SMART ANTENA. Tony Winata Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti

(1)

JETri,

Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 37-48, ISSN 1412-0372

SMART ANTENA

Tony Winata

Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti Abstract

A combination of an antenna array and an adaptive processor can perform a radiation pattern in the direction of arriving signal and at the same time reject any interfering signal or noise from other directions. With the variable weights on every element, signal processor can easily adjust the weight by a simple adaptive technique based on the least-mean-squares (LMS) algorithm. During the adaptive process an incoming signal simulates a received signal from a desired look direction, this allow the array system to learn so its directivity pattern has a main lobe in the previously specified look direction. At the same time, the array processing system reject any interfering noise and signals, whose directions of propagation are different from the desired look direction, by forming nulls in the antenna pattern. The technique described are simulated by Matlab. Substantial reductions in noise and any other signals are demonstrated. The results are the arrays can be used over a wide range of frequencies and the more elements of the array the used more acurate the pattern.

Keywords: simulation, random real number, forecasting, mean squares, scenario

1. Pendahuluan

Antena dipergunakan untuk menerima gelombang elektromagnetik atau untuk memancarkan gelombang tersebut ke ruang bebas. Sejalan dengan perkembangan teknologi telekomunikasi, masa sekarang ini pemakaian spektrum gelombang radio selain padat juga untuk sistem komunikasi bergerak sehingga gelombang elektromagnetik yang di pancarkan satu sama lain dapat saling menganggu. Pada sistem komunikasi personal dan bergerak, gangguan dapat datang dari rekan berkomunikasi atau pemakai lain, seperti gangguan sinyal banyak jalur atau sering disebut multipath interference, atau gangguan pada kanal yang sama atau sering disebut co-channel interference (Godara, 1997: 1031-1060). Antena base station hingga saat ini umumnya mempergunakan pola radiasi ke segala arah (omnidirectional) atau ke berbagai arah dengan beberapa sudut tertentu (sectorize), dengan pola radiasi demikian dapat dikatakan bahwa antena tersebut tidak hemat daya, dan tidak kebal gangguan, karena sebagian besar daya yang di radiasikan bukan kearah pemakai, demikian juga penerimaan dapat dari berbagai arah. Sebaliknya radiasi yang tidak terarah tersebut dapat merupakan gangguan bagi pemakai yang lain. Untuk mengatasi hal

(2)

JETri,

Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 37-48, ISSN 1412-0372

tersebut di buatlah suatu system yang cerdik (smart) yang dapat memilih gelombang yang di inginkan dan gelombang yang tidak diinginkan.

Ide utamanya ialah memaximumkan gain antena ke arah yang di kehendaki dan pada saat yang sama membuat pola radiasi minimum kearah sinyal yang menganggu, sehingga dengan demikian kualitas komunikasi meningkat.

Pemikiran dasar suatu smart antena ialah membuat pola radiasi antena base station tidak tetap, tetapi terarah dan mengikuti posisi pemakai (adaptive). Dengan smart antena maka pemakaian daya dan spektrum akan makin hemat, serta terhindar dari gangguan sinyal-sinyal lain (Joseph, 1999:153)

2. Prinsip Dasar Smart Antena

Suatu susunan antena (array) yang identik dapat di atur arah radiasinya dengan mengubah parameter antara lain fasa dan/atau amplitudo gelombang yang menuju ke tiap elemennya. Dengan mempergunakan pemroses sinyal dapat dihasilkan pola radiasi maximum kearah yang di ingini dan sekaligus membuat pola nol pada arah yang tidak di ingini. Smart Antena mempergunakan suatu susunan antena yang elemen-elemennya di hubungkan dengan suatu rangkaian terintegrasi. Gambar 1. halaman berikut ini memperlihatkan suatu susunan sembarang elemen antena dimana  merupakan sudut azimuth dan θ adalah sudut elevasi dari suatu gelombang datar yang mengenai antena. Dengan demikian berarti posisi horizontal pada θ = π/2.

Untuk menyederhanakan analisis suatu susunan antena, di buat beberapa asumsi, antara lain;

- Jarak antar elemen cukup kecil sehingga tidak terjadi perbedaan ampitudo dari sinyal yang di terima pada masing–masing element. - Tidak timbul kopling bersama antar element.

