makalah mimo
TRANSCRIPT
MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT (MIMO)
MIMO merupakan kepanjangan dari Multiple Input, Multiple Output. Istilah ini juga
dipakai pada bidang kontrol dengan garis besar definisi yang sama. Sesuai kepanjangannya,
Sistem ini menggunakan sejumlah M antena pemancar dan sejumlah N antena penerima untuk
dapat mentransmisikan sinyal informasi dari beberapa pengirim ke beberapa penerima. Dalam
bidang komunikasi wireless/radio, MIMO menggunakan multipel antena pada transmitter (Tx)
dan receiver (Rx) untuk meningkatkan kemampuan komunikasi. MIMO merupakan salah satu
bentuk dari Smart Antenna (SA) dan merupakan seni dari teknologi. Berikut adalah ilustrasi jenis
skema input-output antena pada komunikasi wireless:
Berikut adalah ilustrasi sejarah perkembangan skema input-output antena pada
komunikasi wireless:
Teknologi MIMO menarik perhatian riset internasional karena secara signifikan mampu
meningkatkan troughput data dan range (jangkauan) komunikasi tanpa bandwidht frekuensi dan
daya pancar tambahan. Peningkatan itu dicapai dengan efisiensi spektral yang lebih tinggi
(bits/detik/Hz) dan reliabilitas link dengan diversitas. Kenaikan diversitas tersebut mengurangi
efek fading kanal.
Pada gambar diatas, terlihat sistem MIMO dengan antenna pengirim dan penerima yang
lebih dari satu. Antena penerima akan menerima sinyal yang dikirimkan oleh antena
pengirim setelah sinyal tersebut dikalikan dengan suatu matriks kanal. Secara umum, dengan
matriks kanal H, sinyal yang diterima olehantena penerima dapat dirumuskan sebagai berikut:
x1 = h11s1 + h12s2 + ….+ h1NsN
x2 = h21s1 + h22s2 + ….+ h2NsN
xN = hN1s1 + hN2s2 + ….+ hNNsN
atau secara umum dapat digabungkan dalam persamaan, yaitu:
menghasilkan model sinyal sederhana sistem MIMO
dengan untuk semua Nt sinyal digunakan matriks:
matriks H merupakan matriks kanal MIMO yang dibentuk dari estimasi nilai hij
pada kanal transmisi. Matriks ini akan berguna dalam mendapatkan kembali
sinyal informasi pada sisi penerima. Sinyal informasi didapatkan dengan invers matriks H denga sinyal pada sisi penerima (x), seperti terlihat pada persamaan berikut
Prinsip Sistem MIMO
MIMO adalah singkatan dari Multiple Input Multiple Output. Teknologi ini kali pertama
diperkenalkan oleh seorang ahli dari Bell Laboratories pada tahun 1984. Denganeknologi
MIMO, sebuah receiver atau transmitter menggunakan lebih dari satu antena. Tujuannya adalah
untuk menjadikan sinyal pantulan sebagai penguat sinyal utama sehingga tidak saling
menggagalkan. MIMO juga memilki kelemahan, yaitu adanya waktu interval yang menyebabkan
adanya sedikit delay pada antena akan mengirimkan sinyal, meskipun pengiriman sinyalnya
sendiri lebih cepat. Waktu interval ini terjadi karena adanya proses di mana system harus
membagi sinyal mengikuti jumlah antenna yang dimiliki oleh perangkat MIMO yang jumlahnya
lebih dari satu. Model Sistem komunikasi MIMO secara umum dapat dilihat pada gambar di
bawah ini
Untuk bagian atas pada sistem mimo merupakan kanal sedangkan pada bagian bawah
merupakan bagian signal processing dan coding. Komponen RF berada pada kanal karena
mempengaruhi transfer function end-to-end (TF end-to- end). Dalam sistem ini, data Q
dinyatakan dengan symbol vektor b (n) (n adalah indeks waktu) yang diencode kedalam kode x
(n) yang berupa baseband kompleks diskrit time sebanyak dan data dalam bentuk discrete
kompleks pada sisi pemancar. Bagian Coding mendistribusikan data tersebut (simbol) ke block
pulse shaping. Block ini berfungsi untuk mengkonversi data sample time discrete menjadi sinyal
kontinue dalam bentuk (?x), dimana ? adalah frekuensi, selanjutnya akan disalurkan ke input dari
kanal (pada bagian RF chain dan antena). Kanal ()?H menggabungkan sinyal input untuk
memperoleh elemen output pada sistem penerimavektor sinyal rn()?y. Filter yang sesuai
kemudian memproduksi sample data dalam waktu discrete, dan selanjutnya space atau time
decoder membangkitkan data kembali dalam domain waktu ke sisi penerima, Untuk kanal linier
hubungan antara input dan output kanal sistem mimo ditulis dengan persamaan.
