SDMA sebagai Alternatif Peningkatan Kapasitas dan Coverage Sistem Wireless

Sajian Utama
Energi
Elektronika

Komunikasi data Visual  Basic - PLC Omron

Passive Optical Network dan Perkembangannya

Fraud dan Media Sekuriti pada Komunikasi Telepon Bergerak

Pendahuluan

Seperti diketahui bersama bahwa komunikasi wireless, khususnya selular, telah mengalami perkembangan yang sangat pesat dengan munculnya berbagai sistem di antaranya : DECT, PHS, IS-95, IS-136, GSM dll. Dengan semakin banyaknya pelanggan yang menggunakan sistem wireless, muncul permasalahan yaitu bagaimana meningkatkan kapasitas sistem di daerah yang demand-nya besar serta bagaimana memperbesar coverage di daerah dimana pelanggannya relatif sedikit untuk mengurangi biaya pembangunan infrastruktur dan pemeliharaan.

Untuk mengatasi permasalahan tersebut telah dikembangkan suatu teknik multiple Access baru yang dikenal dengan nama Space Division Multiple Access (SDMA). Keuntungan utama SDMA adalah dengan digunakannya intelligent processing terhadap informasi yang diterima dari antena array. Dan keuntungan ini merupakan pelengkap dari keuntungan yang telah ada dari penggunaan domain lain. Sehingga SDMA dapat lebih meningkatkan kapasitas, kualitas dan lebih ekonomis terhadap sistem wireless konvensional. SDMA ini dapat diterapkan ke semua jenis format modulasi atau akses, seperti : CDMA, TDMA, FM atau kombinasinya.

Pada pembahasan selanjutnya akan disampaikan dahulu prinsip antena array sebagai elemen dasar SDMA. Selanjutnya akan diuraikan konsep dasar SDMA serta keuntungan atau keunggulan digunakannya teknik ini.

Prinsip Antena Array

Gambar 1 menunjukkan pola radiasi efektif antena yang dihasilkan dari elemen tunggal, dua dan enam buah. Panjang pola radiasi proporsional dengan gain atau kekuatan sinyal pada output array. Dari pola radiasi tersebut terlihat bahwa terjadi kenaikan gain pada arah broadside dengan bertambahnya jumlah elemen antena yang digunakan.

Sistem phased-array konvensional memiliki pola radiasi yang hampir sama dengan Gambar 1 kecuali arah gain maksimum mungkin tidak broadside. Sistem yang lebih maju

Dapat melakukan optimalisasi untuk memperbesar sinyal user tertentu dimana pada saat yang bersamaan juga dapat memperkecil interferensi. Disamping itu antena array dapat dikombinasikan dengan software yang memungkinkan terjadi perubahan pola radiasi sesuai kebutuhan operasional.

Beberapa jenis teknologi antena array yang telah dikembangkan diantaranya :

• Switched-diversity, dimana dua atau beberapa buah antena yang identik disusun dalam jarak sekian lambda dan masing-masing dihubungkan dengan sebuah receiver. Teknik ini tidak bisa meningkatkan kapasitas ataupun coverage tetapi mampu mengatasi permasalahan fading.
• Swiched-beam, sistem ini menggunakan elemen antena yang memiliki beamwidth kecil serta software untuk memilih beam atau sektor yang akan digunakan untuk berkomunikasi dengan tiap user. Sistem secara kuntinyu memonitor output tiap beam serta memilih beam yang outputnya paling besar. Teknik ini umumnya hanya digunakan untuk arah terima.
• Adaptive-array, terdiri dari antena array, RF dan komponen digital serta pengolah sinyal digital. Sistem ini secara kontinyu memonitor coveragenya, serta mencoba melakukan adaptasi terhadap perubahan propagasi.

Konsep Dasar SDMA

Secara prinsip Adaptive-array dapat dianalogikan dengan telinga manusia dimana mampu mengidentifikasi dari arah mana sinyal atau suara datang dengan tingkat akurasi yang tinggi. Otak akan mengolah informasi atau sinyal yang diterima oleh kedua telinga serta melakukan perhitungan dari arah mana suara berasal. Suara-suara dari arah lain masuk juga, tetapi secara keseluruhan suara yang dikehendaki akan terdengar dua kali lebih besar dibanding arah lain dan tentu saja mengetahui dari arah mana suara tersebut.

Dalam frekuensi radio jumlah elemen yang dapat digunakan tentu saja bisa lebih dari dua (tidak seperti manusia yang hanya memiliki dua "elemen") sehingga sinyal yang didapat bisa jauh lebih kuat serta lebih selektif.

SDMA diimplementasikan pada base station yang mengkombinasikan algortima, perangkat pemrosesan sinyal digital dan antena array. Pemrosesan sinyal output dari antena array menghasilkan suatu perkiraan posisi azimuth terminal user secara real-time. Informasi angular ini digunakan untuk mengarahkan komunikasi ke terminal tersebut. Pada arah downlink (Base station ke terminal), jika dibandingkan dengan base station konvensional yang meradiasikan sinyal RF secara omni, sinyal transmisi yang terarah tersebut dapat mengirimkan power ke terminal sama dengan base station konvensional dengan daya pancar yang lebih rendah. Pada arah uplink, penerimaan directive reception memberikan gain karena adanya pemrosesan sinyal, mengurangi permasalahan multipath dan interferensi.

