FADING MITIGATION

Document Sample
FADING MITIGATION Powered By Docstoc
					                                     Modul 6
               EE 4712 Sistem Komunikasi Bergerak

                       Fading Mitigation
                                        Oleh :
                                  Nachwan Mufti A, ST




6. Fading Mitigation                                              1




Organisasi

      Modul 6 Fading Mitigation

      •   A. Pendahuluan                                page 3
      •   B. Large Scale Fading                         page 19
      •   C. Small Scale Fading                         page 27
      •   D. Mengatasi Fading                           page 48
      •   E. Coverage Availability                      page 64
      •   Referensi                                     page 70




6. Fading Mitigation                                              2
A. Pendahuluan
         Fading secara definitif adalah penurunan dan fluktuasi daya di penerima.
   Fading menyebabkan suatu kondisi dimana sinyal yang diterima terlalu jelek
   untuk dilakukan pemrosesan sinyal selanjutnya, yaitu demodulasi.
         Masalah akibat fading adalah 2 macam, yaitu : pertama adalah penurunan
   sinyal, dan yang kedua adalah fluktuasi sinyal itu sendiri.
         Seperti sudah dijelaskan pada modul sebelumnya, bahwa fading dapat
   dikategorikan menjadi 2, yaitu Large Scale Fading dan Small Scale Fading.
   Large scale fading erat kaitannya dengan prediksi pathloss, dan pada modul
   terdahulu kita sudah membahas mengenai metoda pengukurannya. Small
   scale fading disebabkan karena keadaaan kanal propagasi yang bersifat
   dispersive, dan sifat keberubahannya terhadap waktu karena pergerakan user.
         Large scale fading diestimasi dari analisis redaman propagasi, dan
   fluktuasinya diantisipasi dengan fading margin. Untuk fading margin, yaitu
   daya pemancar ditingkatkan agar jika terjadi fading, maka sekurang-kurangnya
   level daya terima masih berada di atas level threshold-nya.


6. Fading Mitigation                                                                3




A. Pendahuluan
          Small Scale Fading umumnya akan diatasi dari subsystem standar yang
    bersangkutan. Artinya, suatu standar komunikasi bergerak umumnya sudah
    dilengkapi dengan berbagai subsystem komunikasi untuk mengantisipasi
    keadaan propagasi dimana sistem tersebut diimplementasikan (fixed atau
    mobile, makrosel atau mikrosel, dsb).
          Namun demikian, subsystem fading mitigation yang ada bagaimanapun
    memiliki keterbatasan atau toleransi tertentu. Misalnya standar GSM yang
    mengakomodasi delay spread maksimum 8µs menyebabkan seorang engineer
    memiliki batas ukuran sel untuk GSM. Disinilah diperlukan intuisi heuristic /
    sense seorang engineer dalam desain jaringan berbasis pada pengetahuan
    kepakaran yang dimilikinya.
          Disamping dari sisi subsystem dan fading margin, seorang engineer juga
    harus cukup memiliki library di dalam otaknya, berbagai konsep optimasi
    transmisi, yang sangat berkaitan dengan baik-buruknya unjuk kerja transmisi
    jaringan komunikasi bergerak. Dan modul berikut ini akan menjelaskan
    berbagai metoda yang dipakai dalam fading mitigation.

6. Fading Mitigation                                                                4
A. Pendahuluan
  Dalam mengatasi fading, engineer harus melihat penyebabnya. Dari penjelasan-
  penjelasan di muka, kita bisa melihat 3 hal penyebab fading :

   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 menyebabkan variasi sinyal dalam domain waktu




6. Fading Mitigation                                                              5




A. Pendahuluan
  Kesimpulan singkat, fading akan diatasi dengan berbagai cara :
   • Fading Margin dalam desain cakupan RF
   • Diversitas: place, time frequency
            • Receive antenna diversity: Fading jarang terjadi pada 2 lokasi
              secara simultan, khususnya pada jarak kelipatan ganjil seperempat
              panjang gelombang

   • Interleaving, suatu bentuk dari diversitas waktu
   • Error protection coding, (atau channel coding) ! dengan
     menambahkan bit-bit redundant




