Modul 3 Large Scale Fading : Model Prediksi Redaman Propagasi

1
Modul 3 Large Scale Fading Model Prediksi
Redaman Propagasi
TT 4113 SISTEM KOMUNIKASI SELULER
Jurusan Teknik Elektro Program Studi
S1 INSTITUT TEKNOLOGI TELKOM 2008
2
Pokok Bahasan

• a. Path loss model
• b. Model Okumura Hatta
• c. Model COST 231
• d. Model Walfish Ikegami
• e. Model Lee

3
1.Pendahuluan
Pada umumnya, sinyal yang diterima pada titik
penerima adalah jumlah dari sinyal langsung dan
sejumlah sinyal terpantul dari berbagai obyek.
Pada komunikasi mobile, refleksi akan disebabkan
oleh

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

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 )
4
1.Pendahuluan
Kenapa penting untuk mengerti karakteristik-karakt
eristik dari kanal wireless ?

• Untuk menentukan desain sinyal yang paling tepat
  (source dan channel coding, serta modulasi)
• Untuk mengembangkan teknologi-teknologi baru
  dalam pentransmisian dan penerimaan sinyal
• Dalam 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.

5
1.Pendahuluan

• Ideal Channel
• Kanal Ideal meloloskan semua spektrum sinyal
  tanpa distorsi (dikatakan BW kanal terberhingga,
  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)

6
1.Pendahuluan

• 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 ??

7
1.Pendahuluan

• Wireless Propagation

Free Space Loss Diasumsikan 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.
8
(No Transcript)
9
Radio Propagation Mechanisms
R
transmitter
Street
S
D
D
Building Blocks
R Reflection D Diffraction S Scattering
receiver
10
(No Transcript)
11
(No Transcript)
12
1.Pendahuluan

• Efek propagasi multipath pada kanal wireless
  mobile adalah
• Large scale fading ? Large scale path loss
• Small scale propagation
• Large scale path loss
• Large attenuation dalam rata-rata
• Daya sinyal terima menurun berbanding terbalik
  dengan pangkat-? terhadap jarak , dimana umumnya
  2 lt ? lt 5 (untuk komunikasi bergerak). ? ?
  disebut Mean Pathloss Exponent
• Sebagai dasar untuk metoda prediksi pathloss
• 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.

13
(No Transcript)
14
1.Pendahuluan
Definisi

• Fading didefinisikan sebagai fluktuasi daya di
  penerima
• 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

15
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
16
1.Pendahuluan

• 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.

17
(No Transcript)
18
KANAL MULTIPATH FADING
FADING Fenomena fluktuasi daya sinyal terima
akibat adanya proses propagasi dari gelombang
radio.

• Pengaruh fading terhadap level sinyal terima
  adalah dapat menguatkan ataupun melemahkan
  tergantung phasa dari sinyal resultan
  masing-masing path.

19
Multipath Fading , atau Short Term Fading
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

20
Fading Margin

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

21
1.Pendahuluan
Probability Distribution Function (PDF) dari
suatu variabel random yang terdistribusi
lognormal dinyatakan sbb

Dengan,
22
1.Pendahuluan (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
23
1.(Free Space Prop. Model), continued

• The power density w at distance d is
• where PT is the transmit power.

24
1.(Free Space Prop. Model), continued

• The antenna gain GR is related to the aperture A
  according to
• Thus the received signal power is

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)
25
(No Transcript)
26
1.Pendahuluan (Ground Reflection)

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

27
1. (Ground Reflection) , continued

• Bullington
• Three Components of Received Electric Field
• direct line-of-sight wave
• wave reflected from the earth's surface
• a surface wave.

28
1. (Ground Reflection) , continued

• Two-ray Model

29
1. (Ground Reflection) , continued
30
(No Transcript)
31

• Pendahuluan (Reflection Diffraction)

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

32
1. (Reflection Diffraction ) , continued

• 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

33
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.

