Pengenalan Praktis Tentang Fisika Radio
Pengenalan Praktis Kepada Fisika Radio
Komunikasi Wireless (nirkabel) menggunakan gelombang elektromagnet untuk mengirimkan sinyal jarak jauh. Dari sisi pengguna, sambungan wireless tidak berbeda jauh dengan sambungan jaringan lainnya: Web browser anda, e-mail, dan aplikasi jaringan lainnya akan bekerja seperti biasanya. Akan tetapi gelombang radio memiliki beberapa hal yang berbeda di bandingkan dengan kabel Ethernet. Contoh, sangat mudah melihat jalur yang di ambil oleh kabel Ethernet – lihat lokasi colokan LAN di komputer anda, ikuti kabel Ethernet sampai di ujung lainnya, dan anda akan menemukan jalur tersebut! Anda juga dapat secara mudah memasang banyak kabel Ethernet berdampingkan satu sama lain tanpa saling mengganggu, karena kabel akan sangat efektif untuk menjaga agar sinyal menjalan dalam kabel tersebut saja.
Bagaimana cara kita melihat pancaran gelombang dari card wireless yang kita gunakan? Apa yang terjadi jika gelombang terpantul oleh objek di ruangan atau bangunan di sambungan luar ruang? Apakah mungkin beberapa card wireless digunakan di sebuah lokasl yang sama tanpa saling berinterferensi (mengganggu)? Untuk dapat membangun sebuah sambungan wireless berkecepatan tinggi yang stabil, sangat penting untuk mengerti perilaku gelombang di dunia nyata.
Apakah gelombang?
Kita semua cukup terbiasa dengan getaran atau osilasi dalam berbagai bentuk – pendulum, pergerakan mengayun di angin, dawai (snar) dari sebuah gitar – semua adalah contoh dari osilasi.
Mereka semua mempunyai hal yang sama, sebuah media atau objek, akan berayun secara periodik, dengan jumlah ayunan / siklus tertentu per satuan waktu. Jenis gelombang ini kadang kala di sebut sebagai gelombang mekanik, karena di bentuk oleh pergerakan dari sebuah objek, atau propagasi di media.
Pada saat ayunan / osilasi bergerak (saat ayunan tidak menetap di sebuah tempat saja) maka kita melihat sebuah propagasi gelombang di ruangan. Sebagai contoh, seorang penyanyi menghasilkan ayunan / osilasi gelombang suara pada pita suara di kerongkongannya. Osilasi gelombang secara periodik mengkompress dan men-dekompres udara, dan secara periodik mengubah tekanan udara yang kemudian meninggalkan mulut si penyanyi dan bergerak, pada kecepatan suara di udara. Contoh lain, batu kita lemparkan ke kolam akan menyebabkan gelombang, yang kemudian bergerak menyebrangi kolam sebagai gelombang.
Sebuah gelombang mempunyai kecepatan, frekuensi dan panjang gelombang. Masing-masing parameter berhubungan melalui hubungan yang sederhana,
Kecepatan = Frekuensi * Panjang Gelombang
Panjang gelombang (biasanya di kenal sebagai lambda, λ) adalah jarak yang di ukur dari satu titik dari sebuah gelombang ke titik yang sama di gelombang selanjutnya. Misalnya, dari puncak gelombang yang satu ke puncak gelombang yang selanjutnya. Frekuensi adalah jumlah dari gelombang yang melalui titik tertentu dalam sebuah perioda waktu. Kecepatan biasanya diukur dalam meter per detik, frekuensi biasanya di ukur dalam getaran per detik (atau Hertz, yang di singkat Hz), dan panjang gelombang biasanya di ukur dalam meter.
Sebagai contoh, sebuah gelombang di air menjalar pada satu meter per detik, dan berosilasi lima kali per detik, maka setiap gelombang adalah dua puluh sentimeter panjangnya.
1 meter/detik = 5 ayunan/detik * W W = 1 / 5 meter W = 0.2 meter = 20 cm
Gelombang mempunyai sebuah parameter yang di sebut amplituda. Amplituda adalah jarak dari pusat gelombang ke puncak tertinggi gelombang, dan dapat di bayangkan sebagai “tinggi” dari gelombang di air. Hubungan antara frekuensi, panjang gelombang, dan amplituda tampak pada Gambar 2.1.
Gelombang di air sangat mudah untuk di visualisasikan. Jatuhkan sebuah batu ke kolam maka anda akan melihat gelombang akan bergerak di air. Dalam hal gelombang elektromagnet, bagian yang paling sukar untuk di mengerti adalah “Apa yang berayun?”. Untuk dapat mengerti, kita perlu mengerti adanya kekuatan elektromagnet.
Gambar 2.1: Panjang Gelombang, Amplituda, dan Frekuensi. Untuk gelmbang ini, freluensinya adalah dua ayunan per detik, atau 2 Hz.
Kekuatan Elektromagnetik
Kekuatan elektromagnetik adalah kekuatan antara muatan listrik dan arus. Terutama bagi kita yang berada di dunia barat / Eropa / Amerika, kita dapat langsung merasakannya pada saat kita memegang pegangan pintu besi sesudah berjalan di atas karpet sintetik, atau menyentuh pagar listrik. Contoh yang lebih dahsyat dari kekuatan elektromagnetik adalah halilintar atau petir yang sering kita dapati pada saat hujan atau badai. Kekuatan listrik adalah kekuatan antara muatan listrik. Sementara kekuatan elektromagnetik adalah kekuatan antara arus listrik.
