Large Scale Fading

TeknikTelekomunikasi Seluler, Sukiswo ST, MT 1

Propagasi Wireless & Large Scale Fading

Sukiswo

[email protected]

Outline Propagasi Wireless Kanal ideal AWGN dan kanal propagasi

dalam realita Faktor utama yang mempengaruhi

pemodelan kanal Large Scale Fading Metoda prediksi redaman propagasi populer

Propagasi Wireless Pada komunikasi bergerak, sinyal yang diterima pada titik

penerima setelah melewati kanal kemungkinan besar merupakan jumlah dari sinyal langsung dan sejumlah sinyal terpantul dari berbagai obyek.

Pada komunikasi bergerak, refleksi bisa disebabkan oleh beberapa hal berikut :

– Permukaan tanah– Bangunan-bangunan– Obyek bergerak berupa kendaraan


Propagasi Wireless Gelombang pantul akan berubah magnitude dan fasanya,

tergantung dari koefisien refleksi, lintasannya, dan juga tergantung pada sudut datangnya. Jadi, antara sinyal langsung dan sinyal pantulan kan berbeda dalam hal :– Amplitudo, tergantung dari magnitude koefisien refleksi– Phasa, yang tergantung pada perubahan fasa refleksi serta pada

perbedaan jarak tempuh antara gelombang langsung dan gelombang pantul

Kondisi terburuk terjadi saat gelombang langsung dan gelombang pantul memiliki magnituda yang sama serta berbeda fasa 180o. Pada kondisi yang demikian, terjadi saling menghilangkan antara gelombang langsung dan pantulnya (complete cancellation )


Propagasi WirelessFree Space Loss

Terdapat satu sinyal langsung (line of sight path) sangat mudah

memprediksi dengan free space formula

Reflection

Terdapat sinyal tak langsung datang ke receiver setelah mengalami pantulan terhadap object. Mungkin terdapat banyak pantulan yang berkontribusi terhadap besarnya delay.

Diffraction

Propagasi melewati object yang cukup besar seolah-olah menghasilkan sumber sekunder, seperti puncak bukit dsb.

Scattering

Propagasi melewati object yang kecil dan/atau kasar yang menyebabkan banyak pantulan untuk arah-arah yang berbeda.

Propagasi Wireless


Radio Propagation Mechanisms

Building Blocks

D

RS

R: ReflectionD: DiffractionS: Scattering

transmitter

receiver

DStreet

Propagasi WirelessPentingnya memahami karakteristik kanal propagasiUntuk menentukan desain sinyal yang paling tepat (source dan channel coding, serta modulasi)Untuk mengembangkan teknologi-teknologi baru dalam pentransmisian dan penerimaan sinyalDalam komunikasi multiuser, skema akses kanal harus dilakukan dengan seefisien mungkin.Pada sistem seluler, cakupan sinyal diinginkan dihitung dengan seakurat mungkin karena daya berlebih akan menghasilkan interferensi yang juga berlebihan.Di dalam sistem seluler juga, level terendah yang diijinkan harus ditentukan untuk menjaga koneksi komunikasi dari sel ke sel.


Ideal Channel

Kanal Ideal meloloskan semua spektrum sinyal tanpa distorsi (dikatakan

BW kanal terhingga, respon frekuensi ‘flat’ untuk semua frekuensi)

Pelemahan dan error hanya disebabkan oleh AWGN (Additive White

Gaussian Noise).

Sinyal terima adalah besaran deterministik dengan menggunakan statistik-

statistik dari AWGN (terdistribusi Gaussian)

Transmitted bit

Ideal channel

AWGN

detection

Model Kanal

Kanal Real (Physical Channel) :

•Kanal fisik selalu memiliki bandwidth yang terbatas

•Hanya komponen yang signifikan dari spektrum sinyal yang diloloskan melewati kanal terjadi Distorsi

•Bandwidth sinyal harus lebih kecil atau sama dengan bandwidth kanal agar relatif tidak terjadi distorsi

•Pertanyaannya sekarang : Bagaimana membuat BW sinyal lebih kecil dari BW kanal ??

Transmitted bit

Physical Channel

AWGN

detection

Model Kanal

Pengaruh Propagasi Efek propagasi multipath pada kanal wireless mobile

adalah:– Large scale fading Large scale path loss– Small scale propagation

Fading didefinisikan sebagai fluktuasi daya di penerima karena pengaruh propagasi radio

Large scale path loss– Large attenuation dalam rata-rata– Daya sinyal terima menurun berbanding terbalik

dengan pangkat- terhadap jarak , dimana umumnya 2 < < 5 (untuk komunikasi bergerak). disebut Mean Pathloss Exponent

– Sebagai dasar untuk metoda prediksi pathloss


Pengaruh Propagasi Small scale

– Flukstuasi sinyal yang cepat disekitar nilai rata-rata (large scale) - nya

– Doppler spread berhubungan dengan kecepatan fading (fading rate)

– Penyebaran waktu berhubungan dengan perbedaan delay waktu kedatangan masing-masing sinyal multipath.


