BAB IIIDASAR TEORI3. 1Pengertian Wireless (Nirkabel)Wireless ataudalambahasa indonesia disebut nirkabel, adalah teknologi yangmenghubungkanduapiranti untukbertukar data tanpa media kabel. Data dipertukarkan melalui media gelombang cahaya tertentu (seperti teknologi inframerahpadaremoteTV) ataugelombangradio (seperti bluetooth pada komputer dan ponsel) dengan frekuensi tertentu.Teknologi jaringan nirkabel sebenarnya terbentang luas mulai dari komunikasi suara sampai dengan jaringan data, yang mana membolehkan penggunauntukmembangun koneksinirkabelpada suatu jarak tertentu. Peranti yangumumnyadigunakanuntukjaringannirkabel termasukdi dalamnya adalahkomputer, komputer genggam, PDA, teleponseluler, tablet PC dan lain sebagainya. Teknologi nirkabel ini memiliki kegunaan yangsangat banyak. Contohnya, penggunabergerakbisamenggunakan telepon seluler mereka untuk mengakses e-mail. Sementara itu para pelancongdenganlaptopnya bisaterhubungkeinternet ketikamereka sedang di bandara, kafe, kereta api dan tempat publik lainnya. Di rumah, penggunadapatterhubungke desktop mereka(melaluibluetooth)untuk melakukan sinkronisasi dengan PDA-nya. Gambar 3.1 komunikasi wirelessSelain itu,berdasarkandynamic position terminaluser,pada prakteknya wireless dibagi dua yaitu fixed wireless dan mobile wireless.1. Bersifat fixed atau portable apabila pesawat telepon tidak bisa dipindahkanatauberpindahsaat digunakanjikadi luar coverage area perangkat end-user stationnya karena perangkatend-user stationnya diletakkan yang sama dalam satu tempat.2. Bersifat mobile apabila pesawat teleponnya bisa berpindah atau dipindah sepanjang berada dalam coverage area cell stationnya; berbeda dengan wireless local loop(WLL), cell station (CS) diletakkan atau berada di luar rumah pelanggan, karena itulah coverage area-nya lebih luas dibanding WLL .Contoh layanan bersifat tetap (fixed) : Penggunaan sekitar rumah (Cordless-DECT) Sambungan lokal (wireless local loop-WLL) Bluetooth: jarak pendek, kecepatan rendah WiFi: jarang menengah, kecepatan cukup tinggi WIMAX: jarak jauh, kecepatan tinggi Satellite: jangkauan luas, kecepatan menengah RFID: jangkauan sangat kecil Contoh layanan bersifat bergerak (mobile) : Limited Mobility (Flexi) Cellular (GSM, CDMA, 3G) Satellite (GMPCS)3.2Perkembangan Teknologi GSM Berkembangnya tingkat kebutuhan manusia mendorong perkembanganteknologitelekomunikasi.Gambar 3.2berikut iniadalah timelinedari perkembanganteknologi LTEyangberasal dari GSMdi bawah project group 3GPP.Gambar 3.2 GSM Family Technology EvolutionBeberapa parameter dapat dibandingkan dari berbagai macam teknologi tersebut, seperti yang tertulis pada tabel 3.1 berikut ini :Tabel 3.1 Perbandingan teknologi dari GSM hingga LTE3.1.1GSM (Global System for Mobile Communication)GSMadalah generasi pertama dari teknologi telepon digital, sehingga bandwidth radio air interface dapat digunakan lebih efisien (peningkatan kapasitas) serta layanan seperti SMS (Short Message Service) dapatdisupport oleh jaringan ini. Tabel 3.2 di bawah ini berisi tentang overview teknologi GSM.Tabel 3.2Overview Teknologi GSMPeningkatan kapasitas karena isyarat digital yang digunakan diilustrasikanseperti padagambar3.3dibawah.Adanyapenggabungan teknologi TDMA ini membuat sebuah kanal frekuensi yang dulunya hanya untuksatupengguna, kemudiandibagi-bagi menjadi beberapatimeslot yang masing-masing time slot digunakan untuk melayani satu user. Sehingga masing-masing kanal dapat digunakan oleh lebih dari satu user.Gambar 3.3 Peningkatan Kapasitas GSM dengan FDMA dan TDMAGSMmenggunakanmodulasi GaussianMinimumShift Keying (GMSK)yangmemiliki modulationratesebesar270,833kbps. Dengan ratetersebut, maksimum156,25bit dapat ditransmisikandalamsebuah timeslotyangberdurasi576,9 s.Banyaknyabityangterdapat dalam sebuah time slot digambarkan pada gambar 3.3 di bawah ini.Gambar 3.4 Jumlah bit di dalam setiap time slot GSM3.1.2 GPRS (General Packet Radio Service)GPRSadalah suatu teknologipengiriman danpenerimaan data berbasispacketswitching untuk komunikasi nirkabel dengan memanfaatkan jaringanGSMyangtelahada.Jikasuatu jaringanGSMakandiupgrade menjadi suatu jaringan GPRS, maka ada beberapa bagian yangperlu ditambahkan dan beberapa komponen yang sudah perlu untuk diupgrade, seperti ditunjukkan pada tabel 3.3 di bawah ini.Tabel 3.3 Tabel komponen upgrade jaringan GSM ke GPRS Tabel 3.4 Overview Teknologi GPRSAksesTDMA dan FDMA ModulasiGMSK Coding SchemesCS1, CS2, CS3, CS4 Radio data rate per time slot22,8 kbps User data rate per time slot20 kbps (dengan CS4) User data rate (8 time slot)160 kbps, 182,4 kbps Berbeda dengan GSM, yang merupaka circuit swich, layanan data padaGPRSdapatmenempati lebihdari satutimeslot dan belum tentu sama posisi time slot pada uplink dengan downlink. Namun untuk layanan voice, alokasi time slotnya kurang lebih sama dengan GSM. Pada intinya, yang membuat GPRS mempunya bandwidth lebih adalah adanya alokasi penggunaan time slot seperti ditunjukkan pada gambar 3.5.

