5
BAB II DASAR TEORI
2.1 Propagasi Gelombang Radio
Propagasi gelombang elektromagnetik sebagaimana yang dinyatakan oleh Persamaan Maxwell adalah adanya perubahan medan magnet akan menghasilkan medan listrik dan perubahan medan listrik akan menghasilkan medan magnet.
Oleh sebab itu gelombang elektromagnetik dapat berpropagasi dengan sendirinya.
Untuk kebanyakan model propagasi gelombang radio, gelombang elektromagnetik lebih sering dinotasikan dengan sebuah berkas (ray) atau lebih kenal dengan Poynting Vector sesuai dengan arah propagasinya[1].
Propagasi merupakan pentransmisian sinyal informasi dari satu tempat ke tempat lain melalui media, baik media fisik , yang berupa kabel/kawat (wire) maupun media non-fisik (bukan kabel/kawat), yang lebih dikenal dengan wireless, seperti halnya udara bebas. Untuk pentransmisian gelombang dalam jarak yang jauh, akan lebih efisien apabila menggunakan udara bebas sebagai media transmisinya. Hal ini memungkinkan karena gelombang radio atau RF (radio frequency) akan diradiasikan oleh antena sebagai perangkat penyeimbang antara sistem pemancar dan udara bebas dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik. Gelombang ini merambat atau berpropagasi melalui udara dari antena pemancar ke antena penerima yang jaraknya bisa mencapai beberapa kilometer, bahkan ratusan sampai ribuan kilometer.
2.2 Mekanisme Propagasi
Refleksi, difaksi dan scattering adalah merupakan tiga mekanisme dasar dari propagasi gelombang radio yang mempengaruhi propagasi di dalam sistem komunikasi bergerak[2].
Refleksi terjadi ketika gelombang elektromagnetik yang sedang berpropagasi mengenai/menabrak sebuah objek dengan dimensi yang sangat besar
6
bila dibandingkan dengan panjang gelombang elektromagnetik tersebut. Refleksi terjadi dari permukaan tanah dan dari gedung-gedung dan dinding-dinding.
Difraksi terjadi ketika jalur radio antara pemancar dan penerima dihalangi oleh sebuah permukaan yang memiliki tepi yang tajam. Gelombang-gelombang kedua yang dihasilkan dari permukaan tajam yang menghalanginya tersebut terurai di ruang bebas dan bahkan di belakang penghalang tersebut, yang menyebabkan adanya gelombang-gelombang yang melengkung di sekitar penghalang, bahkan ketika jalur LOS tidak ada di antara pemancar dan penerima.
Untuk frekuensi tinggi, difraksi, sama seperti refleksi, tergantung pada geometri objek, baik amplitudo, fasa maupun polarisasi dari gelombang datang di titik difraksinya.
Scattering terjadi ketika medium tempat gelombang berpropagasi terdiri dari objek dengan dimensi yang lebih kecil dibandingkan dengan panjang gelombangnya dengan jumlah penghalang yang relatif besar. Gelombang hamburan dihasilkan oleh kekasaran permukaan tanah, objek-objek yang kecil atau karena ketidakteraturan lainnya di kanal. Di dalam praktek, pepohonan, rambu-rambu jalan dan tiang-tiang listrik menimbulkan hamburan di dalam sistem komunikasi bergerak.
2.2.1 Refleksi
Ketika gelombang radio yang berpropagasi di dalam satu medium menabrak medium yang lain yang memiliki sifat elektrik yang berbeda, sebagian dari gelombang ini akan dipantulkan dan sebagian lagi akan ditransmisikan. Jika gelombang datang menuju dielektrik sempurna, sebagian energi ditransmisikan ke medium kedua dan sebagian lagi dipantulkan kembali ke medium pertama, sehingga dalam hal ini, tidak ada energi yang diserap. Jika medium kedua adalah konduktor sempurna, maka seluruh energi gelombang yang datang dipantulkan kembali ke medium pertama tanpa adanya rugi-rugi energi, seperti pada Gambar 2. 1.
