Tutorial MIMO

Pengertian

Sistem multiple-input multiple-output (MIMO) adalah sistem yang menggunakan multi antena baik pada transmitter maupun receiver untuk mengatasi kelemahan pada sistem komunikasi wireless konvensional diantaranya adalah large scale fading, small scale fading termasuk dildalamnya multipath fading serta interferensi dari sinyal lain. Sistem MIMO memberikan penambahan efisiensi spektral yang didasarkan pada penggunaan space diversity pada transmitter dan receiver. Sistem MIMO disebut juga sistem multiple element antenna (MEA) dilihat dari penggunaan space diversity.

Prinsip Sistem Mimo

MIMO adalah singkatan dari Multiple Input Multiple Output. Teknologi ini diperkenalkan kali pertama oleh seorang ahli dari Bell Laboratories pada tahun 1984. Dengan teknologi 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 saat mengirimkan sinyal, meskipun pengiriman sinyalnya sendiri lebih cepat. Waktu interval ini terjadi karena adanya proses dimana system harus membagi sinyal mengikuti jumlah antena yang dimiliki oleh perangkat MIMO yang jumlahnya lebih dari satu.

Dalam sistemnya, MIMO tidak hanya menggunakan satu antena tetapi menggunakan dua atau lebih banyak (jamak) baik pada pemancar maupun penerimanya. Dengan menggunakan antena jamak tersebut mengakibatkan kinerja menjadi lebih baik, hal tersebut dapat dibandingkan dengan sistem Singel Input Singel Output (SISO).

Space Diversity

Penggunaan space diversity pada sisi pemancar maupun penerima dapat meningkatkan throughput dan coverage sehingga memungkinkan peningkatan efisiensi spektrum yang pada akhirnya akan meningkatkan kapasitas sistem. Selama ini lintasan langsung atau Line of Sight (LOS) antara pemancar dan penerima diinginkan karena mampu mengurangi penghamburan (scattering) dan absorbsi sinyal.

Namun dalam kondisi tertentu, multipath fading yang diakibatkan adanya benda-benda penghambur sinyal (scatterer) justru menghasilkan kapasitas kanal yang jauh lebih besar daripada kondisi kanal yang LOS pada sistem MIMO.

Kapasitas kanal akan meningkat pesat jika antena array digunakan pada sisi pemancar maupun penerima dengan lingkungan propagasi yang memberikan efek scattering yang cukup. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut, jika fading pada link antara pasangan-pasangan antena pengirim dan penerima adalah i.i.d. (independent identical distribution), kapasitas kanal rata-rata dari sistem yang menggunakan N antena pada kedua sisi akan menjadi N kali lebih besar dari sistem antena tunggal dengan bandwidth dan daya pancar total yang sama. Sistem MIMO menggunakan antena array pada sisi pemancar maupun penerima, dan sistem ini banyak diaplikasikan pada fixed wireless dan wireless LAN (WLAN) dengan mobilitas yang rendah.

Antena Array

Satu asumsi implisit yang mendasari penggunaan awal dari antena array  adalah bahwa kandungan informasi yang dikirim dan diterima oleh setiap elemen antena adalah sama atau identik. Hal ini cukup logis karena jika sinyal-sinyal yang tidak berkorelasi ditransmisikan melalui elemen-elemen antena yang berbeda, sinyal-sinyal ini akan saling menginterferensi satu sama lain pada penerima. Tapi sekarang berbeda, kunci dari pemanfaatan potensi teknologi Multi elemen array pada sistem MIMO secara optimal adalah menggunakan antena array tersebut untuk mengirimkan informasi yang berbeda dan independen dari setiap elemen. Berikut ini adalah persyaratan untuk mendapatkan kapasitas kanal yang tinggi:

• Antena array yang digunakan harus memiliki jarak antar elemen (spacing) yang tepat untuk menghindari korelasi kanal.
• Link sama sekali tidak menggunakan mekanisme konvensional, seperti frequency atau code division multiplexing, untuk memastikan bahwa sinyal-sinyal yang dikirimkan oleh setiap antena saling ortogonal ketika diterima oleh receiver.
• Lingkungan propagasi antara pemancar dan penerima memberikan lintasan propagasi yang banyak (multipath).
• Penerima harus mampu mengukur atau mengestimasi gain kanal, baik gain amplitudo maupun pergeseran fase. Untuk itu penerima perlu mengaplikasikan teknik pemrosesan koheren terhadap sinyal yang diterimanya.

