Outdoor Line of Sight Wireless Optical Communication System
Sigit Haryadi dan Martinius Hadi Satria
Teknik Telekomunikasi – ITB
[email protected]
Summary
Optical Wireless Communication yang juga dikenal sebagai Free Space Optik (FSO) merupakan salah satu alternatif untuk menggantikan sistem komunikasi wireless RF, jika kondisi propagasinya memungkinkan , dan bila masalah isu lisensi frekuensi dan masalah interferensi gelombang, membatasi perkembangan RF.
Teknologi optikal wireless memberikan penawaran yang cukup baik. Pada kondisi propagasi yang baik, teknologi ini menawarkan bandwidth yang sangat besar yang bisa mencapai lebih dari 1 Gbps , maka teknologi ini dikembangkan untuk kepentingan kebutuhan datarate yang sangat tinggi.
Seperti halnya fiber optik, optikal wireless juga menawarkan kapasitas data yang sangat besar. Pada tulisan ini akan dikaji beberapa parameter yang mempengaruhi kinerja sistem optikal wireless. Hal-hal tersebut meliputi kajian megeai jarak transmisi, redaman cuaca, beam divergence dan beberapa faktor lainnya.
Hasil penelitian ini menyimpulkan bahwa : (1)Pengaruh kondisi atmosfer dan besar sudut divergensi transmitter terhadap jarak transmisi sistem komunikasi wireless optik adalah besar.(2)Pengaruh panjang gelombang yang digunakan terhadap jarak transmisi sistem komunikasi
wireless optik juga signifikan namun kondisi atmosfer dan sudut divergensi pancaran lebih dominan. (3)Beam yang lebih sempit memberikan keuntungan link margin yang dapat digunakan untuk mengatasi redaman cuaca yang lebih besar. (4)Jika suatu tracking system dapat memberikan toleransi yang lebih besar terhadap perubahan sudut, hal ini mengakibatkan transceiver tidak perlu lagi diarahkan secara periodic, sehingga mengurangi biaya perawatan.
Keyword
Jarak transmisi, beam divergence, weather attenuation
1. Pendahuluan
Perkembangan teknologi komunikasi berkembang sangat pesat sesuai meningkatnya permintaan akan kebutuhan sarana komunikasi. Pada tahap awal perkembangan teknologi komunikasi, media transmisi yang paling umum digunakan adalah kawat tembaga. Namun karena Kawat tembaga adalah fixed line (tidak mobile) dan bandwith yang sempit (sekitar 4khz) kemudian digantikan oleh komunikasi
wire less menggunakan radio frequency.
Sistem wireless , sebagai salah satu alternatifnya , memanfaatkan frekuensi cahaya sebagai media transmisi. Daerah panjang gelombang yang digunakan adalah pada daerah infrared sehingga dapat menyesuaikan dengan perangkat optik yang dikembangkan untuk fiber dengan harga yang murah . Sistem tersebut disebut sistem komunikasi wireless optik.
Sistem komunikasi wireless optik menawarkan beberapa kelebihan diantaranya adalah kapasitas yang sangat besar,
lebih murah dibandingkkan sistem wireless dengan radio
frequency, dan karena menggunakan frekuensi cahaya, tidak perlu perizinan penggunaan frekuensi. Karena kelebihan tersebut, sistem ini sangat cocok untuk jaringan komunikasi privat.
Jaringan fiber optik yang merupakan pengembangan teknologi
fixed line kabel tembaga, merupakan analogi yang baik bagi sistem ini. Perbedaan kedua sistem ini terletak pada jarak dan jumlah komponen yang digunakan. Jika jaringan fiber optik menggunakan serat yang panjang sehingga dapat menghubungkan stasiun komunikasi antar benua, maka sistem
wireless optik hanya dipakai untuk jarak yang relatif dekat. Jika jumlah komponen (jumlah repeater dan panjang serat)pada fiber optik sangat banyak, maka pada wireless optik hanya perlu
transceiver , dengan media transmisi berupa udara
Berikut ini adalah contoh gambar penggunaan WLAN optical
wireless system.
