Definisi teknik diversity
Teknik diversity dapat didefinisikan secara luas sebagai strategi yang memanfaatkan beberapa saluran atau sumber informasi yang independen untuk meningkatkan kualitas komunikasi dengan berbagai cara. Teknik-teknik ini mengandalkan diversity spasial, temporal, frekuensi, atau polarisasi untuk mengatasi masalah pemudaran dan derau yang terjadi selama transmisi sinyal. Diversity spasial menggunakan beberapa antena, baik di pemancar, penerima, atau keduanya, untuk memanfaatkan independensi jalur yang dapat diambil sinyal yang ditransmisikan. Diversity temporal dicapai ketika sinyal yang sama ditransmisikan melalui beberapa interval waktu yang tidak tumpang tindih untuk memungkinkan perataan karakteristik saluran yang berfluktuasi. Diversity frekuensi digunakan ketika data yang sama ditransmisikan melalui berbagai pita frekuensi atau nada, sedangkan diversity polarisasi bergantung pada status polarisasi sinyal elektromagnetik yang berbeda. Secara umum, teknik-teknik ini bekerja dengan membuat beberapa replika independen dari sinyal yang ditransmisikan. Dengan demikian, kecil kemungkinan semua replika akan mengalami gangguan yang sama, seperti pemudaran dalam atau derau, secara bersamaan. Akibatnya, penerima dapat menggunakan replika ini untuk memulihkan informasi yang ditransmisikan dengan lebih sedikit kesalahan dan keandalan yang lebih tinggi. Pentingnya Teknik Keragaman dalam Sistem Komunikasi Teknik diversity memainkan peran penting dalam memastikan keberhasilan pengoperasian sistem komunikasi. Strategi ini khususnya bermanfaat dalam sistem komunikasi nirkabel, di mana sinyal dapat mengalami fluktuasi cepat dalam amplitudo dan fase akibat multipath fading yang diakibatkan oleh pantulan dari bangunan, medan, atau kondisi atmosfer. Penerapan teknik diversity membantu meminimalkan dampak negatif dari faktor-faktor ini pada kinerja sistem. Selain itu, teknik diversity juga membantu melindungi terhadap dampak derau yang mungkin muncul selama proses transmisi, yang menghasilkan penerimaan sinyal yang lebih bersih dan lebih kuat. Selain itu, teknik diversity dapat membantu meningkatkan kapasitas dan throughput keseluruhan sistem komunikasi, karena teknik ini memungkinkan penggunaan pita frekuensi, sistem multiple-input multiple-output (MIMO), dan konfigurasi jaringan canggih lainnya secara lebih efisien. Tujuan dan Manfaat Teknik diversity Sasaran utama teknik diversity adalah untuk meningkatkan keandalan transmisi dan penerimaan data dalam sistem komunikasi. Dengan memanfaatkan beberapa jalur, interval waktu, pita frekuensi, atau status polarisasi, teknik ini dapat secara efektif mengatasi tantangan multipath fading dan noise, yang umum terjadi dalam sistem nirkabel. Beberapa manfaat utama penerapan teknik diversity dalam sistem komunikasi meliputi: 1. Peningkatan keandalan: Teknik diversity membantu mengurangi kemungkinan masalah penerimaan sinyal, sehingga menghasilkan kecepatan transmisi data yang lebih tinggi dan lebih sedikit gangguan komunikasi. 2. Peningkatan kapasitas sistem: Memanfaatkan beberapa sumber diversity, seperti memanfaatkan konfigurasi MIMO, dapat secara langsung berkontribusi pada peningkatan kapasitas jaringan dan throughput keseluruhan yang lebih baik. 3. Peningkatan ketahanan: Teknik diversity memungkinkan sistem komunikasi untuk lebih tahan terhadap berbagai tantangan lingkungan dan perambatan sinyal, sehingga meningkatkan ketahanan terhadap kondisi yang merugikan. 4. Peningkatan efisiensi: Teknik diversity yang dirancang dan diterapkan dengan tepat dapat memungkinkan penggunaan sumber daya sistem komunikasi yang lebih efisien, sehingga menghasilkan peningkatan kinerja keseluruhan. Singkatnya, teknik diversity merupakan alat yang sangat berharga untuk meningkatkan kinerja dan keandalan sistem komunikasi. Metode ini memanfaatkan diversity spasial, temporal, frekuensi, dan polarisasi untuk mengatasi berbagai gangguan seperti multipath fading, noise, dan faktor lain yang dapat berdampak negatif pada transmisi sinyal. Dengan menerapkan teknik diversity, sistem komunikasi dapat memperoleh manfaat dari peningkatan keandalan, peningkatan kapasitas sistem, peningkatan ketahanan, dan operasi yang lebih efisien. Jenis-jenis teknik diversity Teknik diversity sangat penting dalam sistem komunikasi nirkabel untuk meningkatkan kualitas sinyal, keandalan, dan kinerja secara keseluruhan. Teknik ini bertujuan untuk mengatasi efek buruk dari berbagai jenis fading, seperti multipath fading, yang dapat mengakibatkan penurunan kualitas sinyal dan kualitas komunikasi yang buruk. Ada beberapa jenis teknik diversity yang digunakan dalam sistem komunikasi nirkabel, seperti yang dibahas di bawah ini.
