I SSN :   1 6 9 3 - 6 9 3 0                                                                           3 1 9       An   Ad a p t i v e   M o d u l a t i o n   i n   M i l l i m e t e r - W a v e   C o m m u n i c a t i o n   Sy s t e m   f o r   T r o p i c a l   .   ( Su w a d i )   A n   A d a p t i v e   M o d u l a t i o n   i n   M i l l i m e t e r - W a v e   C o m m u n i c a t i o n   S y s t e m   f o r   T r o p i c a l   R e g i o n       Su w a d i 1 ,   G a m a n t y o   H e n d r a n t o r o 2   a n d   W i r a w a n 3   D e p a r t m e n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   I n s t i t u t   T e k n o l o g i   Se p u l u h   N o p e m b e r   Su r a b a y a   Ka m p u s   I T Su k o l i l o ,   Su r a b a y a   6 0 1 1 1 ,   Ph o n e / F a x .   + 6 2   3 1   5 9 4 7 3 0 2 / 5 9 3 1 2 3 7   e - m a i l   :   s u w a d i @ e e . i t s . a c . i d 1 ;   g a m a n t y o @ e e . i t s . a c . i d 2 ,   w i r a w a n @ i t s . a c . i d 3         A b s t r a k   R e d a m a n   h u j a n   m e r u p a k a n   f a k t o r   p r o p a g a s i   y a n g   d o m i n a n   y a n g   m e m p e n g a r u h i   o u t a g e   d a n   e f i s i e n s i   s p e k t r u m   d a r i   s i s t e m   k o m u n i k a s i   g e l o m b a n g   m i l i m e t e r   y a n g   b e k e r j a   p a d a   f r e k u e n s i   3 0   G H z .   M o d u l a s i   a d a p t i f   d i u s u l k a n   u n t u k   m e n i n g k a t k a n   k i n e r j a   s i s t e m   t e r s e b u t   y a i t u   o u t a g e   d a n   e f i s i e n s i   s p e k t r u m .   M a k a l a h   i n i   m e n j e l a s k a n   p r o s e d u r   a n a l i t i k   u n t u k   e v a l u a s i   o u t a g e   d a n   e f i s i e n s i   s p e k t r u m   d a r i   s i s t e m   t e r s e b u t   d i   I n d o n e s i a ,   y a n g   m e m p u n y a i   c u r a h   h u j a n   t i n g g i .   Se b a g a i   v a l i d a s i ,   h a s i l   a n a l i t i k   d i b a n d i n g k a n   d e n g a n   h a s i l   s i m u l a s i .   H a s i l   p e n e l i t i a n   m e n u n j u k k a n   b a h w a   m o d u l a s i   a d a p t i f   d a p a t   m e m p e r b a i k i   o u t a g e   d a n   e f i s i e n s i   s p e k t r u m   s i s t e m   s e c a r a   s i g n i f i k a n ,   k h u s u s n y a   u n t u k   l i n k   d e n g a n   j a r a k   j a u h .       K a t a   k u n c i :   e f i s i e n s i   s p e c t r u m ,   g e l o m b a n g   m i l l i m e t e r ,   m o d u l a s i   a d a p t i f ,   r e d a m a n   h u j a n       A b s t r a c t     T h e   d o m i n a n t   p r o p a g a t i o n   f a c t o r   a f f e c t i n g   t h e   o u t a g e   a n d   t h e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   o f   m i l l i m e t e r - w a v e   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s   o p e r a t i n g   a t   f r e q u e n c i e s   3 0   G H z   i s   r a i n   a t t e n u a t i o n .   A n   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   i s   p r o p o s e d   t o   i m p r o v e   t h e   o u t a g e   a n d   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   s y s t e m .   T h i s   p a p e r   p r e s e n t s   a n   a n a l y t i c a l   p r o c e d u r e   f o r   t h e   e v a l u a t i o n   o f   t h e   o u t a g e   a n d   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   o f   t h e   s y s t e m   i n   I n d o n e s i a   w i t h   h e a v y   r a i n   r a t e .   By   c o m p a r i n g   a n a l y t i c   a n d   s i m u l a t i o n   a   v a l i d a t i o n   w a s   c o n d u c t e d .   T h e   r e s u l t s   s h o w   t h a t   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   c a n   s i g n i f i c a n t l y   i m p r o v e   t h e   o u t a g e   a n d   t h e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   s y s t e m ,   f o r   l i n k s   w i t h   l o n g   d i s t a n c e .       K e y w o r d s :   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n ,   m i l l i m e t e r - w a v e ,   r a i n   a t t e n u a t i o n ,   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y         1 .     I n t r o d u c t i o n     T h e   d e m a n d   f o r   b r o a d b a n d   c o m m u n i c a t i o n   f o r   h i g h   q u a l i t y   m u l t i m e d i a   t r a n s m i s s i o n   i s   d r i v i n g   t h e   u s e   o f   h i g h e r   r a d i o   f r e q u e n c y   s p e c t r u m .   L o c a l   m u l t i p o i n t   d i s t r i b u t i o n   s e r v i c e   ( L M D S)   [ 1 ]   i s   a   l i n e   o f   s i g h t   ( L o S)   p o i n t - t o - m u l t i p o i n t   b r o a d b a n d   f i x e d   w i r e l e s s   a c c e s s   s y s t e m   ( B F W A)   o p e r a t i n g   a t   m i l l i m e t e r - w a v e   f r e q u e n c y .   