- Semua gelombang datang di anggap terdiri dari gelombang datar. Suatu gelombang datar yang mengenai susunan antena dari arah (θ,), mempunyai beda fasa antara elemen ke m dan elemen yang berada pada titik asal adalah:

(3)

Tony Winata, Smart Antena

dimana: β =  /2

Sistem antena smart terdiri dari beberapa bentuk sistem yaitu

susunan antena, pengatur fasa dan suatu processor adaptive untuk

penentuan bobot

(Godara, 1997: 1031-1060)

.

Gambar 1. Gambar geometri untuk penentuan arah datangnya sinyal. Secara umum susunan antena terdiri dari sejumlah elemen yang dapat didistribusikan dalam bentuk berbagai pola, biasanya susunan tersebut terdiri dari antena linear yang mempunyai jarak sama (linear equally spaced), uniform, co-polarized, penguatan elemen rendah dan diorientasikan pada satu arah yang sama. Suatu susunan antena yang mempunyai jumlah elemen M yang seragam, di orientasikan sepanjang sumbu x dengan jarak antar elemen x di gambarkan seperti gambar 2. pada halaman berikut.

Arah gelombang

datar



d

m



elemen m

(x

m

, y

m

, z

m

)



z

x

y

(4)

JETri,

Z 

muka gelombang datar

y

muka gelombang yang  mengenai elemen 0

muka gelombang mengenai elemen m x y-axis d=x cos sin  0(t) u1(t) um(t) uM-1(t) x-axis

elemen 0 Ax elemen 1 elemen m elemen M-1

Variable phase shifter

z(t)

Gambar 2. Konfigurasi model antena linear serta mempunyai jarak sama yang di letakkan pada sumbu x, menerima gelombang datar dari arah (θ,).

w0 w1 wm wM-1

(5)

Tiap cabang dari susunan antena mempunyai elemen bobot, wm

yang masing-masing mempunyai besaran dan fasa. Misalkan suatu gelombang datar s(t) mengenai susunan antena dari sudut (,) relatif terhadap sumbu dari susunan antena. Di asumsikan semua elemen susunan antena adalah isotropic yang mempunyai penguatan kesegala arah (Joseph, 1999:87). Dengan mempergunakan persamaan (1), dengan xm = m x,

signal yang di terima pada elemen antena yang ke m adalah: um(t) = A s(t) e

-jm d

= A s(t) e -jm x cos sin  (2) dimana : A adalah konstanta Gain.

Sinyal z(t) pada output susunan antena adalah:

z(t) =



   



1 0 1 0

)

(

)

(

M m m M m m m

u

w

t

As

t

e -jm x cos sin  = As(t) f (,) (3) f(,) disebut faktor susunan antena (array factor). Array factor menentukan perbandingan dari sinyal yang diterima yang tiba pada output susunan antena, z(t) terhadap sinyal As(t), yang di ukur pada elemen referensi, sebagai fungsi “arah datangnya sinyal” (direction of arrival), (,). Dengan mengatur sejumlah faktor bobot (weights), wm, maka berkas maximum

faktor susunan antena dapat diarahkan sesuai dengan keinginan, (o,o).

Untuk memperlihatkan bagaimana faktor bobot, wm, dapat di

pergunakan untuk mengubah pola radiasi susunan antena, maka di ambil faktor bobot yang ke m, yaitu:

wm = e jm x coso (4)

sehingga faktor susunan antena menjadi:

f(,) =



  1 0 M m

(6)

JETri,

Tahun Volume 2, Nomor 2, Februari 2003, Halaman 37-48, ISSN 1412-0372 =

.

))

0 cos

sin

(cos

2 sin(

))

0 cos

sin

(cos

2 sin(

























x

M

e-j

₂

(cos



sin



cos



0 )





x

_

Dalam hal ini gelombang mengenai susunan antena seperti pada gambar adalah pada bidang x-y (horizontal) sehingga  = /2. Ini adalah pendekatan yang umum dilakukan untuk antena sistem selular dan PCS (Zhigang, 1997: 1–5). Gambar 3. dibawah ini merupakan plot faktor susunan antena dengan susunan seperti pada gambar 2. dengan mempergunakan bobot seperti yang di uraikan pada persamaan (4).

