lebih
Fakultas Teknik Elektro Program Studi S2 Magister Elektro Komunikasi
2
besar. Yaitu dari persamaan dasar Shannon’s yang berubah menjadi persamaan berikut
log2 1 SNR C n
n
⎡ ⎤
= • ⎢⎣ + ⎥⎦.
Peningkatan kapasitas yang ditawarkan oleh sistem MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output), diperoleh dari penggunaan space diversity pada kedua sisi pengirim dan penerima. Berdasarkan pemakaian space diversity, sistem MIMO dapat dikatakan juga sebagai multiple-element antenna system (MEAs).
Peningkatan kapasitas yang sangat luar biasa dalam pemakaian multiple antenna pada kedua sisi pengirim dan penerima dalam sistem wireless dapat diperoleh dari potential decorrelation pada MIMO.
Sedangkan untuk pencapaian kualitas yang lebih baik diperoleh dari pemakaian space time coding pada sisi pengirim.
Bagaimanapun peningkatan kapasitas yang sangat besar adalah sangat tergantung pada banyaknya multipath pada kanal radio. Karena correlated channel MIMO hanya menghasilkan satu subchannel, sedangkan decorrelated channel menghasilkan multiple channels. Salah satu hal yang akan dibahas dalam tesis ini adalah mengenai pengaruh lingkungan correlated dan decorrelated terhadap kapasitas kanal MIMO.
1.2 Tujuan Penulisan
Penulisan tesis ini bertujuan untuk menganalisa/ mengamati berbagai faktor yang dapat mempengaruhi kapasitas kanal MIMO. Faktor-faktor tersebut adalah sebagai berikut :
1. Pengaruh pendistribusian daya pada elemen-elemen antenna transmit
a. Tidak dipengaruhi estimasi kanal, tidak diketahui nilai eigen, distribusi merata (dayanya uniform) : P1=…=Pk
b. Dipengaruhi estimasi kanal, nilai eigen diketahui, pemakaian metode Waterfilling (kapasitas akan maksimal) : 1
1
1 1
... k
k
P P
λ + = =λ + =D 2. Pengaruh kondisi lingkungan
a. Mempunyai korelasi yang banyak [kondisi outdoor macrocell]
b. Mempunyai sedikit korelasi [kondisi outdoor microcell]
3. Pengaruh pemakaian jumlah antenna pada BS maupun MS a. MS = 2, BS = 2
b. MS = 4, BS = 2 c. MS = 2, BS = 4 d. MS = 4, BS = 4
1.3 Rumusan Masalah
Dalam pembahasan ini, model kanal MIMO (H) akan diubah untuk memperoleh model kanal SISO dengan menggunakan metode Eigen Value Decomposition / EVD (HHH) atau dengan memakai Singular Value Decomposition / SVD (H). Hasil ini adalah digunakan untuk mendapatkan estimasi kapasitas kanal yang diperoleh dari pemakaian rumus kapasitas Shannon. Prosedur yang mempengaruhi kapasitas kanal tersebut diilustrasikan pada gambar berikut :
Gambar 1.4 Prosedur estimasi kapasitas kanal MIMO
Model kanal MIMO (H) dihasilkan dengan cara, parameter diperoleh untuk pemodelan sebagai matriks pada BS (base station) dan matriks pada MS (mobile station). Antara antena BS dengan antena MS diperhitungkan korelasi antara keduanya, faktor-faktor koefisien yang mempengaruhi adalah jarak spasi antar antena di MS maupun antar antena di BS, Power Azimuth Spectrum (PAS), Azimuth Spread (AS) dan mean Angle of Arrival (AoA) dari kedatangan sinyal.
Setelah diperoleh kanal MIMO (H) dengan memperhatikan kondisi Power Azimuth Spectral (PAS) yang dimodelkan sebagai fungsi distribusi uniform atau sebagai fungsi Laplace. Maka dari gambar 1.4, proses selanjutnya adalah mencari nilai Eigen untuk perhitungan kapasitas.
2
1 1
2 λ1
λ2 2
1 1
2 α11
α22 α12
α21
Gambar 1.5 Transformasi kanal MIMO menjadi kanal SISO
Transformasi perubahan menjadi kanal SISO adalah dengan terlebih dahulu mencari nilai Eigen (λ).
Setelah diketahui nilai Eigen maka kapasitas kanal dapat diturunkan dari persamaan :
2 1
log 1
k H
i T
C E
nρ λ
=
⎧ ⎛ ⎞⎫
= ⎪⎨ ⎜ +
⎪ ⎝ ⎠⎪
⎩
∑
i⎟ (1.1) ⎭⎪⎬2 2
1
log 1
k H i
i T
C E
nρ δ
=
⎧ ⎛ ⎞⎫
= ⎪⎨ ⎜ +
⎪ ⎝ ⎠⎪
⎩
∑
⎟ (1.2) ⎭⎪⎬Setelah harga kapasitas diketahui, maka akan diperoleh gambaran plot Ergodic Capacity maupun Outage Capacity dengan parameter-parameter kondisi yang berbeda-beda. Dari hasil grafik ini dapat diketahui kondisi lingkungan yang bagaimana yang akan menghasilkan kapasitas yang lebih baik.
1.4 Batasan Masalah
Tesis ini akan dibatasi pada beberapa hal berikut ini :
1. Pembahasan adalah untuk kanal MIMO pita-sempit (narrowband MIMO channel).
2. Multipath fading menggunakan model flat fading.
Fakultas Teknik Elektro Program Studi S2 Magister Elektro Komunikasi
4
3. Antena-antena di BS dan di MS diasumsikan memiliki radiation pattern (yaitu omnidirectional) dan polarisasi (yaitu vertical polarization) yang sama. Atau dengan kata lain memakai antena ULA (Uniform Linear Array).