6. Fading Mitigation                                                              6
B. Mengatasi Large Scale Fading
         Sebagaimana sudah dijelaskan pada modul sebelumnya, bahwa Large
    Scale Fading sangat terkait dengan prediksi redaman propagasi, dan dari
    analisis mean pathloss exponent dengan regresi linear, kita mendapatkan
    intuisi bahwa sesungguhnya dependensi redaman terhadap jarak merupakan
    kasus yang sangat terkait dengan daerah implementasi sistem yang
    bersangkutan.
        Suatu metoda redaman propagasi semisal metoda Okumura Hata, Walfish
    Ikegami, dan sebagainya merupakan metoda empirik yang didasarkan pada
    hasil pengukuran pada suatu wilayah tertentu. Metoda tersebut bisa jadi
    dipakai sebagai pendekatan dalam implementasi di Indonesia, tetapi
    bagaimanapun tidak akan tepat 100%.
        Keberhasilan di dalam desain, dalam kaitannya dengan Large Scale
    Fading diawali dari kejelian engineer dalam melihat kondisi propagasi suatu
    wilayah, dan memilih metoda redaman prediksi yang paling mewakili.


6. Fading Mitigation                                                              7




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 terukur pada boundary cell
    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

6. Fading Mitigation                                                              8
B. Mengatasi Large Scale Fading
       Antisipasi pengaruhnya
       terhadap interferensi !!          Uplink           Power control

                                                         Tidak dominan
         memperbesar
         daya kirim Tx

                                        Downlink
                                                        Link budget calculation
   Mengatasi                                                   Fading
  Large Scale                                                  Margin
    Fading

                                             Uplink        Diversitas

                  memperbaiki
                    kualitas
                                                              Sectoral &Smart
                  penerima Rx                                     antena
                                             Downlink         Perbaikan
                                                             sensitivitas
Catatan: dapat dikerjakan         engineer                     handset
6. Fading Mitigation                                                               9




B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin

   B.1. Fading Margin
   Perlu dicatat, bahwa prediksi pathloss yang digunakan dalam perhitungan Link
   Budget (Modul 7) sesungguhnya adalah untuk menghitung daya pancar,
   sedemikian median daya terima (atau median pathloss ! Pada distribusi
   lognormal: median = mean) pada border cell berada pada level threshold
   minimum. Ini berarti dapat dikatakan bahwa jika kita menghitung daya pancar
   tanpa memberikan fading margin, maka dapat diharapkan 50% sinyal terukur di
   jari-jari sel akan berada diatas level threshold, sedangkan 50% berikutnya
   berada dibawah level threshold (reliabilitas sinyal = 50%)

   Fading margin secara definitif adalah adalah kenaikan daya pancar yang
   harus dilakukan agar penerimaan lebih atau sama dengan level penerimaan
   minimum (thershold) yang diijinkan. Penerimaan 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%.

6. Fading Mitigation                                                               10
B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin

  Hasil pengukuran (metoda
  sudah dijelaskan pada modul
  terdahulu) disamping memberikan
  prediksi kuat sinyal sebagai fungsi
  jarak
     • Median kuat sinyal didefinisikan
       sebagai kuat sinyal yang paling
       mungkin terjadi pada jarak tertentu
     • Kuat sinyal aktual pada titik lokasi
       tertentu, tergantung dari kondisi
       lingkungan fisik lokasi tersebut !
       bisa lebih besar atau lebih kecil
       dari nilai median-nya
     • Tolok ukur yang dipakai untuk
       karakterisasi : M (median signal
       strength), dan σ (standar deviasi)


6. Fading Mitigation                                                                   11




B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin

   Coverage Availability vs Cell Edge Reliability
                                    • Titik-titik disamping adalah lokasi yang
                                      mendapatkan sinyal di atas threshold
                                    • Untuk mencapai 90% cakupan sel
                                      memiliki sinyal di atas level threshold
                                      (coverage availability), maka cell edge
                                      reliability yang harus dicapai adalah
                                      75%
                                    • Angka 90% / 75% tersebut umum
                                      dipakai sebagai obyektif perencanaan
                                        Catatan: Coverage Availability sebagai
                                        fungsi Cell Edge Reliability akan kita lihat
                                        pada slide berikutnya

6. Fading Mitigation                                                                   12
B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin

