Menuju 4G dengan MIMO Oleh: Gamantyo Hendrantoro
Belum lagi tuntas implementasi sistem nirkabel generasi ketiga alias 3G, termasuk di Indonesia, orang sudah mulai memikirkan generasi berikutnya, yaitu generasi keempat (4G). Sistem 4G yang sedang diteliti oleh para pakar di seluruh dunia ini dijanjikan dapat mengirimkan data sampai lebih dari 20 Mbps. Lingkup istilah 4G tidak hanya memayungi versi nirkabel dari LAN seperti yang dibakukan oleh IEEE dalam standar 802.11 di mana pelanggan berkomunikasi dari notebook atau desktop-nya sambil duduk diam, namun juga meliputi generasi penerus dari sistem komunikasi bergerak 3G. Di sini tampak bahwa fitur yang ditekankan pada sistem 4G adalah pencapaian kapasitas yang tinggi dengan tetap menjaga mobilitas bagi pelanggannya. Teknologi relatif baru yang kini sedang dipuja-puji berbagai pakar karena kemampuannya meningkatkan secara drastis kapasitas maupun kualitas kanal nirkabel adalah teknologi multi-antena MIMO (multi-input multi-output), di mana baik BTS maupun terminal pelanggan menggunakan lebih dari satu antena yang bekerja pada frekuensi yang sama. Sebagai contoh, misalkan pemancar memiliki M antena, masing-masing mengirimkan sinyal yang berbeda-beda, sedangkan penerima menggunakan N antena. Semua sinyal dari M antena pemancar akan sampai pada setiap antena penerima dalam keadaan tercampur baurefek ini secara matematis dinyatakan dalam respons kanal yang berbentuk matriks berukuran NM. Namun, dengan bantuan lintasan propagasi radio yang jamak akibat adanya berbagai obyek penghambur gelombang di sekeliling antena, perangkat penerima dapat didesain untuk mampu memilah-milah sinyal yang berbeda-beda tersebut. Malah sistem MIMO mampu memanfaatkan keberadaan lintasan jamak ini untuk menciptakan sejumlah kanal ekivalen yang seolah-olah terpisah satu sama lain. Ini bisa dipandang sebagai suatu mukjizat tersendiri karena pada kondisi normal keberadaan lintasan jamak justru bersifat merugikan sebab menimbulkan fading. Aplikasi MIMO pun kemudian dapat diarahkan untuk mencapai dua tujuan yang berbeda yang diwujudkan dalam dua teknik: multipleks spasial dan pengkodean ruang-waktu. Multipleks spasial Aplikasi pertama diperoleh jika sistem pemancar dan penerima dioperasikan dalam mode yang disebut multipleks spasial (spatial multiplexing) dengan tujuan untuk mencapai kapasitas kanal yang besar. Pada multipleks spasial, aliran data berlaju tinggi dipecah-pecah menjadi sejumlah aliran paralel sesuai dengan jumlah antena pemancar, masing-masing dengan laju yang lebih rendah dari aliran aslinya. Sebelum masuk ke antena, aliran-aliran data ini dilewatkan pada matriks khusus yang berfungsi menggabung-gabungkan sinyal dari semua aliran dengan kombinasi tertentu untuk dipancarkan melalui setiap antenasuatu proses multipleks yang berlangsung pada dimensi spasial karena setiap kombinasi data paralel ditujukan ke salah satu antena pemancar. Jika diasumsikan terdapat saluran umpan balik informasi dari penerima ke pemancar, penerima dapat melakukan estimasi respons kanal (dengan training sequence misalnya) dan mengumpanbalikkan informasi ini kepada pemancar. Pemancar kemudian dapat mengetahui bagaimana seharusnya dia menata matriks multipleks agar dapat dicapai kapasitas kanal yang setinggi-tingginya. Teknik yang pertama kali diusulkan di sini adalah dengan menerapkan operasi dekomposisi nilai singular (singular value decomposition atau SVD) pada matriks respons kanal. Dua matriks unitary, biasa disimbolkan sebagai U dan V, yang dihasilkan oleh operasi ini adalah matriks multipleks dan