Teknik Fading Mitigation Pendahuluan Fading secara definitif adalah penurunan dan fluktuasi daya di penerima. Fading menyebabkan suatu kondisi dimana sinyal diterima terlalu jelek untuk dilakukan pemrosesan sinyal selanjutnya yaitu demodulasi. Terdapat 2 masalah akibat fading: 1. Penurunan Sinyal 2. Fluktuasi sinyal Dari bab sebelumnya: 1. Large Scale Fading 2. Small Scale fading
Large Scale fading erat kaitannya dengan prediksi pathloss diestimasi dari analisis redaman propagasi dan fluktuasinya diantisipasi dengan fading margin.
Fading margin dilakukan dengan cara daya pemancar ditingkatkan agar jika terjadi fading sekurang-kurangnya level daya terima masih di atas thresholdnya
Small scale fading disebabkan oleh keadaan kanal propagasi yang bersifat dispersif, dan perubahan sifatnya terhadap waktu karena pergeseran user.
Small scale fading umumnya diatasi dari subsystem standar yang bersangkutan, artinya standar system komunikasi bergerak umumnya sudah
dilengkapi
dengan
berbagai
subsistem komunikasi
untuk
mengantisipasi mengantisipasi keadaan propagasi dimana system itu diimplementasikan diimplementasikan (fixed atau mobile, makrosel atau mikrosel) Penyebab fading: 1. Ketergantungan kuat sinyal terhadap jarak menyebabkan penurunan sinyal (Large scale path loss) analisis MS pada satu titik lokasi diam 2. Delay spread menyebabkan variasi sinyal dalam domain frekuensi 3. Pergerakan user menyebabkan variasi sinyal dalam domain waktu 1
Fading Mechanisms
Time dispersion
Variasi waktu kanal disebabkan pergerakan antena Perubahan kanal setiap setengah panjang gelombang Pergerakan antena menyebabkan Doppler spread Fast fading memerlukan durasi paket yang pendek, atau laju bit yang tinggi
Dispersi
waktu
mensyaratkan
synchronization
dan
kecepatan
konvergensi estimasi kanal
Interleaving dapat membantu menghindarkan burst errors
Frequency dispersion
Tundaan/Delay
akibat
pemantulan
menyebabkan
intersymbol
interference (ISI)
Channel Equalization mungkin diperlukan. Frequency selective fading Multipath delay spreads memerlukan waktu simbol yang panjang Frequency diversity atau spread spectrum bisa membantu
RSL Fluctuation
Shadowing, obstruction, etc
Teknik-teknik yang biasa digunakan untuk mengatasi efek fading tanpa meningkatkan TX Power dan BW: diversity, channel encoding, dan equalization.
Fading margin dan Power control digunakan untuk mempertahankan penerimaan sinyal yang baik pada Receiver.
DIVERSITY
Diversitas merupakan teknik mengatasi multipath fading dengan menggunakan dua atau lebih sinyal yang secara statistik independen antara satu dengan lainnya. Jika satu jalur mengalami fading, jalur lainnya mungkin mempunyai sinyal yang kuat.
2
Biasanya dimanfaatkan untuk
mengurangi kedalaman dan durasi
fading yang dialami oleh receiver pada kanal flat fading.
Tipe-tipe diversity: spatial (space), frequency, time, dan polarization
Frequency diversity Doppler spread tergantung pada frekuensi carrier, frekuensi yang berbeda akan menyebabkan efek Doppler yang berbeda frekuensi berbeda dapat menghasilkan proses fading yang independen yang dapat digabung secara koheren
Time diversity multipath fading adalah time variant, fading pada waktu yang berbeda adalah independen yang dapat juga secara koheren digabung
Space diversity multipath fading independen pada lokasi yang berbeda sehingga dapat digabung secara koheren
SPACE DIVERSITY
Menggunakan dua atau lebih antena pada Rx
Kemungkinannya, jika satu antena mendapat null signal, antena yang lain menerima peak signals.
Sinyal yang diterima digabungkan dan diproses dengan algoritma tertentu untuk mendapatkan sinyal terima terbaik
Dapat diimplementasikan pada BS dan MS receiver
Algoritma penggabung : Selective/selection diversity, feedback diversity, Equal gain combining, Maximal ratio combining.
