Konsep Dasar Antena

Antena adalah alat pasif tanpa catu daya (power) yang berfungsi untuk mengirim dan menerima gelombang elektromagnetik. Antena tidak bisa meningkatkan kekuatan sinyal radio, namun hanya membantu mengkonsentrasi dan memfokuskan sinyal.

Antena memiliki kekuatan dalam mengkonsentrasi dan memfokuskan sinyal radio. Semakin besar kefokusan antena, maka jangkauan jarak yang dapat ditempuh juga semakin bertambah. Jenis antena yang akan dipasang harus sesuai dengan sistem yang akan kita bangun, juga disesuaikan dengan kebutuhan penyebaran sinyalnya. Secara umum ada dua jenis antenna, yaitu directional dan omni directional.

Karakteristik antena

Ada beberapa karakter penting antena yang perlu dipertimbangkan dalam memilih jenis antena untuk suatu aplikasi, yaitu pola radiasi, directivity, gain, dan polarisasi. Karakter-karakter ini umumnya sama pada sebuah antena, baik ketika antena tersebut menjadi peradiasi atau menjadi penerima, untuk suatu frekuensi, polarisasi, dan bidang irisan tertentu.

a.       Pola radiasi

        Pola radiasi (radiation pattern) suatu antena adalah plot 3-dimensi yang menggambarkan sifat radiasi suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah. Pola radiasi antena dibentuk oleh dua buah pola radiasi berdasar bidang irisan, yaitu pola radiasi pada bidang irisan arah elevasi (pola elevasi) dan pola radiasi pada bidang irisan arah azimuth (pola azimuth). Kedua pola di atas akan membentuk pola 3-dimensi. Sebuah antena yang meradiasikan sinyalnya sama besar ke segala arah disebut sebagai antena isotropis. Antena seperti ini akan memiliki pola radiasi berbentuk bola. Namun, jika sebuah antena memiliki arah tertentu, di mana pada arah tersebut distribusi sinyalnya lebih besar dibandingkan pada arah lain, maka antena ini akan memiliki directivity. Semakin spesifik arah distribusi sinyal oleh sebuah antena, maka directivity antena semakin besar.

        Untuk menyatakan pola radiasi secara grafis, pola tersebut dapat digambarkan dalam bentuk absolut atau dalam bentuk relatif. Bentuk relatif adalah bentuk pola yang sudah dinormalisasikan, yaitu setiap harga dari pola radiasi tersebut telah dibandingkan dengan harga maksimumnya.

b.      Gain 

Gain adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena dalam mengarahkan energi pada suatu arah yang diinginkan, dibandingkan dengan radiasi pada arah yang lain.  Gain bukanlah kuantitas yang dapat diukur dalam satuan fisis pada umumnya seperti watt, ohm, atau lainnya, melainkan suatu bentuk perbandingan. Oleh karena itu, satuan yang digunakan untuk gain adalah decibel.

c.        Polarisasi

Polarisasi didefinisikan sebagai arah rambat dari medan listrik. Mengenali polarisasi antena amat berguna dalam sistem komunikasi, khususnya untuk mendapatkan efisiensi maksimum pada transmisi sinyal. Dalam pemilihan polarisasi suatu antena harus disesuaikan dengan penggunaan dan daerah yang akan dipasangkan.

Untuk memaksimumkan sinyal yang diterima, maka polarisasi antena penerima haruslah sama dengan polarisasi antena pemancar. Namun terkadang terjadi polarisasi yang berbeda antara antena penerima dan pemancar. Hal ini akan mengurangi intensitas sinyal yang diterimaAda beberapa jenis polarisasi diantaranya

1.      Polarisasi linear
Polarisasi linear terjadi jika jalur dari vektor medan listrik maju dan kembali pada suatu garis lurus. Polarisasi linear ada 2, yaitu linear vertikal dan linear horizontal.

