1/6
ANALISIS KINERJA TEKNIK DIFFERENTIAL SPACE-TIME BLOCK CODED PADA SISTEM KOMUNIKASI KOOPERATIF I Gusti Putu Raka Sucahya - 2206100124 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Email :
[email protected]
Abstrak Teknik MIMO merupakan suatu teknik dimana pemancar dan penerima memiliki antena jamak, namun ada suatu metode yang menyerupai teknik MIMO, namun tidak membutuhkan antena jamak. Metode tersebut adalah sistem komunikasi kooperatif. Pada tugas akhir ini akan diteliti kinerja sistem komunikasi kooperatif dengan menggunakan teknik differential space-time block coded (DSTBC) menggunakan metode decode-and forward untuk pemrosesan sinyal di relay dan proses combining di penerima. Kinerja sistem komunikasi kooperatif dengan menggunakan teknik DSTBC dapat dilihat dari kinerja teknik DSTBC pada saat melakukan pengiriman data dengan melakukan perulangan data sebanyak 10 kali dibandingkan dengan melakukan perulangan data sebanyak 100 kali. Dari hasil simulasi yang telah dilakukan, diketahui bahwa pada DSTBC-kooperatif kanal antar user memiliki pengaruh yang lebih besar dibandingkan kanal uplink, hal ini dikarenakan pada saat SNR kanal uplink 0 dB, variasi dari kanal antar user mampu menurunkan BER hingga 0.0302, sedangkan pada saat SNR kanal antar user 0 dB, variasi dari kanal uplink hanya mampu menghasilkan BER sebesar 0.04815. Jadi semakin besar SNR, maka performansi atau kinerja yang dihasilkan akan semakin bagus. DSTBC-kooperatif untuk perulangan data 100 kali pada kanal AWGN dan rayleigh flat fading akan mendekati BER sebesar 10-2 dengan nilai BER sebesar 0.030, dan memiliki kinerja BER lebih baik sebesar 0.327 bila dibandingkan dengan perulangan sebanyak 10 kali. Jadi, DSTBC-kooperatif akan memiliki kinerja yang lebih baik apabila hanya melewati kanal AWGN, dibandingkan dengan kinerja DSTBCkooperatif apabila melewati kanal AWGN dan rayleigh flat fading. Kata kunci : Sistem
Komunikasi Kooperatif, Metode Decode-and-Forward, Differential SpaceTime Block Coded (DSTBC)
untuk melawan fading pada sistem komunikasi nirkabel. Namun, beberapa perangkat nirkabel itu sendiri memiliki keterbatasan dalam hal ukuran, harga, dan hardware, sehingga penggunaan multiple antena tidak dapat digunakan dan secara otomatis teknik MIMO juga tidak dapat diterapkan pada sistem komunikasi nirkabel [1]. Untuk mengatasi keterbatasan tersebut, sistem komunikasi kooperatif muncul sebagai solusi yang tepat. Pada metode ini setiap user seolah-olah memiliki antena jamak. Namun antena jamak tersebut hanyalah antena virtual, yaitu dengan menggunakan antena suatu relay atau menggunakan antena user lain yang berada di sekitarnya untuk mengirimkan datanya sendiri menuju destination. Karena itulah metode ini disebut dengan sistem komunikasi kooperatif. Metode pensinyalan sistem komunikasi kooperatif yang umum digunakan terdiri dari metode detect-andforward dan amplify-and-forward [2]. Pengembangan dari metode detect dan forward adalah sistem komunikasi kooperatif yang menggunakan teknik STBC. Teknik STBCkooperatif akan bekerja baik pada lingkungan indoor, yaitu pada kondisi kanal slow dan flat fading dan outdoor asalkan pergerakan user relatif lambat, seperti pejalan kaki [3]. Dalam beberapa sistuasi, ketika lingkungan high-mobility atau kondisi kanal fading yang berubah dengan sangat cepat, maka sangat sulit untuk mengestimasi kanal secara akurat [4]. Dikarenakan keterbatasan tersebut, maka diperkenalkan sebuah sistem komunikasi kooperatif yang menggunakan teknik DSTBC. Penjelasan mengenai pemodelan sistem akan dibahas pada bab 2. Sedangkan bab 3 berisi tentang hasil analisa perbandingan kedua sistem tersebut dilihat dari sisi BER (Bit Error Rate). Kesimpulan yang diambil dibahas di dalam bab 4.