Gambar 1. Contoh jaringan WLAN menggunakan optikal
wireless system
Keuntungan terbesar yang dapat diambil dari sistem optical
wireless adalah beam yang sangat tipis yang dapat digunakan. Sebagai hasilnya, redaman lintasan secara virtual dapat diabaikan(10db). Beberapa vendor memanfaatkan hal ini dan memnggunakan beam yang lebar untuk memastikan cukup sinyal yang diterima di receiver, bahkan ketika pointing
transceiver menyimpang. Skema ini dapat diterima untuk keperluan data rate yang kecil, tetapi menjadi suatu tantangan pada data rate yang lebih tinggi. Untuk mengatasi masalah ini dilakukan suatu pendekatan, menggunakan tracking system yang akan menjaga penyimpangan arah pointing kurang dari 100µrad. Dengan kemampuan seperti itu beam dengan lebar dalam kisaran miliradian dapat digunakan. Tantangan terbesar dari sistem optical wireless adalah atenuasi/redaman cuaca. Redaman cuaca sebesar 300 dB/km pada kondisi cuaca berkabut tebal seringkali ditemukan pada beberapa lokasi di seluruh dunia. Karena hal tersebut perlu dilakukan analisis mengenai
diperlukan link margin tambahan untuk mengatasi masalah cuaca agar sistem dapat bekerja dengan baik. Sebagai hasilnya, dengan adanya redaman cuaca, link optik dengan
beam tipis tetapi menggunakan sistem tracking lebih menguntungkan dibanding sistem tanpa tracking. Berikut ini adalah gambaran transmisi beam antara dua gedung.
Gambar 2. Skema dari optical transceiver
Berdasarkan jarak yang ditempuh, sistem transmisi wireless optik dapat dibedakan menjadi jarak jauh dan jarak dekat. Kedua jenis sistem ini memiliki prinsip dasar yang sama hanya memiliki perbedaan mendasar antara lain pada rugi-rugi atmosfer. Rugi-rugi-rugi atmosfer memiliki pengaruh yang kecil untuk sistem jarak dekat bahkan tidak memberikan pengaruh untuk sistem indoor. Power budget hampir seluruhnya ditentukan oleh daya pancar transmitter, free
space loss dan sensitivitas penerima
International Electrotechnical Comission (IEC) mengklasifikasikan ketentuan penggunaan laser sebagai sumber optik (tabel 1). Tabel 2 memperlihatkan tingkat keamanan untuk setiap kelas. Sistem wireless optik jarak jauh menggunakan sumber optik kelas 3B untuk menghasilkan bitrate yang tinggi. Kelas 1 sangat dianjurkan untuk sistem wireless optik indoor karena pancarannya aman dalam berbagai keadaan. Perangkat optik yang digunakan dapat digunakan tanpa memerlukan tindakan pencegahan atau penanganan keselamatan yang khusus.
Tabel 1. Klasifikasi eye safety untuk pemancar sumber titik Kelas 650 nm cahaya tampak 880 nm infrared 1310 nm infrared 1550 nm infrared Kelas 1 < 0,2 mW < 0,5 mW < 8,8 mW < 10 mW Kelas 2 0,2 – 1 mW
n/a n/a n/a Kelas 3A 1 –5 mW 0,5 – 2,5 mW 8,8 – 45 mW 10 – 50 mW Kelas 3B 5 – 500 mW 2,5 –500 mW 45 – 500 mW 50 – 500 mW Tabel 2. Klasifikasi keamanan sumber
optik oleh IEC Kelas Interpretasi Kelas 1 Aman untuk dilihat langsung
Kelas 2 Diperlukan pelindung mata untuk mengatasi respon kedipan mata
Kelas 3A Aman untuk dilihat tanpa pelindung mata. Melihat langsung dapat membahayakan
Kelas 3B Melihat langsung sangat membahayakan.
1.1 Transmitter Wireless Optik
Transmitter terdiri dari driver, sumber cahaya, encoder dan modulator, seperti diperlihatkan pada gambar 3.