Gambar 3. Plot faktor susunan antena

Faktor susunan antena yang diperlihatkan pada gambar ialah untuk o = 45 0

dan 800, dengan mengubah-ubah parameter, o, berkas gelombang

elektromagnetik dapat di arahkan sesuai dengan ke inginan. Yang terpenting adalah membuat substitusi untuk:

(7)

Dimana  adalah sudut datang dari gelombang yang diukur dari sumbu x, dengan cara yang sama  diukur dari sumbu z. Umum nya pola radiasi dari faktor susunan antena merupakan fungsi  dan . Bila pola medan radiasi dari dari tiap elemen susunan antena adalah ga(,) dan tiap elemen adalah

identik serta di orientasikan kearah yang sama, maka pola medan total dari susunan antena adalah:

F (,) = f (,) ga (,) (7)

Di asumsikan gelombang yang mengenai tiap elemen antena mempunyai polarisasi yang sama sehingga tidak terjadi polarization loss (Balanis,...).

Untuk memudahkan pekerjaan di gunakan notasi vektor bobot:

w = w0 ...wM-1 H

(8) Sinyal-sinyal dari tiap elemen antena di kumpulkan dalam vektor data sbb:

u = u0 (t)...uM-1(t)T (9)

Dengan demikian output dari susunan antena z(t) dapat dinyatakan sebagai inner product dari vektor bobot, w dan vektor data, u(t),

z(t) = wH u(t) (10) Faktor susunan antena pada arah (,) menjadi :

f (,) = wH a(,) (11) Vektor a(,) di sebut steering vektor pada arah (,) Bila gelombang datang dari arah seperti pada gambar 2., maka steering vektor, menyatakan fasa dari sinyal yang berada pada masing-masing elemen relatif terhadap fasa dari sinyal pada elemen referensi (elemen 0). Dengan persamaan 3., steering vektor menjadi:

a(,) = 1 a1 (,) ...a M-1(,) T (12) dimana: am (,) = e

(8)

JETri,

Satu set steering vektor, untuk semua harga  dan  disebut array manifold. Pasangan sudut (,) disebut Direction of Arrival (DOA) dari sinyal. Untuk memudahkan biasanya komponen-komponen sinyal banyak jalur (multipath) yang menuju Base Station di asumsikan pada bidang horisontal,  = /2 , sehingga dengan demikian , hanya  yang menyatakan arah dari datangnya sinyal (DOA) (Ryuji, 1998: 89).

3. Penentuan harga w (faktor bobot).

Suatu cara yang sederhana berikut ini menunjukkan bagaimana menghitung faktor bobot, dimana sinyal dari suatu arah tertentu dapat di di terima dan pada saat yang bersamaan “sinyal multipath“ dari arah yang lain di hindari. Gambar 4. halaman berikut memperlihatkan konfigurasi susunan antena untuk mendapatkan sinyal yang diingini dan menghindari sinyal yang tidak diingini (sinyal multipath). Misalkan sinyal yang di ingini datang dari arah sudut  = 00 dan dinyatakan dengan persamaan p(t) = P sin 0t,

dan sinyal yang lain berupa sinyal multipath datang dari sudut  = /6 radians dan dinyatakan dengan n(t) = N sin 0t . Pada suatu titik di tengah

antara kedua antena sinyal diingini dan sinyal multipath dianggap mempunyai fasa yang sama. Antena pada contoh berikut, mempergunakan dua buah antena omnidirectional yang disusun dengan jarak /2. Kedua sinyal yang diterima oleh tiap elemen di kalikan dengan suatu faktor bobot variable, w, dimana tiap satu faktor bobot di delay sebesar T/4, keempat sinyal yang telah di kalikan dengan faktor bobot kemudian di jumlahkan sehingga didapat output dari susunan antena tersebut. Sehingga output dari susunan antena yang disebabkan oleh sinyal yang diingini adalah;

P[(w1+w3) sin 0t + (w2 +w4) sin(0t - /2)]. (14)

Untuk membuat output menjadi sama dengan output yang diinginkan p(t) = Psin 0t, maka perlu dibuat:

w1+w3 = 1 (15)

w2 +w4 = 0 (16)

Dengan titik referensi di tengah antara kedua antena, maka time delay relatif dari sinyal yang tidak di ingini (multipath) pada kedua antena adalah

T/4 sin /6 = T/8, yang merupakan pergeseran fasa sejauh /4 pada frekuensi f 0 .