Equation 11
34
Path Loss Exponent for Different Environments
35
(No Transcript)
36

37
(No Transcript)
38
KLASIFIKASI DAERAH

• DAERAH URBAN ( PERKOTAAN )
• SMALL or MEDIUM sized CITY.
• Jika lingkungan berupa gedung bertingkat
  dengan tinggi rata-rata kurang dari 5 tingkat,
  lebar jalan kurang dari 15 m.
• LARGE CITY.
• Jika lingkungan berupa gedung bertingkat
  dengan tinggi rata-rata lebih dari 5 tingkat
  lebar jalan lebih dari 15 m.

39

• 2. DAERAH SUB-URBAN (PEDESAAN).
• Dengan lingkungan area rural dengan pemantulan
  (scater) rumah dan pepohonan.
• 3. DAERAH RURAL (OPEN AREA)
• Dengan lingkungan sawah, padang
• rumput.

40
(No Transcript)
41
Okumura Model

• L50(d)(dB) LF(d) Amu(f,d) G(hte) G(hre)
  GAREA
• L50 50th percentile (i.e., median) of path loss
• LF(d) free space propagation pathloss.
• Amu(f,d) median attenuation relative to free
  space
• Can be obtained from Okumuras emprical plots
  shown in the book (Rappaport), page 151.
• G(hte) base station antenna heigh gain factor
• G(hre) mobile antenna height gain factor
• GAREA gain due to type of environment
• G(hte) 20log(hte/200) 1000m gt hte gt 30m
• G(hre) 10log(hre/3) hre lt 3m
• G(hre) 20log(hre/3) 10m gt hre gt 3m
• hte transmitter antenna height
• hre receiver antenna height

Cellular radio planning Path Loss in dB
Lfs 32.44 20 log f (MHz) 20 log d (km)
42

43
(No Transcript)
44
Hata Model

• Valid from 150MHz to 1500MHz
• A standard formula
• For urban areas the formula is
• L50(urban,d)(dB) 69.55 26.16logfc -
  13.82loghte a(hre)
  (44.9 6.55loghte) log d where
• fc is the ferquency in MHz
• hte is effective transmitter antenna height in
  meters (30-200m)
• hre is effective receiver antenna height in
  meters (1-10m)
• d is T-R separation in km
• a(hre) is the correction factor for effective
  mobile antenna height which is a function of
  coverage area
• a(hre) (1.1logfc 0.7)hre (1.56logfc 0.8)
  dB
• for a small to medium sized city

45
(No Transcript)
46
(No Transcript)
47
2. Model Hata

• Daerah urban

Model Hata pada daerah urban berlaku rumus sbb
L50(u) C1 C2 log ( f ) - 13,82 log (hb) a
(hm) 44,9 6,55log (hb) log (d).
Dimana
f frekuensi (MHz) hb tinggi antena BTS
(m) hm tinggi antena MS (m) d jarak antara
BTS MS (km) C1 69,55 untuk 400 ? f ?
1500 46,3 untuk 1500 lt f ? 2000 C2
26,16 untuk 400 ? f ? 1500 33,9
untuk 1500 lt f ? 2000
a(hm) 1,1log (f) - 0,7 hm 1,56 log(f)
0,8
48

• Daerah dense urban

Model Hata pada daerah urban berlaku rumus sbb
L50(du) C1C2 log ( f )-13,82 log (hb) a
(hm) 44,9 6,55log (hb) log (d)Cm
Dimana
f frekuensi (MHz) hb tinggi antena BTS
(m) hm tinggi antena MS (m) d jarak antara
BTS MS (km) C1 69,55 untuk 400 ? f ?
1500 46,3 untuk 1500 lt f ? 2000 C2
26,16 untuk 400 ? f ? 1500 33,9
untuk 1500 lt f ? 2000 Cm 3 dB
a(hm) 3,2 log(11,75hm) 2 4,97
49
(No Transcript)
50
3. WALFISCH-IKAGEMI (MODEL COST 231)