                                                                       • Misalkan kita mendesain sel dengan
                                                                         minimal daya -95 dBm pada 75% lokasi
                                         Distribusi normal kumulatif     di tepi sel
                                                                            Cell edge reliability 75% kurang lebih
  Prosen pengukuran lokasi




                                                                            setara dengan 90% coverage
                                                                            availability (tergantung sdev dan
                                                                            mean pathloss exponent)
                                                                       • Diasumsikan pada pengukuran kita
                                                                         dapatkan standar deviasi 10 dB
                                                                       • Dari grafik, untuk mendapatkan tingkat
                                                                         service 75% lokasi ditepi sel, dibutuhkan
                                                                         margin 0,675σ = 6,75 dB
                                                                       • Sehingga, kita melakukan desain
                                                                         coverage untuk median signal stregth di
                                                                         tepi sel = -95 dBm + 6,75 dB = -88 dBm
                                                                         !!

6. Fading Mitigation                                                                                                 13




B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin

           Distribusi Normal Kumulatif
        Probabilitas service kumulatif




                                               SDEV dari mean signal strength


6. Fading Mitigation                                                                                                 14
B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin

  Fading Margin Lognormal
    • Fungsi distribusi probabilitas dari suatu variabel random
      lognormal itu sendiri dinyatakan dinyatakan sebagai berikut:

                                 ( m− m )2 
                               −              m = normal random variabel kuat sinyal (dBm)
                       1         2σm 
                                       2
      p( m) =              e                  m = rata-rata (mean) kuat sinyal (dBm)
                σ m 2π                          σm = standar deviasi


   Cell Edge Reliability
      Adalah probabilitas sinyal terukur ditepi sel (jarak R) mendapatkan sinyal
      di atas level threshold, dinyatakan oleh fungsi berikut:

                                         1 1  Th − m 
                                         ∞
      PTh (R ) = P( m ≥ Th ) = ∫ p(m)dm = − erf 
                                                σ 2 
                                                      
                               Th
                                         2 2  m      
6. Fading Mitigation                                                                      15




B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin
  Coverage Availability
   Salah satu parameter kualitas transmisi dari jaringan komunikasi
   selular adalah availabilitas cakupan ( coverage availability ). Availabilitas
   cakupan ini adalah prosentase daerah sel yang menerima sinyal lebih besar dari
   level sensitivitas.
   • Jika misalkan availabilitas cakupan dinyatakan sebagai Fu , maka :

               1
                 2 ∫ Th
       Fu =         P (R )dA
              πR
                                                dimana sinyal rata-rata m
                    1 1  Th − m 
          PTh (R ) = − erf                    dinyatakan :
                    2 2  σm 2 
                                                                d
                                                m = α − 10γ log
                                                                  R
Sehingga,

                    1 1  Th − α + 10 γ log R
          PTh (R ) = − erf 
                                           d      ( )
                                                     
                    2 2         σm 2                  
                                                      
6. Fading Mitigation                                                                      16
B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin
   • Jika dimisalkan m = Th pada d = R, maka :
     didapatkan persamaan untuk Jake’s Curves yang sering digunakan untuk
     prediksi availabilitas cakupan :


          1                            1                        d
                          2
                  1
                                                        10 γ log 
      Fu = 1 + e  b        1 − erf        dimana,
                                                                     R
          2                           b             b=
                                                              σm 2
                       Catatan : penurunan lengkap dapat dilihat pada buku Vijay K
                                 Garg, Wilker, E Joseph, “ Principles and
                                 Applications of GSM “ , Prentice Hall , 1999




6. Fading Mitigation                                                                   17




B. Mengatasi Large Scale Fading – Fading Margin
  Didapatkan kurva berikut ini, yang biasa disebut Jake’s
  Curves, dari kurva dapat diketahui nilai Coverage Availability yang dicapai
  dengan Cell Edge Reliability tertentu

                                                                       Dari kurva
                                                                       disamping
                                                                       diketahui,
                                                                       bahwa
                                                                       Coverage
                                                                       Availability
                                                                       adalah fungsi
                                                                       dari mean
                                                                       pathloss
                                                                       exponent dan
                                                                       SDEV untuk
                                                                       Cell Edge
                                                                       Reliability
                                                                       tertentu

6. Fading Mitigation                                                                   18
B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

  B.2. 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
                       Sekalipun Diversitas pada modul ini dimasukkan sebagai
                       salah satu metoda untuk perbaikan Large Scale Fading,
                       pengaruh diversitas juga memperbaiki Small Scale Fading
                       untuk kasus Flat Fading !!


