Yuyun Siti Rohmah, ST.,MT Dadan Nur Ramadan,S.Pd,MT Tri Nopiani Damayanti,ST.,MT Suci Aulia,ST.,MT FADING MITIGATION

(1)

Yuyun Siti Rohmah, ST.,MT Dadan Nur Ramadan,S.Pd,MT Tri Nopiani Damayanti,ST.,MT

Suci Aulia,ST.,MT

FADING MITIGATION

Teknik Transmisi Seluler

(DTG3G3)

(2)

A. Pendahuluan

1. Ketergantungan kuat sinyal terhadap jarak menyebabkan penurunan sinyal (Large scale pathloss)  Analisis MS pada satu titik lokasi diam.

2. Delay spread menyebabkan variasi sinyal dalam domain frekuensi.

3. Pergerakan user (Doppler Spread) menyebabkan variasi sinyal dalam domain waktu.

Dalam mengatasi fading, engineer harus melihat penyebabnya. Dari penjelasan yang

telah diuraikan pada Bab sebelumnya, kita bisa melihat 3 hal penyebab fading :

(3)

11/17/2015 3

A. Pendahuluan

Kesimpulan singkat, fading akan diatasi dengan berbagai cara :

• Fading Margin dalam desain cakupan RF

• Diversitas: space, time, frequency

• Interleaving, suatu bentuk dari diversitas waktu

• Error protection coding, (atau channel coding)  dengan menambahkan bit-bit redundant

• Receive antenna diversity: Fading jarang terjadi pada 2 lokasi secara

simultan, khususnya pada jarak kelipatan ganjil seperempat panjang

gelombang

(4)

B. Mengatasi Large Scale Fading

Secara umum, Large Scale Fading akan menyebabkan penurunan daya sinyal untuk jarak yang semakin jauh dari antena base station. Sehingga, untuk mengatasi Large Scale Fading, tentunya bertujuan untuk memperbaiki sinyal penerimaan , baik untuk arah Uplink maupun Downlink !!

Perbaikan sinyal penerimaan, umumnya ditinjau untuk kasus terburuk, yaitu pada boundary cell  Diharapkan sinyal yang terukur mencapai prosentase tertentu (disebut Cell Edge Reliability).

Parameter performansi untuk karakterisasi Large Scale Fading dapat juga diukur melalui Coverage Availability, yaitu prosentase luas cakupan daerah dalam sel yang memiliki sinyal diatas level threshold !

Now…think !!

(5)

Mengatasi Large Scale Fading

memperbesar daya kirim Tx

Uplink Power control   Tidak dominan

Downlink Fading Margin Link budget

calculation

memperbaiki kualitas penerima Rx

Uplink

Sectoral &Smart antena

Perbaikan sensitivitas

handset

Downlink

Diversitas

Sectoral &Smart antena

Antisipasi pengaruhnya terhadap interferensi !!

B. Mengatasi Large Scale Fading

Catatan: dapat dikerjakan engineer

(6)

B.1. Fading Margin

Fading margin secara definitif adalah kenaikan daya pancar yang harus dilakukan agar Level daya terima ≥ level daya terima minimum (thershold) yang diijinkan.

B. Mengatasi Large Scale Fading

– Fading Margin

 Level daya terima yang dimaksud

adalah penerimaan pada tepi sel

(border cell) sebagai kasus yang

terburuk, sehingga, fading margin

sesungguhnya akan menaikkan

reliabilitas sinyal pada tepi sel

menjadi di atas 50%.

(7)

11/17/2015 7

B.1. Fading Margin

B. Mengatasi Large Scale Fading

– Fading Margin

 Contoh perhitungan untuk fading margin dapat dilihat pada link berikut :

http://www.invictusnetworks.com/faq/RF%20Technical%20Info%20and%20FCC%20Regs/Fade%20Margin%20Calculator

%20-%20Basic.htm

Contoh parameter untuk perhitungan fading margin

(8)

B.2. Diversitas

B. Mengatasi Large Scale Fading

– Diversitas

• Definisi:

– Diversitas adalah teknik untuk mengatasi multipath fading dengan menggunakan dua atau lebih sinyal yang secara statistik independen (dalam waktu, frekuensi, spasial, atau polarisasi) antara satu dengan lainnya.

• Jika probabilitas suatu sinyal berada dalam kedalaman fading adalah P

 maka probabilitas sejumlah n sinyal saling independen berada

dalam kedalaman fading secara simultan adalah P

ⁿ

(9)

11/17/2015 9

• Frequency diversity  Doppler spread tergantung pada frekuensi carrier  Frekuensi berbeda akan menghasilkan efek Doppler yang berbeda  Sehingga, frekuensi yang berbeda dapat menghasilkan proses fading yang independen, yang dapat secara koheren digabung.