Elektron adalah partikel yang membawa muatan listrik negatif. Tentunya masih banyak jenis partikel yang lain, tapi elektron adalah yang banyak bertanggung jawab untuk hal-hal yang perlu kita ketahui tentang bagaimana perilaku radio.
Mari kita lihat apa yang terjadi pada sebuah kabel yang lurus, di dalam kabel tersebut kita dorong elektron untuk bergerak dari satu ujung ke ujung yang lain bolak balik secara periodik. Pada satu saat, ujung atas kabel akan bermuatan negatif – semua elektron negatif berkumpul di situ. Hal ini menyebabkan terjadinya medan listrik dari plus ke minus sepanjang kabel. Di saat yang lain, semua elektron di dorong ke ujung bawah kabel, dan medan listrik akan berbalik arah. Hal ini terjadi berulang ulang, vektor medan listrik (berarah dari plus ke minus) akan meninggalkan kabel, dan beradiasi menuju ruang di sekitar kabel.
Apa yang baru saja kita bahas biasanya di kenal sebagai dipole, karena ada dua pole / kutub, plus dan minus, atau lebih sering di kenal sebagai antenna dipole. Hal ini merupakan bentuk paling sederhana dari antenna omnidirectional (segala arah). Pergerakan medan listrik biasanya di kenal sebagai gelombang elektromagnetik.
Mari kita kembali ke persamaan,
Kecepatan = Frekuensi * Panjang Gelombang
Untuk gelombang elektromagnetik, kecepatan adalah c, atau kecepatan cahaya,
c = 300,000 km/s = 300,000,000 m/s = 3*108 m/s c = f * λ
Gelombang elektromagnetif berbeda dengan gelombang mekanik, mereka tidak membutuhkan media untuk menyebar / berpropagasi. Gelombang elektromagnetif bahkan akan ber-propagasi di ruang hampa seperti di ruang angkasa.
Pangkat sepuluhan
Dalam fisika, matematika, dan teknik, kita sering mengekspresikan angka dalam pangkat sepuluhanan. Kita akan bertemu dengan banyak istilah-istilah ini, misalnya, Giga-Hertz (GHz), Centimeter (cm), Micro-detik ( µs), dan sebagainya
Kelipatan Sepuluh Nano- 10-9 1/1000000000 n Mikro- 10-6 1/1000000 μ Mili- 10-3 1/1000 m Senti- 10-2 1/100 c Kilo- 103 1 000 k Mega- 106 1 000 000 M Giga- 109 1 000 000 000 G
Dengan mengetahui kecepatan cara, kita dapat menghitung panjang gelombang untuk frekuensi tertentu. Mari kita ambil contoh frekuensi untuk jaringan wireless 802.11b, yaitu
f = 2.4 GHz = 2,400,000,000 getaran / detik
panjang gelombang lambda (λ0 = c / f
= 3*108 / 2.4*109 = 1.25*10-1 m = 12.5 cm
Frekuensi dan panjang gelombang akan menentukan sebagian besar dari perilaku gelombang elektromagnetik, mulai dari antenna yang kita buat sampai dengan objek yang ada di perjalanan dari jaringan wireless yang akan kita operasikan. Panjang gelombang juga akan bertanggung jawab pada berbagai perbedaan standard yang akan kita pilih. Oleh karena-nya, memahami dasar dari frekuensi dan panjang gelombang akan sangat menolong dalam pekerjaan praktis wireless network.
Polarisasi
Salah satu parameter penting yang menentukan kualitas gelombang elektromagnetik adalah polarisasi. Polarisasi di jelaskan sebagai arah dari vektor medan listrik.
Jika kita bayangkan sebuah antenna dipole yang di pasang vertikal (atau sebuah kabel yang berdiri tegak), elektron akan bergerak naik dan turun, tidak ke samping, karena tidak ada ada tempat untuk bergerak ke samping,oleh karenanya medan listrik hanya akan mengarah ke atas atau ke bawah, secara vertikal. Medan yang meninggalkan kabel akan bergerak sebagai gelombang akan berpolarisasi sangat lurus, dalam hal ini vertikal. Jika antenna kita letakan datar sejajar dengan tanah, maka kita akan menemukan bahwa gelombang yang di hasilkan akan mempunyai polarisasi linier horizontal.
Gambar 2.2: Komponen medan listrik dan medan magnet sebuah gelombang elektromagnetik. Polarisasi menggambarkan orientasi medan listrik.
Polarisasi linear adalah salah satu kasus spesial, dan di alam jarang yang betul-betul sempurna, pada umumnya, kita akan melihat sedikit komponen dari medan yang mengarah ke arah yang lain. Kasus yang umum terjadi adalah polarisasi eliptik, dengan sebuah extrim linier (hanya satu arah) dan polarisasi sirkular (dua arah dengan kekuatan yang sama). Polarisasi antenna menjadi sangat penting pada saat kita melakukan pengarahan antenna. Jika kita tidak memperdulikan polarisasi antenna, kemungkinan kita akan memperoleh sinyal yang kecil walaupun menggunakan antenna yang paling kuat. Hal ini di sebuah sebagai ketidak cocokan polarisasi.
Spektrum Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik meliputi frekuensi, maupun panjang gelombang, yang sangat lebar. Wilayah frekuensi dan panjang gelombang ini sering di sebut sebagai spektrum elektromagnetik. Bagian spektrum elektromagnetik banyak di kenali oleh manusia adalah cahaya, yang merupakan bagian spektrum elektromagnetik yang terlihat oleh mata. Cahaya berada pada kira-kira frekuensi 7.5*1014 Hz and 3.8*1014 Hz, atau kira-kira panjang gelombang 400 nm (violet/biru) sampai 800 nm (merah).
