Multipath Fading - Kelompok 7 - Sistem Komunikasi Analog Dan Digital [PDF]

Citation preview

MULTIPATH FADING SISTEM KOMUNIKASI ANALOG DAN DIGITAL KELOMPOK 7



DISUSUN OLEH ARINUGRAHA SYAM



(D041201078)



EFRAIM ANDRE SANGKA



(D041201085)



MUH TAUFIQ



(D041201075)



SURAHMAH HIDAYAT AGUSSALIM (D041201077)



DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS HASANUDDIN 2022/2023



KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa. Atas rahmat dan hidayahNya, penyusun dapat menyelesaikan tugas makalah yang bertopik “Multipath Fading” dengan tepat waktu. Penyusun mengucapkan terima kasih kepada Ibu Dr. Eng. Intan Sari Areni, ST.,MT. selaku dosen mata kuliah Sistem Komunikasi Analog dan Digital. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada semua pihak yang telah membantu diselesaikannya makalah ini. Penyusun menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab itu, saran dan kritik yang membangun diharapkan demi kesempurnaan makalah ini.



Gowa, 6 November 2022



Penyusun



ii



DAFTAR ISI HALAMAN SAMPUL .......................................................................................i KATA PENGANTAR ........................................................................................ii DAFTAR ISI .......................................................................................................iii BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................1 1.1 LATAR BELAKANG ......................................................................1 1.2 RUMUSAN MASALAH ..................................................................1 1.3 TUJUAN MAKALAH ......................................................................1 BAB II PEMBAHASAN ....................................................................................2 2.1 MULTIPATH ....................................................................................2 2.2 FADING ............................................................................................5 2.3 PARAMETER MULTIPATH FADING ..........................................10 BAB III PENUTUP ............................................................................................13 3.1 KESIMPULAN .................................................................................13 3.2 SARAN .............................................................................................13 DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................14



iii



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Teknologi telekomunikasi bergerak merupakan teknologi yang perkembangannya sangat cepat, perkembangan penggunaan layanan telekomunikasi ini kemudian berdampak pada bandwidth yang telah disediakan menjadi semakin tidak mencukupi. Masalah lain yang juga muncul yaitu permintaan layanan data dengan kecepatan data lebih tinggi, serta masalah efisiensi spektrum frekuensi. Hal inilah yang akhirnya menjadi



latar



belakang



perkembangan



teknologi



akses



jamak



(multipleaccess). Pada komunikasi wireless khususnya pada EVaDO Rev. A, sinyal yang dipancarkan dipengaruhi oleh bermacam-macam bentuk hamburan (scatter) sinyal dan fenomena lintasan jamak (multipath) yang dapat menyebabkan terjadinya fading. Fading adalah fenomena fluktuasi daya sinyal terima akibat adanya proses propagasi (pantulan) dari gelombang radio. Multipath fading adalah suatu bentuk gangguan atau interferensi sinyal RF yang timbul ketika sinyal memiliki lebih dari satu jalur dari pemancar ke penerima.



1.2 Rumusan Masalah 1. Apa yang dimaksud dengan Multipath ? 2. Apa yang dimaksud dengan Fading ? 3. Apa parameter dari Multipath Fading ?



1.3 Tujuan Makalah 1. Untuk mengetahui apa itu Multipath 2. Untuk mengetahui apa itu Fading 3. Untuk mengetahui parameter dari Multipath Fading



1



BAB II PEMBAHASAN 2.1 Multipath Multipath adalah fenomena propagasi yang mengakibatkan sinyal radio mencapai antena penerima melalui dua atau lebih jalur. Dalam telekomunikasi nirkabel, multipath adalah fenomena propagasi yang mengakibatkan sinyal radio mencapai antena penerima melalui dua atau lebih jalur. Lintasan yang berbeda-beda tersebut mengakibatkan kuat sinyal penerimaan menjadi bervariasi. Penyebab multipath termasuk ducting atmosfer, refleksi dan refraksi ionosfer, dan refleksi dari objek terestrial, seperti gunung dan bangunan. Dalam transmisi faksimili dan televisi, multipath menyebabkan jitter dan ghosting, terlihat sebagai gambar duplikat yang memudar di sebelah kanan gambar utama. Ghost terjadi ketika transmisi memantul dari gunung atau objek besar lainnya, sementara juga tiba di antena dengan rute langsung yang lebih pendek, dengan penerima mengambil dua sinyal yang dipisahkan oleh penundaan.