Gambar3.5 Alokasi Penggunaan Time Slot pada GPRS3.1.3 EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)EDGE dikembangkan dari jaringan GPRS yang telah ada dengan menambahkan upgrade pada jaringan aksesnya. Pada BTS perlu ditambahkan komponen EDGE Transceiver Unit (TRU) untuk penyesuaian dengan protokol EDGE. Sementara itu bagian core network dari EDGEmemiliki arsitektur danprotokol yangsamadenganGPRS. Ilustrasinya diberikan pada gambar 3.6 berikut ini.Gambar 3.6 Radio Access Network EDGESelain pada Radio Access Network (RAN), perbedaan utama dari EDGEdibandingkandenganGPRSadalah pada modulasi dancoding schemenya. Gambar 3.7 menjelaskan perbedaan tersebut. Pada GPRS digunakan modulasi GMSK dan coding scheme CS1 sampai dengan CS4. SedangkanpadaEDGE, tetap digunakan modulasi GMSK untuk coding scheme MCS1sampai denganMCS4. Sisanya, MCS5sampai dengan MCS9, digunakan modulasi 8 PSK di mana setiap simbol mewakili 3 bit, itu artinya pesat data dari modulasi jenis ini tiga kali lebih tinggi dari pada ketika digunakan GMSK yang 1 simbol mewakili 1 bit.Gambar 3.7 Modulasi dan Coding GPRS dan EDGE3.1.4 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)UMTSbukan merupakan pengembangan GSM, namun sebuah evolusi dari GSM, karena UMTS memiliki Radio Access Network yang baru disebut UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Selain itu pada UMTS juga terdapat IMS (IP Multimedia Subsystem). Overview tentang UMTS terdapat pada tabel 3.5.Tabel 3.5 Overview Teknologi UMTS UMTS menggunakan akses berbasis CDMA yang dikenal dengan nama WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Pada teknik inidigunakanfrekuensiyangsamauntuk banyak userdalam bandwidth yanglebar. Masing-masinguser memiliki codeyangsalingorthogonal dengan code yang dimiliki oleh user lain sehingga tidak terjadi interferensi antar user.3.1.5 HSPA (High Speed Packet Access)HSPAmerupakanpengembangandari teknologi UMTSdengan menambahkanbeberapachannel baru. Tabel 3.6dangambar 3.8akan menjelaskannya.Tabel 3.6 Channel baru baru HSPA Nama kanal Arah PeruntukanHS-SCCH Downlink ControlHS-PDSCH Downlink DataHS-DPCCH uplink ControlGambar 3.8Channel baru yang terdapat pada HSPAHSPAmempunyai dua generasi, yaitu HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) dan kemudian disusul oleh HSUPA(High Speed Uplink Packet Access). HSDPAberfokus pada pengembangan kecepatan akses pada sisi downlink, kemudian disusul HSUPAuntuk mengembangkansisi uplinknya.Tabel 3.7 berikut adalah gambaran dari HSDPA dan HSUPA.Tabel 3.7 Overview HSDPA dan HSUPA3.1.5HSPA+HSPA + adalah perubahan dari HSPA dengan membuat jaringannya menjadi All-IP Architecture, dan meningkatkan data rate transmisinya. Tabel 3.8 adalah overview dari teknologi HSPA+.Tabel 3.8 Overview Teknologi HSPA+3.1.7 LTE (Long Term Evolution)3.1.7.1 Pengertian LTELTEmemiliki RadioAccess Networksendiri yangbernamaE-UTRAN. Jaringancorenyadisebut EvolvedPacket Core(EPC). Dalam rangka memenuhi persyaratan dari IMT Advanced tentang 4G, maka LTE mempunyai beberapa persyaratan seperti di bawah ini:3.1.7.1.1 Peak data rateLTE diharapkan untuk memiliki data rate sebesar 100 Mbps untuk downlink, dan 50 Mbps untuk uplink. Pada standard 4G, 100 Mbps adalah data rate untuk suatu handsetyangsecararelatif bergerakterhadapbasestation. Jika suatu handset relatif tetap terhadap base station,seharusnya memiliki data rate sebesar 1 Gbps.3.1.7.1.2 Up to 200 active users in a cell (5 MHz)Jika bandwidth yang digunakan dalan sebuah sel adalah sebesar 5 Mhz,diharapkanLTEdapat melayani sampai dengan200penggunaaktif. 3.1.7.1.3 Less than 5 ms user-plane latencyLatency dalam istilah packet switched network, diukur dalam one-way (waktu yang dibutuhkan untuk pengiriman paket dari sumber sampai dengan tujuan) maupun round-trip ( one-way latency dari sumber ke tujuan ditambah dengan one-way latency dari tujuan kembali ke sumber).3.1.7.1.4 MobilityE-UTRAN harus dioptimalkan untuk kecepatan rendah dari 0-15 km/jam.Untukkecepatan15-120km/jamharusdidukungdenganhighperformance. Mobilitas dengan kecepatan 120 km/jam sampai dengan 350 km/jam harus dapat didukung dan dengan band frekuensi yang memadai, dapat mensupport sampai dengan mobilitas dengan kecepatan 500 km/jam.3.1.7.1.5Enhanced multimedia broadcast multicast service (E-MBMS)Ketika mengurangi kompleksitas terminal : modulasi, coding,pendekatanmultipleaccess, danbandwidthUEyangsamadari padaunicastoperation.Penyediaan voice dan MBMS secara simultan kepadapengguna. Tersedia baik untuk pengaturan spektrumpaired maupununpaired.3.1.7.1.6 Spectrum flexibilityE-UTRAdapat beroperasi padaalokasi spektrumyangberbeda-beda, termasuk diantaranya adalah 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, dan 20 MHz baik pada uplink maupun downlink. Serta harus harus adanya support untuk operasi paired maupun unpaired.Sistem harusdapat mensupport pengirimankontenmelalui kumpulanresourcetermasuk Radio Band Resource pada band yang sama maupunberbeda,uplink maupun downlink, pada susunan channel yang adjacentmaupunnon-adjacent. Sebuah Radio Band Resource didefinisikansebagai semua spektrum yang tersedia untuk operator.3.1.7.1.7Enhanced support for end-to-end QoSDengan semuanya adalah packet-base, E-UTRANharus bisamendukung end-to-end QoS.Dalamoperasinya, LTEharus memuat fitur-fitur yangterdapat dalam tabel 4.1 berikut ini :Tabel 3.9Fitur-fitur LTE 3.1.7.2Arsitektur JaringanGambar 3.9 Arsitektur Jaringan LTEArsitektur jaringan dari LTE seperti pada gambar 3.9 dibuat lebih sederhana daripada jaringan-jaringan yang telah ada sebelumnya. Keseluruhan arsitektur LTE terdiri dari beberapa eNB yang menyediakan akses dari UEke E-UTRANmelalui E-UTRA. Sesama eNBsaling berhubungan satu sama lain melalui interface yang disebut X2. MME/SAE gateway menyediakan koneksi antara eNBdengan EPC (EvolvedPacket Core) denganinterfaceyangdisebut S1. X2danS1, keduanya mendukung UE dan SAE Gateway. Keduanya juga menyediakan dynamic schedulling dari UE dan juga data stream. Layanan pentinglainnyadari eNBadalahheader compressiondanenkripsi dari user data stream.MeskipunLTEmempunyai jaringanaksesyangsudahberubah dari jaringan yang ada sebelumnya, namun jaringan LTE ini mempunyai interoperabilitasdenganjaringansebelumnya. Interoperabilitas jaringan LTE ini digambarkan pada gambar 3.10 berikut ini.

