0

TUGAS KECERDASAN BUATAN

APLIKASI ALGORITMA GENETIKA DALAM OPTIMASI PANCARAN LINK RADIO KOMUNIKASI BERBASIS ANTENA

ARRAY EMPAT ELEMEN

DISUSUN OLEH:

1. M. Mulia Maulana (100402102)[molenmaulana.blogspot.com]

2. Martua Nababan (100402107)

3. Puti Mayangsari Fhatony (100402110)[mayangfhatony.blogspot.com]

4. Riel Adi Sitompul (100402111)

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2013

1

ABSTRAK

Dalam makalah ini, algoritma genetika (AG) diaplikasikan untuk mengoptimasi

pancaran link radio komunikasi menggunakan antena array empat elemen. Algoritma ini

berperan mencari nilai-nilai pembobot berupa beda fasa relatif elemen guna menghasilkan

perbandingan antara SOI (signal of interest) dan SNOI (signal not of interest) atau dikenal

dengan signal to interference ratio (SIR) seoptimal mungkin. Dalam simulasi, konfigurasi

antena array diamsumsikan berbentuk linier empat elemen, dengan jarak antar elemen

setengah panjang gelombang. Parameter AG ditentukan: jumlah populasi 50; jumlah generasi

250; probabilitas pindah-silang (crossover) 0,85 dan probabilitas mutasi 0,1. Sebagai

ilustrasi sintesa pola radiasi dengan arah SOI = 0o , dengan 6 SNOI diarahkan pada arah 10o,

20o , 30o , 40o , 50o , 60o , 70o , 80o , dan 90o. Sebagai validasi, dibuat empat antena konikal,

satu pencatunya digunakan sebagai referensi (fasanya 0o) sedang ketiga pencatuan lainnya

diatur dengan unit penggeser fasa (phase shifter) merk Anritsu A5N110. Sistem ini

dioperasikan pada frekuensi 1000 MHz. Dari hasil percobaan diperoleh kesimpulan, bahwa

terdapat kemiripan bentuk pola pancaran antara hasil pengukuran dan hasil simulasi dengan

AG, meskipun terdapat selisih SIR yang diperoleh. Dengan tetap mengarahkan arah pancaran

utama tetap pada arah SOI = 0o , dengan arah SNOI divariasi: 10o, 20o , 30o , 40o , 50o , 60o ,

70o , 80o , dan 90o, maka pada hasil pengukuran terdapat selisih SIR berturut-turut sebesar

17,6 dB; 12,3 dB; 7,9 db; 4,6 dB; 6,1 dB; 5,0 dB; 6,7 dB; 4,7 dB dan 2,5 dB relatif lebih

rendah dari hasil simulasi dengan AG.

2

DAFTAR ISI

I. LATAR BELAKANG MASALAH................................................................ 3

II. IDENTIFIKASI MASALAH.............................................................................. 3

III. RUMUSAN MASALAH................................................................................. 4

IV. TUJUAN PENULISAN................................................................................... 4

V. BATASAN MASALAH .................................................................................. 4

VI. MANFAAT....................................................................................................... 4

VII. PRINSIP KERJA.............................................................................................. 5

VIII. APLIKASI........................................................................................................ 7

IX. ANALISA........................................................................................................ 12

X. KESIMPULAN................................................................................................. 15

XI. DAFTAR PUSTAKA....................................................................................... 15

3

I. LATAR BELAKANG MASALAH

Pengarahan pancaran pada antena untuk link radio komunikasi merupakan salah satu

usaha yang harus dilakukan, agar sisi penerima mendapatkan kualitas sinyal penerimaan yang

relatif baik. Link tersebut, bisa bersifat omnidirectional ataupun directional. Selain itu, dalam

satu link radio sangat mungkin adanya sinyal-sinyal lain yang tidak dikehendaki (signal not of

interest atau SNOI) dengan frekuensi yang sama, dan sifatnya mengacaukan sinyal dari

pemancar yang dikehendaki (signal of interest atau SOI). Sehingga diperluka optimasi

penerimaan dengan mengatur pancaran dari suatu antena, metode ini dapat dilakukan dengan

menggunakan beberapa antena yang dioperasikan secara bersamaan, yang disebut dengan antena

array dan mengatur nilai pencauan pada masing-masing elemen antena.