Lingkungan propagasi, dalam hal ini kanal radio MIMO, dimana medan elektromagnetik yang disampel oleh elemen-elemen array penerima memiliki dekorelasi yang signifikan, dimanfaatkan untuk menghasilkan subkanal paralel yang cukup banyak dengan koefisien yang tidak berkorelasi. Dengan demikian akan diperoleh kapasitas yang sangat besar dari lingkungan dengan kondisi seperti tersebut di atas. Bagaimanapun juga, banyaknya subkanal efektif (yang memiliki capacity gain potensial) tergantung pada derajat dekorelasi yang ditentukan banyaknya multipath dan konfigurasi dari antena jamak. Sedangkan kanal MIMO yang berkorelasi hanya menghasilkan sedikit subkanal, namun kenyataan di lapangan menunjukkan bahwa kanal radio MIMO memiliki korelasi parsial (partially correlated).

Gambar Sistem MIMO

Kategori MIMO

 Beberapa teknologi yang telah menggunakan MIMO adalah IEEE 802.11n (wi-fi), IEEE 802.11ac (wi-fi), 4G, 3GPP Long Term Evolution, Wimax dan HSPA+. MIMO dibagi menjadi 3 kategori

1. Precoding

   Precoding dikenal juga dengan multi-stream beamforming. Dalam istilah yang lebih umum adalah proses spatial yang terjadi pada transmiter. Tujuan dari beamforming adalah untuk meningkatkan sinyal gain yang diterima, dengan sinyal yang dipancarkan dari antena yang berbeda secara konstruktif, dan juga mengurangi multipath fading. Kelemahan dari beamforming adalah pengiriman data tidak dilakukan secara bersamaan sehingga menambah delay yang terjadi. Precoding membutuhkan informasi tentang Channel State Information (CSI) pada sisi transmiter dan receiver.

2. Spatial Multiplexing (SM)

   Spatial Multiplexing merupakan terknik yang digunakan untuk meningkatkan kapasitas kanal sehingga menghasilkan Signal to Noise Ratio (SNR) yang lebih tinggi. Untuk meningkatkan kecepatan sinyal maka sinyal dibagi menjadi aliran sinyal yang lebih kecil, setiap aliran yang dikirimkan dari antena yang berbeda tetap menggunakan frekuensi yang sama. Jika sinyal yand datang pada receiver, pada beberapa antena yang berbeda, maka akan dilakukan proses signatur dan proses CSI di sisi penerima. Spatial multiplexing dapat digunakan tanpa CSI di sisi transmitter akan tetapi dapat dikombinasikan antara precoding dan CSI. Spatial multiplexing dapat digunakan secara transmisi secara bersamaan ke multiple receivers, ini yang kita kenal dengan space division multiple access atau Multi User MIMO, dimana CSI dibutuhkan pada transmitter.

3. Diversity Coding

   Teknik yang digunakan untuk ketika tidak ada kanal informasi di sisi pengirim. Metode diversity, menggunakan aliran single ketika ditransmisikan tetapi sinyal sudah dikodekan atau yang kita sebut dengan space time coding. Diversity coding dapat dikombinasikan antara spatial multiplexing dengan beberapa kanal informasi pada sisi transmiter.

Multi User MIMO dibagi kedalam beberapa kategori :
1. MMIMO
2. Cooperative MIMO (CO-MIMO)
3. Macrodiversity MIMO
4. MIMO Routing
5. Massive MIMO