7
Gambar 2. 1 Refleksi 2.2.2 Difraksi
Difraksi mengijinkan gelombang radio untuk berpropagasi di sekitar permukaan bumi yang melengkung dan berpropagasi di belakang objek penghalang, seperti terlihat pada Gambar 2. 2.
Gambar 2. 2 Difraksi gelombang
Kuat medan yang diterima akan menurun dengan cepat karena penerima bergerak mendekati daerah yang menghalanginya. Fenomena difraksi dapat dijelaskan oleh prinsip Huygen, yang menyatakan bahwa semua titik pada sebuah muka gelombang (wavefront) dapat dianggap sebagai sumber titik untuk memproduksi secondary wavelets atau gelombang-gelombang baru dengan panjang gelombang yang sama dengan panjang gelombang sebelumnya.
Kemudian wavelet-wavelet ini bergabung untuk menghasilkan sebuah wavefront yang baru di arah propagasinya. Difraksi disebabkan oleh propagasi dari secondary wavelets di dalam daerah yang terhalangi. Kuat medan dari gelombang difraksi di daerah yang terhalangi ini adalah merupakan penjumlahan vektor dari
8
komponen medan elektrik dari semua secondary wavelets di ruang bebas di sekeliling penghalang.
2.2.3 Scattering
Di dalam sistem komunikasi bergerak, sinyal yang diterima sebenarnya sering lebih kuat dari yang diprediksikan oleh model refleksi dan difraksi itu sendiri. Hal ini dikarenakan ketika gelombang radio menabrak sebuah permukaan yang kasar, energi yang dipantulkan menyebar ke segala arah, yang dikenal dengan istilah scattering. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2. 3.
Gambar 2. 3 Scattering
Benda-benda seperti tiang listrik dan pepohonan cenderung untuk menyebarkan energi ke semua arah, sehingga memberikan energi tambahan di penerimanya.
2.3 Path Loss
Path loss merupakan komponen yang paling utama dalam perencanaan link radio. Elemen path loss termasuk free space loss, rugi-rugi atmosfer, penyerapan uap air, pengendapan, fading, multipath dan berbagai efek lainnya berdasarkan frekuensi dan lingkungannya.
Jika jalur utama propagasi merupakan ruang bebas maka free space loss dapat dihitung dengan Persamaan Friis, yaitu Persamaan 2.1[1].
L = GT GR
�
4 𝜋 𝑑𝜆�
2 (2.1)atau dengan Persamaan 2.2
9
LdB = -GTdB – GRdB – 20 log (λ) + 20 log (d) + 22 (2.2)
dimana:
L = loss (rugi-rugi) GT = gain antena pemancar GR = gain antena penerima λ = panjang gelombang
d = jarak antara pemancar dan penerima
Di beberapa aplikasi, gain antena tidak termasuk dalam persamaan path loss, sehingga persamaan free space loss dapat dihitung dengan Persamaan 2.3.
𝐿𝑓𝑠𝑙𝑑𝐵 = −20 𝑙𝑜𝑔 �4 𝜋 𝑑𝜆 � (2.3)
2.4 Model Propagasi dalam Ruangan
Untuk menghitung perkiraan besar path loss yang terjadi di dalam ruangan tidak dapat menggunakan model propagasi outdoor.Hal ini dikarenakan jarak yang terdapat di dalam ruangan sangat pendek sehingga efek Doppler dapat diabaikan.Selain itu, propagasi yang terjadi di dalam ruangan cenderung lebih kompleks karena gelombang radio-nya banyak dihalagi oleh obstacle (hambatan) berupa furniture (perabot rumah tangga), asbes atau gypsum dan dinding.Oleh sebab itulah gelombang radio di dalam ruangan mengalami banyak refleksi dan refraksi serta penyerapan daya (pentration) yang menyebabkab path loss semakin besar [3].
