Modul#8 TTG3D3 Antena dan Propagasi
Komunikasi Gelombang Ruang dan Gelombang Ruang Bebas Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT
1
Outline Analisis Lengkungan Lintasan Gelombang Elektromagnetik Gelombang Ruang: Komunikasi LoS (Line of Sight) Geometri Perencanaan LoS Gelombang Ruang Bebas
2
Pendahuluan Komunikasi pada frekuensi di atas 30 MHz umumnya adalah komunikasi gelombang ruang ( Line Of Sight dan Wireless ) dan gelombang ruang bebas ( Space Communication ) 3 kHz
300 GHz Radio Communication Radio, microwave, satellite
VLF 3 kHz
LF
30 kHz
Surface
MF 300 kHz
HF 3 MHz
Tropospheric
VHF
UHF
30 MHz 300 MHz
Ionospheric
SHF
3 GHz
Space & Line Of Sight
EHF
30 GHz
300 GHz
Space
3
Nachwan Mufti A
Analisis Lengkungan Lintasan Gelombang Elektromagnetik
4
Tujuan Analisis Lengkungan Terutama untuk komunikasi jarak jauh Jarak dekat: bumi dianggap datar, gelombang dianggap lurus Berkas gelombang melengkung dipengaruhi indeks bias atmosfir
Permukaan bumi melengkung & gelombang juga melengkung Gambar analisis lintasan: Lengkungan gelombang EM ditransformasi menjadi garis lurus Lengkungan bumi (jari-jari = R) ditransformasi lengkungan baru dengan jari-jari = Reff
Analisis lintasan GEM
dalam Profile Chart 5
Tidak tepat jika dalam perencanaan menggambarkan muka bumi sebagai lengkungan dan lintasan GEM juga sebagai lengkungan
“di realita...”
“dalam analisis ..”
Jari2 bumi =R Transformasi geometrik
Reff = k R
Pusat bumi 6
Lengkungan Gelombang EM… • Persamaan lengkungan GEM…
dn 1 =− dh ρ
ρ = Jari-jari lengkungan lintasan gelombang EM ( dipengaruhi oleh perubahan indeks bias terhadap ketinggian )
Kasus : Atmosfer Standar
N = (n −1)106 = 289e(−0,136h)
dn = −0,136 .289.10 −6. exp (− 0,136 h ) ) dh untuk hkm kecil , didapatkan :
1 dn = −39,3.10 −6 km = − ρ dh
ρ ≈ 25.445 km ≈ 25.000 km ( ATM standar, hkm kecil )
7
Nachwan Mufti A
Transformasi ⇔ Jari-Jari Efektif Bumi Lengkung muka bumi ditransformasi menjadi lengkungan baru dengan Jari-Jari Efektif Bumi = kR
R eff = k R
dimana, Reff = Jari-jari lengkung bumi hasil transformasi k = faktor kelengkungan bumi ( dipengaruhi atmosfer ) dan,
k=
1 1+ R
dn dh
atau
k=
1 1− R
ρ
• Untuk atmosfer standar, R = 6370 km dan ρ = 25000 km (perhitungan sebelumnya ), didapatkan : 1 1 4 4 k= = ≈ sehingga R eff = k R = 6370 = 8500km 6370 R 3 1− 3 ρ 1− 25000 Nachwan Mufti A
8
• Kasus-Kasus :
k=4
3
0 < k <1
0
k<0
Secara praktis : 0,5 < k < 6 (kebanyakan) Nachwan Mufti A
9
Jarak Horison Radio
(kR)2 + dt2 = (kR + ht )2 dt
• Didapatkan, untuk ht << R
ht
dt = 2 k R ht kR
kR
• Jika dt dalam mil dan ht dalam feet,
dt (mi) = • Jika jarak horison Rx = dr , maka :
Contoh :
Sesuaikan satuannya !
3 k ht ( ft ) 2
dtot = dt + dr = 2 k R
[ h +h ] t
r
ATM standar (R=6370, k = 4/3) didapatkan ,
[
dtot = 4,12 ht ( meter) +hr ( meter)
]
( km)
Rumus praktis !
