Yuyun Siti Rohmah, ST.,MT

Dadan Nur Ramadan,S.Pd,MT

Tri Nopiani Damayanti,ST.,MT

Suci Aulia,ST.,MT

FADING MITIGATION

Teknik Transmisi Seluler

(DTG3G3)

11/17/2015 2

A. Pendahuluan

1. Ketergantungan kuat sinyal terhadap jarak menyebabkan penurunan sinyal

(Large scale pathloss) Analisis MS pada satu titik lokasi diam.

2. Delay spread menyebabkan variasi sinyal dalam domain frekuensi.

3. Pergerakan user (Doppler Spread) menyebabkan variasi sinyal dalam domain

waktu.

Dalam mengatasi fading, engineer harus melihat penyebabnya. Dari penjelasan yang

telah diuraikan pada Bab sebelumnya, kita bisa melihat 3 hal penyebab fading :

11/17/2015 3

A. Pendahuluan

Kesimpulan singkat, fading akan diatasi dengan berbagai cara :

• Fading Margin dalam desain cakupan RF

• Diversitas: space, time, frequency

• Interleaving, suatu bentuk dari diversitas waktu

• Error protection coding, (atau channel coding) dengan menambahkan bit-bit redundant

• Receive antenna diversity: Fading jarang terjadi pada 2 lokasi secara simultan, khususnya pada jarak kelipatan ganjil seperempat panjang gelombang

11/17/2015 4

B. Mengatasi Large Scale Fading

Secara umum, Large Scale Fading akan menyebabkan penurunan daya sinyal

untuk jarak yang semakin jauh dari antena base station. Sehingga, untuk

mengatasi Large Scale Fading, tentunya bertujuan untuk memperbaiki sinyal

penerimaan , baik untuk arah Uplink maupun Downlink !!

Perbaikan sinyal penerimaan, umumnya ditinjau untuk kasus terburuk, yaitu

pada boundary cell Diharapkan sinyal yang terukur mencapai prosentase

tertentu (disebut Cell Edge Reliability).

Parameter performansi untuk karakterisasi Large Scale Fading dapat juga

diukur melalui Coverage Availability, yaitu prosentase luas cakupan daerah

dalam sel yang memiliki sinyal diatas level threshold !

Now…think !!

Apa metoda-metoda yang dapat dipakai untuk memperbaiki sinyal penerimaan

Mengatasi Large Scale Fading

memperbesar daya kirim Tx

Uplink Power control Tidak dominan

Downlink Fading Margin Link budget calculation

memperbaiki kualitas

penerima Rx

Uplink

Sectoral &Smart antena

Perbaikan sensitivitas

handset

Downlink

Diversitas

Sectoral &Smart antena

Antisipasi pengaruhnya terhadap

interferensi !!

B. Mengatasi Large Scale Fading

Catatan: dapat dikerjakan engineer

11/17/2015 6

B.1. Fading Margin Fading margin secara definitif adalah kenaikan daya pancar yang harus

dilakukan agar Level daya terima ≥ level daya terima minimum (thershold) yang

diijinkan.

B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin

Level daya terima yang dimaksud

adalah penerimaan pada tepi sel

(border cell) sebagai kasus yang

terburuk, sehingga, fading margin

sesungguhnya akan menaikkan

reliabilitas sinyal pada tepi sel

menjadi di atas 50%.

11/17/2015 7

B.1. Fading Margin

B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin

Contoh perhitungan untuk fading margin dapat dilihat pada link berikut :

http://www.invictusnetworks.com/faq/RF%20Technical%20Info%20and%20FCC%20Regs/Fade%20Margin%20Calculator

%20-%20Basic.htm

Contoh parameter untuk perhitungan fading margin

11/17/2015 8

B.2. Diversitas

B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

• Definisi: – Diversitas adalah teknik untuk mengatasi multipath fading dengan

menggunakan dua atau lebih sinyal yang secara statistik independen

(dalam waktu, frekuensi, spasial, atau polarisasi) antara satu dengan

lainnya.

• Jika probabilitas suatu sinyal berada dalam kedalaman fading adalah P

maka probabilitas sejumlah n sinyal saling independen berada

dalam kedalaman fading secara simultan adalah Pn

11/17/2015 9

• Frequency diversity Doppler spread tergantung pada frekuensi carrier

Frekuensi berbeda akan menghasilkan efek Doppler yang berbeda Sehingga,

frekuensi yang berbeda dapat menghasilkan proses fading yang independen,

yang dapat secara koheren digabung.

• Time diversity Multipath fading adalah time variant Sehingga fading

pada waktu yang berbeda adalah independen, sehingga dapat secara koheren

juga digabung.