Gambar 3. Skema pemancar sistem wireless optik Karena alasan biaya, banyak vendor menggunakan spektrum sumber cahaya pada kisaran 780 nm-850 nm near–infrared. Untuk berbagai alasan lainnya, spektrum 1550 nm yang banyak digunakan pada industri fiber optik lebih cocok bagi sistem
optical wireless. Keuntungan utama dari penggunaan panjang gelombang 1550 nm adalah dapat mentransmisikan daya lebih besar. Karena struktur mata manusia, kerapatan daya yang diperbolehkan pada panjang gelombang 1550 nm adalah sekitar 50 kali kerapatan daya pada 780 nm. Oleh karena itu daya yang dipancarkan pada 1550 nm dapat lebih besar untuk mengatasi redaman cuaca seperti kabut. Sebagai contoh, badan pengawasan pangan dan obat Amerika, FDA telah menentukan batas keselamatan bagi mata misalnya untuk panjang gelombang 1550 nm adalah 100mW/cm2 dan 1mW/ cm2 pada 780 nm. Asumsikan
beam dengan profil gaussian dengan diameter 25 mm, sekitar 245 mW pada 1550 nm dapat ditransmisikan dan tetap aman bagi mata. Keuntungan lain dari penggunaan panjang gelombang pada 1550 nm adalah mengurangi pengaruh scattering pada kondisi cuaca berkabut dan kemudahan ketersediaan peralatan karena perkembangan teknologi telekomunikasi cenderung menggunakan panjang gelombang 1550 nm. Kekurangan dari penggunaan panjang gelombang 1550 nm diantaranya adalah harga komponen yang mahal dan sensitivitas receiver yang lebih rendah.
Ada dua jenis pemancar optik yang sering digunakan pada sistem wireless optik yaitu Light Emitting Diode (LED) dan
SemiconductorLaser Diode (LD). LED merupakan pemancar
large area yang relatif aman walaupun manggunakan daya pancar yang tinggi sehingga memiliki stander eye safety yang lebih ringan dibandingkan dengan LD yang memiliki berkas pancar yang sempit. Kebanyakan LED modern sekarang menggunakan paduan GaAs dan AlGaAs. Untuk mengatasi kecilnya daya yang dipancarkan oleh LED, seringkali digunakan susunan LED. Laser Diode adalah teknologi yang berbasis pada teknik pembuatan LED dan memiliki prinsip yang sama dengan LED yaitu transisi carrier pada band gap untuk menghasilkan radiasi photon. Tidak seperti LED yang menghasilkan pancaran spontan jika dikenai arus, LD menghasilkan pancaran photon lain yang dinamakan stimulated emission. Pada umumnya peralatan bekerja pada panjang gelombang 850 nm atau 1550 nm. Laser dengan panjang gelombang 1550 nm dipilih karena memiliki daya yang lebih tinggi, jangkauan lebih jauh dan lebih aman untuk mata. Radiasi inframerah pada panjang gelombang 1550 nm cenderung tidak menyentuh retina dan diserap oleh kornea. Gambar 3 memperlihatkan karakteristik daya yang dipancarkan sebagai fungsi dari arus input
Gambar 4. Grafik intensitas optik terhadap arus pemacu pada LED dan LD
Kelebihan dan kekurangan LED dan LD diperlihatkan pada tabel 3.
Tabel 3. Perbandingan LED dan LD untuk Wireless Optik Karakteristik LED LD Lebar Spektrum Optik 25 – 100
nm
0,1 – 5nm
Bandwidth Modulasi Puluhan KHz hingga ratusan MHz Puluhan KHz hingga puluhan GHZ Kebutuhan Rangkaian Khusus N/A Rangkaian kompensasi treshold dan temperaturEye Safety Dapat fleksibel
Harus
memenuhi eye safety
Reliabilitas tinggi Sedang
Biaya Rendah Sedang hingga tinggi
1.2 Receiver
Penerima optik adalah perangkat yang bertugas untuk mengubah sinyal optik menjadi informasi di penerima. Tidak seperti penerima pada sistem koheren yang menggunakan penerima homodyne dan heterodyne, penerima untuk sistem
wireless optik menggunakan intensity modulation menggunakan direct detection. Penerima ini langsung mengubah pulsa optik mejadi pulsa elektrik secara langsung. Penerima optik terdiri dari 3 bagian utama yaitu front end, linear channel dan data recovery, seperti diperlihatkan pada gambar 5.