Metode pemodelan propagasi indoor dapat dibedakan dalam empat kategori, yaitu [4]:
1. Model Empiris
Model empiris adalah pemodelan yang diambil dari perhitungan kanal yang dilakukan di beberapa tempat tertentu. Model ini diambil dengan memasukkan data pengukuran dengan rumus-rumus matematika sederhana atau fungsi distribusi. Contoh model empiris untuk lingkungan indoor antara lain adalah
10
model One Slope, model Wall and Floor Factors, model Cost-231 Multi Wall, model Linear Attenuation, dan lain sebagainya.
2. Model Stokastik
Model stokastik biasanya digunakan untuk memodelkan aspek acak dari kanal radio dengan variabel acak, misalnya karakteristik fading dari kanal radio.
Model ini hanya membutuhkan sedikit informasi dari lingkungan propagasinya.
Pada kanal propagasi radio, terdapat dua tipe fading, yaitu fadinglarge scale dan fading small scale. Fading large scale menggambarkan perubahan kekuatan sinyal terhadap jarak. Sementara itu, fading small scale menggambarkan fluktuasi kecepatan dari kuat sinyal terima pada jarak perjalanan yang singkat (biasanya dengan sedikit panjang gelombang). Fadinglarge scale dan fading small scale biasanya dimodelkan dengan model stokastik.Misalnya, untuk fading large scale, yaitu fading shadowing, dimodelkan dengan fading log-normal dan fading small scale banyak dimodelkan dengan Rayleigh, fading Rice atau Nakagami-m, dan lain sebagainya.
3. Model Deterministik
Model deterministik mensimulasikan fenomena propagasi secara fisik dari gelombang radio. Model deterministik ini didasarkan pada persamaan Maxwell yang menggambarkan sifat-sifat dari medan elektromagnetik dan memasukkannya pada lingkungan propagasi spesifik.Biasanya model ini memiliki tingkat akurasi yang tinggi. Contoh model ini adalah model Ray-Optical dan model Finite Difference Time Domain (FDTD).
4. Model Semi-deterministik
Model semi-deterministik adalah kombinasi dari model deterministik dengan model stokastik atau model empiris.Model ini memiliki kelebihan berupa tidak dibutuhkannya terlalu banyak data untuk perhitungan seperti pada model deterministik, namun tetap memiliki akurasi yang lebih tinggi daripada model stokastik maupun model empiris. Contoh dari model ini adalah model Dominan path, model Motif, dan model Geometry Based Stochastic Channel (GSCM).
11 2.4.1 Model Propagasi COST 231 Multi Wall
Model COST 231 Multi Wall merupakan pengembangan dari model Keenan-Motley. Perbedaan yang mencolok pada kedua jenis model ini terletak pada penjelasan rugi-rugi akibat penyerapan daya sinyal yang menembus beberapa lantai yang berada diantara pemancar dan penerima. Model Keenan- Motley menyatakan bahwa besarnya daya sinyal yang hilang akibat melalui beberapa lantai dapat digambarkan sebagai fungsi linear terhadap kenaikan jumlah lantai yang ditembus oleh sinyal. Sedangkan pada model COST 231-MultiWall besarnya daya yang hilang tersebut tidak dapat digambarkan sebagai fungsi linear melainkan sebagai fungsi eksponensial yang dipengaruhi oleh faktor empiris b[5]
Pada jenis model ini, total rugi-rugi lintasan yang terjadi di dalam ruangan merupakan jumlah dari rugi-rugi akibat ruang bebas dengan penyerapan gelombang radio yang menembus lantai dan dinding yang berada diantara BS dan MS atau perangkat komunikasi yang dapat berpindah-pindah (portable terminal).
Telah diteliti bahwa total rugi-rugi gelombang radio akibat menembus beberapa lantai bukanlah merupakan fungsi linear terhadap peningkatan jumlah lantai.
Melainkan merupakan fungsi eksponensial seperti yang diperlihatkan pada persamaan 2.4[6].