6. Fading Mitigation                                                             19




B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

  Tipe-tipe diversitas
• 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.




6. Fading Mitigation                                                          20
B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

Diversitas Spasial: Kenapa harus 2 antena Rx di Base Station ?
      ro(t)                                         •   Dual antennas diversity akan
                      wo                                meningkatkan sensitivitas
                                             y(t)
                                                        penerimaan sebesar 2 hingga 5
                                     Σ
        r1(t)
                           w1                           dB dibandingkan single antenna
                                                    •   Spasi antena biasanya kelipatan
                                                        ganjil dari λ/4, umumnya >8λ
              rK(t)             wK                  •   Beberapa metoda combining
                                                        diversitas (algoritma pd prosesor):
                       Processor                         – Switching/selection
                                                         – Equal gain
  ri(t) adalah input sinyal ke-i                         – Maximal ratio
  wi bobot sinyal ke-i                                     Metoda combining ini adalah
                                                           pilihan desain oleh vendor , dan
  y(t) output diversitas                                   tidak distandarisasikan !!
      Dapat dituliskan y(t) = w*r(t)=∑ wi.ri
6. Fading Mitigation                                                                       21




B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

  Diversity Combining Methods
  •     Switching/selection
         – Memilih sinyal terkuat dari dua sinyal sesaat (instantaneously):
            • ~1 dB hysteresis saat pemilihan sinyal
         – Menyebabkan pergeseran fasa random (random phase shifts)
            • Akan menjadi problem bagi yang menggunakan modulasi fasa seperti IS-136,
               IS-95, where switch times between antennas is restricted to the boundaries of
               data bit fields
         – Struktur paling sederhana, dgn peningkatan C/(I+n) antara 1.5 sampai 4 dB
  •     Equal gain
         – Adaptive phase shift hardware digunakan untuk menggeser fasa salah satu
           kanal , disamakan fasanya dengan fasa kanal yang lain, untuk kemudian
           dijumlahkan secara koheren
         – 1.5 dB lebih baik dari switching diversity
  •     Maximal ratio
         – Seperti equal gain, tetapi sinyal yang lemah dikuatkan pada level rata-rata
           yang sama dengan sinyal yang kuat sebelum dijumlahkan
         – Paling kompleks , tetapi tipikalnya 2dB lebih baik dari switching diversity.
6. Fading Mitigation                                                                      22
B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

 Selection/Switching Diversity

     ro(t)
                                                     Output diversitas dipilih yang
                      wo                             terbesar dari cabang dengan
                                                     suatu fungsi switching
                                              y(t)
                                       Σ
           r1(t)
                            w1

              rK(t)               wK       wl = 1 untuk rl(t) =max (r)

                         Processor
                                           wi = 0 untuk ri(t) <max (r)
                                           Contoh r [dBm]=[-80 –78 –85]

      w=[0 1 0] sehingga y(t) = r1( t)


6. Fading Mitigation                                                                  23




B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

  Equal Gain Diversity
   ro(t)
                    wo
                                                       wi = 1 untuk semua ri(t)
                                            y(t)
                                       Σ
     r1(t)
                           w1                                   y(t)= ∑ ri(t)
                                                       Contoh:
            rK(t)                wK
                                                        r [dBm]=[-80 –78 –85]
                      Processor


      w=[1 1 1] sehingga y(t) = …..?
      Question:
      y(t) > ri(t) untuk semua i. Bagaimana dgn SNR ?