Untuk ht = 100 m dan hr = 1,5 meter ⇒ dtot = 46,2 km
10
Nomogram Horison Radio
Nachwan Mufti A
11
Profile Chart Profile chart digunakan dalam perencanaan untuk mengetahui apakah 2 titik di atas permukaan bumi terletak pada garis pandang radio dan obstacle di sepanjang lintasan K = 4/3
Untuk menggambar garis lengkung :
900 m 800 m
xB yB
700 m 600 m
hr
Jari-Jari Fresnell
xB2 yB = − 2Reff
Tapi yang lebih cocok dipakai ( sesuai skala )
500 m 400 m
yB = −c xB2
300 m
Dengan c (konstanta) :
ht 200 m
obstacl e
100 m
d2
d1 50
40
c~
30
20
10
Nachwan Mufti A
0
10
20
30
40
50 Sesuai
1 k
kebutuhan ! 12
Klasifikasi Komunikasi > 30 MHz Gelombang Ruang Asumsi : Terdapat gelombang langsung dan gelombang pantul
Komunikasi Line Of Sight Rugi lintasan umumnya dianggap free space
Komunikasi Jarak Dekat (mis. Mobile Communication)
Komunikasi di atas 30 MHz
Rugi lintasan orde β Plane Earth Propagation Model
Gelombang Ruang Bebas Asumsi : Hanya terdapat gelombang langsung saja Rugi lintasan free space Nachwan Mufti A
Gelombang Ruang: Ruang: Komunikasi LoS (Line of Sight) Sight)
14
Digital Radio Microwave Long Haul >25 km (typically 50-80 km) Exceptionally fine visibility required for LOS survey Antenna heights typically very high e.g. 60-80 m
Medium Haul 10-25 km Good visibility required Approx. 10 days/month provide right conditions
Short Haul 0-10 km Visibility unlikely to cause problems esp. 2-5 km DMR 38 (3-7 km) ideal for urban links and dense networks
Modul 3 - Line of Sight Planning
15
Pengaruh frekuensi terhadap jangkauan Frequency Bandwidth Band (GHz) (GHz)
Long haul
Medium haul
Short haul
Max Hop Length
2 GHz
1.7 - 2.7
~ 80 km
7 GHz
7.1 - 7.7
~ 50 km
13 GHz 15 GHz
12.75 - 13.25 ~ 40 km 14.40 - 15.35 ~ 35 km
18 GHz 23 GHz 26 GHz 38 GHz
17.7 - 19.7 21.2 - 23.6 25.25 - 27.5 36.0 - 40.5
Modul 3 - Line of Sight Planning
~ 20 km ~ 18 km ~ 15 km ~ 10 km
16
Overview Komunikasi LoS Modulasi: analog (FM) ataupun modulasi digital pelajari ambang daya terima (Pth)
Pathloss: Rumus transmisi Friis + faktor koreksi (jika ada)
Komunikasi LoS : Komunikasi point to point yg umumnya digunakan untuk broadband communication , dengan frekuensi pembawa umumnya diatas 1 GHz
Informasi: Kanal telepon , Informasi data, telegraph dan telex, Facsimile, Video, Telemetry, dsb
Jarak (d) : 10 – 100 km
17
Pengaruh penghalang (obstacle obstacle)) Gelombang dianggap melewati celah lingkaran berjari-jari tertentu dianalisis dgn Teori Difraksi Fressnell Kirchoff
Sinyal terima adalah hasil superposisi gelombang langsung dan gelombang pantul
18
Analisis…Teori Difraksi Fresnell - Kirchoff Teori difraksi Fresnell-Kirchoff : untuk menjelaskan difraksi gelombang (cahaya) yang melalui suatu celah Berdasarkan prinsip Huygens tiap titik yang dilalui gelombang dapat dianggap sebagai sumber titik gelombang, sehingga gelombang yang dipancarkan dapat dianggap sebagai superposisi gelombang dari sumber-sumber titik tersebut Tx
Agustien Jean Fresnel
ln
l1
Rn
d1
Rx d2
d
dinding Bidang lingkaran yang dibatasi R1 Daerah Fresnell I R1
O
Bidang lingkaran yang dibatasi R2 Daerah Fresnell II
R2
Dan seterusnya….