II. IDENTIFIKASI MASALAH

Dalam makalah ini, algoritma genetika (AG) diaplikasikan untuk mengoptimasi pancaran

link radio komunikasi menggunakan antena array empat elemen. Algoritma ini berperan mencari

nilai-nilai pembobot berupa beda fasa relatif elemen guna menghasilkan perbandingan antara

SOI (signal of interest) dan SNOI (signal not of interest) atau dikenal dengan signal to

interference ratio (SIR) seoptimal mungkin. Dalam simulasi, konfigurasi antena array

diamsumsikan berbentuk linier empat elemen, dengan jarak antar elemen setengah panjang

gelombang. Parameter AG ditentukan: jumlah populasi 50; jumlah generasi 250; probabilitas

pindah-silang (crossover) 0,85 dan probabilitas mutasi 0,1. Sebagai ilustrasi sintesa pola radiasi

dengan arah SOI = 0o , dengan SNOI diarahkan pada arah 10o, 20o , 30o , 40o , 50o , 60o , 70o ,

80o , dan 90o. Sebagai validasi, dibuat empat antena konikal, satu pencatunya digunakan sebagai

referensi (fasanya 0o) sedang ketiga pencatuan lainnya diatur dengan unit penggeser fasa (phase

shifter) merk Anritsu A5N110. Sistem ini dioperasikan pada frekuensi 1000 MHz. Dari hasil

percobaan diperoleh kesimpulan, bahwa terdapat kemiripan bentuk pola pancaran antara hasil

pengukuran dan hasil simulasi dengan AG, meskipun terdapat selisih SIR yang diperoleh.

Dengan tetap mengarahkan arah pancaran utama tetap pada arah SOI = 0o , dengan arah SNOI

divariasi: 10o, 20o , 30o , 40o , 50o , 60o , 70o , 80o , dan 90o, maka pada hasil pengukuran terdapat

selisih SIR berturut-turut sebesar 17,6 dB; 12,3 dB; 7,9 db; 4,6 dB; 6,1 dB; 5,0 dB; 6,7 dB; 4,7

dB dan 2,5 dB relatif lebih rendah dari hasil simulasi dengan AG.

4

III. RUMUSAN MASALAH

1. Bagaimana melakukan pengarahan pancaran antena agar sisi penerima mendapatkan

kualitas sinyal penerima yang relatif baik.

2. Bagaimana mendapatkan optimasi penerimaan pancaran antena array empat elemen.

IV. TUJUAN PENULISAN

1. Untuk mendapatkan optimasi pengarah pancaran antena array empat elemen.

2. Sebagai salah satu indikator penilain pada mata kuliah kecerdasan buatan (project

base).

V. BATASAN MASALAH

1. Mengoptimasi pancaran link radio komunikasi menggunakan antena array empat

elemen.

2. Mencari nilai-nilai pembobot berupa beda fasa relatif elemen guna menghasilkan

perbandingan antara SOI (signal of interest) dan SNOI (signal not of interest) atau

dikenal dengan signal to interference ratio (SIR) seoptimal mungkin.

VI. MANFAAT

Dalam sintesa pola pancaran antena array, ada beberapa parameter antena yang dapat

digunakan sebagai parameter perubahan. Metode optimasi pada antena array untuk

maksimalisasi harga direktivitas dengan mengubah parameter-parameter teknis dalam

perancangan suatu array, antara lain: pengutan elemen, beda fase relatif, konfigurasi dan jarak

elemen-elemennya. Selain itu, banyak algoritma yang dapat digunakan dalam proses optimasi

sintesa pola pancaran pada antena array, diantaranya: Least Mean Square (LSM), Griffith

Algorithm, Frost Algorithm, Blind Adaptive Algorithm dan neural network.

Pada penelitian ini, algoritma genetika (AG) diaplikasikan untuk optimasi pancaran link

radio komunikasi berbasis antena array empat elemen, dengan mencari nilai beda fasa relatif

5

antara masing-masing elemen array, sehingga diperoleh perbandingan daya sinyal penerimaan

SOI terhadap SNOI dikenal dengan signal to interference ratio (SIR) seoptimal mungkin.