1. Time Diversity
Teknik diversity waktu bergantung pada transmisi beberapa salinan sinyal pada beberapa waktu berbeda untuk meningkatkan kemungkinan penerimaan yang berhasil. Dalam sistem komunikasi nirkabel, kondisi saluran berubah seiring waktu karena faktor-faktor seperti mobilitas pengguna atau kondisi lingkungan yang bervariasi. Dengan memanfaatkan diversity waktu, sistem dapat mengatasi efek buruk saluran yang berubah seiring waktu dan meningkatkan kualitas komunikasi secara keseluruhan. Beberapa teknik diversity waktu yang umum meliputi interleaving waktu dan modulasi dan pengkodean adaptif. Interleaving waktu melibatkan penyebaran data di beberapa waktu untuk mengurangi dampak fluktuasi saluran. Di sisi lain, modulasi dan pengkodean adaptif melibatkan penyesuaian skema modulasi dan tingkat redundansi berdasarkan kualitas saluran untuk mengoptimalkan laju transmisi dan keandalan. Rumus dan Konsep Dasar Time Diversity 1. Model Saluran Fading Saluran dengan fading dapat dimodelkan sebagai: π(π) = π(π) .π(π)+ π(π) π(π) = sinyal diterima π(π) = sinyal dikirim π(π) = respon saluran (fading) π(π) = noise 2. Probabilitas Error (Bit Error Rate / BER) Untuk sistem dengan time diversity orde LLL, dan menggunakan combining seperti maximal ratio combining (MRC), maka: ππ ≈ (1) πΏ πππ π·π = probabilitas bit error SNR = signal-to-noise ratio L = orde diversity
2. Frequency Diversity
Teknik diversity frekuensi bertujuan untuk memanfaatkan sifat selektif frekuensi dari saluran nirkabel dengan menyebarkan sinyal ke berbagai komponen frekuensi. Pendekatan ini dapat mengurangi efek buruk dari pemudaran selektif frekuensi, di mana berbagai komponen frekuensi sinyal mengalami berbagai tingkat redaman, distorsi, dan interferensi. Contoh teknik diversity frekuensi meliputi spektrum penyebaran frekuensi-hopping (FHSS) dan multiplexing pembagian frekuensi ortogonal (OFDM). Dalam sistem FHSS, data ditransmisikan melalui beberapa saluran frekuensi pita sempit dalam urutan pseudo-acak, hopping. Sebaliknya, OFDM memanfaatkan beberapa subcarrier ortogonal untuk mendistribusikan data ke berbagai rentang frekuensi, sehingga memberikan ketahanan terhadap pemudaran selektif frekuensi dan pemanfaatan spektrum yang tersedia secara efisien. Konsep Dasar Frequency Diversity Saluran komunikasi dapat terkena multipath fading di mana sebagian frekuensi terkena pelemahan yang tajam. Frequency diversity bekerja dengan menyebarkan sinyal pada dua atau lebih frekuensi yang dipisahkan cukup jauh, sehingga kemungkinan seluruh frekuensi terkena fading secara bersamaan sangat kecil. Rumus BER dengan Frequency Diversity Sama seperti pada time diversity, orde diversity LLL digunakan juga di frequency diversity. Bila menggunakan teknik seperti Maximal Ratio Combining (MRC) dan sinyal dikirim melalui LLL frekuensi berbeda: ππ ≈ (1) πΏ πππ π·π = probabilitas bit error SNR = signal-to-noise ratio L = orde diversity