I t   i s   d e s i g n e d   t o   d e l i v e r   t e l e c o m m u n i c a t i o n   a n d   b r o a d c a s t   s e r v i c e s   ( m u l t i m e d i a ,   v i d e o ,   i n t e r n e t ,   e t c )   f r o m   a   c e n t r a l   t r a n s m i t t e r   t o   i n d i v i d u a l   s u b s c r i b e r   w i t h i n   i t s   c e l l   s i z e .   T h e   f r e q u e n c y   b a n d s   a l l o c a t e d   b y   I T U   R   a n d   C EP T   a r e   u s u a l l y   a b o v e   2 0   G H z .   I n   t h i s   b a n d ,   r a i n   a t t e n u a t i o n   i s   t h e   m o s t   i n f l u e n t i a l   p r o p a g a t i o n   f a c t o r   t o   d e t e r m i n e   t h e   s y s t e m   o u t a g e   p r o b a b i l i t y   [ 2 ] .   I n   s u c h   t r o p i c a l   c o u n t r i e s   a s   I n d o n e s i a   v e r y   h i g h   r a i n f a l l   i n t e n s i t i e s   m i g h t   c a u s e   s i g n i f i c a n t   a t t e n u a t i o n   i n   m i l l i m e t e r - w a v e   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m   [ 3 ] ,   [ 4 ] .     Ad a p t i v e   p o w e r   c o n t r o l   h a s   b e e n   s h o w n   t o   w o r k   w e l l   a s   a   3 0 / 2 0   G H z   r a i n   f a d e   c o u n t e r m e a s u r e   i n   s a t e l l i t e   s y s t e m s   [ 5 ] .   T h e   c e l l - s i t e   d i v e r s i t y   t e c h n i q u e   h a s   a l s o   b e e n   p r o p o s e d   i n   o r d e r   t o   r e d u c e   t h e   o u t a g e   t i m e   b y   u t i l i z i n g   t h e   s p a t i a l   v a r i a t i o n s   o f   r a i n   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   H o w e v e r ,   t h e s e   t e c h n i q u e s   a r e   m a i n l y   c o n c e r n e d   w i t h   t h e   i m p r o v e m e n t   o f   o u t a g e   p e r f o r m a n c e ,   b u t   n o t   t h e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y .   O n   t h e   o t h e r   h a n d ,   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   h a s   b e e n   s h o w n   t o   i m p r o v e   o u t a g e   a n d   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   p e r f o r m a n c e s   o f   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s   i n   R a y l e i g h   d i s t r i b u t e d   c h a n n e l   f o r   a   t a r g e t   b i t   e r r o r   p r o b a b i l i t y   [ 8 ] ,   [ 9 ] .   I n   t h e   s e q u e l ,   t h e   d i s c u s s i o n   w i l l   b e   s t a r t e d   w i t h   t h e   s y s t e m   m o d e l ,   c l e a r   s k y   s i g n a l   t o   n o i s e   r a t i o ,   r a i n   a t t e n u a t i o n ,   i n c l u d i n g   f o r m u l a t i o n   o f   o u t a g e   p r o b a b i l i t y   a n d   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y ,   a n d   f o l l o w   i t   u p   w i t h   n u m e r i c a l   r e s u l t s   a n d   d i s c u s s i o n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                              I S SN :   1 6 9 3 - 6 9 3 0     T E L K O M N I K A     V o l .   8 ,   N o .   3 ,   D e c e m b e r   2 0 1 0   :     3 1 9     3 2 6   3 2 0   2 .     Pr o p o s e d   A d a p t i v e   M o d u l a t i o n   I n   t h i s   p a p e r ,   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   t e c h n i q u e   i s   u s e d   t o   i m p r o v e   t h e   o u t a g e   a n d   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   o f   L o m i l l i m e t e r - w a v e   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m   i n   t h e   p r e s e n c e   o f   t r o p i c a l   r a i n   a t t e n u a t i o n ,   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 .   T h e   s y s t e m   u s e s   v a r i o u s   m o d u l a t i o n   l e v e l s ,   i . e .   4 ,   1 6   a n d   6 4 Q A M ,   t o   a p p r o p r i a t e   c h a n n e l   c o n d i t i o n   t h a t   i s   a f f e c t e d   b y   r a i n   a t t e n u a t i o n A .   I n   c l e a r   s k y   c o n d i t i o n s ,   t h e   c h a n n e l   i s   o n l y   a f f e c t e d   b y   G a u s s i a n   n o i s e   w i t h   p o w e r   s p e c t r a l   d e n s i t y   N ( W / H z ) .   T h e   s y s t e m   u s e s   6 4 - Q AM   s o   t h a t   i t   h a s   m a x i m u m   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   o f   6   b p s / H z   a n d   o u t a g e   p r o b a b i l i t y   l e s s   t h a n   0 . 0 1 % .                             