VII. PRINSIP KERJA

1. Antena Array Empat Elemen

Gambar 1 menunjukkan empat elemen antena array, dimana masing-masing elemen

antena diasumsikan sebagai antena isotropis. Jarak antar elemen dinyatakan d (satuan panjang

gelombang; λ ), sudut pengamatan pada medan jauh yang ditinjau dari normal array adalah 𝜃 dan arah dari pancaran utama (main beam) adalah 𝜃o.

Gambar 1. Empat Elemen Isotropis

Jika W1, W2, W3 dan W4 berturut-turut menyatakan pencatuan pada elemen 1, 2, 3 dan elemen 4, maka pola pancaran yang dibentuk dari susunan ini, secara sederhana dinyatakan dengan:E (θ )=W 1+W 2 e jφ+W 2 e j 2 φ+W 2 e j3 φ (1)

Dimana:

φ= 2 πdλ(sinθ−sin θ0)

(2)

Jika W = W1 = W2 = W3 = W4, maka:

6

E (θ )=W ¿) (3)

Berdasarkan persamaan (3), untuk mengarahkan pancaran utama (main beam) sistem

array tersebut ke arah θ0 tertentu, dapat dilakukan dengan memberi beda fasa relatif pada elemen

ke-2, ke-3 dan ke-4 terhadap elemen ke-1 secara berturut-turut dengan 𝛿, 2𝛿, dan 3𝛿, dimana:δ=(2 πd

λ )sinθ0 (4)

Pernyataan di atas dan persamaan (4) akan digunakansebagai dasar untuk merancang dan

implementasi sistem antena array empat elemen guna mengarahkan pancaran utama link radio ke

arah SOI tertentu.

2. Algoritma Genetika

Seperti diketahui, Algoritma Genetika (AG), atau “Genetic Algorithm” merupakan

bagian dari evolutionary computing dan diinspirasi oleh teori Darwin tentang evolusi dan

dikenalkan oleh John Holland padatahun 1975. Dalam perkembangannya, algoritma ini

berkembang dalam area kecerdasan buatan (artificial intelligent), yang sangat ampuh untuk

menyelesaikan persoalan-persoalan optimasi suatu system, seperti dalam bidang

elektromagnetik, tentunya termasuk teknik antena.

Gambar 2. Diagram Blok Mekanisme Kerja Algoritma Genetika (AG)

Gambar 2 menunjukkan diagram blok mekanisme kerja AG. Proses ini dimulai dari

pembangkitan populasi awal yang merupakan kumpulan individu-individu. Masing-masing

7

individu tersebut, dinyatakan dalam bentuk gen dan kromosom sesuai dengan model dari

permasalahan. Kemudian individu-individu tersebut dipilih (seleksi) untuk mendapat individu-

individu yang baik.

Pengertian individu yang baik ini, dievaluasi berdasarkan nilai kebugaran (fitness) relatif

dari setiap individu. Semakin tinggi nilai kebugarannya, maka semakin baik nilai individu

tersebut dan semakin besar kemungkinan dia bertahan untuk dipilih.

Setelah dilakukan pemilihan individu-individu yang bernilai baik, proses berikutnya

adalah melakukan perkawinan silang (cross over) untuk menghasilkan individu-individu baru.

Individu-individu yang lahir sebelum dinyatakan sebagai individu baru akan mengalami

beberapa proses yang berhubungan dengan perubahan nilai gen, baik yang berupa adaptasi

maupun revolusi. Proses yang terjadi dinamakan dengan mutasi gen inilah individu-individu baru

dinyatakan telah lahir dan membentuk suatu populasi baru pada suatu generasi. Proses satu

pengulangan ini dinamakan dengan satu generasi. Begitu seterusnya, sampai berlangsung ke

berapa generasi yang diinginkan.

VIII. APLIKASI

1. Aplikasi Algoritma Genetika

Algoritma genetika (AG) yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan kromosom

float. Algoritma ini berfungsi untuk mencari beda fasa relatif β(m) antar elemen yang

bersesuaian, sehingga diperoleh harga signal to interference ratio (SIR) yang seoptimal mungkin.

a. Mekanisme Kerja

Mekanisme kerja dari algoritma genetika yang digunakan untuk optimasi link radio

komunikasi ini, secara skematik ditunjukkan pada gambar 4.

b. Definisi Individu

8

Gambar 3 memberikan ilustrasi tentang definisi sebuah individu, yaitu susunan beberapa

kromosom yang menyatakan nilai beda fasa relatif β(m). Setiap nilai β(m), merupakan gen – gen

float.