Nachwan Mufti A
Analisis…Teori Difraksi Fresnell - Kirchoff
Tx
ln
l1
Rn
d1
Rx d2
d
dinding
Jari-jari Fresnell diperoleh dari konsep perbedaan fasa antara gelombang pantul dan gelombang langsung,
Et = E1 + E2 O
R1 R2
(l1 + ln ) − (d1 + d2 ) = n λ
Et = Exoe jφ1 + R Exoe j(φ1 +φR ) Karena, Jarak Tx-Rx >> tinggi menara, maka biasa dianggap REV = REH = 1 , dan φR = π
2
Untuk d1 >> 10 d2 , maka : l1 ≈ d1 Sehingga,
Nachwan Mufti A
ln − d2 = n
λ 2 20
Analisis…Teori Difraksi Fresnell - Kirchoff Jari-jari Fresnell dapat dihitung sbb : 2
λ λ ln − d 2 = n ⇒ l2n = n + d2 2 2 2 λ 2 2 2 2 R n = ln − d2 ⇒ R n = n + d2 − d22 22 λ R 2n = n − nλd2 2 Karena nλ << d, maka :
R n = nλd2
Rn akan berubah kontinyu terhadap perubahan d1 dan d2
Untuk kasus yang lebih umum, d1 ≈ d2
Rn =
nλd1d2 d
max untuk d1 = d2
Rn =
nλd 4 21
Nachwan Mufti A
Analisis…Rumus praktis jari-jari Fresnell I
R I = 17.3
d1d2 d.fGHz
R1 = jari-jari fresnell ( dalam meter ) d1 , d2, dan d = jarak ( dalam kilometer ) f = frekuensi ( dalam GHz )
R I = 72.1
d1d2 d.fGHz
R1 jari-jari fresnell ( dalam feet ) d1 , d2, dan d = jarak ( dalam statute-mile ) f frekuensi ( dalam GHz )
Nachwan Mufti A
22
Analisis…Arti fisis jari-jari Fresnell a. Medan yang diterima dari daerah Fresnell ganjil adalah sefasa, demikian juga yang berasal dari daerah Fresnell genap. Tetapi antar keduanya berlawanan fasa b. Jika ada sebuah layar dengan luas tak berhingga, dilubangi sebesar daerah Fresnell I, maka penerimaan kuat medan di penerima adalah 2 kali penerimaan kuat medan tanpa layar c. Jika lubang diperbesar lagi seluas daerah Fresnell II, maka penerimaan kuat medan di penerima adalah = 0
Clearance Factor = CR1
CRI =
clearance C = first fresnellradius R I
d. Pembesaran lubang dilanjutkan, maka diperoleh penerimaan kurang dari 2 kali….mengecil….sampai 1 kali seperti tanpa layar e. Pada lubang dengan jari-jari = 0,6 jari-jari fresnell I, maka kuat medan penerimaan sama dengan kuat medan penerimaan jika tanpa layar 23
Rugi Lintasan… Lp Pada lubang dengan jari-jari = 0,6 jari-jari fresnell I, maka kuat medan penerimaan sama dengan kuat medan penerimaan jika tanpa layar
Redaman lintasan (pathloss) dianggap seolah adalah redaman ruang bebas (free space loss) , jika clearance factor = 0,6
Lfs (dB) = 32,5 + 20 logf( MHz) + 20logd( km) Lfs (dB) = 92,45 + 20log f(GHz) + 20log d(km) Lfs (dB) = 36,5 + 20 logf (MHz) + 20 logd(mi) Jika clearance factor ≠ 0,6 Nachwan Mufti A
Pathloss terkoreksi dari nilai Lfs 24
Rugi Lintasan… koreksi harga pathloss Pathloss ( dB ) = 32,5 + 20 log f ( MHz ) + 20 log d ( km ) + f koreksi Fresnell zone numbers 1
2
3
4
5
6
Interference zone
Obstruction zone
0
0 R=
- 10
E ife Kn
dg
if eD
f ra
n ctio
Flat Earth R = -1
Line Of Sight cti on
=
oo
th
Sp
he re
Dif
f ra
R
- 20
3 0.