• Space diversity Multipath fading adalah independen pada lokasi yang

berbeda Sehingga dapat secara koheren digabung.

B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

Tipe-tipe diversitas

Antenna Diversity

Receive

(SIMO)

Transmit

(MISO)

Both

(MIMO)

11/17/2015 10

MIMO(Multiple Input Multiple Output) X1T

X2R

X1R

X2T

11h

21h

22h

12h

MIMO menggunakan prinsip diversitas spasial, yaitu dengan menggunakan

banyak antena di sisi Tx maupun Rx :

Mengantisipasi akibat adanya multipath fading

meningkatkan data rate

meningkatkan link reliability

untuk mendapatkan diversitas spasial secara maksimal pada kanal MIMO

melalui teknik Space Block time coding .

11/17/2015 11

11/17/2015 12

• Dual antennas diversity akan

meningkatkan sensitivitas

penerimaan sebesar 2 hingga 5 dB

dibandingkan single antenna

• Spasi antena biasanya kelipatan

ganjil dari l/4, umumnya >8l

• Beberapa metoda combining

diversitas (algoritma pd prosesor):

– Switching/selection

– Equal gain

– Maximal ratio

Metoda combining ini adalah pilihan

desain oleh vendor , dan tidak

distandarisasikan !!

Diversitas Spasial: Kenapa harus 2 antena Rx di Base Station ?

wo

w1

wK

Processor

ro(t)

r1(t)

rK(t)

y(t)

ri(t) adalah input sinyal ke-i

wi bobot sinyal ke-i

y(t) output diversitas

Dapat dituliskan y(t) = w*r(t)= wi.ri

B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

11/17/2015 13

B.3. Antena Sektoral dan Smart Antenna

B. Mengatasi Large Scale Fading

A. Antena Sectoral dapat mengurangi Co-channel interference Co-channel interference merupakan interferensi tak terduga yang sulit diidentifikasi dan diatasi.

B. ”Smart antennas” (adaptive phased arrays) dapat mengatasi persoalan ini lebih baik (tetapi high cost)

11/17/2015 14

C. Mengatasi Small Scale Fading

Pada Bab sebelumnya, dijelaskan bahwa small scale fading mengakibatkan beberapa tipe fading seperti yang diperlihatkan pada diagram berikut :

Pendahuluan

11/17/2015 15

C.1 Teknik-Teknik Anti Flat Fading

C. Mengatasi Small Scale Fading

Flat Fading Fluktuasi sinyal dapat diperhatikan terjadi hanya pada domain waktu, sehingga masalah akan muncul dari 2 kategori akibat efek Doppler: Fast Fading & Slow Fading !!

Amplituda sinyal

Th

Sekarang … hanya dengan melihat gambar di samping…kira-kira teknik apa yang bisa digunakan untuk mengatasi flat fading !!

Mengatasi Flat Fading

Fast Fading

Rate simbol > rate fading (Fading dibuat menjadi

“Slow”)

Modulator yg robust

error correction coding dan interleaving

Diversitas Fading Margin

Slow Fading

Diversitas

Fading Margin

Perbaikan sensitivitas

handset

Power control What next ?

Antisipasi pengaruhnya terhadap

interferensi !!

C. Mengatasi Small Scale Fading

Catatan: dapat dikerjakan engineer

11/17/2015 17

Example

• To achieve a satisfactory power control performance when a

vehicle moving at 30 km/h (carrier freq = 1.8 GHz) the rate of

power control is at least 30 times higher than the fading rates.

– Compute the minimum signalling rate required for power control.

– If the voice channel is transmitted at 9.6 kbps, what percentage of

band width is lost due to power control with (a) fixed step algorithm

(b) variable step with 3 bit algorithm

– If the deepest fading is 30 dB below its average level, what is the

incremental power ajustment (step size) if fixed step adjustment is

employed to equalize the deepest fading.

Power Control

C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

11/17/2015 18

• Answer to The Problem

– Fading rate fD =v/wavelength = (30x1000/3600

m/s)/wavelength = 50 Hz. Therefore power control signalling

rate is 30 x 50 Hz = 1.5 kHz.

– For (a) Fixed step algorithm signalling bandwidth = 1.5 kHz.

The lost BW is 1.5/9.6 x 100 % = 15.6 %. (b) For variable

step with 3 bit the signalling BW is 4.5 kbit/s, therefore the

lost BW is 4.5/9.6 x 100 % = 49 %

– 30 dB deep must be compensated using 15 updates so the

step size would be 2 dB.