Teknik MIMO
Sistem MIMO dapat memanfaatkan keberadaan multipath untuk menciptakan
sejumlah kanal ekuivalen yang seolah-olah terpisah satu sama lain, dimana pada kondisi
normal keberadaan multipath justru merugikan karena menimbulkan fading. Dalam
aplikasinya, terdapat dua macam teknik MIMO yang digunakan dalam sistem komunikasi
nirkabel dan bergerak yaitu:
a. Orthogonal Space Time Block Codes
Pada sistem MIMO yang akan disimulasikan diterapkan metode transmisi Orthogonal
Space Time Block Codes yang merupakan salah satu contoh darimetode linear codes.
Skema transmisi orthogonal space time block code merupakan skema transmisi
yang diperkenalkan oleh Alamouti, seperti yang pada persamaan berikut:
Pada saat t, Tx1 memancarkan sinyal S0 dan Tx2 memancarkan sinyal
S1,kemudian saat t+T, Tx1 memancarkan sinyal –S1* dan Tx2 memancarkan sinyalS0*.
Tanda * merupakan operasi konjugat dari persamaan sinyal yang dimaksud.
Dari Gambar d ia tas , terlihat bahwa pada antena Rx1 persamaan sinyal yang
diterima adalah:
y11 = h11.x1 + h12 .x2 + n11
y12 = -h11.x 2 + h12 .x1 + n12
Sedangkan pada antena Rx2 persamaan sinyalnya adalah:
y21 = h21.x1 + h22 .x2 + n21
y22 = -h21.x 2 + h22 .x1 + n22
Secara umum, persamaan-persamaan di atas dapat dinyatakan dengan
yi1 = hi1.x1 + hi2 .x2 + ni1
yi2 = -hi1.x2 + hi2 .x1 + ni 2
Dimana q=1,..,q
q merupakan jumlah antenna receiver.
b. Spatial Multiplexing
Teknik spatial multiplexing mengirimkan data yang berbeda secara paralel dan
dikodekan secara paralel pula untuk setiap antena trasnmisinya. Tujuan utama
penggunaan teknik ini adalah untuk mencapai kapasitas kanal yang besar, dengan
memecah aliran data berlaju tinggi menjadi sejumlah aliran paralel sesuai dengan
jumlah antena transmitter, masing-masing dengan laju yang lebih rendah dari aliran
aslinya. Aliran-aliran data ini dilewatkan pada matriks khusus yang berfungsi
menggabung-gabungkan sinyal dari semua aliran dengan kombinasi tertentu untuk
ditransmisikan melalui setiap antena. Ini merupakan suatu proses multipleks yang
berlangsung pada dimensi spasial karena setiap kombinasi data paralel ditujukan ke
salah satu antena transmitter.
Gambar Spatial multiplexing
Spatial multiplexing dapat menambah spectrum efisiensi sehingga dapat menambah
kecepatan transmisi data.
Untuk mengestimasi respon kanal pada sistem ini, diterapkan suatu saluran
umpan balik informasi dari antena receiver ke transmitter. Dengan adanya umpan balik
ini, transmitter dapat mengetahui nilai matriks multipleks yang optimum untuk
mendapatkan kapasitas kanal yang maksimal.