Kita juga sering kali terekspose ke wilayah spektrum elektromagnetik lainnya, termasuk Gelombang Arus Bolak Balik (listrik) pada 50/60Hz, Ultraviolet (pada frekuensi tinggi dari cahaya yang kita lihat), infrared (atau frekuensi rendah dari cahaya yang kita lihat), radiasi X-ray / roentgen, maupun banyak lagi lainnya. Radio menggunakan bagian dari spektrum elektromagnetik dimana gelombangnya dapat di bangkitkan dengan memasukan arus bolak balok ke antenna. Hal ini hanya benar pada wilayah 3 Hz sampai 300 GHz. Untuk pengertian yang lebih sempit, biasanya batas atas frekuensi akan sekitar 1GHz.
Jika kita berbicara tentang radio, maka sebagian besar orang akan berfikir tentang radio FM, yang menggunakan frekuensi sekitar 100MHz. Di antara radio dengan cahaya infrared, kita akan menemukan wilayah gelombang micro (microwave) – yang mempunyai frekuensi sekitar 1GHz sampai 300GHz, dengan panjang gelombang dari 30cm sampai 1 mm.
Penggunaan paling populer dari gelombang mikro adalah di oven microwave, yang kebetulan menggunakan frekuensi yang sama dengan frekuensi standard wireless yang akan kita gunakan. Spektrum frekuensi ini berada dalam band yang dibuat terbuka untuk penggunaan umum tanpa perlu lisensi. Di negara maju, wilayah band ini di kenal sebagai ISM band, yang merupakan singkatan dari Industrial, Scientific, and Medical. Sebagian besar dari spektrum elektromagnetik yang ada biasanya di kontrol secara ketat oleh pemerintah melalui lisensi. Lisensi frekuensi merupakan pemasukan yang lumayan bagi pemerintah. Hal ini terutama terjadi pada spektrum frekuensi yang digunakan untuk broadcasting (TV, radio) maupun komunikasi suara dan data. Di banyak negara, ISM band di alokasikan untuk digunakan tanpa perlu lisensi. Di Indonesia, berdasarkan KEPMEN Nomor 2/2005, pengunakan frekuensi 2.4GHz dapat dilakukan tanpa perlu lisensi dari pemerintah.
Gambar 2.3: Spektrum Elektromagnetik.
Frekuensi yang paling menarik untuk kita semua adalah 2.400 - 2.495 GHz, yang digunakan oleh standard radio 802.11b and 802.11g (panjang gelombang frekuensi tersebut sekitar 12.5 cm). Jenis peralatan lain yang juga sering digunakan menggunakan standard 802.11a yang beroperasi pada frekuensi 5.150 - 5.850 GHz (panjang gelombang frekuensi tersebut sekitar 5 sampai 6 cm).
Bandwidth
Istilah yang akan sering kita temui di fisika radio adalah bandwidth. Bandwith adalah ukuran dari sebuah wilayah / lebar / daerah frekuensi. Jika lebar frekuensi yang digunakan oleh sebuah alat adalah 2.40 GHz sampai 2.48 GHz maka bandwidth yang digunakan adalah 0.08 GHz (atau lebih sering di sebutkan sebagai 80MHz).
Sangat mudah untuk melihat bahwa bandwidth yang kita definisikan berhubungan erat dengan jumlah data yang dapat kita kirimkan di dalamnya – semakin lebar tempat yang tersedia di ruang frekuensi, semakin banyak data yang dapat kita masukan pada sebuah waktu. Istilah bandwidth kadang kala digunakan untuk sesuatu yang seharusnya di sebut sebagai kecepatan data, misalnya “Sambungan Internet saya mempunyai 1Mbps bandwidth”, artinya Internet tersebut dapat mengirimkan data pada kecepatan 1 megabit per detik.
Frekuensi dan Kanal
Mari kita lihat lebih dekat bagaimana band 2.4GHz digunakan di 802.11b. Spektrum 2.4GHz di bagi menjadi potongan kecil-kecil yang terdistribusi pada band sebagai satuan kanal. Perlu di catat bahwa lebar kanal adalah 22MHz, tapi antar kanal hanya berbeda 5MHz. Hal ini berarti bahwa antar kanal yang bersebelahan saling overlap, dan dapat saling ber-interferensi. Hal ini dapat di representasikan secara visual di Gambar 2.4.
Gambar 2.4: Kanal dan frekuensi tengah untuk 802.11b.
Perlu di catat bahwa kanal 1, 6, dan 11 tidak saling overlap.
Untuk daftar lengkap kanal dan frekuensi tengahnya untuk 802.11b/g dan 802.11a, dapat di lihat di Appendix B.
Perilaku Gelombang Radio
Ada beberapa aturan yang sangat ampuh pada saat merencanakan pertama kali untuk jaringan nirkabel:
Semakin panjang panjang gelombang, semakin jauh gelombang radio merambat. Semakin panjang panjang gelombang, semakin mudah gelombang melalui atau mengitari penghalang. Semakin pendek panjang gelombang, semakin banyak data yang dapat di kirim.
Aturan di atas, merupakan simplifikasi dari perilaku gelombang secara umum, mungkin akan lebih mudah di mengerti melalui contoh.