6. Fading Mitigation                                                                  24
B. Mengatasi Large Scale Fading – Diversitas

  Maximal Ratio Combiner
    ro(t)                                     wi/wm = (γi/γm)1/2 utk semua i ,
                    wo
                                              γ = SNR
                                       y(t)
       r1(t)
                         w1        Σ                    y(t)= ∑ wi ri(t)
                                              Untuk i = 1, 2, .., k
            rK(t)             wK              Contoh:
                                              γ [dB]=[10 13 16]
                     Processor


   w=[1 1.41 2] sehingga y(t) = …..?
   Question:
   y(t)>ri(t) utk semua i. Bagaimana SNR pada output ?
   Prove that γout = ∑γl for l = 1 to K, where K is diversity order
6. Fading Mitigation                                                        25




B. Mengatasi Large Scale Fading

B.3. Antena Sektoral dan Smart Antenna
  • Narrow sector akan mengurangi Co-channel
    interference
      – Mengijinkan pengulangan frekuensi yang lebih dekat secara
        geografis
      – Sehingga: lebih banyak carrier per-sel ! lebih besar
        kapasitas
  • Tetapi… sering back dan side lobe menjadi problem
      – Menghasilkan “spot” co-channel interference
         • Merupakan interferensi tak terduga yang sulit diidentifikasi
           dan diatasi
      – “smart antennas” (adaptive phased arrays) dapat mengatasi
        persoalan ini lebih baik (tetapi high cost)

6. Fading Mitigation                                                        26
B. Mengatasi Large Scale Fading
  • Representasi hexagon ideal ! idealnya tidak ada
    “back” antenna signal pada arah uplink maupun
    downlink
                                        Back and
                                        side lobes
                                                               120º
                             60º
                          Back of
                          blue sector
  Front of
                                                               “Real”
  blue sector                                                  Sector

                                                                               3 sectors
       6 sectors
         Real sectored cells are non-ideal in several ways. One important difference:
         There is non-negligible power radiated in the back and side regions, and
         the amount of such back and side “lobe” power is greater for narrow sectors
         than for wide angle sectors.
6. Fading Mitigation                                                                       27




C. Mengatasi Small Scale Fading
 Pendahuluan
  Seperti dijelaskan dimuka, Small Scale
  Fading umumnya akan diatasi secara
  sistem, artinya suatu standar sistem                               Small Scale
  komunikasi umumnya sudah dilengkapi                                  Fading
  dengan subsystem-subsystem (hardware
  dan software) yang mengantisipasi
  keadaan kanal propagasi dimana sistem
  tersebut akan dipasang.
 Suatu standar komunikasi wireless biasanya ditujukan untuk mengantisipasi
 keadaan kanal propagasi yang spesifik, misalnya :
         •      Fixed or mobile communication (packet length design, power control)
         •      Indoor (very low mobility)
         •      Microcell (low mobility, low delay spread)
         •      Macrocell (high mobility, high delay spread)

6. Fading Mitigation                                                                       28
C. Mengatasi Small Scale Fading

  Dari sisi engineer, dengan mengetahui perilaku dan batasan yang
  dimiliki tiap subsystem, kita sesungguhnya dapat mensiasati proses
  desain sel agar sistem yang dibangun optimal dari sisi unjuk kerja.
     Sistem penerima yang dirancang untuk lingkungan fading, umumnya akan
     dilengkapi dengan




6. Fading Mitigation                                                         29




C. Mengatasi Small Scale Fading

  Teknik-Teknik Anti Flat Fading
  Flat Fading ! Fluktuasi sinyal dapat diperhatikan terjadi hanya
  pada domain waktu, sehingga masalah akan muncul dari 2
  kategori akibat efek Doppler: Pertama: Fast Fading, atau kedua,
  Slow Fading !!
      Amplituda
      sinyal                                      Sekarang … hanya
                                                  dengan melihat gambar
                                                  di samping…kira-kira
Th                                                teknik apa yang bisa
                                                  digunakan untuk
                                              u   mengatasi flat fading !!
                                        W akt
      Fr         BW
        ek          s in
          ue             ya
            ns              l
               i

6. Fading Mitigation                                                         30
C. Mengatasi Small Scale Fading

   Flat fading umumnya                       Rate simbol >             Modulator yg robust
   Fast                                       rate fading                ! yg tidak perlu
             Fast Fading                   Fading dibuat menjadi
                                                                         carrier tracking
                                           “Slow”
                                                                                               error correction
                                                                                                 coding dan
                                                                                                 interleaving
                                          Masalah                                           Karena Eb/No
                                      penurunan sinyal                                      requirement lebih kecil
  Mengatasi                            diatas dengan
                                         Diversitas                         Atau, melalui
  Flat Fading                                                              desain Fading
                                                                               Margin


