Definisi Beamforming

 

Salah tantangan yang dihadapi pada jaringan seluler adalah meningkatnya trafik data secara exponensial, serta meningkatnya juga perangkat seluler yang dimiliki oleh masyarakat. Sementara kebutuhan masyarakat tinggi terhadap kecepatan, kepekaan terhadap interferensi. Beamforming merupakan teknologi terkini yang menawarkan secara solusi secara signifikan untuk mengurangi level interferensi dan menambah sistem kapasitas.

Pada pembahasan kali ini kita akan melihat state of the art dari teknik beamforming dari sisi model, teknik mitigasi, BF channel koding, estimasi kanal dan feedback, complexity dan konsumsi daya, adaptive BF untuk relay multiuser, derajat kebebasan, diversitas, dan efisiensi spektral.

Perkembangan jaringan nirkabel kedepannya menawarkan beberapa solusi tentang kecepatan data. Diantara multiple input multiple output (MIMO), cooperative relay, dan beamforming (BF) menjadi topik hangat dikalangan peneliti beberapa tahun belakangan ini, karena topik tersebut menawarkan fleksibilitas dan interfensi.

Untuk meningkatkan daya tampung pada transmitter dan receiver MIMO dapat dicapai dengan meningkatkan diversitas dan gain multiplexing. Sistem MIMO mampu menghadapi permasalah scattering untuk daerah padat (urban area) dan propagasi yang independent untuk pengiriman sinyal.

Jaringan komunikasi tidak hanya bersifat point to point, bahkan dibutuhkan untuk komunikasi multihop, relay dan kooperatif. Beberapa strategi relay antara lain amplify and forward (AF), decode and forward (DF), dan compress and forward (CF). Fungsi relay mempunyai beberapa keunggulan antara lain sistem transmisi bersifat multihop, transmiiter diarahkan terdekat dengan receiver, dan mengurangi atenuasi path loss yang terjadi, mengatasi permasalahan shadowing, mitigasi multipath fading karena telah disediakannya jalur tersendiri untuk propagasi.

Sebagai contoh, ketika satu relay bekerja, sinyal akan dipropagasi melalui 2 lompatan (hop) dan mengkomuikasi secara langsung antara sumber dan penerima. Relay kooperatif meningkatkan diversitas, meningkatkan performansi dari outage dan probabilitas error.

Teknik Beamforming

Beamforming adalah  dikenal dengan kata lain sebagai antena array, menggunakan sinyal dari daya diarahkan (directed) sesuai dengan arah yang ingin dicapai dengan mengubah properties antena. Yang perlu diperhatikan juga yang konfigurasi geografis, pola perpindahan user dan pola radiasi yang tidak dapat diubah dengan cepat seperti mengubah amplitudo dan fase, untuk antena array tertentu. Oleh karena itu penyesuaian terhadap amplitudo dan fase, menggunakan pola beam yang dapat mengubah bentuk secara cepat, teknik pengolahan sinyal seperti ini dikenal dengan beamforming. Teknik ini telah memberikan teknologi yang menjanjikan pada sistem komunikasi modern. Gambar dibawah ini merupakan proses beamforming antara transmit dan receive antara antena array.

Gambar Teknik Beamforming

Dalam beamforming, setiap relay dapat ditentukan nilai dari amplitudo dan fase pada sinyal prioritas dari transmit ke destinasi. Beamforming yang diterima dapat di bangun pada relay yang berasal dari source, kemudian relay melakukan perbaikan sinyal dan meneruskan pada destinasi. Kedua amplitudo dan fase secara bersamaan menggunakan faktor pembobotan (weight factor). Beamforming digunakan untuk mengurangi interferensi dan mengembangkan efisiensi power dari transmitter dan efisiensi spektral daya pada network.

Terdapat 2 tipe dari beamforming yaitu beamforming fix dan beamforming adaptif.

Fix Beamforming

Beamforming fix tidak mampu mengubah koefisien pembobotan dari setiap sinyal secara adaptif akan tetapi keunggulannya adalah memiliki kompleksitas yang rendah, pada lingkungan yang bergerak, fleksibilitasnya menjadi kurang baik dalam mengubah pola beam secara cepat. Berbeda dengan fix.

Adaptive Beamforming

Beamforming adaptif mampu mengubah kedua amplitudo dan fase sesuai dengan pembobotan dari sinyal yang berada pada lingkungan sekitar. Dalam sistem komunikasi koopertif setiap relay beradaptasi secara optimal untuk mendapat performansi pada jaringan yang baik. Sehingga, beamforming adaptif lebih cocok untuk komunikasi bergerak jika dibandingkan dengan beamforming fix.

Secara sekilas, formula pada sinyal yang diterima pada relay adalah [latex]\tiny y_{s,d}[/latex], setelah mengalami pembobotan menjadi [latex]\tiny \left | w_{i} \right |x\angle \theta _{i}[/latex] dimana [latex]\tiny \left | w_{i} \right |[/latex] dan [latex]\tiny \theta _{i}[/latex] adalah amplitudo dan fase dari antena dari relay. Jika terdapat sebanyak m antena pada hasil sinyal array yang ditransmisikan dari relay, maka :

[latex]\tiny y_{r,d}=\sum_{i=1}^{m}\left | w_{i} \right |y_{s,r}\angle \theta _{i}[/latex]

Sehingga, seleksi dari [latex]\tiny \left | w_{i} \right |[/latex] dan [latex]\tiny \theta _{i}[/latex] dari sinyal y akan membentuk pola beam dan power yang dapat diinginkan pada destinasi.

 

Distribusi Beamforming

Pada pembahasan mengenai beamforming hanya membahas tentang sinyal yang ditransmisikan dari sumber dan destinasi secara independen. Namun, relay dapat berkoordinasi antara satu relay dengan relay yang lainnya, membentuk beam secara bersamaan dan mengoptimalkan performansi jaringan pada sistem komunikasi kooperatif. Beamforming dengan koordinasi antara relay disebut sebagai distribusi beamforming, yang dapat dilihat pada gambar dibawah ini

Gambar Distribusi Beamforming

Perhitungan pada pembobotan dari setiap relay tidak hanya bergantung pada atribut yang menempel pada relay sendiri, tetapi juga bergantung pada sinyal transmisi dari relay pada proses komunikasi. Terdapat banyak protokol yang mendefinisikan sinyal transmisi dari sumber ke destinasi. Prosedur perhitungan dari berbagai pembobotan pada setiap protokol distribusi beamforming. Oleh karena itu, banyak penelitian yang menkaji tentang prokotol yang transmisi dan menggunakan metode optimasi.

Pembobotan dihitung untuk memaksimalkan kapasitas jaringan, atau sama dengan nilai maksimal dari SNR yang diterima, serta error rate dan outage probability yang minimum dengan mengasumsikan CSI yang sempurna pada relay dan destinasi. Diasumsikan juga power dari setiap node bersifat konstrain, sumber menggunakan power yang maksimal untuk mendapatkan SNR tinggi pada destinasi dan semua relay tidak menggunakan power maksimal, namun menggunakan fraction power.

Kapasitas sesaat dari jaringan menggunakan [latex]\tiny Wlog(1+SNR)[/latex] bps (bit per second) dimana W adalah bandwidth kanal dan log yang digunakan adalah log basis 2. Vektor dari optimal beamforming, kapasitas SNR secara direct menjadi semakin kompleks, sehingga hanya upper dan lower bound dari kapasitas, outage probability dan bit error rate.