Operasi dekomposisi nilai singular (singular value decomposition atau
SVD) merupakan suatu teknik yang digunakan untuk mendiagonalisasi suatu
matriks dan menentukan nilai eigennya, dimana dalam hal ini, bertujuan untuk
mengestimasi matriks respons kanal. Matriks respon kanal yang dihasilkan adalah
.......................................(1.5)
Dua matriks unitaris U dan V, yang dihasilkan oleh operasi ini adalah
matriks multipleks dan matriks demultipleks yang digunakan oleh transmitter dan
receiver. Konfigurasi sistem tersebut kemudian menjadi ekuivalen dengan sistem
transmitter-receiver yang terhubung melalui sejumlah saluran paralel sebanyak T dan R,
tergantung mana yang lebih kecil.
Bila T bernilai lebih kecil dari R, maka sistem ini seolah-olah memiliki T
saluran yang terpisah satu sama lain untuk membawa T aliran data yang berbeda,
masing-masing dengan laju rata-rata 1/T dari laju aliran data aslinya, padahal
seluruh sistem multi antena ini bekerja pada frekuensi yang sama. Dapat
disimpulkan telah terjadi penghematan penggunaan bandwidth sebesar 1/T kali, atau
dengan kata lain terjadi peningkatan kapasitas kanal sebesar T kali. Bayangkan
kondisi ekstremnya, dengan sedikitnya 10 antena pada masing-masing sisi transmitter
dan receiver, aliran data sebesar 1 Mbps dapat dikirimkan ke receiver dengan
bandwidth sekitar 100 kHz saja apabila digunakan modulasi dengan efisiensi 1
bps/Hz. Atau dari sudut pandang yang berlawanan, lebar spektrum 100 kHz yang
sebelumnya hanya mampu membawa sinyal 100 kbps, sekarang mampu mengangkut
data berlaju 1 Mbps dengan menggunakan minimal 10 antena pada setiap sisi
Selain itu, untuk mendapatkan kapasitas kanal yang lebih optimal, dapat digunakan
teknik waterfilling dengan laju sub aliran (substream) transmisi yang lebih cepat
melalui kanal dengan SNR yang lebih tinggi.
c. Spatial diversity
Pada teknik ini, setiap antena pengirim pada sistem MIMO mengirimkan data
yang sama secara paralel dengan mengunakan coding yang berbeda. Tujuannya
adalah mendapatkan kualitas sinyal setinggi mungkin dengan memanfaatkan
teknik diversity pada transmitter dan receiver
Gambar : Spatial Diversity
Diversity secara konvensional diaplikasikan dengan pemasangan antena array
pada sisi receiver, dengan harapan bahwa kualitas sinyal yang diterima dapat
ditingkatkan dari sistem satu antena dalam kondisi kanal fading dengan adanya
multipath. Receive and transmit diversity dapat menanggulangi fading dan secara
signifikan dapat menambah link quality atau dengan kata lain dapat
meningkatkan SNR.
Berikut merupakan blok diagram pada sisi pengirim dan penerima dari Spatial
diversity:
\
Gambar Sisi Pengirim
Gambar Sisi Penerima
Peningkatan kualitas sinyal dapat dilihat berdasarkan nilai parameter penguatan diversity
(diversity gain), yang harganya makin meningkat dengan makin besarnya tingkat diversity
R, yaitu jumlah antena yang digunakan pada receiver. Penggunaan STC (Space Time
Coding) pada sistem MIMO dengan sejumlah T antena transmitter dan R antena
receiver menjanjikan kenaikan tingkat diversity menjadi T×R. Sebagai gambaran, dengan 4
antena pada masing-masing transmitter dan receiver, sistem MIMO dengan STC diharapkan
mampu menyediakan tingkat diversity yang setara dengan metode konvensional
menggunakan 16 antena pada receiver
SISTEM C-MIMO
Untuk MIMO konvensional atau dikenal sebagai Colocated MIMO(C MIMO) terdapat beberapa
kasus khusus yang terjadi yaitu
a. Kanal C MIMO ideal
Ketika fading tidak berkorelasi pada kedua sisi pemancar dan penerima dan terdapat
sejumlah besar jalur independent antara keduanya ( L→∞), dengan teori central limit
matriks kanal yang mempunyi tipe full rank dan dalam keadaan baik dapat ditulis sebagai
berikut : H=ΦHw
b. Korelasi Fading.