2.      Polarisasi Circular dan Elliptical
 Jika vektor medan listik konstan dalam panjang tetapi berputar disekitar jalur lingkaran, dikatakan berpolarisasi lingkaran. Jika vektornya berputar berlawanan arah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kanan (right hand polarize) dan yang searah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kiri (left hand polarize). Suatu gelombang yang berpolarisasi ellip untuk tangan kanan dan tangan kiri. Secara umum polarisasi berupa polarisasi ellips.
Untuk memaksimumkan sinyal yang diterima, maka polarisasi antena penerima haruslah sama dengan polarisasi antena pemancar. Namun terkadang terjadi polarisasi yang berbeda antara antena penerima dan pemancar. Hal ini akan mengurangi intensitas sinyal yang diterima.

HSPA+

         HSPA berkembang setiap saat dengan perbaikan-perbaikannya dituangkan dalam release-release 3GPP. HSPA evolved (HSPA+) adalah nama dari set pengembangan HSPA yang diawali dalam Release 7. Dengan HSPA+, jenis higher-order modulation tertentu dapat didukung pada uplink (16QAM) dan downlink (64QAM). Modulasi 16QAM memungkinkan diperolehnya kecepatan data puncak uplink sampai 12 Mbit/s, dan 21 Mbit/s untuk kecepatan data puncak downlink dengan modulasi 64QAM. Berikut adalah teknologi pendukung HSPA+.

2.1.1        Higher Order Modulation (HOM)

         HSPA mendukung modulasi 16QAM pada arah downlink dan QPSK pada arah uplink. Kapasitas data (bit/simbol) bertambah sebagaimana perpindahan dari QPSK ke 16QAM dan 64QAM. HSPA+ R7 menggunakan 64QAM untuk downlink, dimana terjadi peningkatan kecepatan data 50% dalam kondisi sinyal yang bagus (SNR tinggi). Pada uplink, 16QAM menaikkan kecepatan data. Sinyal-sinyal nirkabel yang dikirimkan dengan teknik modulasi tinggi memiliki sensitivitas lebih terhadap interferensi dan butuh SNR lebih tinggi pada penerima untuk keberhasilan proses demodulasi. HOM secara signifikan menaikkan kecepatan data untuk pengguna dengan SNR dilayani lebih cepat, meninggalkan Node B dengan waktu lebih dan sumber daya untuk melayani pengguna di area sinyal yang lebih lemah (seperti tepi sel). Secara keseluruhan, hal ini akan menyediakan kecepatan data tinggi dan menambah pengalaman pemakai yang berada di dalam sel.

2.1.2        Discontinuous Transmission and Reception (DTX/DRX)

Feature DTX memungkinkan perangkat mematikan kanal-kanal kontrol ketika tidak ada data pemakai untuk dikirim. Dengan cara sama , DRX akan mematikan penerima pada interval tertentu yang disetujui, penerima ini berada pada link Node B yang tidak mengirim informasi downlink. Operasi sinkron DTX dan DRX memungkinkan perangkat mematikan blok pemancar dan penerimanya secara lengkap, yang secara signifikan menaikkan waktu hidup batere perangkat untuk layanan voice melalui HSPA. Feature ini juga meningkatkan pengalaman ”always-on” dengan mengijinkan pengguna terhubung lebih lama tanpa mengkompromikan waktu hidup batere saat menggunakan aplikasi bursty seperti Web browsing. DTX juga menambah kapasitas uplink dengan mengurangi interferensi uplink, khususnya untuk aplikasi data berkecepatan rendah seperti voice melalui HSPA.