Gambar 3.10 Interoperabilitas LTE dengan Jaringan SebelumnyaPada level core network, interoperabilitasnya seperti ditunjukkan padagambar sebelahkiri. Corenetworkdari jaringanHSPA+dengan jaringanLTEsalingterhubungantaraGGSN(GatewayGPRSSupport Node) pada HSPA+ dengan Serving Gateway pada LTE. Dan kedua node ini sama-sama terhubung ke operators IP service network.Interoperabilitas pada level akses ditunjukkan pada gambar sebelah kanan.Digambarkan dengan handset yang memiliki dual mode. Handset tersebut selain mensupport LTE, juga mensupport teknologi sebelumnya baikyangmenggunakan GERAN(2G) maupun UTRAN (3G). Jadi handset tersebut dapat digunakan pada berbagai macam radio akses network.3.1.7.2.1 Overview Evolved Packet Core (EPC)EPCadalah core network berbasis flat all-IP yang dapat diakses melalui 3GPPradio access (LTE, 3G, 2G) maupun non-3GPPradio access (WiMAX, WLAN), menyebabkan adanya prosedur handover antar kedua tipe radio akses tersebut. Fleksibilitas akses ke EPCmenarik perhatian operator karena memungkinkan mereka untuk memiliki single corenetworkdenganbermacam-macamserviceyangdapat disupport. Komponen-komponen utama dari EPC adalah sebagai berikut:1. Mobility Management Entity (MME)Merupakan elemen kunci dari EPC, yang mana bertugas untuk mengatur fungsi security (authentication, authorization, network access server (NAS)signalingsecurity), menangani idlestatemobility, roaming, dan handover terhadap fungsi-fungsi lain. Interface yang menghubungkan EPC dengan eNB adalah S1-MME interface.2. Serving Gateway (S-GW)Merupakan gateway yang mengakhiri interface antara EPC dengan E-UTRANdenganinterfacebaruyangdisebut S1-U. UntuksetiapUE yang terhubung dengan EPC akan terdapat S-GW khusus yang menangani beberapa fungsi seperti mobility anchor point untuk local inter-eNB handover dan inter-3GPP mobility, inter-operator charging, packet routing, dan forwarding.3. Packet Data Network Gateway (PDN-GW)Merupakanbagian yang menyediakan akses dari UE kePacketData Network(PDN) dengan menetapkan alamat I dari PDN kepada UE disertai fungsi-fungsi lain. Selainitu,EvolvedPacket DataGateway (ePDG) menyediakansecureconnectionantaraUEyangberasal dariuntrustednon-3GPPaccess network danEPCdengan menggunakanIpsec tunnels.Meskipun demikian, dari perspektif user,hanyaakan adaeNB dan gateway, karena itulah disebut flat.Hasilnya cukupmengurangi kompleksitas dibandingkan dengan arsitektur sebelumnya.3.1.7.2.2 Jaringan Akses Radio. Akses radio jaringan LTE disebut E-UTRAN dan salah satu fitur utama adalah bahwa semua layanan, termasuk real-time, akan didukung melalui berbagi paket saluran. Pendekatan ini akan mencapai peningkatan efisien spectrumyang akan berubah menjadi lebih tinggi kapasitas sistemnya,sehubungan dengan UMTS dan HSPA saat ini. Yang penting, konsekuensi dari menggunakan akses paket untuk semua layanan adalah integrasi yanglebihbaikantarasemualayananmultimediadanantara nirkabel dan layanan tetap. Filosofi utama di balik LTE adalah meminimalkan jumlah node.Oleh karena itu para pengembang memilih untuk single-node arsitektur. Stasiun base yang baru lebih rumit daripada Node B inWCDMA / akses radio HSPA jaringan, dan karenanya disebut eNB(Enhanced NodeB).Para eNBs memiliki semua fungsi yang diperlukan untuk LTEjaringan akses radio termasuk fungsi yang berhubungan dengan radio pengelolaan sumber daya.3.2Dasar Radio Akses Teknologi yangterpentingtermasukjaringanradioakses yang terbaruadalah Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing (OFDM), alokasi penggunaan sumber daya dinamis multidimensional (waktu ,frekuensi) danadaptasi link, transmisi multipleinput multipleoutput, turbo coding dan hybrid automatic reQuest (ARQ) dengan soft combining. 3.2.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)OFDMadalahtekniktransmisi denganmenggunakanmultiplecarrier dalamjumlahbanyakdansalingorthogonal. Denganpemilihan carrier secara orthogonaltersebut maka tak ada carrier yang akan saling berinterferensi. Ilustrasi OFDM ada padagambar 3.11