(9)

Tony Winata, Smart Antena p(t) = P sin 0t n(t) = N sin 0t T/8 /6 T/8 d= /2 Error sinyal e(t)

Gambar 4. Konfigurasi susunan antena

T/4

w2 w4 w1 w3



Algorithma Adaptive (pengaturan bobot )



Muka gelombang multipath Output sinyal s(t) Respon yang diinginkan d(t)

(10)

JETri,

Output susunan antena yang disebabkan oleh sinyal yang tidak di ingini (multipath) pada sudut  = /6 adalah:

N[w1 sin (0t - /4) + w2 sin (0t - 3/4) + w3 sin (0t + /4) +

w4 sin (0t - /4)] (17)

Oleh karena output ini tidak di kehendaki maka output harus memberikan hasil = 0 sehingga didapat;

w1+w 4= 0 (18)

w2 –w3 = 0 (19)

Dari ke empat persamaan ini dapat dicari w, sehingga di dapat: w1 = ½ ; w2 = ½ ; w3 = ½ ; w4 = - ½

Dengan sejumlah faktor bobot ini, susunan antena akan mempunyai karakterisitik yang diingini, yaitu menerima sinyal dari arah yang di ingini dan menghindari sinyal dari arah yang tidak di ingini (multipath).

Perhitungan bobot selanjutnya untuk membuat sistem ini menjadi adaptive dengan fmempergunakan algorithma LMS (least mean square) (Widrow, 1985: 78). Dimana error di perkecil terus menerus dengan membandingkan output terhadap suatu response yang diingini.

e(t) = d(t) – s(t) (20)

4. Hasil simulasi pembentukan Beam

Hasil faktor bobot, w, didapat setelah perhitungan menjadi convergen. Setelah di dapat faktor bobot kemudian dapat dicari sudut fasa sinyal, dan dengan bantuan program Mathlab di buatlah simulasi untuk pembentukan beam (Beamforming), dengan hasil pada gambar 5. dan gambar6.

Pada simulasi ini diambil untuk suatu susunan antena dengan jumlah elemen 10 dengan berbagai sudut datang sinyal yang diingini serta beberapa sinyal yang tidak diinginkan.

(11)

Gambar 5. Pola radiasi untuk 20 elemen antena pada frekuensi 2,4 GHz

Gambar 6. Menunjukkan pola radiasi setelah di normalisasi dengan koordinat polar.

(12)

JETri,

5. Kesimpulan

Dari hasil simulasi terlihat bahwa teknik sinyal processing adaptive dapat dipergunakan untuk memproses output dari tiap-tiap element pada suatu susunan antena. Kombinasi susunan antena dan pemerosesan adaptive ini memperlihatkan bagaimana suatu susunan antena dengan pengontrolan adaptive dapat mengarahkan berkas radiasinya sesuai dengan arah datangnya sinyal, dan pada saat yang bersamaan membuat pola nol pada arah sinyal yang tidak diingini/sinyal yang menganggu.

Daftar Pustaka

1. Joseph C. Liberti, Jr and Theodore S.Rappaport, 1999. Smart Antennas

for Wireless Communications, Prentice Hall PTR, NJ.

2. Lal C. Godara, No.7, July 1997. Applications of Antenna Array to Mobile Communications, IEEE Proceeding.

3. Ryuji Kohno, No.1. Feb 1998. Spatial and Temporal Communications Theory using Adaptive Antenna Arary, IEEE Personal Communications. 4. Widrow & Stearns, 1985. Adaptive Signal Processing, Prentice Hall,

NJ,.

5. Zhigang Rong, Theodore S.Rappaport, Paul Petrus & Jeff H. Reed, May 5–7,1997. Simulation of Multitarget Adaptive Array Algorithms for Wireless CDMA Systems. IEEE Vehicular Technology Conference, Phoenix, Az