1. PENDAHULUAN
2. PEMODELAN SISTEM
Dalam media nirkabel, salah satu gangguan yang paling dominan adalah fading. Fading merupakan salah satu gangguan yang terjadi pada kanal dari sistem komunikasi nirkabel dan dapat menyebabkan kinerja dari suatu sistem menurun. Sementara kinerja dari sistem komunikasi nirkabel sangat bergantung pada keadaaan dari kanal antara pemancar dan penerima. Untuk mengatasi hal itu, penerapan Multi-Input Multi-Output (MIMO) pada sistem komunikasi nirkabel adalah sebuah metode yang cukup baik digunakan
A. Metode Differential Space Time Block Code Pada pemodelan dari simulasi ini, metode Differential Space Time Block Code (DSTBC) yang digunakan adalah DSTBC dengan menggunakan dua antena di bagian pemancar dan penerima. DSTBC sendiri memiliki beberapa tahapan dalam penggunaannya yaitu proses encoding dan transmission sequence yang akan dilakukan oleh DSTBC encoder, proses decoding yang dilakukan oleh DSTBC decoder, combiner yang akan menggabungkan sinyal yang
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
2/6
diterima dan maximum likelihood detector yang bertugas mengambil keputusan pada sinyal keluaran dari combining. Pemodelan dari teknik DSTBC dapat diilustrasikan pada gambar 1. C1k -C2k* tx antena 2
h1
h2
rx antena 1
r1k r2k
- r2k* r1k*
=
C1k C2k . h1k -h2k* -C2k* C1k* h2k h1k*
+
n1k -n2k* n2k n1k*
dimana : r1k : sinyal yang diterima oleh antena penerima pertama r2k : sinyal yang diterima oleh antena penerima kedua h1k : kanal untuk antenna pemancar pertama dan antena penerima h2k : kanal untuk antenna pemancar kedua dan antenna penerima. Sedangkan n1k, dan n2k merupakan noise. Dari persamaan matriks di atas juga dapat dibentuk menjadi persamaan berikut ini :
C2k C1k*
tx antena 1
Sinyal yang diterima dapat diekspresikan sebagai berikut :
rx antena 2
Rk = Ck.Hk + Nk
(3)
C. n1
Skema Combining Pada skema Combining, combiner memiliki tugas untuk menggabungkan sinyal yang diterima menjadi sinyal seperti persamaan berikut.
n2
Combining
Dk = Rk. RHk-1
Pada persamaan (4) diketahui bahwa RHk-1 adalah matriks transpose conjugate dari Rk-1 .
Demodulasi
D.
Data Output Gambar 1 Metode DSTBC dengan dua antena pemancar dan penerima
B.
Encoding and Transmission Sequence Pada tahap pertama,user A dan user B mengirimkan datanya masing-masing,yaitu S1k dan S2k pada waktu yang bersamaan (diasumsikan tidak ada waktu tunda pada pemrosesan dan pengiriman sinyal). Pada periode simbol berikutnya sinyal (-S2k*) ditransmisikan dari antena pemancar pertama, sedangkan simbol (S1k*) ditransmisikan dari antena pemancar kedua, yang mana tidak membawa informasi ke penerima. Tanda * merupakan operasi kompleks conjugate. Misalkan Sk adalah hasil matriks informasi dari proses encoding space-time block coded. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut : Sk
=
S1k S2k -S2k* S1k*
(1)
Maka matriks pemancar dari differential space-time adalah hasil perkalian dari matriks informasi Sk dengan matriks yang dipancarkan sebelumnya Ck-1 [5] dan dapat dinyatakan sebagai berikut : Ck = Sk . Ck-1 =
C1k C2k -C2k* C1k*
(4)
(2)
Sistem Komunikasi Koperatif (DSTBC-Kooperatif) Sistem komunikasi kooperatif terdiri dari user, kanal, dan destination. Pada simulasi, bit informasi yang dibangkitkan secara acak adalah sebanyak 10.000 bit. Pada pengiriman data yang dilakukan dengan melakukan perulangan data sebanyak 100 kali, jumlah data yang dibangkitkan adalah sebanyak 100 bit, kemudian data tersebut diblok, untuk kemudian dikirimkan ke destination. Jadi, akan dikirimkan data sebanyak 100 bit/blok sebanyak 100 kali, sehingga jumlah total data yang akan diterima di destination adalah sebanyak 10.000 bit. Sedangkan, pada pengiriman data sebanyak 1000 bit/blok, akan dilakukan perulangan pengiriman data sebanyak 10 kali, sehingga jumlah total data yang akan diterima di destination juga sebanyak 10.000 bit. Tujuan dari pengiriman data per-blok itu sendiri adalah untuk mengurangi pengaruh dari kanal rayleigh fading dan AWGN, sehingga diharapkan kinerja dari sistem itu sendiri dapat menjadi lebih baik. Pemodelan sistem komunikasi kooperatif dengan teknik differential space-time block coded (DSTBC) dapat dilihat pada gambar 2 dan 3. E.
