Estimasi Parameter Kanal (DOA dan Delay) dengan Menggunakan

Algoritma MUSIC pada Antena array Kubus

Muhammad Syahroni

NRP : 2208203008

Dosen pembimbing :Prof. Dr.Ir. Gamantyo Hendrantoro,M.Eng

Ir. Puji Handayani, MT

2

PENDAHULUAN

3

1.1. Latar Belakang

Algoritma MUSIC yang ada hanyamenggunakan antena array linear danplanar [1],[2],[3],[4]

Terjadi error deteksi yang besar padasudut elevasi yang tinggi [1]

Hasil simulasi belum diverifikasi denganhasil pengukuran antena sebenarnya

4

1.2 Perumusan Masalah

Bagaimana model algoritma DOA dan delay dari antena array kubus?

Validasi Pengukuran akan bersesuaian dengan hasil simulasi?

Antena array kubus dapat mendeteksi sinyal dari berbagai sudut elevasi?

5

menganalisa kinerja estimasi DOA, DODdan delay pada algoritma MUSIC

mendapatkan model kanal yang sesuaiuntuk aplikasi indoor dapat digunakan

untuk evaluasi sistem komunikasinirkabel

1.3. Tujuan Penelitian

6

4.1. Manfaat Penelitian

Meningkatkan kemampuan deteksiantena penerima terhadap sinyal datangyang berasal sudut dengan elevasi tinggi

DOA dan Delay berguna untukmendesain model kanal yang sesuai

meningkatkan unjuk kerja sistemkomunikasi nirkabel pada aplikasi indoor

7

DASAR TEORI

8

2.1. Model Antena Array Kubus

Antenna yang disusundalam suatu volumeberbentuk kubus

Antena array ini terdiridari 8 element, dipisahkansejauh λ/2.

variasi dari parametersinyal berupa: sudut datang (elevasi θ

dan azimut ø)

jumlah sinyal

delay

2

4

6

8

1

3

5

7

9

Model Array(lanjutan)

)cossin(sin2

cossinsincos(sin2

)coscos(sin2

cos2

sinsin2

sinsincos(sin2

cossin2

0

)cossin(sin2

cossinsincos(sin2

)coscos(sin2

cos2

sinsin2

sinsincos(sin2

cossin2

0

...

...

...

...

...

...

...

...

111

11111

111

1

11

1111

11

zpypp

zpyppxpp

zpxpp

zp

ypp

yppxnn

pp

zy

zyx

zx

z

y

yx

ddj

dddj

ddj

dj

dj

ddj

j

ddj

dddj

ddj

dj

dj

ddj

j

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

A

Steering vector merupakan fungsi dari panjang gelombang dan

sudut datang (berupa θ dan azimut ø) dan geometri antena

10

Model Sinyal

Sinyal yang diterima pada antena penerima [3]

= sinyal baseband yang diterima pada waktu burst ke n.

n(t) = noise AWGN.

= steering vector

= amplitudo sinyal

= sinyal baseband kompleks yang ditransmisikan.

= delay propagasi dari sinyal

Q = jumlah sinyal total

Q

k

k

n

kkk

n tntsatX1

)()( )()(),()(

)()( tX n

),( kka

)(n

k

k)(s

11

Algoritma TST-MUSIC

Menggabungkan algoritma T-MUSIC & S-MUSIC

Melakukan pengelompokan dan pengisolasian sinyal-sinyal yang diterima

12

Algoritma T-MUSIC

Berguna untuk estimasi delay

Prinsip kerja T-MUSIC:

Matrik

kovarianEigen

Decomposition

Estimasi

Spektrum

delay

X(t)Rt

V t Pt

13

Matrik kovarian T-MUSIC diperoleh dengan:

M = Jumlah elemen antena

K = Jumlah burst

Xt = Sinyal yang sampai pada antena penerima

Algoritma T-MUSIC (lanjutan)

n

t

K

n

n

t

t XXMK

R1

1

14

Algoritma T-MUSIC (lanjutan)

Spectrum T-MUSIC

= temporal array vector

Vt = Noise subspace

)()()(

1)(

~~

gVVIg

PHt

s

t

s

H

t

music

)(~

g

15

Algoritma S-MUSIC

Berguna untuk estimasi DOA

Prinsip kerja S-MUSIC:

Matrik

kovarianEigen

Decomposition

Estimasi

Spektrum DOA

X(t)Rs

V s P s

16

Matrik Kovarian Rs dari S-MUSIC adalah

Nt = panjang training sequence

K = jumlah burst

Xt = sinyal yang sampai pada antena

Algoritma S-MUSIC (lanjutan)

Hn

t

K

n

n

t

t

s XXKN

R

1

1

17

Estimasi DOA oleh S-MUSIC adalah:

Vs= signal subspace

a = steering vector

I = matrik identitas

Algoritma S-MUSIC (lanjutan)

),()(),(

1),(

aVVIaP

Hs

s

s

s

H

s

music

18

METODE

PENELITIAN

19

FLOW CHART

Penentuan Asumsi Kondisi

Array dan Sinyal

Simulasi Algoritma MUSIC

Hasil Estimasi Simulasi

Pengukuran dengan antena

Array Volume

Algoritma MUSIC

berdasarkan pengukuran

Hasil Estimasi berdasarkan

pengukuran

Kesimpulan

20

3.1. Kondisi Array dan Sinyal

Antenna array adalah antenna biconical yang disusun dalam suatu volume berbentuk kubus

Antena array ini terdiri dari 8 elemen, dipisahkan sejauh λ/2.