Gambar 5. Skema penerima sistem wireless optik
Detektor pada penerima dapat dibedakan menjadi P-I-N
Photodiode dan Avalanche Photo Diode (APD). Tabel 4 memperlihatkan perbandingan p-I-n photodiode dan avalanche
photodiode (APD).
Tabel 4. Perbandingan p-i-n photodiode dan APD untuk komunikasi wireless optik
Karakteristi k p-i-n photodiode APD Bandwidth modulasi Puluhan MHz hingga puluhan GHz Ratusan MHz hingga puluhan GHZ Gain Iphoto 1 Kebutuhan rangkaian tambahan
Sumber tegangan bias yang tinggi, rangkaian pengkompensasi suhu Linieritas Tinggi Rendah
Biaya Rendah Sedang hingga tinggi
Untuk keperluan deteksi sinyal multi Gbps, meningkatnya noise
bandwidth membatasi sensitivitas dari receiver. Avalanche
Photo Diode (APD) dapat meningkatkan sensitivitas hingga 10 dB. Forward Error Correction juga dapat meningkatkan sensitivitas hingga 4 dB lebih. Mungkin tantangan paling signifikan dari meningkatnya rate menuju multi Gbps, adalah ukuran (diameter) detector. Karena kapasitansi, detector dengan
bandwidth yang lebih tinggi memiliki ukuran yang lebih kecil.
Photodetector komersial bervariasi dalam ukuran mulai dari 30µm untuk 10 Gbps hingga 70µm untuk 2,5 Gbps. Field of
view yang terbatas ini, mengakibatkan detector ini membutuhkan pointing yang akurat.
Tabel 5. Sensitivitas dan diameter beberapa detector komersial dengan berbagai datarate
1.3. Noise
Noise pada sistem wireless optik dapat dibedakan menjadi dua bagian besar yaitu shot noise dan thermal nois. Shot noise adalah
noise yang diakibatkan sumber cahaya lain yang masuk ke detektor yang memiliki panjang gelombang yang sama dengan sinyal informasi. Sumber cahaya seperti cahaya matahari dan cahaya lampu baik incandescent maupun fluorescent memancar pada panjang gelombang yang sama dengan sinyal data infrared.
Thermal noise diakibatkan oleh elemen resistif dalam preamplifier
1.4.1 Optik Loss
Optical losses yang terjadi pada peralatan optik
transmitter(ηT) maupun receiver(ηR) mengakibatkan
peredaman sinyal. Teknik yang digunakan untuk memperkecil optical losses diantaranya adalah memperkecil permukaan optik dan menggunakan pelapis anti pantul. Untuk mengurangi shot noise, Band Pass filter dengan
bandwith sempit seringkali digunakan. Band Pass Filter ini seringkali merupakan elemen losses paling besar.
1.4.2 Space Loss
Loss dominan yang terjadi pada link wireless (ηS) adalah
sinyal yang ditangkap di receiver hanya sebagian dari sinyal yang ditransmisikan pada transmitter. Untuk kajian RF(radio frequency) space loss, transmitter gain dan
receiver gain adalah sesuatu yang sangat esensial. Parameter ηS berbanding lurus terhadap akar dari rasio luas aperture
receiver terhadap diameter beam yang ditansmisikan setelah mencapai receiver. Para vendor FSO biasanya menggunakan 6-8 mrad beam divergence, untuk keperluan data rate rendah. Untuk mendapatkan data rate yang tinggi, biasanya
beam divergence diperkecil hingga 2 mrad.