2.1.3        MIMO (Multiple Input Multiple Output)

HSPA+ R7 mendukung 2x2 MIMO arah downlink yang menggunakan dua antena transmit pada Node B untuk mengirimkan stream data orthogonal secara paralel menuju antena penerima. Dengan dua antena dan tambahan teknik signal processing tertentu pada pengirim dan penerima maka MIMO dapat meningkatkan kapasitas sistem dan menggandakan kecepatan data pengguna tanpa tambahan power atau bandwidth Node B. Sebagai tambahan, beamforming MIMO memberikan penguatan bagi user di posisi tepi sel dimana stream MIMO paralel tidak dimungkinkan. Untuk menjadi sangat efektif, aliran data paralel MIMO butuh SNR (signal-to noise ratio) tinggi pada perangkat dan lingkungan kaya akan efek scattering. SNR tinggi menjamin bahwa perangkat mampu menerjemahkan sinyal dengan sukses dan lingkungan kaya efek scattering akan menjamin bahwa kedua aliran data bersifat orthogonal. Keuntungan MIMO dimaksimalkan pada lingkungan kota berkepadatan tinggi, sebagaimmana terdapat cukup potensi scattering dan ukuran sel yang kecil (berpotensi SNR tinggi pada perangkat). Pada lingkungan rural dengan ukuran sel besar dan scattering yang kurang, penguatan MIMO berharga lebih kecil.

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

MIMO digunakan dalam teknologi komunikasi wireless karena mempunyai kemampuan signifikan dalam meningkatkan data troughput tanpa adanya tambahan bandwith maupun transmit power (daya pemancar). Berikut adalah ilustrasi jenis skema input-output antena pada komunikasi wireless:

Gambar 2.2. Skema Input Output Antena

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.

Dengan menggunakan sistem MIMO, maka tidak hanya data yang dikirim dapat lebih banyak dan cepat bahkan jarak juga dapat diperluas. Karena sinyal yang membawa data dengan MIMO tidak akan saling meniadakan, sebaliknya sinyal pantulan akan menguatkan sinyal utama. Dengan MIMO, kelemahan ini dijadikan alat untuk menduplikasikan bandwidth. Oleh sebab itu, bila Anda menggunakan jaringan nirkabel dengan standar 802.11g dengan kecepatan efektif 54 Mbps, maka dengan adanya tambahan router MIMO, kecepatannya dapat mencapai 108 Mbps. Mengirim maupun menerima sinyal dengan lebih dari satu antena saja bukanlah satu-satunya sistem yang dibutuhkan oleh MIMO. Untuk dapat menjalankan atau memiliki sebuah MIMO yang baik, maka sistem antena tersebut juga harus dilengkapi dengan Digital Signal Processing yang sangat mendukung untuk dapat mengontrol dan mengolah dengan baik beberapa sinyal yang akan keluar dan masuk. 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 sistem harus membagi sinyal mengikuti jumlah antenna yang dimiliki oleh perangkat MIMO yang jumlahnya lebih dari satu.

Teknologi MIMO mengandalkan sinyal-sinyal dari berbagai arah. Sinyal-sinyal dari berbagai arah ini adalah pantulan sinyal-sinyal yang sampai pada antenna penerima beberapa saat setelah transmisi sinyal utama yang satu garis (Line of sight). Pada jaringan 802.11a/b/g yang bukan MIMO, sinyal-sinyal dari berbagai arah ini diterima sebagai interferensi yang hanya mengurangi kemampuan penerima untuk mengumpulkan informasi yang ada dalam sinyal. Namun teknologi MIMO menggunakan sinyal dari berbagai arah ini untuk menaikkan kemampuan receiver untuk mengurai informasi yang dibawah oleh sinyal ini. 

 Gambar 2.3. Sistem Kerja MIMO

Satu lagi kemampuan teknologi MIMO ini adalah Spatial Division Multiplexing (SDM). SDM melakukan multiplexing secara spatial beberapa stream data independen, secara simultan di transfer didalam satu spectral channel bandwidth. MIMO SDM dapat secara signifikan menaikkan aliran data seiring naiknya jumlah stream data yang berserakan bisa diurai. Setiap stream data berserakan ini memerlukan suatu antena yang berlainan pada kedua transmitter dan receiver. Sebagai tambahan, teknologi MIMO memerlukan suatu rantai frekuensi yang terpisah dan juga converter analog to digital untuk masing-masing antena MIMO yang dalam proses konversi ini memerlukan biaya implementasi yang lebih tinggi dibanding dengan sistem teknologi non-MIMO.