𝐿𝑀𝑊= 𝐿𝐹𝑆+ 𝐿𝐶+ ∑𝐼 𝐾𝑤𝑖
𝑖=1 . 𝐿𝑤𝑖+ 𝑘𝑓�
𝑘𝑓+2𝑘𝑓+1−𝑏�
𝐿𝑓 (2.4)
dimana :
LMW = rugi-rugi lintasan total (dB)
LFS = rugi-rugi ruang bebas (dB) LC = konstanta rugi-rugi
kwi = jumlah dinding yang ditembus pada jenis ke-i kf = jumlah lantai yang ditembus pada jenis ke-i
Lwi = rugi-rugi dinding yang ditembus pada jenis ke-i (dB) Lf = rugi-rugi lantai yang ditembus pada jenis ke-i (dB)
12 b = faktor empiris
I = jumlah jenis dinding
Rugi-rugi pertama (LFS) pada Persamaan 4.2 merupakan rugi-rugi akibat propagasi gelombang radio di ruang bebas. Rugi-rugi kedua (LC) merupakan variabel yang besarnya ditentukan dari hasil pengukuran terhadap rugi-rugi akibat penyerapan oleh dinding yang dilalui sinyal dengan menggunakan metode regresi linear bertingkat. Biasanya besar nilai konstanta tersebut mendekati nol. Rugi-rugi ketiga (∑𝐼 𝐾𝑤𝑖
𝑖=1 . 𝐿𝑤𝑖) merupakan total rugi-rugi akibat jumlah penyerapan dinding yang berada diantara pemancar dan penerima. Untuk alasan praktis maka jumlah jenis dinding yang berbeda harus tetap rendah. Jika sebaliknya, maka perbedaan diantara jenis dinding menjadi kecil dan penempatannya di dalam model ini menjadi tidak jelas. Sehingga dibuatlah pembagian jenis dinding ke dalam dua tipe seperti yang diperlihatkan pada Tabel 2. 1[6].
Tabel 2. 1 Pembagian Jenis Dinding Pada Model Cost 231 Multi Wall
Jenis Dinding Deskripsi
Dinding Tipis (Lw1)
Sebuah dinding yang tidak ditempeli oleh suatu bantalan seperti dinding eternit, dinding papan dan diding beton tipis dengan ketebalan kurang dari 10 cm.
Dinding Tebal (Lw2)
Sebuah dinding yang ditempeli oleh suatu bantalan atau jenis dinding yang lainnya dengan ketebalan dinding lebih dari 10 cm yang terbuat dari, seperti beton atau batu bata.
Besar nilai variabel-variabel pada model ini telah ditentukan berdasarkan hasil pengukuran yang dilakukan oleh organisasi-organisasi komunikasi seperti Alcatel, CNET, TUW, UPC, VTT dan Ericsson. Meskipun organisasi-organisasi tersebut melakukan pengukuran dengan metode dan peralatan yang berbeda.
Namun setiap pengukuran harus dilakukan dengan aturan umum yang telah ditentukan sebelumnya yaitu posisi pemancar ditempatkan pada pusat gedung sedangkan posisi penerima berpindah ke beberapa tempat yang masih tercakup oleh pemancar, ketinggian pemancar dari lantai sekitar 1,5–3,0 m, antena yang
13
digunakan jenis omnidireksional dengan besar gain 1,3–2,2 dB, daya pancar 10- 30 dBm dan jenis polarisasi yang digunakan adalah vertikal untuk setiap pengukuran[6].
Pengukuran tersebut dilakukan sebanyak 10-50 sampel dengan rata-rata panjang gelombang 1-6 λ pada sebagian besar pengukuran oleh setiap organisasi.
Perlu diketahui bahwa seluruh hasil pengukuran tersebut secara implisit telah termasuk rug-rugi yang disebabkan oleh berbagai jenis perabot yang terdapat di dalam ruangan dan koridor-koridor yang dilalui oleh gelombang radio tersebut.
Kemudian hasil pengukuran pada setiap kategori lingkungan tersebut dihitung nilai rata-ratanya sehingga diperoleh pendekatan hasil terhadap nilai variabel- variabel pada model ini seperti pada Tabel 2. 2[6].