                                                Untuk Fast Fading, respon
                                                power control mungkin
                Slow Fading                     “terlambat” thd fading rate
                                                                                  What next ?
                                                    Power control


Catatan: dapat dikerjakan
6. Fading Mitigation                       engineer                                                            31




C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

  Power Control
  Mengatasi efek shadowing (slow fading) dan near-far problem
                                                        If user 1 at 3 km from BTS transmistting
                                                        with 100 mWatt, how much power is
                                                        needed by user 2 at 9 km away from BTS
                                                        using Okumura Hatta model in urban area
                                                        to achieve the same power at the BTS with
                                      d2                10 m high above ground level?

                    d1                                               Pr2

                                                             Pt2
                                Pt1                                 ser
                                                                   U 2

                                               Answer: Path loss slope Hatta-Urban is( 44.9 –
                         Pr1                   6.55 log 10) =38.35.
      Basestation               ser
                               U 1
                                               W2 = (d2/d1)3.835 W1 = 38.3 dBm =6.76 Watt

6. Fading Mitigation                                                                                           32
C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

      • Rayleigh fading
                                                                                                              Kanal diestimasi pada
                            30
                                                                        Received signal amplitude             receiver, kemudian Tx
                                                                        Controlled transmit power             diinstruksikan untuk
                                                                        Controlled SIR (target = 10 dB)
                            20                                                                                mengatur power sesuai
                                                                                                              dengan keadaan kanal
                            10                                                                                (hasil
  Sig n a l le ve l (d B)




                                                                                                              Problem:
                             0
                                                                                                              Control rate >> fading
                                                                                                              rate
                            -10                                                                               Control step size !
                                                                                                              single step or variable
                            -20                                                                               step
                                                                                                              What is the
                                                                                                              benefit/drawbacks of
                            -30
                                  0       50       100        150         200             250        300      single or variable step
                                                      Time slot (0.67 ms)                                     size ?
6. Fading Mitigation                                                                                                                    33




C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

  Power Control

                                                  γt       _
                                                                    e(i)                      ±1
                                                                                                             Base station
                                                                    +

                                                               γest               PCC bit error


                                      Channel          +
                                      variation
                                                                                          Loop
                                                                                          delay
                                                                                                          DTp channel
                                      β(i)                      +

                                           Transmit
                                                                                     +
                                           power p(i)                                     _                  Mobile station
                                                                         Tp                     ∆p
                                                                Integrator
                                                                                         Step size


6. Fading Mitigation                                                                                                                    34
C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

  Power Control
                          •        Example for fading rate fd= 5o Hz ( vehiche speed 30 km/hr at 1.8 GHz).
                          10



                              5
                                                                                                   Fading channel

                                                                                                                 11 −  γ/2    
                                                                                                   Pe = BER    =
  Fading amplitude [dB]




                              0
                                                                                                                 2     1+ γ / 2 
                                                                                                                                
                           -5                                                                                                       
                                                                                                                1      E b / I0     
                                                                                                               = 1 −                
                                                                                                                2    1 + E b / I0   
                          -10                                                                                                       

                          -15
                                                                                                   AWGN channel
                                                                                                                     E 
                                                                                                    Pe = BER     = Q 2 b 
                                                                                                                     N0 
                          -20
                             0       50   100   150   200     250    300   350   400   450   500
                                                       time x 0.67 msec


6. Fading Mitigation                                                                                                                 35




C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

  Power Control

                                  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.


6. Fading Mitigation                                                                                                                 36
C. Mengatasi Small Scale Fading – power control

  Power Control

      • 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.



6. Fading Mitigation                                                         37




C. Mengatasi Small Scale Fading


  • Sampai tahun 1980-an : komunikasi mobile menggunakan deteksi
    diferensial, diskriminator FM.
  • Sampai tahun tersebut, deteksi diferensial dan diskriminator FM dianggap
    memiliki performansi BER yang lebih baik daripada demodulator koheren

  • Sejak pertengahan tahun 1980, dibuktikan bahwa demodulator
    koheren dapat memberikan performansi yang optimal dengan menambahkan
    teknik kompensasi fading yang cocok
  • Memacu berbagai penelitian dalam teknik kompensasi fading pada kanal
    Rayleigh
  • 2 kelas besar dalam teknik anti flat fading :
          1. Non pilot signal aided techniques
          2. Pilot signal aided techniques