4. Model kanal MIMO menggunakan correlation model di antena BS dan antena MS.
5. Tidak mempertimbangkan teknis akses tertentu.
6. Mempertimbangkan lingkungan outdoor macrocell dan outdoor microcell.
1.5 Metoda Penelitian
Metoda penelitian yang digunakan adalah :
1. Melakukan studi literatur dengan mempelajari permasalahan yang berkaitan dengan sistem MIMO khususnya terkait dengan kapasitas pada sistem MIMO.
2. Memperoleh kapasitas kanal MIMO dari penurunan kapasitas Shannon dengan berbagai masukan berdasarkan faktor-faktor yang akan dianalisa.
3. Analisa dilakukan dengan bentuk simulasi program dengan menggunakan software Matlab 6.5 yang memungkinkan peneliti memanipulasi variabel-variabel input dan meneliti akibatnya terhadap kapasitas kanal MIMO.
4. Pengumpulan data-data penunjang dari data-data yang diperoleh pada paper yang tersebut pada daftar pustaka.
1.6 Sistematika Penulisan BAB 1 PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan tentang latar belakang, tujuan penulisan, perumusan masalah, batasan masalah, metode penelitian dan sistematika penulisan.
BAB 2 DASAR TEORI
Bab ini menjelaskan dasar teori yang mendukung dan mendasari penulisan thesis ini, meliputi dasar parameter kanal radio, Power Azimuth Spectrum (PAS), korelasi spatial dan pemodelan kanal.
BAB 3 SIMULASI KAPASITAS KANAL MIMO
Bab ini membahas tentang perancangan proses simulasi, prosedur pemodelan simulasi dan proses verifikasi.
BAB 4 ANALISA HASIL SIMULASI
Bab ini menjelaskan hasil simulasi dan analisa hasil simulasi.
BAB 5 PENUTUP
Bab ini berisi tentang kesimpulan yang diperoleh dari hasil penelitian dan saran yang bisa dijadikan untuk perbaikan penelitian yang bisa dilakukan.
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil analisis terhadap simulasi yang dilakukan pada sistem kanal MIMO untuk mendapatkan nilai kapasitasnya, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Secara umum, pada kanal MIMO nilai kapsitasnya dipengaruhi oleh faktor lingkungan propagasi, faktor jumlah antena, faktor metode distribusi dayanya dan faktor jarak spasi antar elemen antena.
2. Kapasitas MIMO yang didapatkan akan semakin besar apabila digunakan pada lingkungan outdoor mikrocell pada pengamatan SNR 20dB sebesar 15,8 b/s/Hz, yaitu semakin besar nilai azimuth spread (AS) akan semakin besar pula kapasitasnya.
3. Pemakaian jumlah antena yang semakin banyak akan semakin memperbesar kapasitas kanal MIMO, pemakaian antena 4 buah di BS dan 4 buah di MS mempunyai kapasitas yang lebih besar yaitu pada SNR 20dB sebesar 15,5 b/s/Hz (pada outdoor microcell) dibandingkan dengan pemakaian 2 buah antena di BS dan 2 buah antena di MS sebesar 9 b/s/Hz.
4. Pemilihan metode distribusi daya yaitu secara uniform atau secara metode waterfilling akan diperoleh kapasitas yang optimal.
5. Semakin besar jarak spasi antar elemen antena akan semakin besar pula kapasitas kanal yang didapatkan, spasi antena 2λ mempunyai kapasitas yang lebih besar yaitu pada SNR 20dB sebesar 26 b/s/Hz (pada outdoor microcell) daripada menggunakan spasi antena 0,1λ sebesar 16,5 b/s/Hz.
5.2 Saran
1. Untuk mengetahui perbandingan kapsitas kanal yang dihasilkan antara lingkungan outdoor dan indoor maka perlu dipertimbangkan pemakaian kanal secara multicluster.
2. Untuk pengembangan pengaruh delay spread pada lingkungan outdoor maka perlu dibahas penggunaan kanal pita lebar (wideband).
Kesimpulan dan Saran 40
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Fakultas Teknik Elektro Program Studi S2 Magister Elektro Komunikasi
xv
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Bengt Holter, On The Capacity of The MIMO Channel, A Tutorial Introduction, Norwegian University of Science and Technology.
[2]. I. E. Telatar, Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels, European Trans. Telecommunication, vol.
10, no. 6, pp. 586–595, Nov/Dec. 1999.
[3]. J. P. Kermoal, L. Schumacher, K. I. Pedersen, P. E.
Mogensen and Frank Frederiksen, A Stochastic MIMO Radio Channel Model With Experimental Validation, IEEE Journal Communications, August 2002.
[4]. L. Schumacher, K. I. Pedersen, P. E. Mogensen, From Antenna Spacings To Theoritical Capacities – Guidelines For Simulating MIMO Systems, IEEE paper.
[5]. L. Schumacher, J. P. Kermoal, F. Frederiksen, K. I.
Pedersen, A. Algans, P. E. Mogensen, MIMO Channel Characterisation, Document METRA, February 2001.
[6]. Thomas M. Cover and Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, John Wiley & Sons, Inc 1991.
xvi
[7]. Tang Ao, Gong Ke, Study on Power Azimuth Spectrum of Wireless Channel in Microcell Environments, IEEE paper.
[8]. Theodore S. Rapapport, Wireless Communication, Principles and Practice, Prentice-Hall Inc, 1996.
[9]. Situs web http://grouper.ieee.org/groups/802/20
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Fakultas Teknik Elektro Program Studi S2 Magister Elektro Komunikasi