Gambar 3.11 Orthogonal Frequency Division Multiplexing Gambar 3.12Ilustrasi Transmisi dengan Teknik OFDMSeperti pada gambar 3.12 di atas, pada OFDM data yang ditransmisikan dibagi ke dalam beberapa sub-carrier kemudian ditransmisikan secara paralel. Sebelumditransmisikan, data yangsudah dibagi ke dalambeberapa sub-carriertersebut dimodulasi denganteknikkonvensional seperti QAM, PSK, dsbdalampesat simbolyang rendah. Sehingga ketika ditransmisikan secara paralel akan diperoleh pesat data total yang sama dengan jika ditransmisikan dengan single carrier pada bandwidth yang sama.OFDMmensupport adanya overlapping antar sub-carrier tanpa ada interferensi. Denganbegitu, hampir50%bandwidthdihemat karenaadanya orthogonalitas ini dibandingkan dengan teknik non-overlapping. Gambar 3.13 adalah gambar yang merepresentasikan penghematan bandwidth oleh OFDM (bawah) jika dibandingkan dengan FDM (atas).Gambar 3.13 Efisiensi Bandwidth oleh OFDM. (a) Bandwidth pada FDM. (b) Bandwidth pada OFDMBerikut ini adalahdiagramblokpengirimdanpenerimapadatransmisi dengan teknik OFDM yang digunakan.Gambar 3.14 Diagram Blok Pengirim pada OFDMGambar 3.15 Diagram Blok Penerima pada OFDMDengan kata lain,pertama,OFDM menghasilkan kehandalan tinggi melawanfrequencyselectivefading. Kedua, disebabkanstruktus yang spesifik OFDMmengijinkan untuk implementasi kerumitan rendah maksudnya dengan proses FFT. Ketiga, akses pada ranah frekuensi (OFDMA) berdampak derajat yang tinggi kebebasan penjadwal. Akhirnya, akan menawarkan spektrum yang fleksibel yang akan memfasilitasi perpindahan halus dari teknologi rasio akses yang sudah ada di LTE.PadamodeFDDpadaLTEtiapsimbol OFDMditaransmisikan melewati subcarrier dari 15 atau 7,5 kHz. Satu subframe mempunyai 1ms, dibagi menjadi 2 , 0,5 ms, dan terdiri beberapa simbol (14 dan 12 untuk mode 15 dan 7,5 kHz).Pada uplink, Single carrier frequencyDivisionMultiple Acess (SC-FDMA) digunakan daripada OFDM. SC-FDMA juga dikenal dengan DFT-penyebaran modulasi OFDM. Pada dasarnya, SC-FDMAidentik dengan OFDM kecuali kalau inisial FFT diaplikasikan sebelum modulasi OFDM. Adanya modifikasi untuk mengurangi rasio puncak daya rata-rata , kemudian menurunkan penggunaan daya pada terminal pemakai.3.2.2Alokasi Sumber daya dinamis multidimensional dan adaptasi linkPada LTE, kedua skema transmisi uplink maupun downlink dapat membuat lebih kecil,tidak overlapping pita frekuensi untuk pemakai yang berbeda, menawarkan frquency division multiple access (FDMA). Penetapan dapat diatur secara dinamis pada waktu dan disebut penjadwalan.Sesuai dengan itu, sumber daya LTE dapat diwakilkan pada time-frequency grid.Elemen terkecil pada grid disebut resource element dan terdiri dari 1subcarrier padasimbol OFDM. Akantetapi,unit alokasi sumber daya LTE terkecil adalah blok resource yang terdiri dari 12 sub carrier selama 1 slot.Adaptasi linklebihdekat dihubungkandenganpenjadwalandan bagaimana mengatur parameter transmisi radiolink untuk menangani variasi kualitas radio link. Ini dicapai pada LTE melalui adaptif pengkodeankanal danadaptif modulasi. Secarakhusus, padaLTEada modulasi QPSK, 16QAM,dan 64 QAM., dimana laju pengkodean dapat mengambil dari nilai 0,07 sampai 0,93.3.2.3 MIMOSalah satu hal terpenting adalah pencapaian laju data yang tinggi untukLTEadalahdengan transmisiantena jamak.Padadownlink, bisa didukung 1,2 atau 4 antena pemancar pada eNB dan satu,dua atau empat pada antena peneriam di UE. Antena jamak dapat digunakan untuk cara yang berbeda yaitu untuk mendapatkan tambahan keragaman transmit/terima atau untuk mendapatkan spatial multiplexing yang meningkatkan laju data denganmembuat beberapa kanal paralel jika kondisi mengijinkan. Meskipun begitu, pada LTE uplink walaupun satu, dua atau empat antena penerima diijinkan pada eNB, hanya satu antena pemancar yang diijinkan pada UE. Oleh karena itu, antena jamak dapat digunakan hanya untuk mendapatkan keragaman penerimaan.3.2.4 Turbo CodingAgar dapat mengoreksi bit yang eror, diperkenalkan dengan variasi kanaldanderau, pengkodean kanaldigunakan.Pada kasusLTE downlink sharedchannel (DL-SCH) , turboencoder denganlaju1/3 digunakan, diikuti dengan pencocokan laju untuk mengadaptasi laju pengkodean kepada level yang diinginkan. Pada tiap subframe 1ms,satu atau dua (dengan banyak katasandi di MIMO) katasandi dapat dikodekan dan ditansmisikan.3.2.5 Hybrid ARQ dengan soft combiningMerupakanteknikpentransmisiankembali datayangeror. Pada skema ARQ, penerima menggunakan kode pendeteksian eror untuk mengecekjikapaketyangditerimamemiliki eroratautidak. Pemancar diinformasikandenganNACKatauACKsecaraberurutan. Padakasus NACK, paket dikirim ulang.Kombinasi forward error corection (FEC) dan ARQdikenal dengan hybrid ARQ. Kebanyakan skema hybrid ARQ dibangun di sekitar kodeCRCuntukpendeteksian erordanturbocode untukpengkoreksian eror, yang biasanya ada pada kasus LTE.PadahybridARQdengansoft combining, paket yangditerima salah disimpan pada buffer dan kemudian dikombinasikan dengan pengiriman ulang untuk mendapatkan single packet yang lebih memiliki kehandalan daripada unsur pokoknya. Pada LTE, full incremental redundancy diterapkan, yang dimaksudkan untuk pengiriman ulang paket-paket yang khusus tidak sama dengan transmisi yang pertama tetapi membawa informasi yang melengkapi.3.3Sistem Antena Jamak (Multiple Antenna)Sejauh ini terlihat bahwa permintaan untuk laju data yang tinggi dalam QOS yang lebih baik dengan ditantang oleh jarangnya penggunaan sumber daya radio dan variasi waktu lingkungan radio yang disebabkan fading dan multipath. Penggunaan antena jamak pada pemancar dan penerima digunakan sebagai teknik kunci yang secara nyata untuk memperbaikilaju datatidak dengan mengonsumsi tambahan bandwidth ataudayapancar. Teknologi ini jugadisebut jugakomunikasimultiple input multiple output(MIMO). Komunikasi MIMO memiliki banyak sifat keragaman sering secara kolektif disebut