Aplikasi Algoritma Genetika Dalam Optimasi Pancaran Link Radio Berbasis Antena Array 4 Elemen

Algoritma genetik adalah teknik pencarian yang di dalam ilmu komputer untuk menemukan penyelesaian perkiraan untuk optimisasi dan masalah pencarian. Algoritma genetik adalah kelas khusus dari algoritma evolusioner dengan menggunakan teknik yang terinspirasi oleh biologi evolusioner seperti warisan, mutasi, seleksi alam dan rekombinasi (atau crossover)
Algoritma Genetik pertama kali dikembangkan oleh John Holland pada tahun 1970-an di New York, Amerika Serikat. Dia beserta murid-murid dan teman kerjanya menghasilkan buku berjudul "Adaption in Natural and Artificial Systems" pada tahun 1975. Algotrima genetika dapat diaplikasi dalam berbagai bidang mulai dari bidang teknik, kedokteran sampai ekonomi salah satu penerapan genetika algoritma dalam bidang teknik akan dibahasa pada tulisan ini.

Algoritma genetika (AG) diaplikasikan untuk mengoptimasi pancaran link radio komunikasi menggunakan antena array empat elemen. Algoritma ini berperan mencari nilai-nilai pembobot berupa beda fasa relatif elemen guna menghasilkan perbandingan antara SOI (signal of interest) dan SNOI (signal not of interest) atau dikenal dengan signal to interference ratio (SIR) seoptimal mungkin.


Pengarahan pancaran pada antena untuk link radio komunikasi merupakan salah satu usaha yang harus dilakukan, agar sisi penerima mendapatkan kualitas sinyal penerimaan yang relatif baik. Link tersebut, bisa bersifat omnidirectional ataupun directional. Selain itu, dalam satu link radio sangat mungkin adanya sinyal-sinyal lain yang tidak dikehendaki (signal not of interest atau  SNOI) dengan frekuensi yang sama, dan sifatnya mengacaukan sinyal dari pemancar yang dikehendaki (signal of interest atau SOI). Sehingga diperluka optimasi penerimaan dengan mengatur pancaran dari suatu antena, metode ini dapat dilakukan dengan menggunakan beberapa antena yang dioperasikan secara bersamaan, yang disebut dengan antena array dan mengatur nilai pencauan pada masing-masing elemen antena.
Antena Array Empat Elemen


Gambar 1 menunjukkan empat elemen antena array, dimana masing-masing elemen antena diasumsikan sebagai antena isotropis. Jarak antar elemen dinyatakan d (satuan panjang gelombang; λ ), sudut pengamatan pada medan jauh yang ditinjau dari normal array adalah θ dan arah dari pancaran utama (main beam) adalah θo. Jika W1, W2, W3 dan W4 berturut-turut menyatakan pencatuan pada elemen 1, 2, 3 dan elemen 4, maka pola pancaran yang dibentuk dari susunan ini, secara sederhana dinyatakan dengan:


E(θ) = W1 + W2e + W2ej2φ + W2ej3φ

Dimana


Jika W = W1 = W2 = W3 = W4, maka: E(θ) = W(1+ e + ej2φ +ej3φ
Berdasarkan persamaan (3), untuk mengarahkan pancaran utama (main beam) sistem array tersebut ke arah θ tertentu, dapat dilakukan dengan memberi beda fasa relatif pada elemen ke-2, ke-3 dan ke-4 terhadap elemen ke-1 secara berturut-turut dengan δ, 2δ, dan 3δ, dimana:


Pernyataan di atas dan persamaan (4) akan digunakansebagai dasar untuk merancang dan implementasi sistem antena array empat elemen guna mengarahkan pancaran utama link radio ke arah SOI tertentu.

Algoritma Genetika
Seperti diketahui, Algoritma Genetika (AG), atau “Genetic Algorithm” merupakan bagian dari evolutionary computing dan diinspirasi oleh teori Darwin tentang evolusi dan dikenalkan oleh John Holland padatahun 1975. Dalam perkembangannya, algoritma ini berkembang dalam area kecerdasan buatan (artificial intelligent), yang sangat ampuh untuk menyelesaikan persoalan-persoalan optimasi suatu system, seperti dalam bidang elektromagnetik, tentunya termasuk teknik antena.