Gambar 3. Skematik dari satu individu

c. Nilai Kebugaran (Fitness)

Dalam masalah ini, nilai kebugaran (fitness) dinyatakan dengan signal to interference

ratio (SIR), yang diformulasikan dengan F(i,j), yang berarti bernilai kebugaran dari individu ke-i,

generasi ke-j. Formulasi SIR dinyatakan:

SIR=PA

∑i

Pip(5)

PA=A2

2∨F (θp , φp )∨¿2 ¿ (6)

Berturut – turut menyatakan daya dari SOI dan SNOI ke-p. A dan Ip merupakan

amplitudo SOI dan amplitudo SNOI ke-p. Sedangkan F(𝜃,φ) merupakan pola pancaran dari

array.

d. Perkawinan Silang (Cross Over)

Mekanisme perkawinan silang dalam makalah ini menggunakan pasangan berurutan,

dimana gen ke-k induk ke-i dengan defenisi induk [i][k] dan gen ke-k induk ke-(i+1) dengan

defenisi induk [i+1][k] akan menghasilkan keturunan:

Anak [i][k] = r*induk [i][k]+(1-r)*induk [i+1][k] (7)

Anak [i+1][k] = r*induk [i+1][k]+(1-r)*induk [i][k] (8)

9

Dimana r adalah bilangan acak antara 0 sampai 1.

Untuk tiap pasangan, akan dibangkitkan bilangan acak r (antara 0 sampai dengan 1)

untuk dibandingkan dengan probabilitas perkawinan silang pa. Bila bilangan acak tersebut lebih

kecil dari pa, maka dilakukan perkawinan silang. Dan sebaliknya, bila bilangan tersebut lebih

besar dari pa, maka tidak dilakukan perkawinan silang.

e. Mutasi Gen (Pb)

Untuk gen ke-k dari individu ke-i yang dinyatakan dengan individu [i][k], akan

dilakukan mutasi berikut:

Individu [i][k] = individu [i][k] + q (9)

Dimana q adalah bilangan acak yang dibangkitkan dan nilainya kecil (antara 0 sampai

dengan 1). Bila bilangan acak q lebih kecil dari probabilitas mutasi pb, maka dilakukan mutasi.

Dan sebaliknya, bila bilangan tersebut lebih besar dari pb, maka tidak dilakukan mutasi.

f. Penentuan SIR Optimal

Setiap induvidu, yang merupakan pembobot setiap elemen β(m), dengan nilai SIR

tertinggi pada setiap generasi selalu disimpan untuk tetap dipertahankan sampai generasi

berikutnya yang telah ditentukan. Dengan menetukan jumlah generasi yang diinginkan, maka

akan diperoleh nilai kebugaran SIR yang optimum pada generasi tersebut. Simulasi optimasi

pancaran link radio komunikasi menggunakan algoritma genetika (AG) dilakukan dengan

program Matlab, yaitu dengan mencari koefisien beda fasa relatif antar elemen array; β(m).

Beberapa asumsi yang diberikan berkenaan simulasi yang dilakukan pada antena array di sini

sebagai berikut:

Semua elemen array adalah antena isotropis, dengan pola dan orientasi yang

sama.

Sinyal-sinyal SOI dan SNOI merupaka gelombang datar (plane wave) yang

datang dari medan jauh (far field).

Tidak ada perbedaan atau variasi amplitudo dalam penerimaan sinyal oleh

elemen-elemen array akibat perbedaan panjang lintasan relatif propagasi.

10

Karakteristik antena array linier empat elemen (M=4), jarak antar elemen dibuat sama

(d=0,5λ). Karakteristik AG: jumlah populasi = 50; jumlah generasi = 250; probabilitas pindah

silang = 0,85 dan probabilitasn mutasi = 0,1. Untuk mendapatkan hasil SIR seoptimal mungkin,

simulasi pola pancaran antena array dengan AG pada penelitian ini dilakukan dengan

mengarahkan SOI pada arah 00, dan SNOI diarahkan pada arah-arah 100 sampai 900 dengan step

100.