demultipleks yang harus digunakan oleh pemancar dan penerima. Konfigurasi sistem kemudian menjadi ekivalen dengan sistem pemancar-penerima yang terhubung melalui sejumlah saluran paralel sebanyak M atau N, tergantung mana yang lebih kecil. Sebagai contoh, misalkan M bernilai lebih kecil dari N, maka sistem ini seolah-olah memiliki M saluran yang terpisah satu sama lain untuk membawa M aliran data yang berbeda, masing-masing dengan laju rata-rata 1/M dari laju aliran data aslinya, padahal seluruh sistem multi-antena ini bekerja pada frekuensi yang sama. Kesimpulannya jelas, telah terjadi penghematan penggunaan bandwidth sebesar 1/M kali, atau dengan kata lain, terjadi peningkatan kapasitas kanal sebesar M kali. Bayangkan kondisi ekstremnya, dengan sedikitnya 10 antena pada masing-masing sisi pemancar dan penerima, aliran data sebesar 1 Mbps dapat dikirimkan ke penerima 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. Kesimpulan yang sangat menggiurkan ini diupayakan terealisasi oleh para ahli dengan susah payah. Tantangan utama adalah penyediaan saluran umpan balik dengan estimasi respons kanal yang cepat dan akurat. Implementasi yang lebih realistis, yaitu pada kondisi di mana tidak ada saluran umpan balik dari penerima ke pemancar, adalah dengan menyalurkan aliran-aliran data berlaju rendah secara apa adanya ke antena pemancar yang bersesuaian. Kondisi ini sama saja dengan memasang matriks identitas sebagai matriks multipleks pada pemancar. Jika cara ini diterapkan, penerima perlu menggunakan teknik deteksi yang mirip dengan deteksi multi-user pada sistem CDMA untuk dapat memisah-misahkan sinyal dari aliran data yang berbeda yang telah tercampur baur pada setiap antenanya. Pada penerima yang berarsitektur BLAST (Bell Labs Layered Space-Time Architecture), digunakan teknik deteksi dengan penghapusan interferensi antar-aliran data secara bergantian yang dimulai dari aliran data dengan kualitas sinyal terbaik, teknik yang biasa disebut successive interference cancellation atau SIC. Arsitektur BLAST adalah sistem deteksi yang pertama kali berhasil diuji coba secara eksperimental pada sistem pemancar-penerima MIMO yang riil. Jenis aplikasi MIMO yang kedua adalah sistem pengkodean ruang-waktu (space-time coding atau STC). Tujuannya adalah mendapatkan kualitas sinyal setinggi mungkin dengan memanfaatkan teknik diversity pada pemancar dan penerima (Tentang teknik diversity, baca Meningkatkan Kinerja Sistem Komunikasi Radio dengan Teknologi Multi-antena di Kompas, Sabtu 6 November 2004). Konvensional Diversity secara konvensional diterapkan dengan memasang lebih dari satu antena pada penerima, dengan harapan bahwa kualitas sinyal yang diterima dapat ditingkatkan dari sistem satu antena dalam kondisi kanal fading dengan adanya lintasan jamak. Besarnya peningkatan ini diukur dengan parameter diversity gain, yang harganya makin meningkat dengan makin besarnya tingkat diversity N, yaitu jumlah antena yang digunakan pada penerima. Penggunaan STC pada sistem MIMO dengan M antena pemancar dan N antena penerima menjanjikan kenaikan tingkat diversity menjadi M×N. Untuk memberikan bayangan, dengan empat antena pada masing-masing pemancar dan penerima, sistem MIMO dengan STC diharapkan mampu menyediakan tingkat diversity yang ekivalen dengan metode konvensional yang menggunakan 16 antena pada penerima. Bentuk STC yang paling sederhana dan termasuk penemuan paling awalmalah sudah sempat diterapkan pada beberapa sistem 3Gadalah sistem pengkodean blok STBC (space-time block codes) hasil temuan Siavash Alamouti pada tahun 1998 