F i g u r e 2   Ad a p t i v e   m o d u l a t i o n   s y s t e m       I n   r a i n   c o n d i t i o n s ,   t h e   c h a n n e l   i s   a f f e c t e d   b y   r a i n   a t t e n u a t i o n   w h i c h   c a u s e s   t h e   r e c e i v e d   s i g n a l - t o - n o i s e   r a t i o   g   t o   d e c r e a s e ,   s o   t h e   s y s t e m   h a s   t o   u s e   l o w e r   m o d u l a t i o n   l e v e l ,   i . e .   1 6 - Q AM   o r   4 - Q AM .   I n   t h i s   r e s e a r c h ,   p e r f e c t   c h a n n e l   e s t i m a t i o n   i s   a s s u m e d .   T h e   f e e d b a c k   p a t h   w i l l   b e   a s s u m e d   t h a t   i t   d o e s   n o t   i n t r o d u c e   a n y   e r r o r s .   T h e   a v a i l a b i l i t y   o f   c h a n n e l   i n f o r m a t i o n   a t   t h e   t r a n s m i t t e r   a l l o w s   i t   t o   a d a p t   i t s   t r a n s m i s s i o n   s c h e m e   r e l a t i v e   t o   t h e   v a r i a t i o n   c h a n n e l .   T h e   e f f e c t s   o f   f e e d b a c k   d e l a y   a r e   i g n o r e d   s i n c e   i n   r e a l i t y   t h i s   d e l a y   i s   v e r y   s m a l l   w i t h   r e s p e c t   t o   t h e   r a t e   o f   v a r i a t i o n   o f   r a i n   a t t e n u a t i o n .   Bi t   e r r o r   p r o b a b i l i t y   b P   f o r   a n   AW G N   c h a n n e l   w i t h   M Q AM   m o d u l a t i o n   a n d   i d e a l   c o h e r e n t   p h a s e   d e t e c t i o n   i s   b o u n d e d   b y   [ 9 ] ,   [ 1 1 ]       - g - £ 1 5 . 1 e x p 2 . 0 M P b       f o r   4 ³ M                 ( 1 )   T h e   t h r e s h o l d   s i g n a l - t o - n o i s e   r a t i o   f o r   t a r g e t b P :       5 . 1 ) 5 l n ( ) 1 ( - - = g b t h P M                         ( 2 )     w i t h   M   d e n o t i n g   t h e   m o d u l a t i o n   l e v e l .   By   u s i n g   ( 2 ) ,   t h r e s h o l d s   o f   r e c e i v e d   s i g n a l - t o - n o i s e   r a t i o   t h g   c a n   b e   o b t a i n e d   f o r   e a c h   m o d u l a t i o n   l e v e l .   Ad a p t a t i o n   s c e n a r i o   f o r   b i t   e r r o r   p r o b a b i l i t y   1 0 - 6   c a n   b e   s h o w n   i n   T a b l e   1 .       T a b l e   1 .   Ad a p t i v e   M - Q A M     Sc e n a r i o   f o r   Pb = 1 0 - 6   R e g i o n   ( j )   M o d u l a t i o n   M o d e   j M   g   I n t e r v a l   ( d B)   0   N o   t r a n s m i s s i o n   0   g <   1 3 . 8 7 6   1   4   Q AM   4   1 3 . 8 7 6 <   g   <   2 0 . 8 6 6   2   1 6   Q AM   1 6   2 0 . 8 6 6 <   g   <   2 7 . 0 9 8   3   6 4   Q AM   6 4   g   >   2 7 . 0 9 8       3 .     R e s e a r c h   M e t h o d   I n   t h i s   r e s e a r c h ,   e v a l u a t i o n   o f   t h e   s y s t e m   p e r f o r m a n c e   u s e s   s i m u l a t i o n   a n d   a n a l y t i c a l   m e t h o d .   i n p u t   o u t p u t   Ad a p t i v e   m o d u l a t i o n   s y s t e m   A / 1 N D e m o d u l a t i o n     C h a n n e l   e s t i m a t i o n   d e l a y   R e c e i v e r   R x   C h a n n e l   T r a n s m i t t e r   T x   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I SSN :   1 6 9 3 - 6 9 3 0         An   Ad a p t i v e   M o d u l a t i o n   o f   M i l l i m e t e r - W a v e   C o m m u n i c a t i o n   Sy s t e m   f o r   T r o p i c a l   .   ( Su w a d i )   3 2 1   3 . 1     R a i n   m e a s u r e m e n t     F o r   r a i n   m e a s u r e m e n t ,   i n s t r u m e n t   w a s   u s e d   t o   r e c o r d ,   i . e .   d i s d r o m e t e r .   I t   w a s   p l a c e d   a t   t h e   c a m p u s   o f   I n s t i t u t   T e k n o l o g i   Se p u l u h   N o p e m b e r   ( I T S)   Su r a b a y a ,   I n d o n e s i a   ( 7 o   1 3   S,   1 1 2 o   4 3   E )   s i n c e   2 0 0 7 .   R a i n   r a t e   h a s   b e e n   m e a s u r e d   u n t i l   n o w .   I t   w a s   u s e d   t o   r e c o r d   r a i n   r a t e   d a t a   a n d   t h e n   s t o r e d   i n   a   p e r s o n a l   c o m p u t e r   ( PC )   t h r o u g h   R S 2 3 2   a n d   d a t a   s a m p l i n g   a t   e v e r y   1 0   s .   I n   t h i s   r e s e a r c h ,   i t   u s e s   r a i n   r a t e   m e a s u r e m e n t   d a t a   f o r   2   y e a r s .   T h e   R 0 . 0 1   m e a n s   t h a t   t h e   r a i n   r a t e   a t   0 . 0 1 %   o f   t i m e   i n   m e a s u r e d   p e r i o d   t h a t   t h e   r a i n - r a t e   v a l u e   i s   e x c e e d e d .   F i g u r e   1   s h o w s   t h a t   Su r a b a y a   I n d o n e s i a s   R 0 . 0 1   i s   1 4 0   m m / h ,   l a r g e r   t h a n   t h a t   o f   n o n   t r o p i c a l   a r e a .     