Gelombang panjang menjalar lebih jauh
Untuk daya pancar yang sama, gelombang dengan panjang gelombang yang lebih panjang cenderung untuk dapat menjalar lebih jauh daripada gelombang dengan panjang gelombang pendek. Effek ini kadang kala dapat terlihat di radio FM, jika di bandingkan jarak pancar pemancar FM di wilayah 88MHz dengan wilayah 108MHz. Pemancar dengan frekuensi yang lebih rendah cenderung untuk dapat mencapai jarak yang lebih jauh di bandingkan dengan pemancar dengan frekuensi yang tinggi pada daya yang sama.
Gelombang panjang lebih mudah melewati penghalang
Sebuah gelombang di air yang panjang gelombang-nya 5 meter tidak akan di hentikan oleh sebuah potongan kayu yang panjangnya 5 mm di air. Jika ada potongan kayu yang panjangnya 50 meter, misalnya kapal, maka potongan kayu tersebut akan terbawa oleh gelombang tersebut. Jarak sebuah gelombang dapat berjalan tergantung pada hubungan antara panjang gelombang dengan ukuran penghalang yang ada di jalur rambatan gelombang.
Lebih sulit untuk menggambarkan gelombang bergerak “menembus” objek padat, tapi hal ini merupakan salah satu hal biasa di gelombang elektromagnetik. Gelombang dengan panjang gelombang yang panjang (atau frekuensi makin rendah) cenderung untuk dapat menembus objek lebih baik di bandingkan dengan yang panjang gelombang-nya pendek (frekuensi-nya lebih tinggi).
Sebagai contoh, radio FM (88-108MHz) dapat menembus bangunan atau berbagai halangan dengan lebih mudah. Sementara yang gelombangnya lebih rendah, seperti, handphone GSM yang bekerja pada 900MHz atau 1800MHz, akan lebih sukar untuk menembus bangunan. Memang effek ini sebagian karena perbedaan daya pancar yang digunakan di radio FM dengan GSM, tapi juga sebagian karena pendek-nya panjang gelombang di sinyal GSM.
Panjang gelombang yang pendek dapat membawa data lebih banyak
Semakin cepat gelombang berayun atau bergetar, semakin banyak informasi yang dapat dia bawa – setiap getaran atau ayunan dapat, contoh, digunakan untuk mengirimkan bit digital, '0' atau '1', 'ya' atau 'tidak'.
Ada sebuah prinsip yang dapat di lihat di semua jenis gelombang, dan amat sangat berguna untuk mengerti proses perambatan gelombang radio. Prinsip tersebut di kenal sebagai Prinsip Huygens, yang diambil dari nama Christiaan Huygens, seorang matematikawan, fisikawan, dan astronomer Belanda 1629 – 1695.
Bayangkan jika anda menggunakan sebuah tongkat kecil dan memasukan tongkat tersebut ke sebuah kolam yang airnya tenang, kemudian menyebabkan air bergoyang bahkan mungkin berdansa. Gelombang akan meninggalkan pusat dari tongkat – tempat anda memasukan tongkat – dalam bentuk lingkaran.
Jika kita perhatikan, jika ada partikel air yang bergoyang, mereka akan menyebabkan partikel tetangga-nya untuk melakukan hal yang sama dari semua pusat perubahan, maka gelombang sirkular yang baru akan di mulai. Hal ini, dalam bentuk yang sederhana, adalah prinsip Huygens. Dari terjemahan di wikipedia.org,
“Prinsip Huygens adalah metida analisis yang digunakan untuk masalah perambatan / propagasi gelombang di batasn medan jauh (far field). Prinsip Huygens memahami bahwa setiap titik dalam gelombang berjalan adalah pusat dari perubahan yang baru dan sumber dari gelombang yang lain, dan gelombang berjalan secara umum dapat dilihat sebagai penjumlahan dari gelombang yang muncul pada media yang bergerak. Cara pandang perambatan / propagasi gelombang yang demikian sangat membantu dalam memahami berbagai fenomena gelombang lainnya, seperti difraksi”
Prinsip Huygens berlaku untuk gelombang radio maupun gelombang di air, maupun suara bahkan cahaya – hanya saja panjang gelombang cahaya sangat pendek sekali untuk memungkinkan manusia melihat efek Huygens secara langsung.
Prinsip ini membantu kita untuk mengerti difrasi maupun zone Fresnel, yang dibutuhkan untuk “line of sight” (LOS) maupun kenyataan bahwa kadang-kadang kita dapat mengatasi wilayah tidak “line of sight”.
Mari kita melihat lebih dekat apa yang terjadi pada gelombang elektromagnetik pada saat merambat,
Absorsi / Penyerapan
Pada saat gelombang elektromagnetik menabrak sesuatu (suatu material), biasanya gelombang akan menjadi lebih lemah atau teredam. Berbanyak daya yang hilang akan sangat tergantung pada frekuensi yang digunakan dan tentunya material yang di tabrak. Kaca jendela bening transparan terhadap cahaya, sedang kaca rayband akan mengurangi intensitas cahaya yang masuk dan juga radiasi ultraviolet.