Gambar sinyal TV bergerak melalui ruang Dalam pemrosesan radar, multipath menyebabkan target ghost muncul, menipu penerima radar. Ghosts ini sangat mengganggu karena mereka bergerak dan berperilaku seperti target normal (yang mereka gema), sehingga penerima mengalami kesulitan dalam mengisolasi gema target yang benar. Masalah-masalah ini dapat diatasi dengan memasukkan peta tanah di sekitar radar dan menghilangkan semua gema yang tampaknya berasal dari bawah tanah atau di atas ketinggian tertentu. Dalam komunikasi radio digital (seperti GSM) multipath dapat



2



menyebabkan



kesalahan



dan



mempengaruhi



kualitas



komunikasi.



Kesalahan ini disebabkan oleh Intersymbol Interference (ISI). Equalizer sering digunakan untuk mengoreksi ISI. Atau, teknik seperti modulasi pembagian frekuensi ortogonal dan penerima Rake dapat digunakan.



Pemodelan Matematika Model matematika dari multipath dapat disajikan dengan menggunakan metode respon impuls yang digunakan untuk mempelajari sistem linier. Misalkan untuk mentransmisikan satu, pulsa Dirac ideal daya elektromagnetik pada waktu 0, yaitu



Di penerima, karena adanya beberapa jalur elektromagnetik, lebih dari satu pulsa akan diterima (kita anggap di sini bahwa saluran memiliki bandwidth tak terbatas, sehingga bentuk pulsa tidak diubah sama sekali), dan masing-masing pulsa akan tiba. pada waktu yang berbeda. Faktanya, karena sinyal elektromagnetik bergerak dengan kecepatan cahaya, dan karena setiap jalur memiliki panjang geometris yang mungkin berbeda dari yang lain, ada waktu perjalanan udara yang berbeda (pertimbangkan bahwa, di ruang bebas, cahaya membutuhkan waktu 3 detik untuk melintasi rentang 1 km). Dengan demikian, sinyal yang diterima akan dinyatakan dengan



di mana N adalah jumlah impuls yang diterima (setara dengan jumlah jalur elektromagnetik, dan mungkin sangat besar), 𝜏𝑛 adalah waktu tunda dari generik 𝑛𝑡ℎ impuls dan



mewakili amplitudo kompleks (yaitu, dari



magnitudo sinyal generik dan fase) yang diterima pulse. Akibatnya, y(t) juga mewakili fungsi respon impuls h(t) dari model multipath yang setara. Lebih umum, dengan adanya variasi waktu dari kondisi refleksi geometris, respons impuls ini adalah waktu yang bervariasi, dan dengan



3



demikian kita memiliki



sangat sering, hanya satu parameter yang digunakan untuk menunjukkan keparahan kondisi multipath: ini disebut waktu multipath, TM, dan ini didefinisikan sebagai waktu tunda yang ada antara impuls yang pertama dan yang terakhir diterima.



Dalam kondisi dan pengukuran praktis, waktu multipath dihitung dengan mempertimbangkan impuls terakhir sebagai impuls pertama yang memungkinkan untuk menerima jumlah tertentu dari total daya yang ditransmisikan (diukur oleh rugi-rugi atmosfer dan propagasi), misalnya 99%. Menjaga tujuan kami pada linear, sistem invarian waktu, kami juga dapat mengkarakterisasi fenomena multipath dengan: fungsi transfer saluran H(f), yang didefinisikan sebagai transformasi Fourier waktu kontinu dari respons impuls h(t)



di mana suku kanan terakhir dari persamaan sebelumnya mudah diperoleh dengan mengingat bahwa transformasi Fourier dari Dirac adalah fungsi eksponensial kompleks, fungsi eigen dari setiap sistem linier. Karakteristik transfer saluran yang diperoleh memiliki penampilan khas urutan puncak dan lembah (juga disebut notches); dapat ditunjukkan bahwa, rata-rata, jarak (dalam Hz) antara dua lembah berurutan (atau dua puncak berurutan), secara kasar berbanding terbalik dengan waktu multipath. Bandwidth koherensi yang disebut demikian didefinisikan sebagai 4



Misalnya, dengan waktu multipath 3𝜇𝑠 (sesuai dengan 1 km perjalanan udara tambahan untuk impuls yang diterima terakhir), ada bandwidth koherensi sekitar 330 kHz.