• Model ini valid d 5km, hb 50m, micro cell,
  data base
• gedung dan jalan yang lengkap

• Pada prinsipnya model ini terdiri dari 3 elemen
  yaitu
• - Free Space Loss,
• - Rooftop to Street Diffraction Scatter
  Loss,
• - Multi Screen Loss, seperti rumus berikut
  

L50 Lf Lrts Lms
L50 Lf , jika Lrts Lms 0
Lf free space loss, Lrts rooftop to street
diffraction scatter dan Lms multi screen loss

• Seperti disinggung di depan Lf dapat dihitung
  dengan rumus

Lf 32,4 20log r 20 log fc (dB)
51

• Lrts dapat dihitung dengan rumus

Lrts - 16,9 -10log W 10log fc 20log ?hm
L0 (dB)

• Variable yang mendukung rumus di atas ditunjukan
  seperti
• gambar berikut

R
?
?hb
hb
?hm
hr
hm
w
b
W lebar jalan (m) dan ?hm hr hm (m)
Lrst 0 jika ?hm 0
52
building
building
?
building
building
?
L0 -10 0,354 dB untuk 00? ? lt
350
L0 2,5 0,075(?-35) dB untuk 350 ? lt
550
L0 4 - 0,114(?-55) dB untuk 550 ?
900
53

• Lms dapat dihitung dengan rumus

Lms Lbsh ka kd log r kflog fc 9logb
(dB)
gt 0
Lbsh -18log(1 )
Untuk
?hb
?hb
0
Untuk
?hb
0
Untuk
?hb
gt 0
Ka 54
0
Untuk r ?0,5 dan
?hb
?hb
Ka 54 0,8
0
Untuk r lt 0,5 dan
?hb
Ka 54 1,6
?hb r
Untuk
?hb
gt 0
Kd 18
?hb
0
Untuk
?hb
Kd 18 -15 (
)
hr
f
Untuk urban dan suburban
Kf -4 0,7 (
-1 )
925
f
Untuk dense urban
Kf -4 1,5 (
-1 )
925
54
(No Transcript)
55
Prediction Model
COST-231 ( PCS Extension Hata Model)
Merupakan formula pengembangan rumus Okumura Hata
untuk frekuensi PCS ( 2GHz)
dimana ,
1500 MHz ? fC ? 2000 MHz 30 m ? hT ? 200 m , 1
m ? hR ? 10 m 1 ? d ? 20 km a(hR) adalah faktor
koreksi antena mobile yang nilainya sebagai
berikut

• Untuk kota kecil dan menengah,
• a(hR) (1,1 log fC 0,7 )hR (1,56 log
  fC 0,8 ) dB
•   dimana, 1 ? hR ? 10 m
•  Untuk kota besar,
•   a(hR) 8,29 (log 1,54hR )2 1,1 dB
  fC ? 300 MHz
• a(hR) 3,2 (log 11,75hR )2 4,97 dB
  fC ? 300 MHz

56
(No Transcript)
57
(No Transcript)
58
Prediction Model
COST231 Walfish Ikegami Model
Cost231 Walfish Ikegami Model digunakan untuk
estimasi pathloss untuk lingkungan urban untuk
range frekuensi seluler 800 hingga 2000 MHz.

• Wallfisch/Ikegami model terdiri dari 3 komponen
  
• Free Space Loss (Lf)
• Roof to street diffraction and scatter loss
  (LRTS)
• Multiscreen loss (Lms)

Lf LRTS Lms
LC
Lf untuk LRTS Lms lt 0

• Lf 32.4 20 log10 R 20 log10 fc

dimana R (km) fc (MHz)

• LRTS -16.9 10 log10 W 20 log10 fc 20
  log10 ?hm L?

di mana L?
-10 0.354? 0 lt ? lt 35 2.5 0.075(? - 35)
35 lt ? lt 55 4.0 0.114(? - 55) 55 lt ? lt 90
59
Prediction Model
COST231 Walfish Ikegami Model