spatial diversity. Teknik keragaman pada dasarnya memanfaatkan jalur yang berbeda yang berpengaruh pada pemudaran (fading ) yang berbeda. Jalur dapat dibuat berdasarkan waktu,frekuensi, atau ruang untuk membawa informasi yang samakepenerimasupayamemiliki ketahanansinyal yanglebihtahan sesudah semua jalur dikombinasikan pada penerima.Pengulangan pengkodean merupakan teknik keragaman waktu (time diversity) dan ide pokok adalah mengulang sinyal yang sama melewati waktu periode yang berbeda. OFDMmerupakan salah satu teknik keragaman frekuensi dimana sinyaldapatdisebar melewati frekuensi yang lebih luas dimana coherence bandwidth lebih kecil daripada bandwidth kanal. Penggunaan keragaman waktu atau frekuensi mengurangi laju data karena kelebihan di perkenalkan dalam sistem. Pada keragaman ruang, banyak antena cukup dipisahkan untuk membentuk jalur yang tidak saling bergantung.Bukti - bukti yang bersifat mendukung menunjukkan jumlah multipath yang sangat besar. Fenomena banyak jalur (multipath) berpengaruh pada kenaikanlajudatatransmisi atauuntukmencapai transmisi yanglebih robust.Secara teoritis kapasitas akan meningkat sesuai jumlah antena pemancar dan penerima, kapasitas kanal wireless sesuai dengan rumus di bawah ini :C= Hz bpsSNR/2 ln(3.1)Keragaman ruang menggunakan beberapa antena pada pemancar dan penerimadenganberbagai konfigurasi seperti yangdiilustrasikanpada gambar3. Antenasecaraspasial terpisahdenganjaraktetapdanjarak pemisahan tergantung pada frekuensi pembawa dan hamburan lingkungan.Pada sebuah antena pemancar dan dua atau lebih menerima antena; satu dapat membuat duaataulebihjalur danmengkombinasikansinyal di penerima. Ini eksploitasi penerimakeragamandanskemayangdikenal sebagai sistemsatu-masukkanbanyak-keluaran-(Simo). Arsitektur simo mengumpulkan lebih banyak energi pada penerima untuk meningkatkan SNR dibandingkan dengan sistem SISO. Gambar 3.16 Teknik keragaman ruangPada dua atau lebih antena pemancar dan satu antena penerima, satu dapat membuat dua atau lebih jalur secara mudah apada lingkungan yang mengalami fading. Ini yangdisebut transmit diversitydandandikenal dengan sistem banyak masukkan satu keluaran (MISO). MISO mencapai gain keragaman yang sama seperti simo,namun MISO dapat mengimplementasikan tipe pengkodean yang berbeda disebutspace time coding. Pemancar dengan ruang-waktu mengodekan dan memodulasi bit-bit informasi dalam ruang dan waktu.MIMO menggunakan banyak antena pemancar dan penerima dan menurunkan keuntungan dari sistemSIMOdan MISO. MIMOpada dasarnya menggunakan tingkat kebebasan kanal untuk mencapai performansi yang lebih baik jika dibandingkan dengan SIMO dan MISO. Juga MIMO membuka banyak jalur data yang independentmelalui link. Pemancar dengan ruang-waktu mengirimsinyal dan penerima ruang-waktu memproses sinyal yang diterima pada tiap antena penerima berdasarkan ruang waktu strategi pensinyalan yang dimiliki pemancar.Berikut merupakan tipe dari spatial gain yang diperlukan adalah :1. Arraygainditetapkansebagai rata-ratakenaikkanpadaSNR, secara normalnya linier terhadap jumlah antena tidak berturut-turut denganhubungankanal. Dengankatalain, jikaadaantenaM, danM lipatan meningkatkan dalamSNRdan probabilitas eror linier dengan (M.SNR)-1. Sinyal -sinyal yang koheren dikombinasikan untuk memperbaiki kekuatan sinyal. Catatan, bahwa jika kanal dihubungkan Lineof sight (LOS) arraygainmasihadadanSNRmeningkat secara linier.Juga dapat dicatat bahwa kelinieran peningkatan dalam SNR juga meningkatkan kapasitas berdasarkan formula Shannon ,C= log2(1+SNR)bps/Hz. 2. Diversity gain(gain keragaman),menegaskan pengurangan kemungkinan eroryang disebabkan banyaknya jalur yang independent yang dibuat antara pemancar danpenerima. Dengan kata lain,jika ada antenna K pemancar,M penerima, keragaman K.M,dan probabilitas eror naik sebanding dengan SNR K.M. Jika saluran pada kanal LOS,maka tidak ada diversity gain.3. Multiplexinggain,menegaskan kenaikanlaju data,sejakjalur independentdiantara banyak pemancar dan banyak penerima digunakan untuk mengirim aliran datayang independent. Dengan kata lain, jika K(>1) antenna pemancar dan M(>1) antenna penerima, kenaikan pada laju data adalah min.kelipatan (K,M)3.3.1 Dasar MIMO3.3.1.1 Kanal MIMOPada kanal MIMOsebagai contohgambar 3.12ini,denganK antena pemancar dan M antena penerima (sebagai catatan jika K=1, adalah SIMO, jika M=1 adalah MISO, dan jika K=M=1 adalah sistem SISO).Dimana ada KxM jalur dan tiap jalur memiliki respon kanal yang dinotasikan sebagai hij, yang mana diantara penerima ke-i dan pemancar ke-j.Kanal MIMO ditunjukkan seperti di bawah ini :dan berdasarkan kanal H, maka sinyal yang ditransmisikan adalahx = [x1,x2,...,xK]T (3.2) Sinyal yang diterima pada antena penerima sesuai yMx1= HMxKxKx1+nMx1,dimananadalahvektor derauyangterdiri dari elemengausian kompleks dengan rata-rata nol danvariancen2. Pemisahanantenayangtepat (tipikalnya setengah panjang gelombang carier (/2) membuat elemen H independen, rata-rata nol, variabel acak pada gausian kompleks (rayleigh fading). Akantetapi,terkadangHbervariasiterhadap frekuensi dan waktu pada banyak jalur dan berturut-turut berdasar efek dopler.Gambar 3.17Kanal MIMO3.3.1.2 DecodingTeknik-teknik decoding diantaranya adalah :1.Maximum-likelihood (ML) decoder, merupakan decoder yang palingoptimal bahwa mencari ^xyang meminimalkan jarak menjadi :^ ^m i n a r g x H y x (3.3)Sebagai catatan, untuk mencari masukkan yang benar adalah menghitungnyasecarakompleks,itu membutuhkan mencari mKmasukkan, dimana m adalahmodulasi (contohnya m=16 untuk 16 QAM) dan K adalah jumlah antenapemancar. ML decoder digunakan ketika kanal informasi tidak ada padapemancar. Jika itu diketahui, gain dari informasi kanal adalah minimal.2. Zero-forcing (ZF) decoder adalah linier decoder dengan memperoleh kembali x yang ditransmisikan dengan mengalikan sinyal yang diterima dengan G = H-1 sebagai