0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 1 0 - 4 1 0 - 3 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 1 0 1 R a i n - r a t e   ( m m / h r ) P r o b [ R a i n - r a t e > a b s c i s s a ] ( % )     D i s d r o m e t e r     F i g u r e   1   C C D F s   o f   r a i n   r a t e   m e a s u r e m e n t   r e s u l t   p e r   y e a r   i n   Su r a b a y a ,   I n d o n e s i a       I n   t h i s   p a p e r ,   t h e   u s e   o f   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   t o   i m p r o v e   t h e   o u t a g e   p e r f o r m a n c e   a n d   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   i s   c o n c e n t r a t e d   i n   m i l l i m e t e r - w a v e   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s   u n d e r   t h e   i m p a c t   o f   t r o p i c a l   r a i n   a t t e n u a t i o n .   T o   t h e   b e s t   o f   t h e   k n o w l e d g e ,   t h i s   t e c h n i q u e   h a s   n e v e r   b e e n   s t u d i e d   f o r   a p p l i c a t i o n   i n   t h i s   c o n d i t i o n .   T h e   t e c h n i q u e   w i l l   b e   e x p l a i n e d   i n   s e c t i o n   3 .   I n   p a r t i c u l a r ,   a n a l y t i c a l   a n d   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   o f   e v a l u a t i o n   o f   o u t a g e   p r o b a b i l i t y   a n d   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   i n   3 0   G H z   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s   a r e   p r e s e n t e d .   T h e   s i m u l a t i o n   i s   d o n e   b y   a p p l y i n g   t h e   s y n t h e t i c   s t o r m   t e c h n i q u e   ( S S T )   o n   r a i n f a l l   i n t e n s i t y   m e a s u r e m e n t s   i n   Su r a b a y a ,   I n d o n e s i a   a n d   a d o p t s   I T U - R   P . 8 3 8 - 3   r e c o m m e n d a t i o n   f o r   c a l c u l a t i n g   s p e c i f i c   r a i n   a t t e n u a t i o n   [ 1 0 ] .       3 . 2     C l e a r   Sk y   Si g n a l   t o   N o i s e   R a t i o       I n   t h i s   s t u d y ,   t h e   k e y   p a r a m e t e r s   o f   L M D s y s t e m   u s e d   i n   r e f .   [ 1 2 ]   a r e   u s e d .   T h e   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r   a n t e n n a   g a i n s   a r e   1 5   a n d   3 0   d B i ,   r e s p e c t i v e l y .   Ac c o r d i n g l y ,   w e   c o m p u t e   s i g n a l   t o   n o i s e   r a t i o   c l e a r   s k y   c o n d i t i o n   f o r   v a r i o u s   t r a n s m i t t e d   p o w e r s   a n d   l i n k   l e n g t h s   a s   s h o w n   i n   T a b l e   2 .       T a b l e   2 .   Si g n a l   t o   N o i s e   R a t i o   i n   C l e a r   Sk y   C o n d i t i o n   T r a n s m i t   Po w e r   ( d Bw )   Si g n a l - t o - n o i s e   r a t i o   a t   c l e a r   s k y   c o n d i t i o n   c s g   ( d B)   1   k m   2   k m   3   k m   4   k m   - 5   3 9 . 8   3 3 . 8   3 0 . 3   2 7 . 8   0   4 4 . 8   3 8 . 8   3 5 . 3   3 2 . 8   5   4 9 . 8   4 3 . 8   4 0 . 3   3 7 . 8   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                              I S SN :   1 6 9 3 - 6 9 3 0     T E L K O M N I K A     V o l .   8 ,   N o .   3 ,   D e c e m b e r   2 0 1 0   :     3 1 9     3 2 6   3 2 2   3 . 3     R a i n   A t t e n u a t i o n   I n   t h i s   r e s e a r c h ,   t h e   r a i n   r a t e   m e a s u r e m e n t s   r e c o r d e d   f o r   2   y e a r s   i n   Su r a b a y a   ( 7 0 1 3   S ,   1 1 2 0 4 3   E) ,   I n d o n e s i a   a r e   u s e d .   R a i n   r a t e   s t a t i s t i c   R 0 . 0 1   f o u n d   f r o m   t h e   m e a s u r e m e n t   i s   1 4 0   m m / h ,   l a r g e r   t h a n   t h a t   o f   1 0 0   m m / h   s u g g e s t e d   b y   I T U - R   [ 9 ] .   R a i n   a t t e n u a t i o n   w a s   e s t i m a t e d   b y   u s i n g   s y n t h e t i c   s t o r m   t e c h n i q u e   ( SST ) ,   w h i c h   h a d   b e e n   s u c c e s s f u l l y   t e s t e d   f o r   p r e d i c t i n g   l o n g   t e r m   s t a t i s t i c s   o f   f a d e   d u r a t i o n   [ 1 3 ] .   B a s e d   o n   t h e   r a i n   a t t e n u a t i o n   e s t i m a t e s ,   i t   c a n   b e   o b t a i n e d   m e a n   m   a n d   s t a n d a r d   d e v i a t i o n   s   o f   l o g a r i t h m   o f   r a i n   a t t e n u a t i o n   o f   v a r i o u s   l i n k   l e n g t h s   a s   s h o w n   i n   T a b l e   3 .   I t   i s   w e l l   k n o w n   t h a t   r a i n   a t t e n u a t i o n   v a l u e   A ( d B)   i s   a p p r o x i m a t e l y   l o g - n o r m a l l y   d i s t r i b u t e d .   T h e r e f o r e ,   t h e   o v e r a l l   l o n g - t e r m   p d f   o f   r a i n   a t t e n u a t i o n   a l o n g   t h e   l i n k   h a s   t h e   f o r m   [ 1 2 ] :         < ³ s m - - p s = 0 , 0 0 , l n 2 1 e x p 2 1 ) ( 2 a a a a a P A                   ( 3 )     a n d   t h e   C C D F :       s m - = l l = ³ ¥ ) l n ( ) ( ) ( a Q d P a A P a A                     ( 4 )     w h e r e   m   a n d   s   a r e   t h e   m e a n   a n d   s t a n d a r d   d e v i a t i o n   o f   l n ( A ) .   