Seringkali, koefisien absorsi digunakan untuk menjelaskan efek material terhadap radiasi. Untuk gelombang mikro (microwave), ada dua (2) material utama yang menjadi penyerap, yaitu,
Metal. Elektron bergerak bebas di metal, dan siap untuk berayun oleh karenanya akan menyerap energy dari gelombang yang lewat. Air. Gelombang mikro akan menyebabkan molekul air bergetar, yang pada proses-nya akan mengambil sebagian energi gelombang.1
Untuk kepentingan pembuatan jaringan nirkabel secara praktis, kita akan melihat metal dan air sebagai penyerap gelombang yang baik. Kita tidak mungkin dapat menembus mereka. Walaupun kalau ada lapisan air yang tipis sebagian dari daya gelombang akan dapat menembus. Lapisan air merupakan penghalang gelombang mikro, kira-kira sama dengan tembok pada cahaya. Jika kita berbicara tentang air, kita harus ingat bahwa air mempunyai banyak bentuk: hujan, kabut, awan, dan banyak lagi yang harus di lalui oleh sambungan radio. Air mempunyai banyak dampak yang besar, dan dalam banyak kesempatan perubahan cuaca sangat mungkin untuk membuat sambungan radio menjadi putus.
Ada material lain yang mempunyai efek yang lebih kompleks terhadap penyerapan gelombang radio. Untuk pohon dan kayu, banyaknya penyerapan sangat tergantung pada jumlah air yang ada pada-nya. Kayu tua yang mati dan kering relatif transparan bagi gelombang mikro, sementara kayu masih masih segar dan basah biasanya akan menyerap cukup besar gelombang mikro.
Plastik dan materil yang sejenis pada umumnya tidak menyerap banyak energy radio tapi tergantung dari frekuensi dan tipe material. Sebelum kita menggunakan komponen dari plastik, misalnya, untuk memproteksi peralatan radio maupun antenna dari cuaca, sebaiknya kita ukur lebih dulu apakah material plastik yang kita gunakan akan menyerap gelombang radio sekitar frekuensi 2.4GHz. Cara paling sederhana untuk mengukur penyerapan sinyal 2.4GHz di plastik adalah dengan meletakan contoh plastik yang akan kita gunakan di oven microwave selama beberapa menit. Jika platik tersebut panas, berarti plastik tersebut menyerap energy microwave dan sebaiknya jangan digunakan untuk membuat proteksi anti cuaca untuk peralatan antenna & radio.
Terakhir, ada baiknya kita membicarakan tentang diri kita sendiri: manusia, dan tentunya juga hewan, yang sebagian besar mengandung air. Untuk jaringan nir kabel, manusia akan dilihat sebagai sebuah kantong yang besar berisi air, yang akan menyerap gelombang mikro cukup kuat. Mengarahkan sebuah akses point di kantor sehingga sinyal harus menembus banyak orang adalah kesalahan fatal dalam merancang jaringan di sebuah gedung perkantoran. Hal yang sama juga berlaku untuk hotspot, instalasi di cafe, perpustakaan maupun di instalasi luar ruangan.
Refleksi / Pantulan
Seperti hal-nya cahaya, gelombang radio juga akan terpantul jika gelombang tersebut bersentuhan dengan material yang cocok untuk itu. Untuk gelombang radio, sumber utama dari pantulan adalah metal dan permukaan air. Aturan terjadinya pantulan cukup sederhana, sudut masuknya gelombang ke permukaan akan sama dengan sudut sinyal di pantulkan. Perlu di perhatian bahwa dalam pandangan gelombang radio sebuah terali besi atau sekumpulan tiang besi yang rapat sama dengan sebuah permukaan yang padat, selama jarak antar tiang lebih kecil dari panjang gelombang radio-nya. Pada frekuensi 2.4GHz, metal grid dengan jarak satu cm akan berfungsi sama dengan panel metal.
Walaupun aturan refleksi sangat sederhana, segala sesuatu akan menjadi sangat kompleks jika kita bayangkan interior kantor dengan banyak sekali objek metal yang kecil dengan bentuk yang sangat kompleks. Hal yang sama juga terjadi di situasi pinggiran kota: perhatikan sekeliling anda di lingkungan kota coba untuk melihat semua objek metal yang ada. Hal ini yang menyebabkan terjadinya efek multipath, sinyal yang mencapai tujuan melalui jalur yang berbeda-beda, dan tentunya waktu yang berbeda-beda, yang mempunyai peranan yang sangat penting dalam jaringan nirkabel. Permukaan air, dengan gelombang dan riak yang berubah setiap waktu, akan menyebabkan pantulan dari objek akan menjadi sulit untuk di hitung dan di perkirakan secara tepat.
Figure 2.5: Pantulan dari gelombang radio. Sudut masuk gelombang akan sama dengan sudut dari pantulan. Sebuah bentuk parabolik akan menggunakan efek ini untuk mengkonsentrasikan gelombang radio yang tersebar di permukaannya menuju satu tujuan.
Kita juga harus menambahkan bahwa polarisasi gelombang juga ada efek-nya: gelombang dengan polarisasi yang berbeda pada umumnya akan di pantulkan secara berbeda.
Kata dapat menggunakan refleksi untuk memperoleh keuntungan dalam membangun antena: misalnya kami menempatkan parabola besar di belakang radio pemancar / penerima yang kita gunakan untuk mengumpulkan dan membundel sinyal radio menuju titik yang kecil.
Difraksi
Difraksi akan tampak seperti pembelokan dari gelombang pada saat menabrak sebuah objek. Hal ini merupakan efek dari “gelombang akan mengitari pojokan”.
Bayangkan sebuah gelombang di air merambat dalam barisan gelombang yang lurus, seperti barisan gelombang yang sering kita lihat di pantai. Bayangkan jika kita meletakan penghalang benda padat, misalnya pagar kayu yang rapat, yang menghalangi pergerakan gelobang. Jika kita memotong pagar tersebut, dan membuat bukaan sempit di pagar, seperti sebuah pintu yang kecil. Dari bukaan tersebut, sebuah gelombang sirkular akan di mulai, dan akan merambat ke berbagai tempat yang tidak garis lurus dari pembukaan yang kita buat, tapi juga ke lokasi-lokasi yang ada di samping pembukaan. Jika kita melihat barisan gelombang – yang mungkin saja berupa gelombang elektromagnetik – sebagai sinar yang lurus, akan susah untuk menerangkan bagaimana caranya mencapai titik-titik yang tersembunyi di balik penghalang. Dengan model barisan gelombang, maka fenomena ini menjadi masuk akal.