n H x G H x1^ ^+ (3.4)

Sebagai catatan, bahwa interferensi dari antena lain dihapus, tetapi adanya inverse H mendorong bertambahnya noise sebagai sub kanal yang buruk yangmempunyai eigenvalueyanglebihrendahyangdibalikkan. Inimemudahkanmenguatkan derau.3. Minimum -mean-square-error (MMSE) decoder di sisi lainmenyeimbangkan perbaikan derau dan interferensi dari antena lain dengan meminimalkan distorsi G dengan rumus :

) ( min arg2x Gy E GG (3.5)Dimana G adalah H HH ISNRH H1)1(+. Pencegahan terhadapnilai eigen yang buruk akan dibalik pada SNR yang rendah danmengkonversike ZL pada SNR yang tinggi.3.3.1.3 Estimasi KanalEstimasi kanal untuk sistem MIMO sebagai persyaratan decoding memperkirakanHpadasisipenerimadanjugamembutuhkankanal sisi informasi (CSI) pada pemancar. Estimasi kanal berdasarkan pelatihan merupakan cara yang cocok untuk sistem MIMO dan juga dipilih untuk standar.Estimasi kanal berdasarkan pelatihan membutuhkan pentransmisian yang disebut simbol seperti preamble dan pilot. Khususnya, padaIEEE802.16danIEEE802.11, preamble digunakan untuk sinkronisasi dan estimasi kanal, dan pilot digunakan untuk sinkronisasi penalaan yangbaikdanestimasi kanal jika kanal variasi terhadap waktu.Sebagai catatan, sinyal yangditerimaadalahsuperposisi banyak antena pemancar K. Kemudian, pelatihan sinyal butuh menjadi orthogonal pada tiap antena pemancar supaya dapat ditransmisikan tidak dengan interferensi. Akibatnya, ketikapilot ditransmisikanpadasubcarier, dan pilot yang lain tetap diam pada sub carrier untuk simbol yang sama. Ini tentusajamemberi sebagian informasi tentang kanal,seluruh tanggapan kanal didapat denganinterpolasi. Estimasi kanal LSatauMMSEdapat digunakan pada domain frekuensi untuk memperkirakan kanal.3.3.1.4 Umpan balik KanalKanal sisi informasi (CSI) dipersyaratkanpadapemancar untuk beberapa skema yang diperkenalkan di bawah untuk menampilkan precoding. Performa hasilnya lebih baik dan memungkinkan teknik pemrosesan sinyal yang kompleks. Pada sistem TDD, kanal dipertimbangkan timbal balik, dimana kanal downlink didapat dari kanal uplink. Sebagai contoh, pada WIMAX-e (IEEE802.16e), ada daerah pengukuranpadauplinkuntukmendapatkanCSI padapemancar untuk downlink.Tekniklainnya adalah umpan balik kanal,dibutuhkan pada FDD dan pilihan pada sistemTDD. Umpan balik kanal mentransmisikan informasi kanal yang dikompresi, yang mana diperlukan untuk precoding pada pemancar. Khususnya , mengirimkan informasi kanal, pada penerima, di butuhkan teknik precoding yang dihitung dan mengirim kembali ke pemancar. Precoder dijadi satukan matriks yang jelas dan membutuhkan B = log 2 bit pada umpan baliknya. Rotasi Jacobi metode umpan balik yang nondiferensial dan mengirim rotasi Jacobi matrik J atau indeks sebagai umpan balik. Matrik Jacobi mendiagonalkan matrik kanal korelasi R = H, dimana memperkirakan matriks tanggapan kanal dan dapat didekomposisikan menggunakan SVD dengan rumus :=UDV H(3.6)dimanaUdanVadalahmatriksatuan, contohUHU=IdanVHV=I. D adalahmatriks diagonal dengan nilai tunggal pada diagonal.R dapat ditulis kembali, R=VD2 VH dengan subtitusi persamaan 3.6. Secaraalternatif rotasi Jacobi digunakan untuk menampilkandidiagonalisasikan Rsebagai D2=JHRJ (3.7)dan J digunakan sebagai matrik precoding. Untuk mimo 2x2, J diberikan berikut :]]]