I t   c a n   b e   o b t a i n e d   a n a l y t i c a l l y   c o m p l e m e n t a r y   c u m u l a t i v e   d i s t r i b u t i o n   f u n c t i o n   ( C C D F )   o f   r a i n   a t t e n u a t i o n   u s i n g   ( 4 ) .   F i g u r e   3   s h o w s   C C D F s   o f   r a i n   a t t e n u a t i o n   o b t a i n e d   u s i n g   SST   a n d   a n a l y t i c a l l y .   T h e   SST   r e s u l t s   c a n   b e   a p p r o x i m a t e d   b y   t h e   a n a l y t i c a l   a t   l e a s t   f o r   e x c e e d a n c e   p r o b a b i l i t i e s   a b o v e   0 . 0 1 % .       T a b l e   3 .   R a i n   At t e n u a t i o n   Pa r a m e t e r s   o f   M e a n   a n d   St a n d a r d   D e v i a t i o n   R a i n   a t t e n u a t i o n   p a r a m e t e r s     1   k m   2   k m   3   k m   4   k m   m   -   0 . 6 8 7   -   0 . 0 2 5 5   0 . 3 4 7   0 . 6 0 3   s   1 . 6 5 0   1 . 6 8 3   1 . 7 1 5   1 . 7 4 4     0 5 0 1 0 0 1 5 0 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 1 0 1 A t t e n u a t i o n   ( d B ) P r o b . [ A t t e n u a t i o n   >   a b s c i s s a ]   ( % ) 1   k m ,   S S T 2   k m ,   S S T 3   k m ,   S S T 4   k m ,   S S T 1   k m ,   a n a l y t i c 2   k m ,   a n a l y t i c 3   k m ,   a n a l y t i c 4   k m ,   a n a l y t i c     F i g u r e   3   C C D F s   o f   r a i n   a t t e n u a t i o n   f o r   s i n g l e   l i n k   w i t h   1 - 4   k m   l i n k   l e n g t h s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I SSN :   1 6 9 3 - 6 9 3 0         An   Ad a p t i v e   M o d u l a t i o n   o f   M i l l i m e t e r - W a v e   C o m m u n i c a t i o n   Sy s t e m   f o r   T r o p i c a l   .   ( Su w a d i )   3 2 3   1     2     3     4     1 0 - 3 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 1 0 1 D i s t a n c e   b e t w e e n   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r   ( k m ) O u t a g e   p r o b a b i l i t y   ( % ) A d a p t i v e   m o d u l a t i o n   =   4 - Q A M ,   a n a l y t i c 1 6 - Q A M ,   a n a l y t i c 6 4 - Q A M ,   a n a l y t i c A d a p t i v e   m o d u l a t i o n ,   s i m u l a t i o n     F i g u r e   4   O u t a g e   p r o b a b i l i t y   o f   v a r i o u s   l i n k   l e n g t h s   w i t h   t r a n s m i t   p o w e r   0   d Bw       3 . 4   O u t a g e   P r o b a b i l i t y   T h e   o u t a g e   p r o b a b i l i t y   i s   d e f i n e d   h e r e i n   a s   t h e   f r a c t i o n   o f   t i m e   w h e r e   t h e   s i g n a l - t o - n o i s e   r a t i o g   f a l l s   b e l o w   a   s p e c i f i e d   t h r e s h o l d t h g   :       ( ) ( ) ) ( t h c s t h c s t h o u t A P A P P P g - g ³ = g < - g = g < g =                     ( 5 )       w h e r e   c s g   a n d   A   r e s p e c t i v e l y   a r e   s i g n a l - t o - n o i s e   r a t i o   ( d B)   i n   c l e a r   s k y   c o n d i t i o n s   a n d   r a i n   a t t e n u a t i o n   ( d B) .   T h e   f i n a l   f o r m   o f   ( 5 )   c a n   b e   c o m p u t e d   u s i n g   ( 4 )   w i t h   t h c s a g - g =     3 . 5     A v e r a g e   Sp e c t r a l   Ef f i c i e n c y   I n   v a r i a b l e - r a t e   m o d u l a t i o n   t h e   d a t a   r a t e   R [ g ]   i s   v a r i e d   a c c o r d i n g   t o   t h e   s i g n a l   t o   n o i s e   r a t i o   g .   T h i s   c a n   b e   d o n e   b y   f i x i n g   t h e   s y m b o l   r a t e   R s = 1 / T s   o f   t h e   m o d u l a t i o n   a n d   u s i n g   m u l t i p l e   m o d u l a t i o n   s c h e m e s ,   o r   b y   f i x i n g   t h e   m o d u l a t i o n   ( e . g .   4 Q AM )   a n d   c h a n g i n g   t h e   s y m b o l   r a t e .   I n   c o n t r a s t ,   c h a n g i n g   t h e   m o d u l a t i o n   t y p e   w i t h   a   f i x e d   s y m b o l   r a t e   i s   f a i r l y   e a s y ,   a n d   t h e s e   t e c h n i q u e s   a r e   u s e d   i n   c u r r e n t   s y s t e m s   [ 9 ] .   W h e n   a   d i s c r e t e   s e t   o f   m o d u l a t i o n   t y p e s   i s   u s e d   e a c h   v a l u e   o f   g   m u s t   b e   m a p p e d   i n t o   o n e   o f   t h e   p o s s i b l e   m o d u l a t i o n   s c h e m e s .   T h i s   i s   o f t e n   d o n e   t o   m a i n t a i n   t h e   b i t   e r r o r   p r o b a b i l i t y   o f   e a c h   s c h e m e   b e l o w   a   g i v e n   v a l u e .   