Spatial diversity dapat memperbaiki SNR pada Rx sebesar 20 dB sampai 30 dB.
3
Teknik Penggabung: Selective Combining
Pertimbangkan M kanal fading Rayleigh yang independen. Setiap kanal disebut cabang diversitas. Asumsi setiap cabang mempunyai SNR rata-rata yang sama, diberikan oleh: SNR asumsi
E b N o
2
2
1
Jika setiap cabang mempunyai SNR sesaat SNR = i, PDF dari i p i
1
e
i
i
0 4
dengan adalah SNR rata-rata setiap cabang. Probabilitas bahwa setiap cabang tunggal mempunyai SNR sesaat kurang dari suatu ambang adalah
P r i
p i d i 0
0
1
i e d
i
1 e
Probabilitas bahwa semua M cabang diversitas yang independent menerima sinyal secara simultan kurang dari suatu SNR ambang adalah
1 e
P r 1 ,...., M
/ M
P M
dengan PM adalah probabilitas semua cabang gagal mencapai SNR sesaat = . Jika cabang tunggal mencapai SNR > , maka probabilitas bahwa SNR >
untuk satu atau lebih cabang diberikan oleh:
P r i 1 P M 1 1 e
/ M
Untuk menentukan SNR rata-rata sinyal terima bila diversitas digunakan, pertama harus ditentukan dulu pdf dari sinyal fading. Untuk selection diversity, SNR rata-rata ditentukan dengan menghitung turunan CDF PM() untuk mendapatkan PDF , SNR sesaat bila M cabang digunakan p M
SNR rata-rata,
d
d
p M d
0
dimana x =
M
M 1
1 e /
e /
dinyatakan dengan
P M
M 1 x
Mx1 e x
e dx
0
/
merupakan rata-rata SNR untuk cabang tunggal (tanpa
diversitas) Perbaikan SNR rata-rata yang ditawarkan oleh selection diversity : 5
M
1
k
k 1
Probability of Error Selective Combining
Rx hanya memilih satu satu sinyal terkuat untuk dideteksi.
Jika SNR rata-rata sinyal pada sebuah cabang = G, dan threshold SNR = g, maka probabilitas bahwa M cabang sinyal yang diterima antenna akan berada di bawah threshold adalah: P(i < ) = PM() = (1 - e
- / M
)
Probabilitas bahwa SNR sinyal terima di atas threshold : P(i > ) = 1 - PM() = 1- (1 - e
- / M
)
Contoh: 4 antenna diversity is used. If average SNR is 20 dB, determine the probability that SNR will drop below 10 dB (bad reception), and also that good reception (SNR above 10 dB) will mostly take place. Compare with single antenna receiver! Answer: Threshold SNR = = 10 dB, = 20 dB, / = 0.1 P4( i< 10 dB) = (1 – e
-0.1 4
) = 0.000082, and
P4( i> 10 dB) = 1- (1 – e
-0.1 4
) = 0.999918 or 99.9918%
With single antenna: P ( i< 10 dB) = (1 – e
-0.1
) = 0.095, and
P ( i> 10 dB) = 1- (1 – e
-0.1
) = 0.905 or 90.5%
Teknik Penggabung : Feedback/Scanning Diversity Scanning diversity sangat serupa dengan selection diversity kecuali bahwa bukan menggunakan sinyal M terbaik tetapi M sinyal dipindai (scanning) pada urutan yang tetap sampai didapatkan sinyal yang berada di atas predetermined threshold. Sinyal lalu diterima sampai jatuh di bawah threshold, dan kemudian proses pemindaian dimulai lagi. Metode yang paling sederhana, tetapi kinerjanya inferior terhadap metode lain 6
Teknik Penggabung : Maximal Ratio Combining
Sinyal dari semua M cabang diberi bobot sesuai SNR masing-masing, disamakan fasenya kemudian dijumlahkan
Memberikan peningkatan SNR terbaik dengan kompleksitas perangkat paling tinggi dibandingkan teknik penggabung yang lain
Pada Maximal Ratio Combining, sinyal tegangan r i dari setiap cabang dari M cabang diversity disamakan fasenya untuk mendapatkan penambahan tegangan koheren dan masing-masing diberi bobot agar didapatkan SNR optimal. Jika setiap cabang mempunyai Gain Gi , kemudian selubung sinyal yang dihasilkan yang merupakan masukan detector adalah M
r M
G r i i
i 1
Asumsi setiap cabang mempunyai daya derau rata-rata sama yaitu N, daya derau total NT yang masuk ke detektor: M
G
N T N
2 i
i 1
yang menghasilkan SNR masukan ke detector M, diberikan oleh: M
r M 2 2 N T
Dengan Chebychev’s inequality, M maksimal bila Gi =r i /N 7
2
r i 2 N 1 M r i2 M 1 i M 2 r i 2 2 i 1 N i 1 N 2 N
Jadi SNR keluaran merupakan penjumlahan SNR setiap cabang Sedangkan SNR rata-rata: M
M
M
i 1
i 1
i M
Probabilitas bahwa M kurang dari SNR ambang adalah
P r M
1 e
/
M
k 1
( / ) k 1 ( k 1)!