yang penerapannya terbatas pada sistem dengan dua antena pemancar. Pada sistem STBC ala Alamouti, aliran data yang sama dipancarkan melalui kedua antena pemancar. Namun, sebelum siap dipancarkan, aliran data yang menuju ke setiap antena mengalami perlakuan yang berbeda. Setiap dua simbol data akan tetap dikirimkan dalam dua periode simbol, namun pada antena kedua urutan simbolnya dibalik, dikonjugasikan, dan salah satunya dinegatifkan. Tujuan dari perlakuan yang kelihatannya ruwet namun sebenarnya cukup sederhana ini adalah untuk memudahkan pemisahan kedua simbol pada penerima sedemikian hingga deteksi dua simbol yang semula harus dilakukan bersamaan pada sinyal campuran sekarang dapat dipecah menjadi dua proses deteksi simbol yang terpisah. Alamouti berhasil membuktikan bahwa sistem STBC temuannya yang diterapkan pada sistem dengan dua antena pemancar dan satu antena penerima mampu menunjukkan kinerja yang sama dengan sistem diversity konvensional dengan dua antena pada penerima. Hasil yang dicapai akan lebih baik lagi apabila pada penerima digunakan lebih dari satu antena yang bekerja dalam mode diversity pula. Temuan STBC Alamouti ini kemudian disusul oleh temuan- temuan lainnya, terutama untuk sistem pemancar dengan lebih dari dua antena. Teknik STC lainnya diperoleh dengan menggunakan kode trellis, lazim disebut sebagai space-time trellis codes (STTC), dengan kompleksitas yang lebih tinggi dibandingkan STBC. Masih banyak permasalahan yang harus diklarifikasi untuk mematangkan teknologi MIMO ini sampai benar-benar siap diterapkan pada sistem nirkabel 4G. Salah satunya adalah kemampuan sistem untuk beradaptasi dengan perubahan kanal, hal yang lazim terjadi pada terminal pelanggan yang bergerak, di atas kendaraan yang sedang mengebut misalnya. Untuk sistem dengan lebih dari satu antena pada kedua sisi, dapatlah dibayangkan bahwa proses adaptasi akan memerlukan sumber daya lebih besar. Orang juga berupaya memadukan keunggulan kapasitas dari teknik multipleks spasial dengan kualitas sinyal yang tinggi yang menjadi kelebihan pengkodean ruang-waktu. Dari sisi perangkat keras, masih harus dicari konstruksi antena larik yang memungkinkan sejumlah antena dengan pita spektrum lebar dimampatkan dalam ruang yang terbatas tanpa mengorbankan keuntungan kapasitas yang sudah diperoleh dari adanya lintasan jamak. Celah lain yang lebih tinggi di awang-awang namun masih bisa diintip kemungkinan realisasinya adalah pemanfaatan konfigurasi MIMO dalam skala lebih besar secara terdistribusi. Dalam skenario yang berlaku pada sistem seluler ini, sejumlah base station yang berbeda dapat bekerja secara terkoordinasi seolah-olah sebagai satu perangkat pemancar/penerima dengan sejumlah antena, yaitu antenanya masing-masing. Penerapan yang lebih canggih lagi, misalnya, adalah dengan meletakkan sistem MIMO terdistribusi dalam konteks jaringan nirkabel ad-hoc. GAMANTYO HENDRANTORO Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro ITS; Kepala Laboratorium Propagasi dan Radiasi Gelombang Elektromagnetik ITS --- If you need an office in Surabaya you don't have to invest on furnitures, ac etc. Use our 'virtual' office offerings, visit http://www.datacom.co.id/profile/office.htm or email [EMAIL PROTECTED] for enquiry that suit your needs. Visit our website at http://www.warnet2000.net Yahoo! Groups Links <*> To visit your group on the web, go to: http://groups.yahoo.com/group/warnet2000/ <*> To unsubscribe from this group, send an email to: [EMAIL PROTECTED] <*> Your use of Yahoo! Groups is subject to: http://docs.yahoo.com/info/terms/