2.2 Fading Fading mengacu pada distorsi yang dialami sinyal telekomunikasi termodulasi pembawa melalui media propagasi tertentu. Fading channel adalah saluran komunikasi yang mengalami fading. Dalam sistem nirkabel, fading disebabkan oleh propagasi multipath dan kadang-kadang disebut sebagai multipath induced fading. Dalam komunikasi nirkabel, keberadaan reflektor di lingkungan sekitar pemancar dan penerima menciptakan banyak jalur yang dapat dilalui oleh sinyal yang ditransmisikan. Akibatnya, penerima melihat superposisi dari banyak salinan dari sinyal yang ditransmisikan, masing-masing melintasi jalur yang berbeda. Setiap salinan sinyal akan mengalami perbedaan redaman, delay dan pergeseran fasa selama perjalanan dari sumber ke penerima. Hal ini dapat mengakibatkan interferensi konstruktif atau destruktif, memperkuat atau melemahkan daya sinyal yang terlihat pada penerima. Interferensi destruktif yang kuat sering disebut sebagai deep fade dan dapat mengakibatkan kegagalan sementara komunikasi karena penurunan yang parah pada rasio signal-to-noise saluran.



Slow dan Fast Fading Istilah slow dan fast fading mengacu pada tingkat di mana besarnya dan perubahan fasa yang dikenakan oleh saluran pada perubahan sinyal. Waktu koherensi adalah ukuran waktu minimum yang diperlukan untuk perubahan besaran saluran menjadi dekorrelasi dari nilai sebelumnya. 



Slow Fading muncul ketika waktu koherensi saluran relatif besar terhadap kendala penundaan saluran. Dalam rezim ini, amplitudo dan



5



perubahan fasa yang dipaksakan oleh saluran dapat dianggap kira-kira konstan selama periode penggunaan. Fading lambat dapat disebabkan oleh peristiwa seperti bayangan, di mana penghalang besar seperti bukit atau bangunan besar mengaburkan jalur sinyal utama antara pemancar dan penerima. Perubahan amplitudo yang disebabkan oleh bayangan sering dimodelkan menggunakan distribusi log-normal dengan standar deviasi menurut Model Rugi Jalur Jarak Log. 



Fast Fading terjadi ketika waktu koherensi saluran relatif kecil terhadap kendala penundaan saluran. Dalam rezim ini, amplitudo dan perubahan fasa yang dipaksakan oleh saluran sangat bervariasi selama periode penggunaan.



Dalam saluran fast fading, pemancar dapat mengambil keuntungan dari variasi kondisi saluran menggunakan keragaman waktu untuk membantu meningkatkan kekokohan komunikasi menjadi deep fade sementara. Meskipun deep fade dapat menghapus sementara beberapa informasi yang dikirimkan, penggunaan kode koreksi kesalahan yang digabungkan dengan bit yang berhasil ditransmisikan selama contoh waktu lain dapat memungkinkan bit yang terhapus untuk dipulihkan. Dalam saluran yang memudar lambat, tidak mungkin menggunakan keragaman waktu karena pemancar hanya melihat satu realisasi saluran dalam batasan penundaannya. Oleh karena itu, fade yang dalam berlangsung selama seluruh durasi transmisi dan tidak dapat dikurangi menggunakan pengkodean. Waktu koherensi saluran terkait dengan kuantitas yang dikenal sebagai penyebaran Doppler saluran. Istilah lambat dan cepat memudar mengacu pada tingkat di mana besarnya dan perubahan fasa yang dikenakan oleh saluran pada perubahan sinyal. Waktu koherensi adalah ukuran waktu minimum yang diperlukan untuk perubahan besaran saluran menjadi dekorrelasi dari nilai sebelumnya. Ketika pengguna (atau reflektor di lingkungannya) bergerak, kecepatan pengguna menyebabkan pergeseran