• Time diversity  Multipath fading adalah time variant  Sehingga fading pada waktu yang berbeda adalah independen, sehingga dapat secara koheren juga digabung.

• Space diversity  Multipath fading adalah independen pada lokasi yang berbeda  Sehingga dapat secara koheren digabung.

B. Mengatasi Large Scale Fading

– Diversitas

Tipe-tipe diversitas

(10)

Antenna Diversity

Receive (SIMO)

Transmit (MISO)

Both (MIMO)

(11)

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

TX1

RX2

RX1

TX2

h11

h21

h22

h12

 MIMO menggunakan prinsip diversitas spasial, yaitu dengan menggunakan banyak antena di sisi Tx maupun Rx :

 Mengantisipasi akibat adanya multipath fading

 meningkatkan data rate

 meningkatkan link reliability

 untuk mendapatkan diversitas spasial secara maksimal pada kanal MIMO melalui teknik Space Block time coding .

11/17/2015 11

(12)

• Dual antennas diversity akan meningkatkan sensitivitas

penerimaan sebesar 2 hingga 5 dB dibandingkan single antenna

• Spasi antena biasanya kelipatan ganjil dari l/4, umumnya >8l

• Beberapa metoda combining

diversitas (algoritma pd prosesor):

– Switching/selection – Equal gain

– Maximal ratio

Diversitas Spasial: Kenapa harus 2 antena Rx di Base Station ? w

_o

w

₁

w

_K



Processor r_o(t)

r₁(t)

r_K(t)

y(t)

r

_i

(t) adalah input sinyal ke-i w

_i

bobot sinyal ke-i

y(t) output diversitas

B. Mengatasi Large Scale Fading

– Diversitas

(13)

11/17/2015 13

B.3. Antena Sektoral dan Smart Antenna

B. Mengatasi Large Scale Fading

A. Antena Sectoral dapat mengurangi Co-channel interference

Co-channel interference merupakan interferensi tak terduga yang sulit diidentifikasi dan diatasi.

B. ”Smart antennas” (adaptive phased arrays) dapat mengatasi persoalan ini

lebih baik (tetapi high cost)

(14)

C. Mengatasi Small Scale Fading

Pada Bab sebelumnya, dijelaskan bahwa small scale fading mengakibatkan beberapa tipe fading seperti yang diperlihatkan pada diagram berikut :

Pendahuluan

(15)

11/17/2015 15

C.1 Teknik-Teknik Anti Flat Fading C. Mengatasi Small Scale Fading

Flat Fading  Fluktuasi sinyal dapat diperhatikan terjadi hanya pada domain waktu, sehingga masalah akan muncul dari 2 kategori akibat efek Doppler: Fast Fading & Slow Fading !!

Amplituda sinyal

Th

Sekarang … hanya dengan melihat gambar di

samping…kira-kira teknik apa yang bisa digunakan untuk mengatasi flat fading

!!

(16)

Mengatasi Flat Fading

Fast Fading

Rate simbol > rate fading (Fading dibuat menjadi

“Slow”)

Modulator yg robust

error correction coding dan interleaving

Diversitas Fading Margin

Slow Fading

Diversitas

Fading Margin

Perbaikan sensitivitas

handset

Antisipasi pengaruhnya terhadap interferensi !!

C. Mengatasi Small Scale Fading

(17)

11/17/2015 17

Example

• To achieve a satisfactory power control performance when a vehicle moving at 30 km/h (carrier freq = 1.8 GHz) the rate of power control is at least 30 times higher than the fading rates.

– Compute the minimum signalling rate required for power control.

– If the voice channel is transmitted at 9.6 kbps, what percentage of band width is lost due to power control with (a) fixed step algorithm (b) variable step with 3 bit algorithm

– If the deepest fading is 30 dB below its average level, what is the incremental power ajustment (step size) if fixed step adjustment is employed to equalize the deepest fading.

Power Control

C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

(18)

• Answer to The Problem

– Fading rate f

_D

=v/wavelength = (30x1000/3600

m/s)/wavelength = 50 Hz. Therefore power control signalling rate is 30 x 50 Hz = 1.5 kHz.

– For (a) Fixed step algorithm signalling bandwidth = 1.5 kHz.

The lost BW is 1.5/9.6 x 100 % = 15.6 %. (b) For variable step with 3 bit the signalling BW is 4.5 kbit/s, therefore the lost BW is 4.5/9.6 x 100 % = 49 %

– 30 dB deep must be compensated using 15 updates so the step size would be 2 dB.