1.5. Efek Atmosfir
Seperti diterangkan sebelumnya, diperlukan margin daya tambahan untuk menutupi losses yang disebabkan atmosfir, seperti kabut. Pada kondisi cuaca cerah, margin daya digunakan untuk menutup loss yang disebabkan oleh turbulensi udara. Pada kondisi cuaca berkabut, margin daya digunakan untuk mengatasi redaman kabut yang besar. Efek dominan yang terjadi disebabkan oleh kondisi atmosfir adalah redaman sinyal oleh scattering dan absorbtion. Hujan dan salju dapat menyebabkan redaman mencapai 40 dB/km dan 100 dB/km, namun kabut adalah gangguan cuaca yang paling besar. Untuk kondisi kabut tebal redaman bias mencapai 300 dB/km.
Atmosfir dapat memberikan defleksi beam acak. Sebagai contoh, pada cuaca cerah, udara panas naik mengakibatkan indeks bias udara naik sebagai fungsi ketinggian dan pada kondisi ekstrim dapat menyebabkan fatamorgana. Perubahan indeks bias seperti itu yang terjadi di dekat transmitter, mengakibatkan penyimpangan arah beam. Efek yang sama di dekat receiver mengakibatkan sinyal dari transmitter dianggap dari tempat lain (angle-of-arrival fluctuations). Besar efek ini tergantung dari fluktuasi indeks bias dan jarak propagasi sinyal. Pada kondisi ekstrim pada jarak beberapa kilometer atmosfir dapat menyebabkan kemiringan arah cahaya dapat bervariasi mencapai 100 µrad pada rate puluhan hertz.
Efek lain adalah turbulensi udara skala kecil yang juga memainkan peranan penting mengganggu komunikasi optik.. Atmosfir yang terus berubah mengakibatkan fading sinyal di receiver. Oleh karena itu sistem tracking sangat diperlukan agar dapat mengembalikan posisi fokus
transmitter kembali pada receiver, untuk menjamin link dengan data rate tinggi.
1.6. Link Budget
Link sistem optical wireless terdiri dari dua transceiver, yang memiliki satu atau lebih laser(transmitter) dan
photodetector (receiver). Peralatan optik di dalamya (teleskop, lensa, cermin) membentuk beam laser yang ditransmisikan dan memfokuskan sinyal yang diterima ke photodetector. Link ini didesain agar sinyal yang ditransmisikan dari satu transceiver ke
transceiver lain cukup, sehingga sistem dapat mengenali perbedaan data 0 dan 1 , dengan error yang dapat diabaikan. Perhitungan daya dapat dijabarkan sebagai berikut:
PR = (ηT. ηR. ηS)PT (1)
PR adalah daya diterima receiver
PT adalah daya yang dipancarkan transmitter
ηT adalah loss pada bagian optik transmitter
ηR adalah loss pada bagian optik receiver
ηS adalah fraksi daya yang diterima pada receiver
SR adalah sensitivitas receiver
Daya di atas adalah nilai rata-rata. Nilai dari PR/ SR disebut link margin
Daya yang harus dipancarkan untuk mencapai performa yang diinginkan dapat dinyatakan.
Ptx = Sr + L (2)
Dengan L adalah rugi-rugi ruang bebas
2. Simulasi Perhitungan
Pada penelitian ini dibahas mengenai dasar-dasar perancangan sistem komunikasi wireless optik outdoor dengan membatasi perancangan sinyal digital, untuk kondisi atmosfer non
turbulence, indeks bias konstan, tanpa scintillation, absorbsi dan hamburan. Parameter utama yang dihitung adalah jarak tansmisi dengan dipengaruhi oleh parameter lainnya. Dalam simulasi perhitungan pada perancangan sistem ini digunakan alat bantu berupa software MATLAB, untuk mempermudah perhitungan menggunakan metoda iterasi. Berikut ini adalah tabel perhitungan jarak transmisi sebagai akibat dari redaman cuaca.