Teknik Penggabung : Equal Gain Combining
Jika pembobot setiap cabang diset unity dan disamakan fasenya (cophased), maximal ratio combining menjadi equal gain combining (EGC)
Kompleksitasnya lebih rendah daripada MRC dengan kinerja sedikit di bawah MRC.
Tanpa
adanya
adaptasi
setiap
bobot
pada
setiap
cabang,
memungkinkan Rx memanfaatkan sinyal yang diterima secara simultan.
8
CDMA RAKE Receiver
Pada CDMA chip rate-nya jauh lebih besar daripada coherence BW, delay spread hanya menyediakan sinyal-sinyal versi tertunda jalur jamak pada Rx. RAKE receiver mengumpulkan multipath signals, diproses dengan correlator receiver terpisah danmenggabungkan sinyal untuk mendapatkan deteksi yang lebiih baik
Pada sistem CDMA, chip rate lebih besar daripada bandwidth flat fading dari kanal. Jika pada teknik modulasi lain (selain spread spectrum modulation), pengaruh ISI dihilangkan dengan equalizer. Sedangkan pada CDMA, delay spread yang melebihi durasi chip dianggap sebagai derau yang tidak berkorelasi dengan penerima CDMA, sehingga equalizer tidak diperlukan
RAKE receiver pada CDMA menggabungkan versi sinyal tertunda waktunya untuk memperbaiki SNR menggunakan correlation receiver yang terpisah untuk setiap sinyal multipath
Setiap correlation receiver dapat di-adjust sehingga microprocessor controller dapat membuat correlation receiver yang berbeda mencari window waktu yang berbeda untuk multipath yang signifikan. Range delay waktu yang dapat dicari disebut search window
Correlator RAKE receiver mendeteksi sejumlah M komponen multipath yang terkuat, kemudian keluarannya diberi bobot untuk estimasi yang lebih baik. Demodulasi dan deteksi bit didasarkan pada keluaran M correlator
Asumsi M correlator digunakan pada receiver CDMA untuk menangkap M komponen multipath terkuat
Correlator 1 disinkronkan dengan m1 9
Komponen m2 datang dengan delay
1
yang lebih besar daripada
datangnya m1 yang diasumsikan melebihi durasi chip
Correlator 2 disinkronkan dengan m2, korelasi dengan m2 tinggi sementara korelasi dengan m1 rendah
Dari gambar, keluaran M output dinyatakan sebagai Z1, Z2,… dan ZM, diberi bobot . Koefisien pembobot didasarkan pada daya atau SNR setiap keluaran correlator
Keseluruhan sinyal Z’ M
Z '
Z m
m
m 1
Koefisien pembobot dinormalisasi ke daya sinyal keluaran correlator sehingga penjumlahan koefisien sama dengan satu
m
Z m2 M
Z
2 m
m 1
Pada lingkungan outdoor, delay multipath besar melebihi durasi chip, sehingga sifat autocorrelation yang rendah pada deretan kode CDMA menjamin komponen multipath tidak saling berkorelasi
Pada IS-95 lingkungan indoor, multipath delay spread rendah (=100 ns), sedangkan durasi chip IS-95 adalah 800 ns, sehingga RAKE receiver tidak dapat bekerja dengan baik
FREQUENCY DIVERSITY •
Menggunakan dua tau lebih carrier frequency untuk transmisi dengan spasi sekitar 2 – 5 % f o.