Gambar 2 menggambarkan suatu cell site SDMA dengan tiga sektor. Komunikasi antara base station dengan terminal dilakukan melalui multi-element array (Adaptive Array) pada tiap sektor. Array pada aplikasi ini berupa array satu dimensi dan disusun dari elemen-elemen individual yang dipisahkan dengan suatu jarak tertentu. Spasi antar elemen ini kurang –lebih setengah panjang gelombang frekuensi carriernya. Pada operasi 2 Ghz, panjang gelombangnya adalah 0.15 m dan jika menggunakan sepuluh elemen maka panjang satu sektor kurang lebih 1 meter. Komponen dasar base station yang menggunakan SDMA dapat dilihat pada Gambar 3.

Komponen dasar base station terdiri dari :

1. Sub-sistem Antena Rx/Tx
2. Processor SDMA
3. Spatial Mux/Demux
4. Modulator/Demodulator

1. Sinyal sampling diterima oleh elemen-elemen, dikonversi ke sinyal digital dan disimpan di memori.
2. SDMA processor menganalisis sampling tersebut untuk mendapatkan perkiraan environment propagasi, identifikasi user dan interferensi serta lokasi-lokasinya.
3. Processor menghitung kombinasi sinyal antena untuk mendapatkan sinyal user secara optimal. Dengan cara ini maka sinyal tiap user diterima dengan gain setinggi mungkin disamping mengurangi sinyal interferensi atau dari user lain sekecil mungkin.
4. Perhitungan analog dilakukan untuk menghasilkan transmisi spatial, tiap sinyal user secara efektif ditransmisikan melalui kanal komunikasi yang terpisah dan dikenal dengan nama " Spatial Channel ".

Jumlah dan tipe elemen dalam tiap array merupakan parameter desain sistem dan menentukan secara langsung processing gain SDMA. Transmisi ke terminal dilakukan dengan semua antena dalam array memancarkan sinyal, tetapi masing-masing antena memancar dengan daya yang berbeda sehingga jika dikombinasikan semuanya menjadi terarah secara azimuth ke terminal. Sehingga jika dibandingkan dengan sebuah antena yang memancar dengan daya yang sama, akan mendapatkan gain sebesar :

Dimana M adalah jumlah elemen dalam array. Sebagai contoh , suatu SDMA base station yang memiliki sepuluh elemen dan tiap elemen didrive oleh daya rata-rata 1 W akan dapat menyediakan daya ke suatu arah azimuth tertentu sebanding dengan elemen tunggal yang memancarkan daya sebesar 100 W. Kedua sistem tersebut memancarkan daya yang sama ke terminal, tetapi total radiated power dari SDMA base station 1/10 yang dipancarkan oleh power amplifier dengan requirement output 1/100-nya. Hal ini berkaitan langsung dengan cost dari amplifier-nya.

Untuk suatu effective radiated power (ERP) yang tetap, daya transmitter SDMA hanya memerlukan 1/G_d relatif terhadap base station dengan antena tunggal. Sifat keterarahan dari dowlink SDMA secara langsung mengurangi multipath dan interferensi yang memberikan implikasi error-rate lebih rendah, dan kemungkinan peningkatan data rate melalui penggunaan pengkodean dengan overhead error-correction yang lebih sedikit.

Multipath dapat membuat komunikasi menurun kualitasnya, seperti terlihat pada, terlepas dari delay propagarsi pada dua jalur tersebut, sinyal multipath ini yang menuju ke SDMA bse station dapat diatasi jika azimuth sinyal pantul berbeda beberapa derajat dari sinyal utama.

SDMA secara spatial memfilter komponen multipath dan mengurangi kompleksitas perangkat channel equalization. Permasalahan dalam mengimplementasikan uplink dan downlink yang directive dipermudah dengan kemampuan mengestimasikan azimuth terminal. Estimasi azimuth tersebut dilakukan dengan melakukan pemrosesan yang koheren terhadap sinyal-sinyal yang diterima oleh elemen-elemen array. Estimasi tersebut dapat diperbaharui secara konsisten. Seperti untuk aplikasi sistem komunikasi mobile, sebuah mobil bergerak dengan kecepatan 160 km/jam pada jarak 1 km dari base station mempunyai angular rate 2.5° /detik sehingga cukup diperlukan update rate dengan kecepatan 10 Hz dan juga dihasilkan informasi tracking berdasarkan perkiraan tersebut.

Uji coba dengan menggunakan 8-element intelligent Antenna DCS-1800 selama 25 menit dari jarak 5 sampai 15 kilometer dari BTS di daerah sub-urban menunjukkan bahwa terdapat perbaikan performansi jika dibandingkan dengan antena tunggal, 2 antena switched diversity dan sistem switched-beam. Terjadi perbaikan 9 dB terhadap antena tunggal. Dengan kenaikan 9 dB tersebut akan meningkatkan jangkauan BTS dimana terminal masih mampu melakukan demodulasi sinyal dengan baik.