Sm
- 30 R
=1
.0
From Free Space ( dB )
+ 10
R = Koefisien Refleksi - 40 -1
- 0.5
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Clearance Factor
Sumber : Nachwan Mufti A
Freeman, Roger L, “ Radio System Design For Telecommunications (1-100 GHz) ”, John Willey & Sons, 1987
4 Step Proses Desain 1. Perencanaan awal dan pemilihan lokasi menara Meliputi perencanaan modulasi, beberapa syarat sistem komunikasi (digital / analog), besar informasi yang hendak dikirimkan, jenis service ( syarat QoS ) , dsb. Perencana juga harus mengetahui apakah komunikasi yang dilakukan adalah independen atau merupakan bagian dari network yang lebih besar
2. Menggambar profil lintasan Yang diperhatikan : profile bumi sepanjang lintasan, path clearance, refleksi bumi.
3. Analisis lintasan Daya pancar yang diperlukan, metoda-metoda perbaikan
4. Survey lokasi Detail lokasi site (lintang dan bujur), lokasi antena, ketersediaan catu daya, data cuaca lokasi, survei EMI (Electromagnetic Interference), dan berbagai faktor pembatas lokasi lainnya.
Detail dari perencanaan komunikasi LOS diberikan dikuliah Perencanaan Radio Terestrial. Kuliah Antena dan Propagasi terutama membahas tentang point 2 dan 3 di atas Nachwan Mufti A
26
Review: Power Link Budget EIRP
PT
LP = 32,45 + 20log f(MHz) + 20 log d(km) Lft
GT GR
Lft
PR
Fading Margin dihitung dgn rumus Barnett-Vignant utk reliability yg diinginkan Threshold
Noise Figure
C
N
↔ BER
Effective Noise Spectral Density Noise Spectral Density
Nachwan Mufti A
27
Koordinat Site & Jarak Antar Site
Koordinat Site : Dinyatakan dalam garis lintang dan garis bujur, dengan satuan derajat Dibelahan bumi utara garis lintang utara, dibelahan bumi selatan garis lintang selatan Disebelah timur kota Greenwich (Inggris) garis bujur timur, disebelah baratnya garis bujur barat Koordinat suatu site yang tidak pada garis lintang/bujur dalam topografi dihitung dengan mempergunakan interpolasi (perkiraan)
Modul 3 - Line of Sight Planning
28
Koordinat Site & Jarak antar Site (cont’d)
Jarak antar Site: Usahakan < 40 km bisa lebih dari 40 km, tetapi pertimbangkan biaya dan tinggi tower (mungkin perlu solusi repeater (aktif / pasif) Dihitung dengan cara :
Buat garis lurus antara kedua titik yang telah dipilih pada peta topografi Ukur panjang garis lurus tersebut Kalikan hasil ukur dengan besarnya skala pada peta topografi Modul 3 - Line of Sight Planning
29
Koordinat Site & Jarak antar Site (cont’d) U Jarak antara 2 titik koordinat dapat juga dicari dari rumus berikut : L y
x
B
B
Z
tor Ekua
LA A BA
BB
S
1 1 tan (L A − L B )sin (y + x ) 2 2 Zo = 2 tan −1 1 sin (y − x ) 2
Jarak A-B = Zo x 111,12 (km) = Zo x 69,05 (mile) = Zo x 60,00 (n.mile)
Catatan: posisi koordinat (bujur dan lintang) dapat diketahui dari penerima GPS Modul 3 - Line of Sight Planning
30
Koordinat Site & Jarak Antar Site (cont’d)
Arah Antar Site: Dinyatakan dengan sudut azimut (bearing), satuan derajat. Dihitung dari arah utara diputar searah jarum jam True north True north Sudut bearing
B Sudut bearing
A
Modul 3 - Line of Sight Planning
31
Geometri Perencanaan LoS
32
Desain komunikasi LoS dalam Profile Chart K = 4/3 900 m 800 m