Diasumsikan letak delay berjauhan

Noise yang dibangkitkan adalah AWGN

21

3.2. Simulasi algoritma MUSIC

parameter sinyal berupa:

jumlah sinyal yang datang

sudut datang (berupa elevasi θ dan azimutø)

jumlah sampling sinyal

Delay

koefisien korelasi

SNR.

22

Simulasi MUSIC (lanjutan)

Prosedur simulasi

InisialisasiPembangkitan

Steering VectorPembangkitan

sinyal X(t) =

A.s(t-) + n(t)

Estimasi

DelayEstimasi

DOA

23

3.3 Hasil estimasi Simulasi

Keakuratan hasil simulasi diperolehdengan membandingkan sudut datangdan delay yang sebenarnya dengan sudutdan delay estimasi yang dideteksi

Diuji dengan metode Root Mean SquareError

24

3.4. Pengukuran

•Pengukuran dilakukan di Ruang B305, ITS

• Hasil pengukuran : amplitudo (mV) dan fase (derajat)

Network Analyzer

Antena Pemancar Antena Penerima

RF AmplifierAttenuator

Port 1 Port 2

Kabel Koaxial

Kabel Koaxial

25

3.5. Penerapan Algoritma MUSIC

pada Data Hasil Pengukuran

memasukkan data hasil pengukuranberupa X(t) pada input algoritma MUSIC di peroleh estimasi DOA dan delay

26

3.6.Validasi hasil Estimasi

berdasarkan pengukuran

membandingkan sudut datang sebenarnya(berdasarkan geometrical optik) dan sudut hasilestimasi diperoleh error DOA

Membandingkan delay propagasi sebenarnyadengan delay estimasi diperoleh error delay

27

Hasil dan Pembahasan

28

Akurasi Estimasi DOA dan Delay

Sebagai Fungsi SNR

Error maksimum pada SNR = 0 dB RMS Error

azimut 0,325o dan RMS Error elevasi =0.315o

29

Resolusi Kerapatan DOA

Pada SNR = 10 dB resolusi DOA = 7o,pada SNR = 20 dB resolusi DOA sebesar 3o , pada SNR 30 dB resolusi DOA=1o

SNR = 10 dB SNR = 20 dB

30

Jumlah Sinyal sebagai fungsi SNR

Hasil: Maksimum sinyal yang dapat dideteksi adalah 6 sinyal pada SNR > 28 dB

31

Akurasi estimasi sebagai fungsi korelasi

sinyal

Algoritma MUSIC tidak dapat mendeteksi sinyal yang berkorelasi penuh

32

Estimasi Hasil Pengukuran

Sinyal I: DOA azimut -1o, DOA 91.5o elevasi, delay 4 ns

Sinyal II: DOA azimut 180o, DOA 91o elevasi, delay 7 ns

33

Validasi hasil Pengukuran

Lokasi B305, Elektro ITS

Rx3

0.8

40.8

65

1.36 0.82

0.5

35

0.2

1

0.09

0.5

35

0.395

7.140

4.6

5

Rx3

x

y

2.1

1.35

1.1

95

1.3

45

Tx

Rx

A

B

C

D

BB

D

34

Validasi hasil pengukuran (lanjutan)

Tabel 1. Sinyal datang dan delay propagasi pada antena penerima

Tabel 2. RMS error

35

Kesimpulan

36

Kesimpulan Sinyal akan dapat dideteksi dengan akurat ketika sinyal berasal

dari berbagai sudut elevasi dan azimut. Error elevasi tertinggi adalah 0.315o dan error azimut adalah 0.325o, terjadi ketika sinyal datang pada antena dengan SNR sebesar 0 dB

Jumlah sinyal datang maksimum yang dapat dideteksi adalah sebanyak enam sinyal

Kualitas dari resolusi sudut berbanding lurus dengan SNR sinyal datang

Algoritma MUSIC dapat mengestimasi dua sinyal berdekatan ketika selisih delay minimal sebesar 1 ns. Bila delay < 1 ns, maka dua sinyal tersebut akan dianggap sebagai 1 sinyal.

Berdasarkan hasil data pengukuran diperoleh hasil estimasi DOA yang akurat ketika divalidasi dengan metode geometrical optik, dimana RMS error elevasi berkisar antara 0o – 1o, sedangkan RMS error azimut adalah 1o-1.5o.

Ketika mengestimasi delay, algoritma MUSIC akan menghasilkan error yang cukup besar yaitu 3 – 8 ns

37

Daftar Pustaka

[1] S. Sekizawa,”Estimation of Arrival Directions Using MUSIC Algorithm with a Planar Array”

[2] R.O. Schmidt, “ Multiple Emitter Locatin and Signal Parameter Estimation”, IEEE transaction and propagation, vol AP-34, No 3, March 1986.

[3] Y.Y. Wang, “TST-Music for joint DOA-Delay Estimation” in IEEE transaction on signal processing, vol 49, no 4, april 2001

[4] J.D. Lin, “ Joint Spatial-Temporal Channel Parameter Channel Parameter Estimation Using Tree-structured MUSIC” 0-7803-7484-3/02 IEEE 2002

[5] A. Pholyiam, “ Joint Estimation of Propagation Delay and Direction of Arrival of Multipath Signal”, 0-7803-7757-5/03 , IEEE 2003

[6] Nur Adi Siswandari,”Analisa Korelasi Spasial Propagasi Kanal Radio 1.7 GHz Dalam Ruang Menggunakan Antena Array Planar Sintetis”, ITS, 2003

Sekian