Gambar 2. Diagram Blok Mekanisme Kerja Algoritma Genetika (AG)
Gambar 2 menunjukkan diagram blok mekanisme kerja AG. Proses ini dimulai dari pembangkitan populasi awal yang merupakan kumpulan individu-individu. Masing-masing individu tersebut, dinyatakan dalam bentuk gen dan kromosom sesuai dengan model dari permasalahan. Kemudian individu-individu tersebut dipilih (seleksi) untuk mendapat individu-individu yang baik.
Pengertian individu yang baik ini, dievaluasi berdasarkan nilai kebugaran (fitness) relatif dari setiap individu. Semakin tinggi nilai kebugarannya, maka semakin baik nilai individu tersebut dan semakin besar kemungkinan dia bertahan untuk dipilih. Setelah dilakukan pemilihan individu-individu yang bernilai baik, proses berikutnya adalah melakukan perkawinan silang (cross over) untuk menghasilkan individu-individu baru. Individu-individu yang lahir sebelum dinyatakan sebagai individu baru akan mengalami beberapa proses yang berhubungan dengan perubahan nilai gen, baik yang berupa adaptasi maupun revolusi. Proses yang terjadi dinamakan dengan mutasi gen inilah individu-individu baru dinyatakan telah lahir dan membentuk suatu populasi baru pada suatu generasi. Proses satu pengulangan ini dinamakan dengan satu generasi. Begitu seterusnya, sampai berlangsung ke berapa generasi yang diinginkan.

1.                Aplikasi Algoritma Genetika
Algoritma genetika (AG) yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan  kromosom float. Algoritma ini berfungsi untuk mencari beda fasa relatif β(m) antar elemen yang bersesuaian, sehingga diperoleh harga signal to interference ratio (SIR) yang seoptimal mungkin.

a.       Mekanisme Kerja
            Mekanisme kerja dari algoritma genetika yang digunakan untuk optimasi link radio komunikasi ini, secara skematik ditunjukkan pada gambar 4.
b.      Definisi Individu
Gambar 3. Skematik dari satu individu
            Gambar 3 memberikan ilustrasi tentang definisi sebuah individu, yaitu susunan beberapa kromosom yang menyatakan nilai beda fasa relatif β(m). Setiap nilai β(m), merupakan gen – gen float.



c.       Nilai Kebugaran (Fitness)
            Dalam masalah ini, nilai kebugaran (fitness) dinyatakan dengan signal to interference ratio (SIR), yang diformulasikan dengan F(i,j), yang berarti bernilai kebugaran dari individu ke-i, generasi ke-j. Formulasi SIR dinyatakan:


Berturut – turut menyatakan daya dari SOI dan SNOI ke-p. A dan Ip merupakan amplitudo SOI dan amplitudo SNOI ke-p. Sedangkan F(𝜃,φ) merupakan pola pancaran dari array.
a.      Perkawinan Silang (Cross Over)
Mekanisme perkawinan silang dalam makalah ini menggunakan pasangan berurutan, dimana gen ke-k induk ke-i dengan defenisi induk [i][k]  dan gen ke-k induk ke-(i+1) dengan defenisi induk [i+1][k] akan menghasilkan keturunan:
Anak [i][k] = r*induk [i][k]+(1-r)*induk [i+1][k]                           (7)
Anak [i+1][k] = r*induk [i+1][k]+(1-r)*induk [i][k]                       (8)
Dimana r adalah bilangan acak antara 0 sampai 1.
Untuk tiap pasangan, akan dibangkitkan bilangan acak r (antara 0 sampai dengan 1) untuk dibandingkan dengan probabilitas perkawinan silang pa. Bila bilangan acak tersebut lebih kecil dari pa, maka dilakukan perkawinan silang. Dan sebaliknya, bila bilangan tersebut lebih besar dari pa, maka tidak dilakukan perkawinan silang.
a.      Mutasi Gen (Pb)
Untuk gen ke-k dari individu ke-i yang dinyatakan dengan individu [i][k], akan dilakukan mutasi berikut:
       Individu [i][k] = individu [i][k] + q                                                  (9)
Dimana q adalah bilangan acak yang dibangkitkan dan nilainya kecil (antara 0 sampai dengan 1). Bila bilangan acak q lebih kecil dari probabilitas mutasi pb, maka dilakukan mutasi. Dan sebaliknya, bila bilangan tersebut lebih besar dari pb, maka tidak dilakukan mutasi.