Tabel 2. 2 Besar Nilai Variabel-Variabel pada Model COST 231 Multi Wall Keadaan Ruangan Lwi [dB] Lw2 [dB] Lf [dB] b
Padat Satu Lantai Dua Lantai Beberapa Lantai
3,4 1)Alcatel, CNET, TUW, UPC,VTT
6,91)
18,32)Alcatel, CNET, UPC,VTT
0,464) VTT, Ericsson
Terbuka 3,41) 6,91) 18,32) 0,464)
Luas 3,41) 6,91) 18,32) 0,464)
koridor 3,41) 6,91) 18,32) 0,464)
2.4.2 Model Propagasi ITU-R
Pada penggunaan model ini perhitungan rugi-rugi transmisi di dalam ruangan mengasumsikan bahwa BS dan portable terminal berada di dalam gedung yang sama. Rugi-rugi lintasan gelombang radio dari BS menuju portable terminal di dalam ruangan dapat diperkirakan dengan dua model yaitu site-general model (model dengan informasi keadaan yang umum) dan site-specific model (model dengan informasi keadaan yang spesifik). Namun pada penelitian ini hanya menggunakan site-general model sehingga teori mengenai site-general model lebih ditekankan[4].
14
Site-general model adalah jenis model yang hanya memerlukan sedikit informasi mengenai keadaan site yang akan diteliti dalam menentukan rugi-rugi transmisi. Model ini juga menjelaskan bahwa rugi-rugi lintasan gelombang radio di dalam ruangan ditandai oleh rugi-rugi lintasan rata-rata dan hal-hal yang terkait dengan nilai fading shadow. Kebanyakan model rugi-rugi lintasan di dalam ruangan melakukan perhitungan pelemahan sinyal akibat menembus beberapa dinding dan/ atau lantai. Namun pada model ini tidak memperhitungkan rugi-rugi transmisi akibat menembus dinding tetapi memperhitungkan rugi-rugi pelemahan daya sinyal akibat menembus lantai sehingga dapat memperediksi penggunaan frekuensi yang sama diantara lantai. Model ini menambahkan koefisien rugi-rugi daya (distance power loss coefficient) di dalam perhitungan rugi-rugi lintasan seperti diperlihatkan pada Persamaan 2.5. Dimana koefisien ini telah mewakili rugi-rugi transmisi akibat dinding, perabot di dalam ruangan serta mekanisme rugi-rugi yang mirip yang terdapat di dalam gedung. sehingga memungkinkan sinyal tersebut dapat digunakan di antara lantai. Pada site-specific model rugi-rugi transmisi akibat dinding dihitung secara eksplisit[4].
𝐿𝐼𝑇𝑈−𝑅 = 20𝑙𝑜𝑔10𝑓 + 𝑁. 𝑙𝑜𝑔10𝑑 + 𝐿𝑓. (𝑛) − 28 (2.5)
dimana :
N = koefisien jarak rugi-rugi daya (distance power loss coefficient) f = frekuensi (MHz)
d = jarak pisah diantara BS dan portable terminal (dimana d >1m) Lf = factor rugi-rugi penyerapan oleh lantai (dB)
n = jumlah lantai diantara BS dan portable terminal
Parameter-parameter khusus berdasarkan hasil berbagai pengukuran diperlihatkan pada Tabel 2.4 dan Tabel 2.5 [4].