3. Space diversity
Space diversity adalah teknik untuk meningkatkan keandalan komunikasi dengan menggunakan dua atau lebih antena yang dipisahkan secara fisik (biasanya dalam jarak beberapa panjang gelombang) di sisi pemancar, penerima, atau keduanya. Space diversity atau spasial memanfaatkan berbagai jalur perambatan independen antara pemancar dan penerima. Dengan menggunakan beberapa antena atau beberapa lokasi spasial, sistem dapat meningkatkan kemungkinan penerimaan sinyal yang berhasil, bahkan jika beberapa jalur terpengaruh oleh pemudaran atau interferensi. Space diversity dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori utama: keberagaman transmisi dan keberagaman penerimaan. Keberagaman transmisi, yang sering disebut sebagai pembentukan berkas atau pengodean ruang-waktu, melibatkan penggunaan beberapa elemen antena pada pemancar untuk menciptakan pola radiasi yang berbeda, memastikan bahwa sinyal mencapai penerima dengan kerugian minimal. Di sisi lain, keberagaman penerimaan menggunakan beberapa antena pada penerima untuk menangkap energi sinyal dari beberapa jalur independen guna meningkatkan kualitas sinyal yang diterima. Konsep Dasar Space Diversity Ketika sinyal dikirim melalui medium nirkabel, ia memantul dari berbagai permukaan (gedung, tanah, kendaraan, dll), menyebabkan multiple paths. Hasilnya, sinyal dapat tiba di penerima dengan amplitudo dan fase yang berubah-ubah (fading). Dengan menempatkan dua atau lebih antena berjauhan (biasanya ≥ Ξ»/2, di mana Ξ» adalah panjang gelombang), tiap antena akan mengalami fading yang relatif independen. Jenis Teknik Space Diversity: Selection Combining (SC) Hanya sinyal dengan kualitas terbaik dari salah satu antena yang dipilih. Maximal Ratio Combining (MRC) Semua sinyal dari antena digabung dengan pemberian bobot sesuai SNR-nya. Equal Gain Combining (EGC) Semua sinyal digabung dengan bobot sama tetapi disesuaikan fasenya. Rumus Space Diversity (untuk BER / Bit Error Rate) Sama dengan diversity lainnya, penurunan BER bisa ditunjukkan dengan: ππ ≈ (1) πΏ πππ π·π = probabilitas bit error SNR = signal-to-noise ratio L = orde diversity Untuk MRC (Maximal Ratio Combining): Jika terdapat L antena dengan fading independen Rayleigh dan semua antena memiliki SNR sama, maka BER menurun secara eksponensial terhadap L: ππ ≈ 1 πΏ! (1) πΏ πππ Keuntungan Space Diversity: Meningkatkan reliabilitas: sangat efektif untuk kondisi fading berat. Mudah diterapkan di stasiun pangkalan (base station) karena ruang tidak terbatas. Mendukung MIMO (Multiple Input Multiple Output): dasar teknologi 4G & 5G.