  • Selain dengan 2 teknik di atas, flat fading juga diatasi dengan menerapkan
    berbagai teknik diversitas dan combining

6. Fading Mitigation                                                         38
C. Mengatasi Small Scale Fading

 Teknik-Teknik Anti Frequency Selective Fading
   Frequency Selective Fading, ! fluktuasi sinyal terjadi pada
   domain waktu dan domain frekuensi

                                                 Persoalan:
                                                 • Bagaimana mengatasi
                                                   fluktuasi sinyal pada
                                                   domain frekuensi
                                                 • Bagaimana mengatasi
                                                   fluktuasi sinyal pada
                                                   domain waktu



6. Fading Mitigation                                                          39




C. Mengatasi Small Scale Fading

 InterSymbol Interference (ISI)
  • Ketika multipath delay spread mulai lebih besar 20% dari durasi
    symbol , ISI dapat menjadi problem. Untuk mengatasi ISI...
  • Pertama, receiver terpasang dengan adaptive equalizer
      – Adaptive equalizer (and also the similar “RAKE receiver” used for CDMA)
        produces delayed copy/ies of the received signal waveform and use(s)
        these copy/ies to cancel the physically delayed radio signals
      – 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
  • Kedua, 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.
6. Fading Mitigation                                                          40
C. Mengatasi Small Scale Fading

    Channel Equalizer
•    Channel equalizer diperlukan untuk mengkompensasi ISI yang disebabkan kanal
     multipath (Freq. Selective Fading Channel).
•    Karena multipath fading channel bersifat dynamic random ! equalizer hrs bersifat
     adaptif
    β(i)           β(i-D)         β(i-D-v)             β(i-D-V+1)
           z-1              z-1                 z-1                     i index waktu
                                                                        V orde equalizer
                    b0                                bV-1              D index delay
                             bD+v

                                                                    Adaptive
                                                                    algorithm
                              Σ
                                      β(i)out
                 β(i)
6. Fading Mitigation                                                                       41




C. Mengatasi Small Scale Fading

    Types of Equalizer (Survey)
             • Linear:
                  – Transversal filter (Zero forcing, LMS, RLS,
                    fast RLS, Sq. root RLS)
                  – Lattice Filter (Gradient RLS)
             • Non Linear:
                  – DFE (LMS, RLS, Fast RLS, Sq. root RLS)
                  – ML Symbol Det (===idem===)
                  – MLSE (===idem===)



6. Fading Mitigation                                                                       42
  Viterbi Equalizer yang diaplikasikan pada GSM …




6. Fading Mitigation                                                  43




C. Mengatasi Small Scale Fading

   Frequency Selective Fading, terjadi karena bandwidth sinyal
   lebih besar dari bandwidth koheren kanal
   Sehingga persoalan fading frekuensi selektif terjadi pada sistem
   broadband wireless

     Persoalan sistem          Masalah
        broadband              multipath
         wireless
                             ! Frequency
                              selective               Kompleksitas
                                fading                  equalizer




6. Fading Mitigation                                                  44
  Multicarrier CDMA




6. Fading Mitigation                                                                    45




C. Mengatasi Small Scale Fading
  Teknik-Teknik Anti Frequency Selective Fading
    Teknik anti frequency selective fading diperlukan jika bandwidth sinyal lebih
    besar dari bandwidth koheren kanal seperti yang sudah dijelaskan pada
    bagian sebelumnya.
    Teknik-teknik yang biasa dilakukan [PEI 97] adalah :
           • Decision Feedback Equalizer dengan RLS Algorithm (algoritma
             Kalman), Fast Kalman Algorithm, dan juga Tap Gain Interpolasi
           • Adaptive Array Antenna
           • Rake Diversity untuk sinyal spread spectrum
           • dll

                       Pertanyaan :
                       Sejauh mana unjuk kerja masing-masing perangkat tersebut
                       dalam memperbaiki frequency selective fading ? Pelajarilah dan
                       diskusikan dengan teman anda


6. Fading Mitigation                                                                    46
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation
 How do systems handle Doppler Spreads?
    •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