Power Control

C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

(19)

11/17/2015 19

C2.Teknik-Teknik Anti Frequency Selective Fading C. Mengatasi Small Scale Fading

Frequency Selective Fading,  fluktuasi sinyal terjadi pada domain

waktu dan domain frekuensi, sehingga menyebabkan ISI (InterSymbol

Interference ).

(20)

InterSymbol Interference (ISI)

• 1. , receiver terpasang dengan adaptive equalizer

– Equalixer ini mendeteksi/mengetahui efek multipath delay pada deretan training bit yang diketahui, dan menggunakan informasi itu untuk mengatasi ISI pada deretan bit informasi dengan cara memberikan replika delay internal pada sinyal

– Channel equalizer diperlukan untuk mengkompensasi ISI yang disebabkan kanal multipath (Freq. Selective Fading Channel).

• Decision Feedback Equalizer dengan RLS Algorithm (algoritma Kalman), Fast Kalman Algorithm, dan juga Tap Gain Interpolasi

• Adaptive Array Antenna  beamforming

• Rake Diversity untuk sinyal spread spectrum

• 2. penggunaan error protection codes (channel coding)  untuk mendeteksi/mengkoreksi error (baik yang disebabkan ISI ataupun fading)

You know ? …. ISI tak dapat diatasi dengan penguatan sinyal.

C. Mengatasi Small Scale Fading

(21)

Beamforming

• Beamforming adalah proses pembentukan beam menuju ke arah user yang diinginkan serta menekan sinyal pengganggu dari arah lain. Dengan demikian, beamforming bisa dikatakan sebagai spatial filtering sinyal

• Pembentukan beam ke arah sinyal yang diinginkan bisa dilakukan dengan memberikan pembobotan dengan algoritma adaptif pada elemen antena

pengganggu-1

pengganggu-2 user yang

diinginkan

11/17/2015 21

(22)

•Analog

 Carrier frequency is low enough to avoid problems

•GSM

 Channel bit rate well above Doppler spread

 TDMA during each bit / burst transmission the channel is fairly constant.

 Receiver training/updating during each transmission burst

 Feedback frequency correction

•DECT

 Intended to pedestrian use:

• only small Doppler spreads are to be anticipated for

 Original DECT concept did not standardize an equalizer

•IS95

 Downlink: Pilot signal for synchronization and channel estimation



How do systems handle Doppler Spreads?

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

(23)

11/17/2015 23

How do systems handle delay spreads?  fenomena ISI

Analog

Narrowband transmission GSM

Adaptive channel equalization

Channel estimation training sequence DECT

Use the handset only in small cells with small delay spreads

Diversity and channel selection can help a little bit

“pick a channel where late reflections are in a fade”

IS95

Rake receiver separately recovers signals over paths with excessive delays

Digital Audio Broacasting

OFDM multi-carrier modulation

The radio channel is split into many narrowband (ISI-free) subchannels

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

(24)

Typical Delay Spreads

Macrocells T_RMS< 8 sec

• GSM (256 kbit/s) uses an equalizer

• IS-54 (48 kbit/s): no equalizer

• In mountanous regions delays of 8 sec and more occur

GSM has some problems in Switzerland Microcells TRMS < 2 sec

• Low antennas (below tops of buildings) Picocells T_RMS< 50 nsec - 300 nsec

• Indoor: often 50 nsec is assumed

• DECT (1 Mbit/s) works well up to 90 nsec

Outdoors, DECT has problem if range > 200 .. 500 m

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

(25)

11/17/2015 25

How to handle fast multipath fading?

Analog

 User must speak slowly GSM

 Error correction and interleaving to avoid burst errors

 Error detection and speech decoding

 Fade margins in cell planning DECT

 Diversity reception at base station IS95

 Wideband transmission averages channel behaviour

This avoids burst errors and deep fades

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

(26)

How to handle long fades when the user is stationary?

Analog

 Disconnect user GSM

 Slow frequency hopping

 Handover, if appropriate

 Power control DECT

 Diversity at base station

 Best channel selection by handset IS95

 Wide band transmission avoids most deep fades (at least in macro-cells)

 Power control Wireless LANs

 Frequency Hopping, Antenna Diversity

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

(27)

11/17/2015 27

Misal :

Diinginkan optimasi pada througput:

s) Prob(sukse paket

bit

user efektif bit

Throughput  

 

Kondisi di atas menyebabkan adanya trade-off :

• Jika panjang paket terlalu pendek,

 Terlalu banyak overhead (bit header, sinkronisasi, word, dsb), sehingga tidak efisien

• Jika panjang paket terlalu panjang,

 Kemungkinan terjadinya fading sebelum akhir paket.

Teknik mengatasi fading juga tampak pada desain paket yang optimal , sebagai salah satu tugas dalam membangun standar komunikasi :

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

(28)