xB yB
700 m 600 m
hr
Jari-Jari Fresnell
500 m 400 m 300 m
ht
obstacle
200 m 100 m
d2
d1 50
40
30
20
0
10
10
20
30
40
50
Digambar, verifikasikan daerah fresnel-nya, dan rekomendasikan ketinggian antena yang diperlukan ! Nachwan Mufti A
Analisis Koreksi Kelengkungan Bumi d d t = = 2 k R ht 2
2
d = 2kRy 2
ht =y
2
x = 2kRy
x2 y=− 2kR
Tanda minus (-) karena anggap sbg kurva parabola terbalik
d =x 2 x
y
d 34
Tinggi koreksi kelengkungan bumi (yx atau hcorrected) y = x2
y = -x2
d ) ( = 2 − 2
yx = h − y
yx
2kR
x2 2kR
x2 y=− 2kR
x y h
y x = hcorrected
d 2
35
Tinggi koreksi kelengkungan bumi (yx atau hcorrected) d ) ( = 2 −
yx
2kR
d ) (d − d ) ( = 2 − 2 2
2
2
x 2kR
yx
2
yx =
2
2kR
2kR
d1d 2 2kR
x y h d1 Modul#1 - Pengenalan Silabus dan Kontrak Belajar
y x = hcorrected
d2 36
Analisis Path ProfileProfile-LOS
400 E 350 D
300
hB cx
250
ho A
200
B
C
hA 150
yB yo
dA
100
dB
yA 50 0
d
yx -30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Modul#1 - Pengenalan Silabus dan Kontrak Belajar
30 37
Analisis Geometri… hp h1
tp t h2
d1
t=
d2
h1d 2 + h 2 d1 d 2 + d1
Modul#1 - Pengenalan Silabus dan Kontrak Belajar
hp = Clear
38
Tugas#2 Perencanaan LOS Rencanakanlah link transmisi radio LOS antara 2 titik di permukaan bumi dengan data-data sebagai berikut: hM2
Frekuensi = 2,5 GHz K = 4/3
R1
hp = 250 m
hB2
hM1
= 300 m
hB1 = 50 m
hc
D1 = 25 km
D2 = 15 km
39
Pertanyaan: 1. Hitung hc (tinggi koreksi kelengkungan bumi, diinginkan clearance factor 100% 2. Jika diinginkan ketinggian hm1 dan hm2 SAMA, berapakah ketinggian kedua menara untuk mencapai komunikasi LOS (line of sight), dimana R1 diharapkan clear (Clearance Factor = 100%) 3. Rekomendasikan diameter antena minimum yang diperlukan di kedua menara, jika : • Redaman kabel = 0,5 dB/meter, daya pancar 5 Watt, daya threshold receiver = -90 dBm • Redaman konektor diabaikan • Diinginkan reliability 99,9% yang membutuhkan fading margin 40 dB Catatan: efisiensi antena parabola = 50% Modul#1 - Pengenalan Silabus dan Kontrak Belajar
40
Menghitung Fading Margin (FM)…rumus Barnett-Vignant Rumus Barnett-Vignant untuk menghitung fading margin microwave link stasioner (LOS terrestrial) …
Fading Margin Reliability 10 dB 20 dB 30 dB 40 dB
90% 99% 99,9% 99,99% 41
Nachwan Mufti A
Peranan Antena Gelombang ruang terdiri 2 komponen, yaitu gelombang langsung dan gelombang pantul , yang komposisinya selain tergantung pada koefisien refleksi, juga tergantung pada diagram arah antena
θ
θ
ϕ
ϕ ϕ
ϕ
• Pada antena dengan gain besar dan jarak Tx-Rx kecil ϕ besar, sehingga GEM langsung cukup besar dibandingkan GEM pantul (pengaruh gelombang pantul cukup kecil )
• Pada jarak yang jauh, ϕ 0 besar, perbandingan gelombang langsung terhadap gelombang pantul mendekati 1 Nachwan Mufti A
42
Peranan Antena…. Contoh: 4π ≈ 2,1o 4 10 100 ⇒ sudut ϕ ≈ tan−1 ≈ 0,2o 4 3.10
GA = 40 dB ⇒ beamwidth : θ1 = φ1 = hA = 100 m ; d = 60 km
Sehingga perbandingan antara GEM langsung dan GEM pantul mendekati 1 !! • Untuk ϕ << , dan
E tot = 2E1 sin
R ≈ 1.e jπ
2πh t h r λd Pola pancar dari antena juga menjadi dasar bagi perhitungan interferensi. Diskusikan !!