6



frekuensi sinyal yang ditransmisikan di sepanjang setiap jalur sinyal. Fenomena ini dikenal sebagai pergeseran Doppler. Sinyal yang berjalan di sepanjang jalur yang berbeda dapat memiliki pergeseran Doppler yang berbeda, sesuai dengan tingkat perubahan fase yang berbeda. Perbedaan pergeseran Doppler antara komponen sinyal yang berbeda yang berkontribusi pada satu ketukan saluran fading dikenal sebagai penyebaran Doppler. Saluran dengan penyebaran Doppler besar memiliki komponen sinyal yang masing-masing berubah secara independen dalam fase dari waktu ke waktu. Karena fading tergantung pada apakah komponen sinyal ditambahkan secara konstruktif atau destruktif, saluran tersebut memiliki waktu koherensi yang sangat singkat. Secara umum, waktu koherensi berbanding terbalik dengan penyebaran Doppler, biasanya dinyatakan sebagai: 𝑇𝑐 ≈



𝑘 𝐷𝑠



di mana Tc adalah waktu koherensi, Ds adalah penyebaran Doppler, dan k adalah konstanta yang mengambil nilai dalam kisaran 0,25 hingga 0,5.



Konsep conherence time



Flat & Selektif-Frequency Fading Sebagai frekuensi pembawa sinyal bervariasi, besarnya perubahan



7



amplitudo akan bervariasi. Bandwidth koherensi mengukur pemisahan minimum dalam frekuensi setelah dua sinyal akan mengalami fading yang tidak berkorelasi. 



Dalam flat fading, bandwidth koherensi saluran lebih besar dari bandwidth sinyal. Oleh karena itu, semua komponen frekuensi sinyal akan mengalami fading yang sama besarnya.







Dalam selektif-frequency fading, bandwidth koherensi saluran lebih kecil dari bandwidth sinyal. Oleh karena itu, komponen frekuensi yang berbeda dari sinyal mengalami dekorrelasi fading. Dalam saluran selektif-frequency fading, karena komponen



frekuensi yang berbeda dari sinyal dipengaruhi secara independen, sangat kecil kemungkinannya bahwa semua bagian sinyal akan terpengaruh secara bersamaan oleh fade yang dalam. Skema modulasi tertentu seperti OFDM dan CDMA sangat cocok untuk menggunakan keragaman frekuensi untuk memberikan ketahanan terhadap fading. OFDM membagi sinyal wideband menjadi banyak subcarrier narrowband yang dimodulasi secara perlahan, masing-masing terkena flat fading daripada selektif-frequency fading. Ini dapat diatasi dengan cara pengkodean kesalahan, pemerataan sederhana atau pemuatan bit adaptif. Interferensi antar-simbol dihindari dengan memperkenalkan interval penjaga di antara simbol-simbol. CDMA menggunakan penerima Rake untuk menangani setiap gema secara terpisah. Saluran selektif-frequency fading juga dispersif, di mana energi sinyal yang terkait dengan setiap simbol tersebar dalam waktu. Hal ini menyebabkan simbol-simbol yang ditransmisikan yang berdekatan dalam waktu saling mengganggu. Equalizer sering digunakan di saluran tersebut untuk mengimbangi efek interferensi antarsimbol.



Fading Models 



Nakagami Fading







Weibull Fading



8







Rayleigh Fading







Rician Fading







Dispersive Fading Models, dengan beberapa gema, masing-masing terkena penundaan, penguatan, dan fase yang berbeda shift, sering kali konstan. Hal ini menghasilkan fading selektif frekuensi dan interferensi antar-simbol. Keuntungannya mungkin terdistribusi Rayleigh atau Rician. Gema juga dapat terkena pergeseran doppler, menghasilkan model saluran yang bervariasi waktu.