• Lms Lbsh ka kd log10 R kf log10 fc - 9
  log10 b

-18 log10 (1 ?hm ) hb lt hr ? hb gt hr
dimana Lbsh
54 hb gt hr 54 0.8hb d gt 500 m hb lt hr 54
0.8 ?hb . R 55 lt ? lt 90
ka
Catatan Lsh dan ka meningkatkan path loss
untuk hb yang lebih rendah.
18 hb gt hr 18 15 (?hb/?hr ) hb lt hr
kd
4 0.7 (fc/925 - 1 4 1.5 (fc/925 - 1)
Untuk kota ukuran sedang dan suburban dengan
kerapatan pohon cukup moderat
kf
Pusat kota metropolitan
60
(No Transcript)
61
Tugas
Tentukan loss propagasi dengan menggunakan model
Hata dan COST 231 antara BTS dan MS pada daerah
dense urban jika diketahui data-data sbb
f 1887 MHz, hm 1,5 m , hb 30 m, r 3km
, hr 30 m ? 900 , b 30 m, W 15 m
62
LEE PATH LOSS PREDICTION MODEL

• Dalam persamaan linear, dinyatakan
• Dalam persamaan logaritmik (dB), dinyatakan
• Pr Daya terima pada jarak r dari
  transmitter
• Pro Daya terima pada jarak ro 1 mill dari
  transmitter
• Y Slope / kemiringan Path Loss
• n 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.

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.
63
Lees Prediction Model
ao faktor koreksi
Pro and g didapat dari data hasil percobaan
ao a1 . a2 . a3 . a4 . a5
in urban area (Philadelphia), Pro 10-7
mWatts g 3.68
in free space, Pro 10-4.5 mWatts g 2
in an open area, Pro 10-4.9 mWatts g
4.35
in urban area (Tokyo), Pro 10-8.4 mWatts g
3.05
in sub urban area, Pro 10-6.17 mWatts g
3.84
64
Lees Prediction Model
Correction factor to determine v in a2
n diperoleh dari percobaan / empiris
v 2, for new mobile-unit antenna heigh gt 10 m
Harga n diperoleh dari hasil percobaan
yang dilakukan oleh Okumura dan Young
v 1, for new mobile-unit antenna heigh lt 3 m
Berdasarkan eksperimen oleh Okumura n30 dB/dec
untuk Urban Area.
Berdasarkan eksperimen oleh Young n20 dB/dec
untuk Sub.Urban Area atau Open Area
n hanya berlaku untuk frekuensi operasi 30 sd.
2,000 MHz
65
Lees Prediction Model
66
Lees Pathloss Formula Untuk Berbagai Jenis
Kondisi Lingkungan
ao a1 . a2 . a3 . a4 . a5
persamaan umum,
67
(No Transcript)
68
(No Transcript)
69
(No Transcript)
70
(No Transcript)
71

72
(No Transcript)
73
(No Transcript)
74
(No Transcript)
75
Metoda Pengukuran dgn Regresi

• Pilih beberapa lokasi berjarak d1 dan lakukan
  pengukuran path loss
• Ulangi untuk d2 and d3 , dst
• Plot nilai mean pathloss sebagai fungsi jarak

76
Pengukuran Pathloss

• Hasil pengukuran sinyal dapat sebagai berikut

• 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 gt 36 sample untuk
  mendapatkan interval tingkat keyakinan 90

77
Mendapatkan Mean dan Standar Deviasi

• Pengukuran biasa dilakukan untuk beberapa tipe
  daerah Urban, suburban, dan open area
• Catat bahwa pengukuran pada radius konstan dari
  BTS dapat menghasilkan pathloss yang berbeda
• Dengan regresi linear kita bisa mendapatkan trend
  mean pathloss dan standar deviasi disekitar nilai
  rata-rata
• Contoh untuk urban path loss
• ? Slope 33.2 dB/decade and
• ? Std dev. 7 dB