43
Nachwan Mufti A
Rugi Lintasan Orde β •
Penerima tidak hanya menerima gelombang langsung dan gelombang pantul, tetapi juga gelombang pantulan dari obyek-obyek yang lain. 2π
n j (di −d0 ) λ λ PRx = PTx cosφ0 + ∑ R i (φi )e λ cosφi 4πd0 i =1 4πdi
2
dengan : cos φ = PLF masing masing lintasan n = jumlah lintasan pantul Ri(φI) = koefisien refleksi masing-masing pemantul •
•
Pengembangan model Friis tersebut diatas sulit diaplikasikan (jumlah lintasan >>), sehingga dibuat model sederhana sbb : d = jarak Tx ke Rx β = orde rugi lintasan Nachwan Mufti A
PTx = dβ PRx
Rugi Lintasan Orde β Aplikasi Sistem Komunikasi Bergerak umumnya : 1<β<5 tergantung dari tipikal daerah yang ditinjau : urban, suburban, atau rural β disebut pathloss exponent Dengan asumsi bahwa gelombang pantul sangat signifikan ( terdapat 1 gelombang langsung dan satu gelombang pantul ), maka : β=4 PTx 4
PRx
=d
Harga β = 4 tersebut di atas sering juga digunakan sebagai model teoritis pada sistem komunikasi bergerak, sering disebut sebagai Plane Earth Propagation Model Nachwan Mufti A
45
Gelombang Ruang Bebas
46
Overview Gelombang ruang bebas (space wave) atau disebut juga sebagai gelombang langsung (direct wave) dipakai pada komunikasi antara stasiun bumi dengan satelit, atau komunikasi antar satelit itu sendiri. Seperti juga komunikasi Line Of Sight, komunikasi satelit membawa beragam informasi, suara ataupun data.
Band Name Frequency L band S band C band X band Ku band K band Ka band
1 - 2 GHz 2 - 4 GHz 4 – 8 GHz 8 – 12 GHz 12 – 18 GHz 18 – 27 GHz 27 – 40 GHz
Jarak Komunikasi •
Geostasioner sekitar 36.000 km
Nachwan Mufti A
47
Tipikal Kanal • Fading sangat kecil karena hampir tidak ada pantulan, kecuali karena hujan dan awan yang menyebabkan resonansi bagi frekuensi tertentu ⇒ Fading margin tidak perlu • Redaman akibat cuaca dan hujan biasanya dipertimbangkan dalam perencanaan ⇒ Disebut Margin Hujan • Karena fading kecil, maka ketelitian 0,1 dB sering diperhitungkan untuk redaman sekitar 100 dB, terutama pada 4 GHz dimana deraunya rendah
Perbaikan Sistem dan Device • Peralatan PA, HPA, dan LNA sangat peka dan mahal • Sistem deteksi rumit, TED (Threshold Extension Devices), desain sinyal sangat kritis dalam hal level dan derau Nachwan Mufti A
48
3 Tipe Karakteristik Peralatan Komunikasi Ruang Angkasa I. Di planet bumi • Derau besar karena temperatur tinggi (man made noise) • Daya besar pancar mudah dibuat, frekuensi uplink umumnya lebih besar dari frekuensi downlink • Gain antena besar, struktur besar, pengarahan harus teliti sistem kontrol II. Di satelit • Derau kecil • Daya pembangkit mahal, daya terbatas untuk ukuran kecil • Gain antena besar, mahal, masalah stabilisasi, dan pengarahan antena cukup sulit • Reliability paling penting III. Antar kendaraan ruang angkasa • Sederhana , segala frekuensi dapat dipakai termasuk cahaya • Kendala terbesar : pengarahan dan trackin antar kendaraan ruang angkasa Nachwan Mufti A
Devices Antena di dalam radome untuk hubungan LOS Stasiun bumi
Satelit pemantau cuaca Nachwan Mufti A
50
Lampiran: Nomogram pathloss
Nachwan Mufti A
End Of Modul#8
52