•
•
Diperlukan dua atau lebih Transmitter dan Receiver Improvement factor :
10
F1
F1
TX
TX
F2
TX
F2
RF Branching Network
RF Branching Network
F3
RX
TX
F3
RX
Combiner
Combiner F4
RX
F4
RX
TIME DIVERSITY Interleaving
Interleaving merupakan bentuk diversitas waktu pada sistem komunikasi digital tanpa penambahan overhead
Interleaver “scramble (mengacak)” urutan waktu pengiriman bit-bit
informasi, supaya ketika terjadi burst error pada kanal, pada penerima, setelah di-deinterleaving, burst error menjadi random error yang lebih mudah dikoreksi oleh error control coding
Dua bentuk interleaver : block interleaver dan convolutional interleaver
Block interleaver memformat data-data terkode menjadi array m baris x n kolom
Bit-bit
data
diurutkan
dalam
kolom
per
kolom,
kemudian
dibaca/keluarannya dengan urutan baris per baris, sehingga bit-bit data asal terpisah sejauh m periode bit
Terjadi delay pada penerima karena decoding data harus menunggu proses deinterleaving, delay yang terjadi untuk human speech tidak boleh > 40 ms 11
1
m+1
2
m+2
m
2m
nm
CHANNELL EQUALIZER •
Equalization mengkompensasi
intersymbol interference (ISI) yang
ditimbulkan oleh multipath dalam time dispersive channel. Jika BW modulasi melebihi coherence bandwidth kanal radio, terjadi ISI dan pulsa-pulsa
modulasi
menyebar
(dalam
waktu)
ke
simbol
sesudahnya/sebelahnya. •
Equalizer pada receiver mengkompensasi average range of expected channel amplitude and delay characteristics.
•
Channel equalizer digunakan untuk mengkompensasi ISI.
•
Karena
kanal
multipath fading
umumnya bersifat tak diketahui
dinamis dan time varying, equalizer harus bersifat adaptif
12
•
Linear: –
Transversal filter (Zero forcing, LMS(Least Mean Square, RLS (Recursive Least Square), fast RLS, Sq. root RLS)
–
•
Lattice Filter (Gradient RLS)
Non Linear: –
DFE, Decision Feedback Eq (LMS, RLS, Fast RLS, Sq. root RLS)
–
Maximum Likelihood Symbol Detection
–
MLSE (Maximum Likelihood Sequence Estimation)
CHANNEL ENCODING Channel encoding dilakukan dengan mengkodekan/menyandikan data menjadi bentuk khusus dan menambahkan redundancies pada data yang ditransmisikan.
Melindungi data/information dari error dan distorsi yang disebabkan kanal.
Bit-bit redundan meningkatkan data rate dan bandwidth, tetapi memperbaiki kinerja BER terutama pada kanal fading.
Mengurangi efisiensi link pada kondisi SNR tinggi, tetapi menyediakan kinerja yang bagus pada kondisi SNR yang rendah
Block Code dan Convolutional code 13
Fading Margin •
Fading
margin
tergantung
pada
target
availability
of
the
link/coverage. •
Availability yang tinggi memerlukan fading margin yang besar
•
Jika fading margin FM dipergunakan pada link, maka probabilitas bahwa RSL pada receiver dengan jarak R, di atas threshold adalah
PTh R P(m Th ) p(m)dm
FM 1 erf 2 2 2 m
1
Th
Fading margin memperbaiki penerimaan sinyal sehingga memperbaiki kinerja link, tetapi dengan tambahan peningkatan daya pancar Kuat sinyal (dB) setelah ditambah fading margin (FM)
Theshold
FM
t
Erf(z)= 1- 2Q[2(z)]
14