15
Tabel 2. 3 Koefisien power loss, N, untuk perhitungan rugi-rugi transmisi di dalam ruangan
Frekuensi Bangunan Tempat
Tinggal Bangunan Kantor Bangunan Tempat Perbelanjaan
900 MHz - 33 20
1,2-1,3 GHz - 32 22
1,8-2 GHz 28 30 22
2,4 GHz 28 30
3,5 GHz 27
4 GHz - 28 22
5,2 GHz
30 (apartemen) 28(rumah)(2)Apartemen
: secara umum sebagian besar dinding pemisah ruangan adalah dinding
beton
Rumah : secara umum sebagian besar dinding pemisah ruangan adalah
dinding kayu
31 -
5,8 GHz 24
60 GHz - 22 17
70 GHz - 22 -
Tabel 2. 4 Faktor rugi-rugi penyerapan daya oleh lantai, Lf (dB) dengan n merupakan jumlah lantai yang menyerap daya, untuk
perhitungan rugi-rugi transmisi di dalam ruangan Frekuensi Bangunan
Tempat Tinggal Bangunan Kantor Bangunan Tempat Perbelanjaan
900 MHz -
9 (1 lantai) 19 (2 lantai) 24 (3 lantai)
-
1,8-2 GHz 4n 15+4(n-1) 6+3(n-1)
2,4 GHz 10(1) (apartemen)
5 (rumah) 14 -
3,5 GHz - 18 (1 lantai)
26 (2 lantai)
-
5,2 GHz
13(1)Tiap Dinding Beton
(apartemen) 7(2) Kayu (Mortir)
(rumah)
16 (1 lantai) -
5,8 GHz - 22 (1 lantai)
28 (2 lantai)
-
16
Untuk jenis pita frekuensi yang lain dimana koefisien power loss tidak ada untuk bangunan tempat tinggal, maka nilai tersebut dapat digunakan dari bangunan kantor. Standar deviasi dan log-normal dari nilai fading shadow di dalam ruangan ditunjukkan pada Tabel 2.6 [4].
Tabel 2. 5 Angka-angka fading shadow, standar deviasi (dB), untuk perhitungan rugi-rugi transmisi di dalam ruangan
Frekuensi (GHz)
Bangunan
Tempat Tinggal Bangunan Kantor Bangunan Tempat Perbelanjaan
1,8-2 8 10 10
3,5 8
5,2 - 12 -
5,8 17
2.5 G-NetWifi
G-NetWifi adalah sebuah perangkat pemantau dan drive test jarigan Wifi untuk perangkat dengan sistem operasi Android. Hal ini memungkinkan pemantauan (monitoring) dan pencatatan (logging) parameter jaringan WiFi tanpa menggunakan perangkat khusus. Hal ini dapat digunakan oleh para profesional untuk mendapatkan wawasan yang lebih baik pada jaringan atau dengan penggemar radio untuk mempelajari lebih lanjut tentang jaringan WiFi.
G-NetWifi dapat digunakan pada lingkungan outdoor dan indoor dengan memasukkan floorplan. Fitur-fitur utama dari G-NetWiFi adalah[7] :
a. Mengukur parameter jaringan WiFi
b. Mencatat nilai pengukuran dalam bentuk teks dan kml files c. Pengukuran indoor dengan floorplan load
d. Mode Auto indoor – cocok untuk tunel
e. Menampilkan nilai pengukuran dalam tampilan peta
f. Memuat cellfile dan menampilkan access points Wifi dan melayani cell line pada tampilan peta
g. Auto koneksi ke wifi yang terkonfigur terbaik h. Auto konfigur wifi gratis
17 i. Data test
j. Data sequence (ping,upload, download)
Tampilan pada smartphone saat melakukan pengukuran di ruangan seperti terlihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2. 4 Tampilan Pengukuran pada Smartphone 2.6 RSSI (Received Signal Strength Indication)
RSSI adalah merupakan parameter yang menunjukkan daya terima dari seluruh sinyal pada band frequency channel pilot yang diukur. Dalam artian semua daya sinyal yang terukur oleh penerima pada satu band frequency wcdma digabungkan menggunakan proses rake receiver. Parameter ini diukur pada arah downlink dengan acuan pengukuran pada konektor antena penerima (MS). Dalam proses cdma dijelaskan bahwa pengguna lain pada jaringan yag sama merupaka interferensi, atau disebut dengan istilah self interference dimana hal itu dapat memperkuat daya terima, begitu juga dengan sinyal dari sektor lain yang notabene satu band freuency dengan melayani MS pada saat ini[8].
18
Gambar 2. 5 Ilustrasi MS dan Node[8]
Daya sinyal yang terukur pada MS pada Gambar 2. 5 merupakan penjumlahan dari tiga sektor sesuai dengan phasa tegangannya. Dan nilai yang dihasilkan dari penggabungan tersebut ditunjukkan oleh parameter RSSI[8].