11

Gambar 4. Skematik Mekanisme Algoritma Genetika untuk optimasi link radio komunikasi

berbasis antena array empat elemen

2. Implementasi

Gambar 5 menunjukkan diagram blokdari prototipe sistem antena array emapat elemen.

Suatu pembangkit sinyal berfungsi untuk membangkitkan sinyal RF yang selanjutnya akan

12

dibagi levelnya secara sama oleh pembagi jalur, langsung dihubungkan saluran transmisi ke

suatu antena ke-1, tanpa pergeseran fasa (phase shifter). Sedangkan, keluaran yang lain, akan

masuk ke penggeser fasa #1, #2 dan #3 dan selanjutnya menuju ke antena ke-2, ke-3 dan ke-4.

Panjang dan karakteristik saluran transmisi kedua saluran transmisi dibuat sama.

Gambar 5. Blok Diagram Antena Array Empat Elemen

Berdasarkan gambar 5, diimplementasikan suatu sistem antena array empat elemen yang

diopersaikan pada frekuensi 1.000 MHz. Perangkat atu komponen yang digunakan sebai berikut:

(1) Pembangkit Sinyal

Pembangkit sinyal yang dipakai adalah Standart Signal Generator, dengan frekuensi

kerja 1KHz – 2.000 MHz.

(2) Pembagi Jalur

Pembagi jalur (power divider) membagi frekuensi kerja: 1 MHz – 2.000 MHz.

(3) Penggeser Fasa

Penggeseer fasa (phase shifter) dengan frekuensi kerja: 1MHz – 8 GHz.

(4) Antena

13

Elemen antena yang digunakan adalah antena dengan pengarahan omnidirectional untuk

bidang-H dengan VSWR masing-masing antena 1,15; 1,17; 1,20 dan 1,23 untuk

impedansi saruran 50 Ω pada frekuensi 1.000 MHz.

Gambar 6 menuunjukkan komponen hasil implementasi sistem antena array empat

elemen. Antena tersusun pada jarak 13 cm (1/2 panjang gelombang) dan ketiga antenanya

dilengkapi penggeser fasa (phase shifter).

Gambar 6. Implementasi Antena Array Empat Elemen Untuk Mengoptimasi Pancaran Link

Radio Komunikasi

IX. ANALISA

Hasil optimasi pola pancaran sistem antena array empat elemen dengan AG pada

penelitian ini dilakukan dengan mengarahkan SOI pada arah 00 (SOI = 00) dan SNOI diarahkan

pada arah-arah 100 sampai 900 dengan step 100 (SNOI = 00 , 10o, 20o , 30o , 40o , 50o , 60o , 70o ,

80o , dan 90o). Sebagai validasi untuk membuktikan pola pancaran yang dihasilkan oleh AG,

dilakukan beberapa eksperimen dari prototipe yang telah dibuat di ruang kedap (anechoic

chamber). Prototipe ini digunakan sebagai media pancar dan sebagai penerima digunakan antena

horn double ridge, merk Schwarzbeck BBHA 9120 (1.000 – 18.000 MHz) dan sebagai

penunjukkan level sinyal digunakan Spectrum Analyzer merk Anritsu MS610 B (100 KHz – 2

GHz). Hasil beda fasa antar elemen dan SIR optimal yang dihasilkan dengan AG dan

pengukuran ditunjukkan pada Tabel 1. Sedangkan pola pancaran sistem antena yang dihasilkan

14

dengan optimasi AG dan hasil pengukuran untuk arah SOI = 00 dan berturut-turut SNOI pada

arah 10o, 20o , 30o , 40o , 50o , 60o , 70o , 80o , dan 90o ditunjukkan pada Gambar 7 (a) dan 7 (i).