6. Fading Mitigation                                                            47




D. Kasus-Kasus Fading Mitigation
   How do systems handle delay spreads?
     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

6. Fading Mitigation                                                            48
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

  Typical Delay Spreads
              Macrocells TRMS < 8 µsec
              •   GSM (256 kbit/s) uses an equalizer
              •   IS-54 (48 kbit/s): no equalizer
              •   In mountanous regions delays of 8 µsec and more
                  occur
                  GSM has some problems in Switzerland
              Microcells   TRMS < 2 µsec
              •   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



6. Fading Mitigation                                                   49




D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

  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



6. Fading Mitigation                                                   50
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

  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



6. Fading Mitigation                                                                  51




D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

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


             Throughput efektif =
                                          ∑ bit user × Prob(sukses)
                                          ∑ bit paket
      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.


6. Fading Mitigation                                                                  52
D. Kasus-Kasus Fading Mitigation

                              0.8
         Throughput Efektif                       256 kbps
                              0.6

                                                                                       16 kbps
                              0.4


                              0.2

                                                 1200 bps
                              0.0
                                    1   4       16        64     256                                  1024
                                            Jumlah bit user per-paket

• Pada user bit 1200 bps, throughput mendekati NOL, artinya hampir semua paket
  dikirimkan dalam keadaan ter-fading ! PAKET TERLALU PANJANG !!
• Pada bit rate yang tinggi, paket dapat dikirimkan selama durasi NON FADING
  ! Secara Intuitif : DURASI PAKET < RATA-RATA DURASI NON-FADE
6. Fading Mitigation                                                                                                                           53




C. Mengatasi Small Scale Fading
  Performance:
  •   AWGN channel need 6.5 Eb/No to achieve 10-3 of BER
  •   Rayleigh fading need 24 dB of Eb/No to achieve BER=10-3.
  Aim:
  Closed loop power control aims                                               0
                                                                              10
                                                                                                                         Fading channel
  at eliminating/reducing signal                                                                                         AWGN channel
                                                                               -1
  Fluctuation (Rayleigh fading) so that                                       10

  The BER approaching that for AWGN
                                                                               -2
                                                                              10
                                                        Bit error rate, BER




  ! How BER performance of
                                                                               -3
                                                                              10
  Fading Channel can approach
  AWGN channel using power control                                             -4
                                                                              10


                                                                               -5
                                                                              10


                                                                               -6
                                                                              10
                                                                                   0       5     10        15       20        25          30
6. Fading Mitigation                                                                                   Eb/Io (dB)                              54
C. Mengatasi Small Scale Fading

  MMSE Equalizer (linear)

       Equalizer of order V:
                       V −1
         β ( i )out = ∑ b v ( i )β ( i − D − v ) = b * ( i ) β ( i )
                        v=0

       e(i) = β(i) - β( i)ou = β (i) -bβ!e2(i) = β2 (i) + bTββTb - 2 β (i) bTβ
       MSE ! E[| e2(i)|] = E[β2 (i) ] + bTE[ββT]b - 2 E[β (i) bT] β
       MSE ! E[| e2(i)|] = E[β2 (i) ] + bTRb - 2 r β
       MMSE ! δ(MSE)/δβ = 0 ! 2Rb – 2r = 0 ! b = R-1r

            b(i) = R-1(i)r(i)
            R(i)v,u =E[β(i-D-v+1) β*(i-D-u+1)]
            r(i)v = E[β(i) β*(i-D-v+1)]

       E[β(i) β*(i—v)]        = σ2 J0(2πfDTpv)
       β(i) = fading factor, b(i) = equalizer coeffs.
       J0 = zero-th Bessel function.
       D = delay, σ = variance of β.
6. Fading Mitigation                                                             55




C. Mengatasi Small Scale Fading

                                Exercise
      • Derive the output SNR for:
          – Equal gain combiner
          – Maximal ratio combiner
      • Derive the BER vs Eb/No in BPSK for
          – Selection diversity combiner
          – Equal gain combiner
          – Maximal ratio combiner


6. Fading Mitigation                                                             56

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Stats:
views:1194
posted:1/5/2011
language:Malay
pages:28
Description: THIS PAPER AXPLAIN ABOUT FADING MITITGATION IN MOBILE COMMUNICATION.