Log-Normal Shadow Fading



Mitigation Pada dasarnya, fading menyebabkan kinerja yang buruk dalam sistem komunikasi tradisional karena kualitas link komunikasi bergantung pada satu jalur atau saluran, dan karena fading ada kemungkinan yang signifikan bahwa saluran tersebut akan mengalami deep fade. Kemungkinan mengalami fade (dan kesalahan bit terkait saat rasio signal-to-noise turun) pada saluran menjadi faktor pembatas dalam kinerja tautan. Efek fading dapat diatasi dengan menggunakan keragaman untuk mentransmisikan sinyal melalui beberapa saluran yang mengalami fading independen dan menggabungkannya secara koheren di penerima. Probabilitas mengalami fade di saluran komposit ini kemudian sebanding dengan probabilitas bahwa semua saluran komponen secara bersamaan mengalami fade, peristiwa yang jauh lebih tidak mungkin. Keanekaragaman dapat dicapai dalam waktu, frekuensi, atau ruang. Teknik umum yang digunakan untuk mengatasi sinyal fading meliputi: 



Diversity Reception and Transmission







OFDM







Rake Receivers







Speed-Time Codes







MIO



9



2.3 Parameter Multipath Fading Multipath fading yaitu fading yang terjadi akibat propagasi multipath. Sinyal yang diterima oleh penerima merupakan jumlah superposisi dari keseluruhan sinyal (sinyal LOS dan sinyal hasil pemantulan) yang dipantulkan akibat banyak lintasan (multipath). a. Delay Spread Delay spread adalah lebar pulsa dari impuls yang dikirim antara pemancar dan penerima, yang merupakan fenomena alami yang disebabkan oleh propagasi pantulan dan hamburan pada kanal komunikasi. Delay spread dapat menimbulkan interferensi antar symbol (ISI), karena setiap simbol akan saling bertumbukan dengan simbol sebelum dan sesudahnya. Ada beberapa faktor pada delay spread yang dapat dianalisis untuk dapat menentukan kecepatan bit transmisi agar tidak terjadi ISI (Intersymbol Interference) yaitu mean excess delay (rata-rata kelebihan waktu tunda), maximum excess delay (kelebihan waktu tunda maksimum), dan RMS delay spread (root mean square delay spread). 



Mean Excess Delay Mean excess delay merupakan momen pertama dari power delay profile, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan



Keteraangan : 𝜏



: mean excess delay (μs)



P (𝜏𝑘 ) : daya normalisasi pada waktu 𝜏𝑘 (dB) 𝜏𝑘 



: waktu delay ke- k (μs)



Maximum Excess Delay Maximum Excess Delay adalah rentang delay antara munculnya impulse pertama sampai impulse terakhir pada power delay profile



10



Keterangan ; 𝜏𝑑 : maximum excess delay (μs) Maximum Excess Delay dapat mempengaruhi besarnya nilai bandwidth sinyal (Bs), yang memiliki persamaan sebagai berikut :



dengan,



Keterangan : 𝐵𝑠



: bandwidth sinyal (MHz)



∆𝜏



: selang waktu tiap path (μs)



𝜏𝑑



: maximum excess delay (μs)



𝑁𝑝𝑎𝑡ℎ : jumlah lintasan / path 



RMS Delay Spread RMS delay spread merupakan parameter penting yang dapat menentukan performansi sistem digital, yang dapat membantu mengidentifikasi dan menanggulangi multipath fading. Dengan memperkecil nilai RMS delay spread maka intersymbol interference (ISI) dapat menjadi lebih kecil, sehingga error rate akan menjadi lebih kecil dan data rate meningkat. Nilai RMS delay spread dapat dihitung dengan menggunakan persamaan



dengan,



Keterangan :



11



𝜎𝜏



: RMS delay spread (μs)



𝜏



: mean excess delay (μs)



𝜏2



: momen kedua dari power delay profile



Delay spread multipath dapat mengakibatkan flat fading dan frequency selective fading. Syarat terjadinya flat fading yaitu 𝐵𝑠 > 𝜎𝜏 . Sedangkan syarat terjadinya frequency selective fading yaitu 𝐵𝑠 >> 𝐵𝑐 dan 𝑇𝑠