Tabel 1. Hasil Pencarian Fasa dan SIR yang Diperoleh dengan AG dan Pengukuran

Perbedaan SIR yang dihasilkan antara AG dan pengukuran ini secara numerik dipaparkan

pada Tabel 1, yaitu SIR dengan AG pada arah SOI yang sama, yaitu SOI = 00, sedangkan SNOI

divariasi berturut-turut diperoleh SIR sebesar -38,4 dB; -38,6 dB; -38,5 dB; -38,8 dB; -38,7 dB; -

38,4 dB; 38,9 dB; -39,4 dB; dan -39,8 dB. Sedangkan dari hasil pengukuran berturut-turut

diperoleh -20,8 dB; -26,3 dB; -30,6 dB; -34,2 dB; -32,6 dB; -33,4 dB; -32,2 dB; -34,7 dB dan

berturut-turut sebesar 17,6 dB; 12,3 dB; 7,9 dB; 4,6 dB; 6,1 dB; 5,0 dB; 6,7 dB; 4,7 dB dan 2,5

dB.

ArahSNOI

FasaAG:

NormalFasa

SIR dengan AG SIR hasil pengukuran

100 -540; -46460;530

00;80;1000;1070 -38,4 dB -20,8 dB

200 -210; -170

170;21000;40;

380;420 -38,6 dB -26,3 dB

300 -00; -20;40;-60

00;2580;40;2540 -38,5 dB -30,6 dB

400 20; 90;-90; -20

00; 70;2490; 3560 -38,8 dB -34,2 dB

500 -80; 120;-120; 80

00; 200;3560;160 -38,7 dB 32,6 dB

600 -900;100;-110;90

00;190;3580;180 -38,4 dB -33,4 dB

700 -50;40

-60;5000;90;

980;1070 -38,9 dB -32,2 dB

800 11;6;7;5

0;5;18;16

-39,4 dB -34,7 dB

900 -5;4;14;5

0;9;19;10

-39,8 dB -36,3 dB

15

Gambar 7. Hasil Optimasi Pancaran Antena Untuk SOI = 00 dengan AG dan Hasil

Eksperimen: (a) SNOI = 10o; (b) SNOI = 20o; (c) SNOI = 30o; (d) SNOI = 40o; (e) SNOI = 50o;

(f) SNOI = 60o; (g) SNOI = 70o; (h) SNOI = 80o; (i) SNOI = 90o

Dari Gambar 7 dapat dianalisa bahwa kemiripan pola pancaran antara hasil dengan AG

dan hasil pengukuran. Khusus Gambar 7 (a) yang merupakan hasil untuk SOI = 00 dan SNOI =

100 (dimana SOI dan SNOI berbeda 100) terdapat perbedaan SIR cukup besar, yaitu 17,6 dB, dan

arah SOI yang diharapkan (SOI = 00). Sedangkan Gambar 7(b) untuk SOI = 00 dan SNOI = 200

(dimana SOI dan SNOI berbeda 200) terdapat pergeseran arah. SOI bergeser sekitar 70 dari SOI =

00. Semakin dekat arah SNOI dengan SOI, semakin besar pergeseran SOI yang terjadi. Untuk

mengatasi hal ini perlu dipikirkan jumlah elemen yang semakin banyak.

16

X. KESIMPULAN

Telah dilakukan optimasi pancaran link radio komunikasi dengan AG menggunakan

antena array empat elemen. Hasilnya, pola pancaran ang dihasilkan dengan AG dan hasil

pengukuran terdapat kemiripan bentuk, meskipun terdapat perbedaan SIR berturut-turut sebesar

17,6 dB; 12,3 dB; 7,9 dB; 4,6 dB; 6,1 dB; 5,0 dB; 6,7 dB; 4,7 dB dan 2,5 dB untul arah SOI = 0 0

dan SNOI divariasi 10o, 20o , 30o , 40o , 50o , 60o , 70o , 80o , dan 90o.

XI. DAFTAR PUSTAKA

1. Constantine A. Balanis, Antenna Theory, Analysis and Design (Third Edition), John

Willey and Sons, New York, 2005.

2. Goldberg, D.E., Genetic Algorithms + Data Structure = Evolution Programs 3rd ed.

Revised and Extended Edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1996.

3. Budi Aswoyo, Simulasi Optimasi Pengarahan Pancaran ke Satelit Komunikasi Berbasis

Antena Array 10x10 Elemen dengan Pengaturan Pencatu Fasa Menggunakan Algoritma

Genetika.