Gambar 2.6: Difraksi melalui celah sempit.
Prinsip Huygens memberikan sebuah model untuk mengerti perilaku ini. Bayangkan pada saat tertentu, semua titik di barisan gelombang menjadi titik awal dari gelombang kecil yang menyebar. Ide ini kemudian di kembangkan oleh Fresnel, apakah hal ini cukup untuk menjelaskan fenomena yang terjadi memang masih menjadi perdebatan. Akan tetapi untuk kebutuhan kita, model Huygens dapat menjelaskan effek yang terjadi dengan cukup baik.
Gambar 2.7: Prinsip Huygens
Melalui kemampuan untuk difrasi, gelombang akan “membelok” melewati pojokan atau melalui pembukaan kecil yang ada di penghalang. Untuk panjang gelombang cahaya biasanya terlalu kecil untuk manusia untuk melihat efek ini secara langsung. Pada gelombang mikro, dimana panjang gelombangnya beberapa centimeter, akan menampakan efek difraksi saat gelombang menabrak tembok, puncak gunung, dan berbagai halangan lainnya. Tampaknya seperti penghalang akan menyebabkan gelombang mengubah arah-nya dan mengitari sisi / pojokan penghalang.
Gambar 2.8: Difraksi Melalui Puncak Gunung.
Perlu di catat bahwa difraksi akan membebani daya, energy dari gelombang yang terdifraksi akan sangat jauh lebih kecil dari barisan gelombang asal-nya. Pada aplikasi yang sangat spesifik, kita dapat mengambil keuntungan dari difraksi untuk mengatasi hambatan.
Interferensi
Jika kita bekerja dengan gelombang, satu tambah satu belum tentu sama dengan dua. Hasil-nya kadang-kadang bisa saja jadi nol.
Gambar 2.9: Interferensi Konstruktif dan Destruktif
Untuk dapat mengerti apa yang di maksud, bayangkan jika kita menggambar dua (2) gelombang sinus dan menjumlahkan amplitidanya. Pada saat saat puncak bertemu dengan puncak, maka kita akan memperoleh hasil yang maksimum (1 + 1 = 2). Hal ini disebut interferensi konstruktif. Akan tetapi, jika puncak bertemu dengan lembah, kita akan memperoleh penghilangan dari sinyal ((1 + (-)1 = 0) – interferensi destruktif.
Kita sebetulnya dapat dengan mudah mencoba hal ini pada gelombang di air dan dua buah tongkat kecil untuk membuat gelombang melingkar – kita akan melihat bahwa pada tempat dimana dua gelombang bertemu, akan ada tempat yang mempunyai puncak gelombang yang tinggi sementara di beberapa tempat lainya hampir rata dan datar.
Agar seluruh barisan gelombang menjumlah atau meniadakan satu sama lain secara sempurna, kita harus mempunyai dua gelombang yang mempunyai panjang gelombang dan hubungan fasa yang tetap. Hal ini berarti jarak puncak gelombang yang satu dengan puncak gelombang yang lain tetap.
Dalam teknologi wireless, istilah interferensi biasanya digunakan untuk hal yang lebih luas, untuk gangguan dari sumber RF (Radio Frekuensi), seperti, dari kanal tetangga. Oleh karenanya, seorang wireless networker jika berbicara tentang interferensi biasanya mereka membicarakan berbagai gangguan oleh jaringan lain, atau sumber gelombang mikro lainnya. Interferensi merupakan salah satu kesulitan utama pada saat membangun sambungan wireless, terutama di lingkungan perkotaan atau ruangan yang tertutup, seperti, ruang seminar atau konferensi dimana banyak jaringan akan saling berkompetisi untuk menggunakan spektrum frekuensi yang ada.
Pada saat gelombang dengan amplituda yang sama tapi berbeda fasa saling bersilangan, gelombang akan salaing menghilangkan dan tidak akan ada sinyal yang di terima. Sering kali, gelombang akan bergabung satu sama lain membentuk gelombang bersama yang tidak berarti apa-apa sehingga tidak dapat digunakan untuk komunikasi. Teknik modulasi dan menggunakan banyak kanal akan menolong dengan masalah interferensi, tapi tidak dapat menghilangkan sama sekali.
Line of sight
Istilah Line of Sight, sering kali di singkat sebagai LOS, sangat mudah untuk di mengerti jika kita berbicara tentang cahaya tampak: Jika kita dapat melihat titik B dari titik A tidak ada penghalang antara A dan B, maka kita mempunyai Line of Sight.
Konsep Line of Sight menjadi lebih kompleks jika kita menggunakan gelombang mikro. Ingat bahwa sebagian besar karakteristik perambatan / propagasi gelombang elektromagnetik tergantung pada panjang gelombang-nya. Hal ini kira-kira mirip dengan pelebaran gelombang pada saat gelombang tersebut berjalan. Panjang gelombang cahaya sekitar 0.5 mikrometer, sementara gelombang mikro yang kita gunakan dalam jaringan wireless mempunyai panjang gelombang beberapa sentimeter. Konsekuensi-nya, pancaran gelombang mikro akan lebih lebar – dalam bahasa yang sederhana gelombang mikro membutuhkan ruang / jalan yang lebih lebar.