T o   m a i n t a i n   t h e   t a r g e t b P   t h e   m o d u l a t i o n   l e v e l   M   a n d   c o n s t a n t   p o w e r   a r e   a d j u s t e d .   T h e   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   f o r   t h i s   d i s c r e t e   r a t e   p o l i c y   i s   j u s t   t h e   s u m   o f   t h e   d a t a   r a t e s   a s s o c i a t e d   w i t h   e a c h   o f   t h e   r e g i o n s   m u l t i p l i e d   b y   t h e   p r o b a b i l i t y   t h a t   g   f a l l s   i n   t h e   r e g i o n .   T h e   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   c a n   b e   c a l c u l a t e d   b y :         - = g g + g g = 1 1 2 m a x 1 ) ( ) ( l o g ] [ j j i M j j d p M C E                         ( 6 )     w h e r e   C   a n d   ) ( g p   a r e   r e s p e c t i v e l y   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   i n   b p s / H z   a n d     p r o b a b i l i t y   d e n s i t y   f u n c t i o n   o f   s i g n a l - t o - n o i s e   r a t i o   i n   t h e   p r e s e n c e   o f   r a i n   a t t e n u a t i o n :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                              I S SN :   1 6 9 3 - 6 9 3 0     T E L K O M N I K A     V o l .   8 ,   N o .   3 ,   D e c e m b e r   2 0 1 0   :     3 1 9     3 2 6   3 2 4     ( ) g < g g £ g s m - g - g - p s g - g = g c s c s c s c s p ; 0 ; 2 ) l n ( e x p 2 ) ( 1 ) ( 2 2                     ( 7 )     T h e   t h r e s h o l d   s i g n a l   t o   n o i s e   r a t i o   t h g   f o r   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   s y s t e m   i s   1 3 . 8 7 6   d B   f o r   b P = 1 0 - 6 .   T h e   a n a l y t i c a l l y   o u t a g e   p r o b a b i l i t y   f o r   v a r i o u s   m o d u l a t i o n   m o d e s   w i t h   t r a n s m i t t e d   p o w e r   0   d B w   i s   o b t a i n e d   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 .   Ad a p t i v e   m o d u l a t i o n   a n d   f i x e d   4 - Q AM   h a v e   t h e   l e a s t   o u t a g e   p r o b a b i l i t y ,   i f   t h e y   a r e   c o m p a r e d   w i t h   f i x e d   1 6 - Q AM   a n d   6 4 - Q AM .         4 .     R e s u l t s   a n d   D i s c u s s i o n     I t   i s   d e f i n e d   h e r e i n   o u t a g e   p r o b a b i l i t y   i m p r o v e m e n t   a s   o u t a g e   p r o b a b i l i t y   o f   f i x e d   6 4 - Q AM   d i v i d e d   b y   t h a t   o f   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n .   F i g u r e   5   s h o w s   t h a t   o u t a g e   p r o b a b i l i t y   c a n   i m p r o v e   m o r e   t h a n   2 0 0 %   f o r   v a r i o u s   l i n k   l e n g t h s   a n d   t r a n s m i t t e d   p o w e r s ,   w h e n   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   i s   u s e d .   O u t a g e   p e r f o r m a n c e   c a n   i m p r o v e   s i g n i f i c a n t l y   a t   l o n g   d i s t a n c e   w i t h   l o w   t r a n s m i t   p o w e r ,   e . g . ,   a t   4   k m   l i n k   w i t h   t r a n s m i t   p o w e r   - 5 d B W .   I n   t h i s   c a s e ,   t h e   c l e a r   s k y   s i g n a l - t o - n o i s e   r a t i o   c s g   i s   s l i g h t l y   h i g h e r   t h a n   t h g   o f   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n .   F u r t h e r m o r e ,   a s   f a r   a s   o u t a g e   p e r f o r m a n c e   i s   c o n c e r n e d ,   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   m o d e   w i t h   l o w   t r a n s m i t t e d   p o w e r   s e e m s   t o   b e   m o r e   s u i t a b l e .       1     2     3     4     1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 D i s t a n c e   b e t w e e n   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r   ( k m ) O u t a g e   p r o b a b i l i t y   i m p r o v e m e n t   ( % ) P b   =   1 0 P t   =   -   5   d B w P t =   0   d B w P t =   5   d B w       F i g u r e   5   O u t a g e   p r o b a b i l i t y   i m p r o v e m e n t s   o f   v a r i o u s   l i n k   l e n g t h s   f o r   s e v e r a l   t r a n s m i t t e d   p o w e r s       F i g u r e   6   s h o w s   a n a l y t i c a l   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   o f   v a r i o u s   m o d u l a t i o n   m o d e s   f o r   s e v e r a l   l i n k   l e n g t h s   a n d   s i m u l a t i o n   r e s u l t   f o r   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n .   T h e   a g r e e m e n t   b e t w e e n   t h e   a n a l y t i c a l   a n d   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   s e e m s   t o   b e   q u i t e   g o o d   a n d   i n d i c a t i v e   o f   t h e   v a l i d a t i o n   o f   t h e   p r o p o s e d   p r o c e d u r e .   