Tabel 6. Perhitungan R dan s sebagai fungsi redaman cuaca A
Kondisi Atm. A (dB/km) R (km) s (km)
Clear still air 1 21,67 21,17
Window(glass) 3 9,587 9,087 Ligth rain 10 3,7 3,2 Heavy rain 25 1,744 1,244 Snow 100 0,539 0,039 Medium Fog 120 0,461 0 Thick Fog 300 0,208 0 Parameter lain yang berpengaruh pada perhitungan jarak transmisi adalah besar sudut divergensi pancaran pada
transmitte. Berikut ini adalah tabel perhitungan jarak transmisi sebagai akibat dari redaman cuaca.
Tabel 7. Hasil perhitungan harga R dan Ro sebagai fungsi β β (rad). Ro(m) R(km) s(km) 0,0001 1000 39,47 38,47 0,0002 500 34,6 34,1 0,0003 333,33 31,8 31,467 0.0004 250 29,86 29,61 0,0005 200 28,37 28,17 0,0010 100 23,85 23,75 0,0050 20 14,31 14,29 Pemilihan panjang gelombang juga terkait dalam penentuan harga jarak transmisi. Dalam tabel berikut diberikan harga-harga NEP yang berbeda-beda sebagai fungsi λ dan hasil perhitungan jarak transmisi untuk masing-masing λ yang digunakan.
Tabel 8. Jarak transmisi sebagai fungsi λ λ (nm). NEP(W/
hz
) R(km) s(km) 650 3,024x10-14 31,61 31.11 880 2,23x10-14 32,65 32.15 1310 1,5x10-14 34,02 33,52 1550 1,27x10-14 34,6 34,1 2.1. Sistem TrackingDengan sistem tracking yang bekerja, link
komunikasi menjadi cukup sederhana. Pada gambar 6, adalah sistem dengan daya yang dipancarkan pada 0,1 mW,dengan jarak link sekitar 1 km.
Gambar 6: BER vs waktu pada 1,25 Gbps.
Pada awalnya sistem telah diarahkan dengan baik, dan
tracking system dimatikan pada pukul 14:00. Dengan
tracking sistem yang mati, perubahan arah terjadi dengan cepat dalam beberapa jam, dan BER meningkat hingga 0,5 pada sekitar pukul 17:00. Dengan tracking system yang dinyalakan kembali, BER kembali turun menjadi nol dan sistem kembali bebas error.
3. Kesimpulan
Pengaruh kondisi atmosfer dan besar sudut divergensi
transmitter terhadap jarak transmisi sistem komunikasi wireless optik adalah besar. Pengaruh panjang gelombang yang digunakan terhadap jarak transmisi sistem komunikasi wireless optik juga signifikan namun kondisi atmosfer dan sudut divergensi pancaran lebih dominan. Beam yang lebih sempit memberikan keuntungan link margin yang dapat digunakan untuk mengatasi redaman cuaca yang lebih besar. Lebih jauh lagi, jika suatu tracking system dapat memberikan toleransi yang lebih besar terhadap perubahan sudut, hal ini mengakibatkan
transceiver tidak perlu lagi diarahkan secara periodic, sehingga mengurangi biaya perawatan.
Daftar Pustaka
[1] P.L.Eardley, “intrtoduction to FSO communication”,IEE Proc-Optoelectron.,1996.
[2] S.Lee “Pointing and Tracking subsystem design for optikal
communication link between the international space station and ground”,SPIE proceedings vol.3932, 2000
[3] Rahmat, A.R, “Sistem Komunikasi Wireless Optik Dalam Ruangan dengan Tipe Difus”Penelitian, Bandung, 2003. [4] Adi, K.N “Komunikasi Optik Ruang Bebas Sebagai
Alternatif Transmisi Berkecepatan Tinggi”Penelitian, Bandung,1996. [5} http:// www.freespaceoptiks.org/index.cfm [6] http://www.canon.com/technology/ i_communication canobeam/content.html [7] http://www.lumenlink.net/History/ index.htm [8] http://www.spie.org/web/meetings/calls/pe98/ vvdc/mmow/vv10.html [9] http://www.comm.toronto.edu/woc/freesp/ terrestrial.html