Perlu di catat bahwa pancaran cahaya tampak juga akan melebar sama dengan dengan gelombang mikro, jika kita mengijinkan cahaya untuk bergerak cukup jauh, kita akan melihat pelebaran pancaran walaupun cahaya mempunyai panjang gelombang yang pendeik. Jika kita mengarahkan sinar laser yang sangat fokus ke bulan, maka pancaran sinar laser tersebut akan melebar sampai sekitar jari-jari 100 meter pada saat sinar laser tersebut menyentuh permukaan bulan. Kita dapat melihat dengan jelas efek ini di malam hari yang cerah dengan laser pointer, yang biasa digunakan untuk presentasi, dan keker / binokular. Kita tidak perlu mengarahkan ke bulan, coba saja arahkan ke gunung yang jauh, atau bangunan yang jauh, misalnya, tower tangki air. Kita akan melihat dengan jelas bahwa jari-jari pancaran akan bertambah dengan semakin jauh-nya jarak yang di tempuh.
Jadi Line of Sight yang kita butuhkan agar dapat terjadi sambungan wireless yang optimal antara A dan B sebetulnya lebih dari sekedar garis lurus yang tipis – tapi lebih berbentuk cerutu, atau sebuah elips. Lebar cerutu / elips tersebut di kenal sebagai konsep Fresnel zones.
Memahami Fresnel zone
Teori sesungguhnya dari Fresnel (di eja “Fray-nell”) zones sebetulnya cukup kompleks. Tapi konsep Fresnel cukup mudah untuk dipahami: kita mengetahui dari prinsip Huygens bahwa setiap titip dari barisan gelombang adalah tempat berawalnya gelombang sirkular. Kita mengetahui bahwa pancaran gelombang mikro akan melebar saat dia meninggalkan antenna. Kita juga tahu bahwa gelombang pada satu frekuensi akan berinterferensi satu sama lain.
Dari sudut yang sederhana, Teori Fresnel zone melihat garis lurus antara A dan B, dan ruang di sekitar garis lurus tersebut untuk melihat apa yang akan terjadi pada saat sinyal sampai di B. Beberapa gelombang akan merambat langsung dari A ke B, beberapa lainnya akan merambat keluar garis lurus. Akibatnya jalur yang di tempuh menjadi lebih panjang, hal ini menimbulkan perbedaan fasa antara sinyal yang langsung dengan yang tidak langsung. Pada saat perbedaan fasa adalah satu panjang gelombang, kita akan melihat interferensi konstruktur: sinyal pada dasarnya bertambah. Melihat kondisi ini dan menghitung, kita akan melihat adanya daerah lingkaran sekitar garis lurus antara A dan B yang akan berkontribusi terhadap sinyal yang tiba di B.
Gambar 2.10: Fresnel zone akan sebagian di blok pada hubungan ini, walaupun secara kasar mata tampaknya line of sight bebas hambatan.
Perlu di catat bahwa ada banyak kemungkinan Fresnel zone, tapi kita hanya akan fokus pada wilayah / zone satu (1) saja. Jika di wilayah zone 1 terhalang oleh penghalang, seperti, pohon atau bangunan, maka sinyal yang akan tiba di ujung yang akan semakin kecil. Pada saat kita membuat hubungan wireless, kita perlu memastikan bahwa wilayah / zone tersebut bebas dari hambatan. Tentunya saja tidak ada yang sempurna, dalam jaringan wireless biasanya kita memastikan bahwa 60 persen dari radius dari Fresnel zone yang pertama bebas dari penghalang.
Berikut adalah rumus untuk menghitung Fresnel zone yang pertama:
r = 17.31 * sqrt((d1*d2)/(f*d))
dimana r adalah jari-jari dari zone tersebut dalam meter, d1 dan d2 adalah jarak dari penghalang ke kedua ujung dari sambungan wireless, d adalah jarak total sambungan dalam meter, dan f adalah frekuensi dalam MHz. Perlu di catat bahwa rumus di atas akan memberikan jari-jari / radius dari zone, bukan ketinggian dari atas tanah. Untuk menghitung ketinggian dari atas tanah, kita perlu mengurangi dari ketinggian garis lurus antara dua tower wireless yang saling berhubungan.
Sebagai contoh, mari kita menghitung jari-jari Fresnel zone yang pertama di tengah sambungan wireless yang panjangnya dua (2) km, bekerja pada frekuensi 2.437 GHz (802.11b kanal 6):
r = 17.31 sqrt((1000 * 1000) / (2437 * 2000)) r = 17.31 sqrt(1000000 / 4874000) r = 7.84 meter
Jika kita asumsikan ke dua tower di kedua ujung tinggi-nya sepuluh (10) meter, maka Fresnel zone yang pertama akan berada sekitar 2.16 meter di atas tanah pada lokasi tengah-tengah sambungan. Berapa ketinggian bangunan pada titik tersebut jika 60% dari Fresnel zone yang pertama harus bebas hambatan?
r = 0.6 * 17.31 sqrt((1000 * 1000) / (2437 * 2000)) r = 0.6 * 17.31 sqrt(600000 / 4874000) r = 4.70 meter
bagikan hasil di atas ke 10 meter, kita dapat melihat bahwa sebuah bangunan dengan ketinggian 5.3 meter di tengah sambungan akan memblok sampai 40% dari Fresnel zone yang pertama. Hal ini biasanyadapat di terima, tapi untuk memperbaiki kondisi sambungan kita perlu menaikan antenna lebih tingi, atau mengubah arah sambungan untuk menghindari penghalang.