Fading

Large Scale Fading

Small Scale Fading

T e rd is tr ib u s iL o g n o rm a l

T e rd is tr ib u s i R a yle ig h / R ic ia n

• Karena perilaku sinyal pada kanal multipath adalah acak, maka analisis fading menggunakan analisis probabilitas stokastik

• Fading terjadi karena interferensi atau superposisi gelombang multipath yang memiliki amplitudo dan fasa yang berbeda-beda

Fading

Distorsi Sinyal multipath juga akan menyebabkan distorsi sinyal /

cacat sinyal. Problem ini secara khusus berkaitan dengan bandwidth

sinyal yang digunakan dalam komunikasi mobile, dan juga karena respon pulsa yang berbeda dari sinyal multipath


Distorsi


E qua l lev e l m a in & re flec ted pa th

Low er lev e l re flec ted pa th

Rx Level

W idebandC hanne l

N arrow bandC hanne l

Frequency

Channel Frequency Response

t

t

t

t

Channel PulseResponse

D irec t W av e

R eflec ted W av eR esu ltan t

Definisi : local mean ( time averaged ) dari variasi sinyal

Large Scale Fading disebabkan karena akibat keberadaan obyek-obyek pemantul serta penghalang pada kanal propagasi serta pengaruh kontur bumi, menghasilkan perubahan sinyal dalam hal energi, fasa, serta delay waktu yang bersifat random.

Sesuai namanya, large scale fading memberikan representasi rata-rata daya sinyal terima dalam suatu daerah yang luas.

Statistik dari large scale fading memberikan cara perhitungan untuk estimasi pathloss sebagai fungsi jarak.

K uat s inya l (dB )

Ja rak

Large Scale Fading

MULTIPATH FADING Pengaruh multipath fading terhadap level sinyal terima adalah dapat

menguatkan ataupun melemahkan tergantung phasa dari sinyal resultan masing-masing path.


C

A

D

BReceiverTransmitter

•A: direct path•B: reflection•C: diffraction•D: scattering

MULTIPATH FADING

Level Daya di penerima


PR

PR_thres

t0

Pengaruh Multipath Lingkungan kanal radio mobile ( indoor / outdoor )

seringkali tidak terdapat lintasan gelombang langsung antara Tx dan Rx, sedemikian daya terima adalah superposisi dari banyak komponen gelombang pantul masing-masing memiliki amplitudo dan fasa saling independen.

Multipath dalam kanal radio menyebabkan :– Perubahan yang cepat dari amplituda kuat sinyal

– Modulasi frekuensi random berkaitan dengan efek Doppler pada sinyal multipath yang berbeda-beda

– Dispersi waktu (echo) yang disebabkan oleh delay propagasi multipath


•Multipath dalam kanal radio menyebabkan :

• Perubahan yang cepat dari amplituda kuat sinyal

• Modulasi frekuensi random berkaitan dengan efek Doppler pada sinyal multipath yang berbeda-beda

• Dispersi waktu (echo) yang disebabkan oleh delay propagasi multipath

•Lingkungan kanal radio mobile ( indoor / outdoor ) seringkali tidak terdapat lintasan gelombang langsung antara Tx dan Rx, sedemikian daya terima adalah superposisi dari banyak komponen gelombang pantul masing-masing memiliki amplitudo dan fasa saling independen

•Multipath Fading , atau Short Term Fading

Definisi : local mean ( time averaged ) dari variasi sinyal

Large Scale Fading disebabkan karena akibat keberadaan obyek-obyek pemantul serta penghalang pada kanal propagasi serta pengaruh kontur bumi, menghasilkan perubahan sinyal dalam hal energi, fasa, serta delay waktu yang bersifat random.

Sesuai namanya, large scale fading memberikan representasi rata-rata daya sinyal terima dalam suatu daerah yang luas.

Statistik dari large scale fading memberikan cara perhitungan untuk estimasi pathloss sebagai fungsi jarak.

K uat s inya l (dB )

Ja rak

Fading Margin

K uat s inya l (dB ) se te lahd itam bah fad ing m arg in (F M )

t

Theshold FM

•Fading margin depends upon target availability of the link/ coverage. • Greater availability requires larger fading margin.

2m

2

2

)mm(

m

e2

1)m(p

2m

2

2

)mm(

m

e2

1)m(p

Dengan,

m = normal random variabel kuat sinyal (dBm)

= rata-rata (mean) kuat sinyal (dBm)

m = standar deviasi

m

Probability Distribution Function (PDF) dari suatu variabel random yang terdistribusi lognormal dinyatakan sbb :

Fading Margin

Free Space Prop. Model Isotropic antenna: power is distributed

homogeneously over surface area of a sphere.

•Received power is power through effective antenna •surface over total surface area of a sphere of radius d

Free Space Prop. Model

The power density w at distance d is

where PT is the transmit power.

24 dPw T

R TP Ad

P4 2

The received power is

with A the `antenna aperture' or the effective receiving surface area.