Ad a p t i v e   m o d u l a t i o n   s y s t e m   h a s   s h o w n   t h e   b i g g e s t   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   a m o n g   v a r i o u s   m o d u l a t i o n   m o d e s .     H e r e   i t   i s   d e f i n e d   t h a t   t h e   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   i m p r o v e m e n t   a s   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   o f   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   d i v i d e d   b y   t h a t   o f   f i x e d   6 4 - Q A M .   F i g u r e   7   s h o w s   i m p r o v e m e n t   o f   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   f o r   s e v e r a l   l i n k   l e n g t h s   a n d   t r a n s m i t t e d   p o w e r s .   Ad a p t i v e   m o d u l a t i o n   c a n   i m p r o v e   m o r e   t h a n   2 0 0 %   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   f o r   l o w   p o w e r   a n d   l o n g   d i s t a n c e .   I n   t h i s   c a s e ,   i f   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   i s   c o n c e r n e d ,   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   w i t h   l o w   p o w e r   o n   l o n g   d i s t a n c e   l i n k s   s h o w s   t h e   b i g g e s t   e f f i c i e n c y   i m p r o v e m e n t .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I SSN :   1 6 9 3 - 6 9 3 0         An   Ad a p t i v e   M o d u l a t i o n   o f   M i l l i m e t e r - W a v e   C o m m u n i c a t i o n   Sy s t e m   f o r   T r o p i c a l   .   ( Su w a d i )   3 2 5   1     2     3     4     1 2 3 4 5 6 7 8 P b   =   1 0 D i s t a n c e   b e t w e e n   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r   ( k m ) A v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   ( b p s / H z ) 4   Q A M ,   a n a l y t i c 1 6   Q A M ,   a n a l y t i c 6 4   Q A M ,   a n a l y t i c A d a p t i v e   m o d u l a t i o n ,   a n a l y t i c A d a p t i v e   m o d u l a t i o n ,   s i m u l a t i o n       F i g u r e   6   Av e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   o f   s i n g l e   l i n k   f o r   b P = 1 0 - 6       1     2     3     4     1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 D i s t a n c e   b e t w e e n   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r   ( k m ) A v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   i m p r o v e m e n t   ( % ) P t   =   -   5   d B w P t   =   0   d B w P t   =   5   d B w     F i g u r e   7   Av e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   i m p r o v e m e n t   o f   v a r i o u s   t r a n s m i t t e d   p o w e r s       5 .     C o n c l u s i o n s   Ev a l u a t i o n   o f   t h e   o u t a g e   a n d   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   o f   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   s y s t e m   h a s   b e e n   d i s c u s s e d .   T h e   r e s u l t s   h a v e   b e e n   c o m p a r e d   t o   t h o s e   o f   SST   s i m u l a t i o n   b a s e d   o n   t r o p i c a l   r a i n   r a t e   m e a s u r e m e n t s   i n   I n d o n e s i a .   T h e   a g r e e m e n t   b e t w e e n   t h e o r e t i c a l   p r e d i c t i o n   a n d   s i m u l a t i o n   a p p e a r s   t o   b e   g o o d .   O u t a g e   p e r f o r m a n c e   a n d   a v e r a g e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   c a n   b e   i m p r o v e d   b y   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   s y s t e m   f o r   l o n g   l i n k s   w h e n   l o w   t r a n s m i t   p o w e r   i s   u s e d .   T h i s   s u g g e s t   t h a t   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n   m i g h t   b e   b e n e f i c i a l   i n   s u c h   m i l l i m e t e r - w a v e   r a d i o   n e t w o r k s   t o   m a i n t a i n   h i g h - q u a l i t y   s e r v i c e   t o   s u b s c r i b e r s   l o c a t e d   q u i t e   f a r   f r o m   t h e   b a s e   s t a t i o n ,   e . g . ,   a t   t h e     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                              I S SN :   1 6 9 3 - 6 9 3 0     T E L K O M N I K A     V o l .   8 ,   N o .   3 ,   D e c e m b e r   2 0 1 0   :     3 1 9     3 2 6   3 2 6   c e l l   b o r d e r .   F o r   t h e s e   s u b s c r i b e r s   t h e   r e c e i v e d   p o w e r   i s   r e l a t i v e l y   l o w ,   w h i c h   m a k e s   t h e i r   r e c e p t i o n   q u a l i t y   m o r e   v u l n e r a b l e   t o   r a i n   a t t e n u a t i o n .       