4. Polarization Diversity
Polarization diversity adalah teknik untuk mengatasi fading dalam sistem komunikasi radio dengan cara menggunakan dua atau lebih antena yang memancarkan atau menerima sinyal dengan polarisasi berbeda, misalnya: Polarisasi horizontal dan vertikal Polarisasi ±45° Polarisasi sirkular kanan dan kiri (RHCP & LHCP) Teknik diversity polarisasi memanfaatkan polarisasi berbeda dari gelombang elektromagnetik yang merambat di saluran nirkabel. Dengan mentransmisikan dan menerima sinyal dengan polarisasi berbeda, sistem dapat memanfaatkan karakteristik pemudaran independen dari gelombang terpolarisasi berbeda dan meningkatkan keandalan komunikasi. Biasanya, polarisasi ortogonal, seperti polarisasi horizontal dan vertikal atau polarisasi melingkar kiri dan kanan, digunakan dalam sistem diversity polarisasi untuk memastikan independensi antara sinyal yang diterima. Namun, kinerja diversity polarisasi dalam praktik dapat bergantung pada faktor-faktor seperti desain antena, frekuensi operasi, dan lingkungan perambatan. Konsep Dasar: Sinyal radio dapat mengalami perubahan polarisasi saat dipantulkan oleh objek (bangunan, tanah, kendaraan), yang bisa menyebabkan: Depolarisasi (perubahan arah polarisasi) Kehilangan daya jika penerima tidak disesuaikan dengan polarisasi sinyal Dengan polarization diversity, sistem dapat memilih atau menggabungkan sinyal dengan polarisasi terbaik untuk meningkatkan reliabilitas dan kualitas komunikasi. Teknik Implementasi: Selection Combining (SC) Sistem memilih sinyal dengan kualitas terbaik dari antena yang menerima polarisasi berbeda. Combining (MRC atau EGC) Kedua sinyal digabungkan untuk memperkuat sinyal akhir 5. Pattern Diversity Pattern diversity adalah teknik untuk mengurangi efek multipath fading dan interferensi dengan menggunakan dua atau lebih antena yang memiliki pola radiasi (radiation pattern) berbeda, walaupun berada pada lokasi yang sama atau sangat dekat. Pattern diversity berfokus pada penggunaan beberapa elemen yang memancar, masing-masing dengan pola radiasi yang berbeda, untuk mencapai keandalan komunikasi yang lebih baik. Dengan mentransmisikan dan menerima sinyal menggunakan antena dengan pola radiasi yang berbeda, sistem dapat menangkap salinan independen dari sinyal yang datang melalui jalur propagasi yang berbeda. Pattern diversity dapat digunakan menggunakan antena tunggal dengan beberapa umpan dan pola radiasi yang dapat disesuaikan atau dengan menggunakan serangkaian antena, masingmasing dengan pola radiasi yang berbeda. Teknik ini sangat berguna untuk mengurangi efek propagasi multijalur di lingkungan perkotaan atau mengurangi interferensi pada pita frekuensi yang padat. Konsep Dasar Pattern Diversity: Multipath fading sangat tergantung pada arah datang sinyal (Angle of Arrival – AoA). Dengan menggunakan antena yang “sensitif” terhadap arah yang berbeda, kita memperoleh respon sinyal yang tidak saling berkorelasi. Selanjutnya sistem memilih atau menggabungkan sinyal terbaik dari antena-antena tersebut. Implementasi Pattern Diversity: Selection Combining (SC) Sistem memilih sinyal terbaik dari salah satu antena. Combining (MRC atau EGC) Semua sinyal dikombinasikan dengan penguatan tertentu. Keuntungan Pattern Diversity: 1. Tidak perlu jarak antar antena terlalu besar (berbeda dengan space diversity) 2. Mengurangi fading dan interferensi dari arah tertentu 3. Cocok untuk perangkat mobile, stasiun pangkalan, dan radar Time Diversity Methods: Time diversity adalah teknik yang digunakan untuk meningkatkan kinerja sistem komunikasi dengan mengirimkan dan menerima sinyal pada waktu yang berbeda. Ini membantu dalam mencapai ketahanan terhadap gangguan saluran yang berubah-ubah seperti pemudaran, interferensi, dan derau. Metode keragaman waktu khususnya berguna untuk sistem komunikasi nirkabel, di mana transmisi sinyal dapat dipengaruhi oleh sifat saluran nirkabel yang berubah-ubah. kita akan membahas tiga metode keragaman waktu utama: Interleaving, Rake Receiver, dan Time Hopping. 