Power Control

C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

11/17/2015 19

C2.Teknik-Teknik Anti Frequency Selective Fading

C. Mengatasi Small Scale Fading

Frequency Selective Fading, fluktuasi sinyal terjadi pada domain

waktu dan domain frekuensi, sehingga menyebabkan ISI (InterSymbol

Interference ).

11/17/2015 20

InterSymbol Interference (ISI)

• 1. , receiver terpasang dengan adaptive equalizer

– Equalixer ini mendeteksi/mengetahui efek multipath delay pada deretan training bit yang diketahui, dan menggunakan informasi itu untuk mengatasi ISI pada deretan bit informasi dengan cara memberikan replika delay internal pada sinyal

– Channel equalizer diperlukan untuk mengkompensasi ISI yang disebabkan kanal multipath (Freq. Selective Fading Channel).

• Decision Feedback Equalizer dengan RLS Algorithm (algoritma Kalman), Fast Kalman Algorithm, dan juga

Tap Gain Interpolasi

• Adaptive Array Antenna beamforming

• Rake Diversity untuk sinyal spread spectrum

• 2. penggunaan error protection codes (channel coding) untuk mendeteksi/mengkoreksi error (baik yang disebabkan ISI ataupun fading)

You know ? …. ISI tak dapat diatasi dengan penguatan sinyal.

C. Mengatasi Small Scale Fading

Beamforming

• Beamforming adalah proses pembentukan beam menuju ke arah user yang

diinginkan serta menekan sinyal pengganggu dari arah lain. Dengan demikian,

beamforming bisa dikatakan sebagai spatial filtering sinyal

• Pembentukan beam ke arah sinyal yang diinginkan bisa dilakukan dengan

memberikan pembobotan dengan algoritma adaptif pada elemen antena

pengganggu-1

pengganggu-2

user yang

diinginkan

11/17/2015 21

11/17/2015 22

•Analog

Carrier frequency is low enough to avoid problems

•GSM

Channel bit rate well above Doppler spread TDMA during each bit / burst transmission the channel is fairly constant. Receiver training/updating during each transmission burst Feedback frequency correction

•DECT

Intended to pedestrian use: • only small Doppler spreads are to be anticipated for Original DECT concept did not standardize an equalizer

•IS95

Downlink: Pilot signal for synchronization and channel estimation Uplink: Continuous tracking of each signal

How do systems handle Doppler Spreads? D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

11/17/2015 23

How do systems handle delay spreads? fenomena ISI

Analog

Narrowband transmission

GSM

Adaptive channel equalization

Channel estimation training sequence

DECT

Use the handset only in small cells with small delay spreads

Diversity and channel selection can help a little bit “pick a channel where late reflections are in a fade”

IS95

Rake receiver separately recovers signals over paths with excessive delays

Digital Audio Broacasting

OFDM multi-carrier modulation The radio channel is split into many narrowband (ISI-free) subchannels

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

11/17/2015 24

Typical Delay Spreads

Macrocells TRMS < 8 sec

• GSM (256 kbit/s) uses an equalizer

• IS-54 (48 kbit/s): no equalizer

• In mountanous regions delays of 8 sec and more

occur

GSM has some problems in Switzerland

Microcells TRMS < 2 sec

• Low antennas (below tops of buildings)

Picocells TRMS < 50 nsec - 300 nsec

• Indoor: often 50 nsec is assumed

• DECT (1 Mbit/s) works well up to 90 nsec

Outdoors, DECT has problem if range > 200 .. 500 m

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

11/17/2015 25

How to handle fast multipath fading?

Analog

User must speak slowly

GSM

Error correction and interleaving to avoid burst errors

Error detection and speech decoding

Fade margins in cell planning

DECT

Diversity reception at base station

IS95

Wideband transmission averages channel behaviour

This avoids burst errors and deep fades

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

11/17/2015 26

How to handle long fades when the user is stationary?

Analog

Disconnect user

GSM

Slow frequency hopping

Handover, if appropriate

Power control

DECT

Diversity at base station

Best channel selection by handset

IS95

Wide band transmission avoids most deep fades (at least in macro-cells)

Power control

Wireless LANs

Frequency Hopping, Antenna Diversity

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

11/17/2015 27

Misal :

Diinginkan optimasi pada througput:

s)Prob(sukse paketbit

userbit efektif Throughput

Kondisi di atas menyebabkan adanya trade-off :

• Jika panjang paket terlalu pendek,

Terlalu banyak overhead (bit header, sinkronisasi, word, dsb), sehingga tidak efisien

• Jika panjang paket terlalu panjang,

Kemungkinan terjadinya fading sebelum akhir paket.

Teknik mengatasi fading juga tampak pada desain paket yang optimal , sebagai salah satu tugas dalam membangun standar komunikasi :

D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

THANK YOU FOR YOUR TIME