A c k n o w l e d g e m e n t   T h e   r e p o r t e d   w o r k   w a s   s u p p o r t e d   b y   D i r e c t o r a t e   G e n e r a l   o f   H i g h e r   Ed u c a t i o n   ( D G H E ) ,   M i n i s t r y   o f   N a t i o n a l   Ed u c a t i o n ,   R e p u b l i c   o f   I n d o n e s i a .         R e f e r e n c e s   [ 1 ]   C .   Sm i t h ,   L M D S,   N e w   Yo r k :   M c G r a w - H i l l ,   2 0 0 0 .   [ 2 ]   A.   Pa r a b o n i ,   G .   M a s i n i ,   a n d   A .   El i a ,   T h e   e f f e c t   o f   p r e c i p i t a t i o n   o n   m i c r o w a v e   L M D S   n e t w o r k s - p e r f o r m a n c e   a n a l y s i s   u s i n g   a   p h y s i c a l   r a i n   c e l l   m o d e l ,   I EEE  J .   Se l e c t e d   Ar e a s   C o m m , .   Vo l .   2 0 ,   N o . 4 ,   p p .   6 1 5 - 6 1 9 ,   Ap r i l ,   2 0 0 2 .   [ 3 ]   M .   Sa l e h u d i n ,   B.   H a n a n t a s e n a ,   L . J . M .   W i j d e m a n s ,   Ka - b a n d   l i n e   o f   s i g h t   r a d i o   p r o p a g a t i o n   e x p e r i m e n t   i n   Su r a b a y a   I n d o n e s i a ,   F i f t h   Ka - b a n d   U t i l i z a t i o n   C o n f . ,   T a o r m i n a ,   I t a l y ,   p p .   1 6 1 - 1 6 5 ,   O c t .   1 9 9 9 .   [ 4 ]     A.   M a u l u d i y a n t o ,   G .   H e n d r a n t o r o ,   M . H .   Pu r n o m o ,   T .   R a m a d h a n y   a n d   A.   M a t s u s h i m a ,     AR I M m o d e l l i n g   o f   t r o p i c a l   r a i n   a t t e n u a t i o n   o n   a   s h o r t   2 8 - G H z   t e r r e s t r i a l   l i n k   ,   I E EE   An t e n n a s   a n d   W i r e l e s s   p r o p .   L e t t e r ,   Vo l .   9 ,   p p . 2 2 3 - 2 2 7 ,   2 0 1 0 .   [ 5 ]   D .   G .   Sw e e n e y ,   a n d   C .   W .   Bo s t i a n ,   I m p l e m e n t i n g   a d a p t i v e   p o w e r   c o n t r o l   a s   a   3 0 / 2 0   G H z   f a d e   c o u n t e r m e a s u r e ,   I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   An t e n n a   a n d   Pr o p a g a t i o n ,   Vo l .   4 7 ,   N o . 1 ,   p p .   4 0 - 4 6 ,   J a n u a r y ,   1 9 9 9 .   [ 6 ]   G .   H e n d r a n t o r o ,   R . J . C .   Bu l t i t u d e ,   a n d   D . D .   F a l c o n e r ,   U s e   o f   c e l l - s i t e   d i v e r s i t y   i n   m i l l i m e t e r - w a v e   f i x e d   c e l l u l a r   s y s t e m s   t o   c o m b a t   t h e   e f f e c t s   o f   r a i n   a t t e n u a t i o n ,   I EEE  J .   Se l e c t .     Ar e a s   C o m m u n . ,   v o l .   2 0 ,   N o . 3 ,   p p .   6 0 2 - 6 1 4 ,   2 0 0 2 .   [ 7 ]   A.   D .   P a n a g o p o u l o s   a n d   J .   D .   K a n e l l o p o u l o s ,   C e l l - s i t e   d i v e r s i t y   p e r f o r m a n c e   o f   m i l l i m e t e r - w a v e   f i x e d   c e l l u l a r   s y s t e m   o p e r a t i n g   a t   f r e q u e n c y   a b o v e   2 0   G H z ,   I EEE  An t e n n a s   a n d   W i r e l e s s   Pr o p a g a t i o n   L e t t e r s ,   Vo l .   1 ,   p p .   1 8 3 - 1 8 5 ,   2 0 0 2 .   [ 8 ]       S.   T .   C h u n g ,   a n d   A.   J .   G o l d s m i t h ,   D e g r e e s   o f   f r e e d o m   i n   a d a p t i v e   m o d u l a t i o n :   U n i f i e d   v i e w ,   I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   C o m m u n i c a t i o n s ,   Vo l .   4 9 ,   N o . 9 ,   p p .   1 5 6 1 - 1 5 7 1 ,   Se p t e m b e r   ,   2 0 0 1 .   [ 9 ]   A.   J .   G o l d s m i t h ,   W i r e l e s s   C o m m u n i c a t i o n s ,   C a m b r i d g e   U n i v e r s i t y   Pr e s s ,   2 0 0 5 .   [ 1 0 ]   I T U - R   R e c .   P. 8 3 8 - 3 ,   Sp e c i f i c   a t t e n u a t i o n   m o d e l   f o r   r a i n   f o r   u s e   i n   p r e d i c t i o n   m e t h o d s ,   2 0 0 5 .   [ 1 1 ]     Sk l a r .   D i g i t a l   C o m m u n i c a t i o n ,   Pr e n t i c e   H a l l ,   N e w   J e r s e y ,   1 9 9 4 .   [ 1 2 ]     C h u ,   C .   Y. ,   C h e n ,   K.   S.     Ef f e c t s   o f   r a i n   f a d i n g   o n   t h e   e f f i c i e n c y   o f   t h e   K a - Ba n d   L M D S   s y s t e m   i n   t h e   T a i w a n   a r e a ,   I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   Ve h i c u l a r   T e c h n o l o g y ,   v o l .   5 4 ,   n o .   1 ,   p p .   9 - 1 9 .   J a n u a r y ,   2 0 0 5   [ 1 3 ]     E.   M a t r i c c i a n i ,   Se r v i c e   o r i e n t e d   s t a t i s t i c s   o f   i n t e r r u p t i o n   t i m e   d u e   t o   r a i n f a l l   i n   e a r t h - s p a c e   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s   I EEE   T r a n s a c t i o n   o n   a n t e n n a s   a n d   p r o p a g a t i o n ,   v o l .   5 2 ,   p p .   2 0 8 3 - 2 0 8 9 ,   Au g u s t ,   2 0 0 4 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.