Penentuan SIR Optimal
Setiap induvidu, yang merupakan pembobot setiap elemen β(m), dengan nilai SIR tertinggi pada setiap generasi selalu disimpan untuk tetap dipertahankan sampai generasi berikutnya yang telah ditentukan. Dengan menetukan jumlah generasi yang diinginkan, maka akan diperoleh nilai kebugaran SIR yang optimum pada generasi tersebut. Simulasi optimasi pancaran link radio komunikasi menggunakan algoritma genetika (AG) dilakukan dengan program Matlab, yaitu dengan mencari koefisien beda fasa relatif antar elemen array; β(m). Beberapa asumsi yang diberikan berkenaan simulasi yang dilakukan pada antena array di sini sebagai berikut:
  • Semua elemen array adalah antena isotropis, dengan pola dan orientasi yang sama.
  • Sinyal-sinyal SOI dan SNOI merupaka gelombang datar (plane wave) yang datang dari medan jauh (far field).
  • Tidak ada perbedaan atau variasi amplitudo dalam penerimaan sinyal oleh elemen-elemen array akibat perbedaan panjang lintasan relatif propagasi.

Karakteristik antena array linier empat elemen (M=4), jarak antar elemen dibuat sama (d=0,5λ). Karakteristik AG: jumlah populasi  = 50; jumlah generasi = 250; probabilitas pindah silang = 0,85 dan probabilitasn mutasi = 0,1. Untuk mendapatkan hasil SIR seoptimal mungkin, simulasi pola pancaran antena array dengan AG pada penelitian ini dilakukan dengan mengarahkan SOI pada arah 00, dan SNOI diarahkan pada arah-arah 100 sampai 900 dengan step 100.
Gambar 4. Skematik Mekanisme Algoritma Genetika untuk 
optimasi link radio komunikasi berbasis antena array empat elemen
1.                  Implementasi
Gambar 5. Blok Diagram Antena Array 
Empat Elemen
Gambar 5 menunjukkan diagram blokdari prototipe sistem antena array emapat elemen. Suatu pembangkit sinyal berfungsi untuk membangkitkan sinyal RF yang selanjutnya akan dibagi levelnya secara sama oleh pembagi jalur, langsung dihubungkan saluran transmisi ke suatu antena ke-1, tanpa pergeseran fasa (phase shifter). Sedangkan, keluaran yang lain, akan masuk ke penggeser fasa #1, #2 dan #3 dan selanjutnya menuju ke antena ke-2, ke-3 dan ke-4. Panjang dan karakteristik saluran transmisi kedua saluran transmisi dibuat sama.


Gambar 6 menuunjukkan komponen hasil implementasi sistem antena array empat elemen. Antena tersusun pada jarak 13 cm (1/2 panjang gelombang) dan ketiga antenanya dilengkapi penggeser fasa (phase shifter).