) c o s ( ) s i n () s i n ( ) c o s () , ( j je eJ(3.8)Dimana dan didapat dari persamaan :( )12121211 2220 1 ) tan() (tanrrerr rj + (3.9)Juga, umpan balik diferensial dengan transformasi Jacobi adalah mungkin jika rotasi Jacobi untuk contoh ke-n adalah J(n) HR(n)J(n) = D 2 (3.10)dan untuk contoh umpan balik berikutnya (n+1), rotasi Jacobi diberikan sebagai :J(n) H R(n+1)J(n)= 2 (3.11)dimana bukan diagonal ; J(n+1) untuk contoh n+1 ditemukan dengan diferensial matrik precoding J mengikuti :J(n+1)=J(n)J(3.12) Berdasarkan kondisi kanal, umpan balik differensial dapat dipilih untukkanal yangbervariasi lambat danumpanbaliknondiferensialdipilih untuk kanal kecepatan tinggi.Kombinasi untuk dua kemungkinan itu dengan codebook yang berbeda dan mengatur kembali pada periode yang sama diperlukan untk menghentikan sejumlahkesalahan.Katasandi(codeword)pada buku sandi (codebook) boleh jadi mewakili J yang dipilih berdasarkan jarak terpendek diantara parameter J dan vektor katasandi berdasarkan algoritma Llyold. Laju umpan balik berdasar waktu yang koheren TC, umpan balik bit B dan keperiodikan p. Sebab itu, laju data yang dibutuhkan adalah CTBxpbps(3.13)Pemrosesan umpan balik dan penundaan untuk kanal sisiinformasi berdampak pada performa. Penerima sering mengukur dan juga membagi semuasama rata sub carier untuk mengurangi pengeluaran tambahan matriks precoding dan selama proses beberapa informasi dapat hilang. Juga, jika kanal bervariasi sangat cepat, penurunan akan semakin meningkat.3.3.2 Lanjutan MIMO3.3.2.1 MIMO beamformingSinyal yang sama x ditransmisikan melewati semua antena dengan gainyangberbedavi, dimanav=1. Padasisi penerima, tiapcabang dikalikan dengan ui*(u=1) seperti yang terlihat pada gambar 3.18 sebagai keluarannya adalah sebagai berikut :y = uH Hvx +u H n.Pemilihan optimal dari u dan v pada pemancar dan penerima memaksimalkan SNR. Akibatnya, SNR maksimum dibatasi oleh : (3.14)Gambar 3.18 beamforming dengan system MIMO { KMM Ke

,`

.|+) , min( 211Pr (3.15) DariSVD,sinyal berpusat pada nilai eigen yang tinggi yaitu H. Oleh sebab itu, SNRyang diterima sama dengan 2 dan kapasitas menjadi C = log2(1+2max ).Sebagai catatan, tidakadaketerarahansecarafisikyangterjadi dalamproses. Elemen yang dibutuhkan adalah matriks kanal pada pemancar, dan sudut pancar yang dibuat tidak secara fisik ada pada lokasi. Pada dasarnya, teknik tersebut mengidentifikasi nilai eigen yang terkuat pada kanal dan secara matematis mengendalikan sinyal ke kanal eigen. Ini jugatipetekniklainbeamformingyangmemanipulasi transmisi omni-directional ke keterahan sudut pancar secara fisik. Ini dapat dicapai dengan merekayasa fase dan amplitude pada tiap-tiap gelombang omni-directional pada jalurnya bahwa pada satu arah gelombang bertambah dan arahlainnyasinyal akanmeniadakansatusamalain. Sebagai hasilnya, main lobe lebih kuat dibandingkan dengan side lobes.3.3.2.2 Spatial MultiplexingPenggunaanantenajamakpadakeduapemancar danpenerima bisalangsungdilihat sebagai alat untukmeningkatkanSNRdanatau mencapai keragamantambahanmelawanfading, dibandingkandengan menggunakan hanya beberapa antena pemancar atau beberapa antena penerima. Akantetapi, padakeadaanantenajamakpadasisi pemancar maupunpenerimajugadimungkinkandenganapayangdisebut spatial multiplexing, mengijinkan untuk penggunaan yang lebih efisien dari SNR yang tinggi dan laju data tinggi melalui antarmuka radio.3.3.2.2.1 Prinsip DasarPenggunaan antena jamak pada kedua sisi pemancar dan penerima dapat digunakan untuk menaikkan SNR ketika sejumlah antena menerapkan beamforming pada pemancar dan penerima. Pada kasus umumantenapemancar NTdanantenapenerimaNR, SNRpenerima dapat dibuat untuk meningkatkan bagian NTxNR. Dengan meningkatkan SNRdipenerimamengijinkan juga untuk meningkatkan laju data yang diterima, dengan asumsi laju data dibatasi dayanya daripada bandwidthnya. Bagaimanapun,bila dibatasi bandwidthnya daerah operasi bisa dicapai, pencapaian laju data mulai untuk jenuh kecuali kalau bandwidth juga diijinkan untuk ditingkatkan.Cara untuk mengetahui kejenuhan tersebut dalam pencapaian laju data adalah untuk mempertimbangkan pernyataan dasar untuk kapasitas kanal yang dinormalisasikan

,`

.|+ NSBWC1 log2 (3.16)dimana, dengan beamforming, SNR dapat dibuat untuk meningkat berbanding lurus dengan NT x NR. Pada umumnya, log2(1+x) sebanding denganxuntukxkecil, dampaknya, untukSNRyangkecil, kapasitas berkembangsebandingdenganSNR. Sedangkan, untukxyangtinggi, log2(1+x) log2(x), dampaknya, untukSNRyangtinggi, kapasitas meningkat secara logaritmik dengan SNR.Akan tetapi, pada kasus banyak antena pada pemancar dan penerima,pada kondisi tertentu , dimungkinkan untuk membuat sampai NL = min {NT,NR}tiap kanal paralel dengan NL kali SNRyang terendah(daya sinyal adalah diganti di antara kanal), contohnya kapasitas kanal :

,`

.|+ NSNNBWCLR. 1 log2(3.17)Tiapkanal parallel NL, dengankapasitas kanal yangdiberikansesuai persamaan 3.17Keseluruhan kapasitas kanalnya untuk konfigurasi banyak antenna adalah sebagai berikut :{ {