Ketika fading berkorelasi pada kedua sisi yang berkaitan dengan ketidak sesuaian
scattering, jarak antena atau sebaran sudut, tetapi masih dalam keadaan L→∞, kanal
matriks di atas menjadi
SISTEM D-MIMO
Sistem D-MIMO merupakan sistem MIMO terdistribusi dengan M jumlah antena penerima
yang dikelilingi oleh banyaknya K port dengan N jumlah antena pemancar. Dapat ditulis sebagai
D-MIMO (M,N,K). Lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar
Dalam pentransmisian sinyal informasi dari pemancar ke penerima pada sistem D-MIMO
akan mengalami fading. Fading didefinisikan sebagai fenomena fluktuasi acak pada level sinyal
yang diterima, yang disebabkan oleh banyaknya lintasan pada transmisi sinyal.
Gambar Distributed MIMO (M,N,K)
Fading dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu fading skala besar dan fading skala kecil[4].
Fading skala besar berhubungan dengan rugi-rugi lintasan sinyal sebagai fungsi jarak dan
shadowing yang disebabkan oleh obyek yang besar seperti bangunan dan perbukitan. Ini terjadi
seperti peralatan mobile berpindah melalui jarak pada daerah cakupan. Sejak variasi akibat
shadowing terjadi relatif dalam jarak yang jauh dan fluktuasi level sinyal yang lambat, variasi ini
disebut dengan fading skala besar.
Sedangkan fading skala kecil digunakan untuk menjelaskan perubahan fluktuasi amplitudo
sinyal radio pada periode waktu dan jarak yang pendek.
Hasil dari fading tersebut maka kanal D-MIMO dapat ditulis sebagai berikut :
Hd∼√d−n . 10σ
10.h
dengan :
Hd = kanal D-MIMO
d = jarak pemancar dan penerima
n = pangkat dari jarak
= standar deviasi dari shadowing
h = kanal berdistribusi Rayleigh
Aplikasi MIMO
1. Evolution Data Only (EvDO)
Evolution Data Only (EvDO) adalah suatu protokol data wireless radio broadband yang
diadopsi oleh banyak provider telepon bergerak CDMA sebagai bagian dari standar CDMA2000.
CDMA 2000 1X EvDO adalah teknologi komunikasi wireless generasi ketiga yang memenuhi standar
IS-856. Chip rate yang digunakan adalah 1.2288 Mbps. EvDO ini dapat menyediakan layanan data
paket yang berkecepatan tinggi dengan memakai secara penuh spektrum carrier 1.25 Mhz
2. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) adalah sebuah tanda
sertifikasi untuk produk-produk yang lulus tes cocok dan sesuai dengan standar IEEE 802.16.
WiMAX merupakan teknologi nirkabel yang menyediakan hubungan jalur lebar dalam jarak
jauh. WiMAX merupakan teknologi broadband yang memiliki kecepatan akses yang tinggi
dan jangkauan yang luas. WiMAX merupakan evolusi dari teknologi BWA sebelumnya
dengan fitur-fitur yang lebih menarik. Disamping kecepatan data yang tinggi mampu
diberikan, WiMAX juga membawa isu open standar. Dalam arti komunikasi perangkat
WiMAX diantara beberapa vendor yang berbeda tetap dapat dilakukan (tidak proprietary).
Dengan kecepatan data yang besar (sampai 70 MBps), WiMAX layak diaplikasikan untuk
‘last mile’ broadband connections, backhaul, dan high speed enterprise.
Yang membedakan WiMAX dengan Wi-Fi adalah standar teknis yang bergabung di
dalamnya. Jika WiFi menggabungkan standar IEEE 802.11 dengan ETSI (European
Telecommunications Standards Intitute) HiperLAN sebagai standar teknis yang cocok untuk
keperluan WLAN, sedangkan WiMAX merupakan penggabungan antara standar IEEE 802.16
dengan standar ETSI HiperMAN.