ANALISA

Hasil optimasi pola pancaran sistem antena array empat elemen dengan AG pada penelitian ini dilakukan dengan mengarahkan SOI pada arah 00 (SOI = 00) dan SNOI diarahkan pada arah-arah 100 sampai 900 dengan step 100 (SNOI = 00 , 10o, 20o , 30o , 40o , 50o , 60o , 70o , 80o , dan 90o). Sebagai validasi untuk membuktikan pola pancaran yang dihasilkan oleh AG, dilakukan beberapa eksperimen dari prototipe yang telah dibuat di ruang kedap (anechoic chamber). Prototipe ini digunakan sebagai media pancar dan sebagai penerima digunakan antena horn double ridge, merk Schwarzbeck BBHA 9120 (1.000 – 18.000 MHz) dan sebagai penunjukkan level sinyal digunakan Spectrum Analyzer merk Anritsu MS610 B (100 KHz – 2 GHz). Hasil beda fasa antar elemen dan SIR optimal yang dihasilkan dengan AG dan pengukuran ditunjukkan pada Tabel 1. Sedangkan pola pancaran sistem antena yang dihasilkan dengan optimasi AG dan hasil pengukuran untuk arah SOI = 00 dan berturut-turut SNOI pada arah 10o, 20o , 30o , 40o , 50o , 60o , 70o , 80o , dan 90o ditunjukkan pada Gambar 7 (a) dan 7 (i).
Perbedaan SIR yang dihasilkan antara AG dan pengukuran ini secara numerik dipaparkan pada Tabel 1, yaitu SIR dengan AG pada arah SOI yang sama, yaitu SOI = 00, sedangkan SNOI divariasi berturut-turut diperoleh SIR sebesar -38,4 dB; -38,6 dB; -38,5 dB; -38,8 dB; -38,7 dB; -38,4 dB; 38,9 dB; -39,4 dB; dan -39,8 dB. Sedangkan dari hasil pengukuran berturut-turut diperoleh -20,8 dB; -26,3 dB; -30,6 dB; -34,2 dB; -32,6 dB; -33,4 dB; -32,2 dB; -34,7 dB dan berturut-turut sebesar 17,6 dB; 12,3 dB; 7,9 dB; 4,6 dB; 6,1 dB; 5,0 dB; 6,7 dB; 4,7 dB dan 2,5 dB.
Gambar 7. Hasil Optimasi Pancaran Antena Untuk SOI = 00 dengan AG dan Hasil Eksperimen: (a) SNOI = 10o; (b) SNOI = 20o; (c) SNOI = 30o; (d) SNOI = 40o; (e) SNOI = 50o; (f) SNOI = 60o; (g) SNOI = 70o; (h) SNOI = 80o; (i) SNOI = 90o

Dari Gambar 7 dapat dianalisa bahwa kemiripan pola pancaran antara hasil dengan AG dan hasil pengukuran. Khusus Gambar 7 (a) yang merupakan hasil untuk SOI = 00 dan SNOI = 100 (dimana SOI dan SNOI berbeda 100) terdapat perbedaan SIR cukup besar, yaitu 17,6 dB, dan arah SOI yang diharapkan (SOI = 00). Sedangkan Gambar 7(b) untuk SOI = 00 dan SNOI = 200 (dimana SOI dan SNOI berbeda 200) terdapat pergeseran arah. SOI bergeser sekitar 70 dari SOI = 00. Semakin dekat arah SNOI dengan SOI, semakin besar pergeseran SOI yang terjadi. Untuk mengatasi hal ini perlu dipikirkan jumlah elemen yang semakin banyak. 

 KESIMPULAN
Telah dilakukan optimasi pancaran link radio komunikasi dengan AG menggunakan antena array empat elemen. Hasilnya, pola pancaran ang dihasilkan dengan AG dan hasil pengukuran terdapat kemiripan bentuk, meskipun terdapat perbedaan SIR berturut-turut sebesar 17,6 dB; 12,3 dB; 7,9 dB; 4,6 dB; 6,1 dB; 5,0 dB; 6,7 dB; 4,7 dB dan 2,5 dB untul arah SOI = 00 dan SNOI divariasi 10o, 20o , 30o , 40o , 50o , 60o , 70o , 80o , dan 90o.

DAFTAR PUSTAKA

1.      Constantine A. Balanis, Antenna Theory, Analysis and Design (Third Edition), John Willey and Sons, New York, 2005.
2.      Goldberg, D.E., Genetic Algorithms + Data Structure = Evolution Programs 3rd ed. Revised and Extended Edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1996.
3.      Budi Aswoyo, Simulasi Optimasi Pengarahan Pancaran ke Satelit Komunikasi Berbasis Antena Array 10x10 Elemen dengan Pengaturan Pencatu Fasa Menggunakan Algoritma Genetika.

Don't be a Silent Reader!
Please leave your comments, critiques or suggestions.
Because your opinion means a lot for this blog :)

EmoticonEmoticon