Processing gain uplink dan downlink yang dihasilkan oleh SDMA memberikan perancang sistem fleksibilitas dalam menentukan kapasitas sistem, level noise, daya jangkau dan kualitas sinyal. Dengan desain yang sesuai, SDMA meningkatkan performansi sistem secara keseluruhan jauh di atas performansi yang dapat ditampilkan oleh teknologi base station konvensional yang menggunakan antena omnidirectional atau sertor.

Keuntungan Sistem SDMA

• Memperluas jangkauan. Coverage area sistem array jauh lebih besar dibandingkan dengan sistem antena tunggal karena gain array lebih tinggi. Ketika suatu sistem menggunakan SDMA, jumlah sel yang diperlukan untuk mengcover suatu area tertentu secara substansial dapat dikurangi. Array dengan sepuluh elemen memberikan gain 10 kali, yang memberi implikasi jarak jangkau sel menjadi dua kali lipat.
• Mengurangi interferensi. Interferensi dari sistem lain maupun dari user dari sel lain secara signifikan dapat dikurangi. Pada areal dengan tingkat noise yang tinggi dimana jarak dibatasi oleh tingkat interferensi, spatial channel akan menghasilkan jangkauan yang lebih luas.
• Mengurangi multipath. Sinyal multipath , yang dapat merusak sinyal utama, dapat dikurangi. Pada hal-hal tertentu sinyal multipath digunakan untuk memperkuat sinyal yang diinginkan.

• Reuse channel dapat ditingkatkan secara signifikan karena interferensi co-channel dari sel lain dapat dikurangi.
• Spatial channel terpisah dapat diciptakan pada tiap sel pada kanal konvensional yang sama. Dengan kata lain, penggunaan kanal konvensional dapat dilakukan dalam satu sel (intra-cell).
• Power. Karena SDMA menggunakan spatial channel maka base station dapat meradiasikan daya yang lebih kecil dibanding base station konvensional. Salah satu hasilnya adalah mengurangi polusi RF. Hal lain adalah pengurangan ukuran daya amplifier karena daya dibagi dalam elemen-elemen dan daya tiap elemen berkurang karena adanya gain dari pengarahan daya pancar base station ke terminal.
• Arah. Arah dari tiap spatial channel dapat diketahui dan dapat digunakan secara akurat untuk menentukan posisi sumber sinyal, suatu prasyarat untuk service berbasis lokasi.
• Kompatibilitas. SDMA kompatibel dengan hampir semua metode modulasi, bandwidth atau band frekuensi termasuk AMPS, GSM, PHP, DECT, IS-54, IS-95 dan format-format lain. SDMA dapat diimplementasikan dengan berbagai tipe dan geometris antena.

Pengaruh Efisiensi SDMA pada Sistem

Jika diintegrasikan pada sistem mobile secara keseluruhan, SDMA akan memberikan manfaat pada layer di atas layer RF. Dengan kemampuan mengarahkan penerimaan, perkiraan posisi terminal dapat dilakukan secara akurat. Base Station yang dilengkapi dengan SDMA dapat melakukan perhitungan astimasi azimuth terminal mobile yang sedang dilayani oleh Base Station disebelahnya. Informasi estimasi azimuth ini dikombinasikan untuk menentukan secara akurat posisi terminal mobile. Kemampuan untuk menentukan posisi terminal yang digabungkan dengan tracking information akan meningkatkan algorithma "hand-off" sehingga tidak mengalami hand-off yang berlangsung terus-menerus jika terminal berada sepanjang perbatasan antar sel.

SDMA mampu meningkatkan kapasitas sistem dengan menggunakan beberapa mekanisme.Yang paling sederhana adalah dengan digunakannya SDMA mengakibatkan daya pancar dari terminal dapat dikurangi sehingga frequency-reuse dapat digunakan dimana reuse empat sel dapat diterapkan dimana untuk sistem konvensional menggunakan reuse tujuh atau duabelas sel.

Mekanisme lain adalah dengan menggunakan intra-cell reuse (co-channel, co-cell). Teknik ini dapat dilakukan asalkan terdapat cukup beda azimuth antara user-user dalam co-channel (minimum 10° ) atau environment radio, apakah itu multipath dan interferensi, tidak terlalu parah. Teknik terakhir adalah dengan menggunakan dinamic reuse plan dimana dengan informasi lokasi user maka channel dapat diassign secara dinamis ke daerah yang padat dan membutuhkan channel lebih banyak.

Kesimpulan

Daftar Pustaka :

1. Richard H. Roy, "Application of Smart Antenna Technology in Wireless Communication Systems.
2. Björn Ottersten, "Array Processing for Wireless Communications", In proceedings of 8^th IEEE Signal Processing Workshop on Statistical Signal and Array Processing.
3. Marc Goldburg and Richard H.Roy, " The Impact of SDMA on PCS System Design".
4. Martin Cooper and Marc Goldburg, Ph.D, "Intelligent Antennas : Spatial Division Multiple Access". 1996 Annual Review of Communications.