1. Interleaving Interleaving adalah teknik time diversity di mana urutan data disusun ulang secara nonlinier sebelum transmisi. Proses penataan ulang ini bertujuan untuk mendistribusikan bit data yang berurutan dari waktu ke waktu, sehingga meningkatkan toleransi sistem terhadap kesalahan burst. Ketika kesalahan burst terjadi, seperti karena fading atau interferensi, hal itu cenderung memengaruhi bit yang berurutan dalam data yang diterima. Jika data didistribusikan dalam interval waktu yang lebih lama, kemungkinan kesalahan burst memengaruhi bit yang berurutan berkurang. Dalam interleaver, aliran data input dibagi menjadi kelompok atau blok kecil, yang kemudian disusun ulang dalam pola tertentu. Data yang disisipkan kemudian ditransmisikan melalui saluran. Di ujung penerima, de-interleaver digunakan untuk menyusun kembali data ke dalam urutan aslinya. Jenis utama interleaving adalah interleaving blok, interleaving konvolusional, dan interleaving bit. Interleaving blok adalah bentuk yang paling sederhana dan melibatkan pembagian aliran data input menjadi blok dan kemudian secara berurutan mentransmisikan bit di setiap blok. Interleaving konvolusional melibatkan pembagian data input ke dalam berbagai cabang dan menunda setiap cabang selama jangka waktu tertentu sebelum transmisi. Interleaving bit menata ulang bit-bit individual dalam aliran data, menyebarkannya dari waktu ke waktu. Interleaving memiliki beberapa keuntungan, termasuk peningkatan kinerja dalam lingkungan kesalahan burst, peningkatan kekebalan terhadap gangguan, dan kemampuan yang lebih baik untuk menangani multi-path fading. Namun, hal ini juga menimbulkan beberapa penundaan dalam sistem dan dapat meningkatkan kompleksitas desain penerima. 2. Time hopping Time Hopping adalah metode time diversity yang digunakan terutama dalam sistem komunikasi Ultra-Wideband (UWB) dan spread spectrum untuk mencapai ketahanan terhadap interferensi dan penyadapan. Dalam Time Hopping, sinyal yang ditransmisikan dibagi menjadi pulsa pendek, dan pulsa ini ditransmisikan pada saat-saat yang dipilih secara acak. Pemancar dan penerima perlu memiliki pola time-hopping yang tersinkronisasi agar penerima dapat mengidentifikasi dan mendekode sinyal yang ditransmisikan dengan benar. Time Hopping dapat dikombinasikan dengan teknik modulasi dan pengkodean lain untuk lebih meningkatkan kinerja sistem komunikasi. Keunggulan Time Hopping meliputi peningkatan kinerja terhadap interferensi pita sempit, peningkatan keamanan, dan kekebalan yang lebih baik terhadap gangguan. Selain itu, Time Hopping menyebarkan energi sinyal pada rentang frekuensi yang lebar, sehingga memungkinkannya untuk hidup berdampingan dengan pengguna lain dalam pita frekuensi yang sama. Namun, teknik ini memerlukan sinkronisasi yang tepat antara pemancar dan penerima, dan dapat menimbulkan beberapa kerumitan dalam desain sistem. 3. Rake Receiver Rake Receiver adalah teknik time diversity yang digunakan terutama dalam sistem CDMA (Code Division Multiple Access) untuk mengatasi multi-path fading. Dalam saluran komunikasi nirkabel, sinyal dapat mengambil beberapa jalur antara pemancar dan penerima karena pantulan, difraksi, dan hamburan yang disebabkan oleh lingkungan. Setiap jalur ini memiliki waktu tunda yang berbeda, dan akibatnya, sinyal yang diterima dapat bergabung secara konstruktif atau destruktif di penerima, yang menyebabkan variasi kekuatan sinyal yang dikenal sebagai fading. Rake Receiver menggunakan beberapa korelator atau jari, yang masing-masing disetel ke waktu tunda yang berbeda sesuai dengan jalur propagasi sinyal yang diterima. Jarijari ini secara independen mendemodulasi sinyal yang diterima dan memberikan estimasi sinyal individual. Rake Receiver kemudian menggabungkan estimasi ini menggunakan jumlah tertimbang untuk menghasilkan sinyal keluaran dengan rasio sinyal terhadap derau (SNR) yang lebih baik. Keuntungan menggunakan Rake Receiver meliputi peningkatan kinerja dalam lingkungan multi-path fading, kekebalan derau yang lebih tinggi, dan kualitas sinyal yang lebih baik. Namun, penerapan Rake Receiver dapat menimbulkan beberapa kerumitan dalam desain sistem, dan kinerjanya mungkin dibatasi oleh jumlah jari yang tersedia dan keakuratan estimasi waktu tunda.