Daya
Semua gelombang elektromagnetik akan membawa enegry – kita dapat merasakan-nya pada saat kita menikmati (atau menderita) panas dari matahari. Jumlah energy yang di terima pada satu waktu tertentu di sebut daya. Daya P adalah kunci utama yang memungkinan sambungan wireless dapat beroperasi: kita akan membutuhkan daya minimal tertentu untuk agar sinyal yang di terima dengan baik.
Kita akan kembali ke berbagai detail tentang transmisi daya, redaman, penguatan dan sensitifitas radio di Bab 3. Berikut ini akan di diskusikan secara singkat bagaimana daya P di definisikan dan di ukur.
Medan listrik di ukur dalam V/m (beda potensial per meter), daya yang ada di dalam-nya setara dengan medan listrik di kuadratkan.
P ~ E2
Secara praktis, kita dapat mengukur daya menggunakan sejenis penerima, misalnya, sebuah antenna dan voltmeter, power meter, oscilloscope atau bahkan radio / wifi card di laptop. Melihat secara langsung daya yang ada di sinyal pada dasarnya melihat kuadrat dari sinyal dalam Volt (tegangan).
Menghitung dengan dB
Teknik terpenting untuk menghitung daya adalah melakukan perhitungan dengan desibel (dB). Tidak ada teori fisika baru dibelakang dB – ini hanyalah cara yang dikembangkan agar proses perhitungan menjadi sangat sederhana.
Desibel adalah sebuah unit tanpa dimensi, yang di defisinikan berupa hubungan antara dua daya yang kita ukur. Desibel di definisikan sebagai:
dB = 10 * Log (P1 / P0)
dimana P1 dan P0 adalah dua nilai yang akan kita bandingkan. Biasanya dalam kasus yang kita tangani, nilai tersebut adalah daya. Mengapa desibel menjadi proses perhitungan menjadi mudah? Banyak fenomena alam terjadi dalam bentuk-bentuk exponensial. Sebagai contoh, telinga manusia akan merasakan suara dua kali suara yang lain jika suara tersebut secara fisik sepuluh kali lebih besar. Contoh lain, yang cukup dekat dengan apa yang kita akan bahas, adalah absorpsi / serapan. Misalnya ada sebuah tembok pada jalur sambungan wireless. Setiap meter dari tembok akan mengambil setengah dari sinyal yang tersedia. Hasil perhitungan akan sebagai berikut:
0 meter = 1 (full signal) 1 meter = 1/2 2 meter = 1/4 3 meter = 1/8 4 meter = 1/16 n meter = 1/2n = 2-n
Hal ini merupakan perilaku exponensial.
Jika kita telah mulai terbiasa dengan trik perhitungan menggunakan logaritma (log), maka segala sesuatu-nya akan menjadi lebih mudah, dari pada mengambil pangkat n, kita cukup mengalikan dengan n. Daripada mengalikan nilai, kita cukup menambahkan nilai.
Berikut adalah beberapa nilai yang sering penting untuk di ingat:
+3 dB = daya dobel -3 dB = daya setengah +10 dB = daya sepuluh kali lebih besar -10 dB = daya seper sepuluh kali lebih kecil
Contoh lain dari unit yang tanpa dimensi adalah persen (%) yang juga digunakan dalam banyak besaran dan angka. Memang hasil pengukuran seperti meter atau gram adalah tetap, tapi unit tanpa dimensi memperlihatkan sebuah hubungan.
Lebih lanjut tentang unit tanpa dimensi dB, ada besaran relatif yang berbasis pada besaran P0 tertentu. Yang sangat relevan dengan apa yang kita akan gunakan adalah:
dBm relatif ke P0 = 1 mW dBi relatif ke antenna isotropik yang ideal
Sebuah antenna isotropic adalah sebuah antenna ideal yang mendistribusikan daya secara merata ke segala arah. Antenna isotropic dapat di dekati dengan sebuah dipole, tapi sebuah antenna isotropic tidak mungkin dapat dibuat pada kenyataannya. Sebuah model antenna isotropic sangat bermanfaat untuk menjelaskan penguatan relatif sebuah antenna di dunia nyata.
Sebuah cara yang umum digunakan untuk mengekspresikan daya adalah dalam miliwatt. Berikut adalah equivalen daya yang di ekspresikan dalam miliwatt dan dBm.
1 mW = 0 dBm 2 mW = 3 dBm 100 mW = 20 dBm 1 W = 30 dBm
Fisika dalam dunia nyata
Jangan takut jika konsep dari bab ini tampaknya cukup menantang. Mengerti tentang bagaimana cara gelombang radio merambat dan berinteraksi dengan lingkungannya adalah sebuah bidang studi yang sangat kompleks. Banyak orang yang kesulitan untuk mengerti fenomena yang mereka lihat dengan mata mereka sendiri.
Pada saat ini kita harusnya sudah mengerti bahwa gelombang radio tidak merambat dalam jalur yang lurus dan terprediksi. Untuk membuat sambungan komunikasi yang andal, kita harus dapat menghubung berapa banyak daya yang harus kita berikan untuk merambat pada jarak tertentu, dan memprediksi bagaimana gelombang merambat pada jalurnya.
Ada banyak yang perlu di pelajari dari fisika radio daripada halaman yang tersedia di bab ini. Untuk informasi lebih lanjut tentang bidang yang berkembang ini, ada baiknya melihat daftar di Appendix A.