Free Space Prop. Model The antenna gain GR is

related to the aperture A according to

Thus the received signal

power is

GRA4

2

R T R

2

2P = P G4

1

4 d

Received power decreases with distance,PR :: d-2

Received power decreases with frequency, PR :: f -2

Cellular radio planning: Path Loss in dB: Lfs = 32.44 + 20 log f (MHz) + 20 log d (km)

Ground Reflection

Waves travelling over land interact with the earth's surface.

, +e)F( )R( +eR +E= E cc0i i jj -11

Norton: For propagation over a plane earth,

where

Rc is the reflection coefficient,

E0i is the theoretical field strength for free space

F(.) is the (complex) surface wave attenuationD is the phase difference between direct and

ground-reflected wave

Ground Reflection

Bullington:

Three Components of Received Electric Field:

– direct line-of-sight wave + – wave reflected from the earth's surface + – a surface wave.

Space wave:• the (phasor) sum of the direct wave, and • the ground-reflected wave

Ground Reflection

Two-ray Model

Ground Reflection

Reflection coefficient

Amplitude and phase depend on: Frequency Properties of surface (s, m, e) Horizontal, vertical polarization Angle of incidence (thus, antenna height)

Reflection & Diffraction

Reflection & Diffraction

The diffraction parameter v is defined as where

hm is the height of the obstacle, and

dt is distance transmitter - obstacle

dr is distance receiver - obstacle

The diffraction loss Ld, expressed in dB, is approximated by

v h2 1

d+

1

d,m

t r

Lv v v

v vd

6 9 127 0 2 4

13 20 2 4

2. .

log .

Long distance path loss model

The average large-scale path loss for an arbitrary T-R separation is expressed as a function of distance by using a path loss exponent n:

• The value of n depends on the propagation environment: for free space it is 2; when obstructions are present it has a larger value.

)log(10)()(

)()(

00

0

d

dndPLdBPL

d

ddPL n

dB)in (denoted d distance aat

losspath scale-large average thedenotes )(dPL

•Equation 11

Path Loss Exponent for Different Environments

Environment Path Loss Exponent, n

Free space 2

Urban area cellular radio 2.7 to 3.5

Shadowed urban cellular radio

3 to 5

In building line-of-sight 1.6 to 1.8

Obstructed in building 4 to 6

Obstructed in factories 2 to 3

LEE PATH LOSS PREDICTION MODEL Dalam persamaan linear, dinyatakan :

Dalam persamaan logaritmik (dB), dinyatakan :

Pr = Daya terima pada jarak r dari transmitterPro = Daya terima pada jarak ro = 1 mill dari transmitterY = Slope / kemiringan Path Lossn = Faktor koreksi, digunakan apabila ada perbedaan frekuensi antara kondisi

saat eksperimen dengan kondisi sebenarnya.

ao = Faktor koreksi, digunakan apabila ada perbedaan keadaan antara kondisi saat eksperimen dengan kondisi sebenarnya.

•ro = 1mil

• = 1,6 km

•r•Pro

•Pr

ooo

ror ff

log10.nrr

log10.PP

o

n

ooror .

ff

.rr

.PP

Kondisi saat eksperimen dilakukan,

1. Operating Frequency = 900 MHz.

2. RBS antenna = 30.48 m

3. MS antenna = 3 m

4. RF Tx Power = 10 watt

5. RBS antenna Gain = 6 dB over dipole l/2.

6. MS antenna Gain = 0 dB over dipole l/2.

Metoda Pengukuran dgn Regresi

Cell site (Tx)

d1 d2

d3

Pilih beberapa lokasi berjarak d1 dan lakukan pengukuran path loss

Ulangi untuk d2 and d3 , dst

Plot nilai mean pathloss sebagai fungsi jarak

Pengukuran Pathloss

• Range jarak pengukuran optimal umumnya pada sekitar 2 karena jika jaraknya terlalu dekat mungkin tidak memberikan harga rata-rata (mean value), sedangkan jika range jarak pengukuran terlalu jauh mungkin akan keluar dari nilai large scale realnya ( nilai mungkin sudah berubah)

• Jumlah sample pengukuran adalah > 36 sample untuk mendapatkan interval tingkat keyakinan 90%

•2 wavelength

Hasil pengukuran sinyal dapat sebagai berikut :

Mendapatkan Mean dan Standar Deviasi

Pengukuran biasa dilakukan untuk beberapa tipe daerah: Urban, suburban, dan open areaCatat bahwa pengukuran pada radius konstan dari BTS dapat menghasilkan pathloss yang berbedaDengan regresi linear kita bisa mendapatkan trend mean pathloss dan standar deviasi disekitar nilai rata-rataContoh untuk urban : path loss

Slope = 33.2 dB/decade and

Std dev. = 7 dB

Distance d [km]

Path

loss

[dB

]

urban

suburban

open

xx x

x x

x x x

x x

x x

x x

x x

o o o

o o o

o o

o o

o o

o o

o

o o

# #

# #

# #

#

3 4 6

79

85

75

Large Scale Fading

Documents

Transcript of Large Scale Fading