,`

.|+

,`

.|+ NSN NNN NNSNNBWCR TRR TLR., min1 log . , min. 1 log22(3.18)Gambar 3.19 Konfigurasi antenna 2x2Kemudian, pada kondisi tertentu, kapasitas kanal dapat dibuat meningkat decara linier sejalan dengan jumlah antena, pencegahan kejenuhan pada laju data.Kita menggantikannya dengan spatial multiplexing. Istilah MIMO pemrosesan antena juga sering digunakan, meskipun istilah tersebut lebih tepat berbicara untuk semua kasus banyak antena pemancar dan banyak antena penerima, termasuk juga kasus pengkombinasian keragaman transmisi dan terima.Untuk mengerti prinsip dasar bagaimana kanal paralel dapat dibuat pada kasus banyak antena pemancar dan antena penerima, contoh konfigurasi antena2x2, dimanaada2antenapemncar dan2antena penerima seperti pada gambar 3.19. Selanjutnya, diasumsikan sinyal yang ditransmisikan adalah hanya subyek untuk non -frequency-selective fading dan derau putih contohnya pada saat tidak ada penyebaran waktu kanal radio.Berdasarkan gambar 3.19 sinyal yang diterima dapat diekspresikan sebagai berikut : +

,`

.|+

,`

.|

,`

.|

,`

.| n s Hnnssh hh hrrr . .21212 , 2 1 , 22 , 1 1 , 121 (3.19)dimanaHadalahmatriks kanal 2x2. Ekspresi ini dapat disamaratakan dengan antena jamak dengan sinyal-sinyal yang berbeda yang ditransmisikan dari antena yang berbeda.Anggaptidakadaderaudanmatrikskanal Hdapat dibalikkan, vektor s, dan kemudian kedua sinyal s1 dan s2, dapat secara sempurna dikembalikan kembali di penerima, dengan tidak mempunyai sisa interferensi diantara sinyal, dengan mengalikan vektorryang diterima dengan matriks W=H-1.Gambar 3.20 Penerimaan linier/ demodulasi dari sinyal spatial multiplexing(3.20) Persamaan 3.20 diilustrasikan pada gambar 3.20.Meskipun vektor sdapat secara sempuna ditemukan kembali pada kasus tidak ada derau, selama matriks kanal H dapat dibalik kembali, juga mengindikasikan properti dari H akan menentukan sejauh mana Demodulation gabungan dari dua sinyal akan meningkatkan tingkat kebisingan.Lebihkhususlagi , matriks kanal yangpalingdekat untuk menjadi matriks singular yang paling luas untuk meningkatkan level derau.SatucarauntukmengartikanmatriksWadalahuntukmencapai bahwa sinyal yang ditransmisikan dari dua antena pemancar adalah dua sinyal yang menyebabkan interferensi satu sama lain. Dua antena penerima dapat digunakan untuk membawa keluar (interference rejection combining)IRC, pokoknya secara komplet menahan interferensi dari sinyal yangditransmisikanpadaantenakeduaketikamendeteksi sinyal yang ditransmisikan pada antena pertama dansebaliknya. Baris pada matriks penerima W menyederhanakan implementasi seperti IRC.Pada kasus khusus,konfigurasi antena jamak akan terdiri dari NT antenamenyatakanmaksimumsinyal yangdimulancar danNRantena penerima. Seperti yangdidiskusikandi atas, padakasuskhususjumlah sinyal paralel yangdapat di spatial multiplexing, sekurang-kurangnya pada prakteknya , atas dibatasi dengan NL = min {NT,NR}. Secara intuisi dapat diketahui dari bukti-bukti sebagai berikut :1. Secara jelas, tidak lebih dari NTsinyal yang berbeda dapat ditransmisikan dari NTantena pemancar, menyatakan secara tidak langsung maksimum sinyal yang di spatial multiplexing NT.2. Dengan antena penerima NR, maksimum NR-1 sinyal yang berinterferensi dapat ditahan, secara langsungmenyatakan maksimum sinyal yang di spatial multiplexing NR.Akantetapi, padabanyakkasus, jumlahsinyal yangdi spatial multiplexing, atau selain spatial multiplexing, akan kurang dari NL seperti yang diberikan di atas:1. Padakasuskondisi kanal yangburuk(SNRrendah), tidakadagain pada spatial multiplexing pada kapasitas kanal adalah fungsi linier pada rasioSNR. Padakasuskhusus, antenapemancar danantenapenerima harus digunakan untuk beamforming untuk memperbaiki rasio SNR, daripada untuk spatial multiplexing.2. Pada kasus umum lain, spatial multiplexing harus ditetapkan berdasarkanproperti ukuranmatrikskanal NRXNT. Kelebihanantena dapat digunakan untuk menghasilkan beam-forming. Seperti beamforming dikombinasikan dan spatial multiplexing dapat dicapai dengan maksud precoder berdasarkan spatial multiplexing.3.3.2.2.2 Precoder berdasarkan spatial multiplexingPre-coding linier pada kasus spatial multiplexing berdampak pada pemrosesan linier dengan cara matriks precoding ukuran NTXNL diaplikasikan pada sisi pemancar seperti yang terlihat pada gambar 3.21. Pada kasus umum NL harus sama atau lebih kecil , secara tidak langsung sinyal NLakan di kenakan spatial multiplexing dan ditransmisikan menggunakan antena pemancar NT.Precoder berdasarkanspatial multiplexingdapat dilihat sebagai penyamarataan precoder berdasarkan beam-forming dengan vektor precoding ukuran NT X1 digantikan dengan matriks precoding ukuran NT X NL.Gambar 3.21 Pre-coder berdasarkan spatial multiplexingPrecoding pada gambar 3.21 dapat mencakup dua tujuan , yaitu :1. Pada kasus ketika sejumlah sinyal dikenakan spatial multplexing sama dengan sejumlah antena pemancar (NL=NT), pre-coding dapat digunakan untuk mengorthogonalkan transmisi paralel, mengijinkan untuk memperbaiki isolasi sinyal pada sisi penerima.2. Pada kasus ketika sejumlah sinyal yang dikenakan spatial multiplexing kerang dari sejumlah antena pemancar (NLg