Proses Pertukaran Data Antar User Pada tahap pertama ini, terjadi proses pertukaran data antar user, dimana user 1 dan user 2 saling mengirimkan datanya masing-masing, yaitu C1 dan C2 secara bergantian. Proses pertukaran data ini terjadi pada kanal antar user. Ilustrasi dari proses pertukaran data antar user dapat dilihat
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
3/6
pada gambar 2. Pada gambar 2 terlihat bahwa kedua user saling menukarkan datanya secara bergantiaan. Kemudian setelah proses pendeteksian dan pengambilan keputusan, akan didapatkan nilai estimasi C^1 pada user 2 dan C^2 pada user 1.
Data Input User 1
Modulasi BPSK
- r2* r1*
=
h1 -h2* h 2 h 1*
C1 C2 . -C^2* C^1*
n1 -n2* n 2 n 1*
+
Rk = Ck.Hk + Nk
Modulasi BPSK
C2
h1
r1 r2
Dari persamaan matriks di atas juga dapat dibentuk menjadi persamaan berikut ini :
Data Input User 2
C1
Ilustrasi dari proses pengiriman masing-masing user dapat dilihat pada gambar 3. Sehingga data yang diterima dapat dituliskan pada persamaan berikut :
(6)
Pada skema Combining, combiner memiliki tugas untuk menggabungkan sinyal yang diterima menjadi sinyal seperti persamaan berikut.
h2
Dk = Rk. RHk-1
(7)
Dimana, RHk-1 adalah matriks transpose conjugate dari Rk-1 . Data Input User 1
tx antenna 1
Data Input User 2
tx antenna 2 C1
Modul asi BPSK
-C^2*
C2 C^1*
Modul asi BPSK
C2 ^ Relay User 1
C1^
Relay User 2
h3
n1
h4
n2 Demod BPSK
C^2
Demod BPSK
rx antenna 1
rx antenna 2
C ^1
Gambar 2 Blok Diagram Sistem Komunikasi Kooperatif-DSTBC pada kanal antar user n3
Proses Enkode DSTBC-Kooperatif Pada proses enkode, data yang telah diperoleh dari user lain pada tahapan pertama akan dienkodekan sesuai pengkodean dari DSTBC, yaitu simbol C^2 menjadi –C^2* dan C^1 menjadi C^1*. Maka matriks pemancar dari differential space-time adalah :
n4
F.
Ck =
C1 C2 ^ -C 2* C^1*
(5)
Kemudian kedua user , baik user 1 dan 2 akan mengirimkan data miliknya dan data yang diperoleh pada tahapan pertama untuk ditransmisikan masing-masing secara bersamaan oleh user 1 dan user 2 ke antena penerima. Dimana, user 1 akan mengirimkan data [C1 -C^2*] dan user 2 akan mengirimkan data [C2 C^1*] menuju antena penerima.
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Combining
Demod BPSK
Data Output Gambar 3 Blok Diagram Sistem Komunikasi Kooperatif-DSTBC pada kanal uplink
4/6
3. ANALISA HASIL SIMULASI Pada bab ini akan dianalisis hasil dari simulasi sistem komunikasi kooperatif dengan menggunakan teknik DSTBC yang melakukan perulangan data sebanyak 10 kali dibandingkan dengan yang melakukan perulangan data sebanyak 100 kali. Kanal yang digunakan adalah kanal rayleigh fading dan AWGN. Dalam hal ini, user dapat bertindak sebagai source dan relay secara bergantian. Teknik modulasi yang digunakan adalah Binary Phase Shift Keying (BPSK) [6]. Pada tugas akhir ini akan digunakan metode simulasi Monte Carlo untuk mengestimasi nilai BER (Bit Error Rate) yang diinginkan [7]. Pada simulasi sistem komunikasi menggunakan DSTBC-kooperatif terdapat dua kondisi. Kondisi yang pertama adalah SNR kanal antar user dibuat tetap dan SNR kanal uplink dibuat bervariasi. Sedangkan kondisi yang kedua adalah SNR kanal uplink dibuat tetap dan SNR kanal antar user dibuat bervariasi .
fading, kemudian akan dianalisa berdasarkan hasil perbandingan antara grafik BER terhadap variasi SNR.Bila suatu sinyal informasi dilewatkan pada kanal ideal, maka sinyal tersebut tidak akan terkena gangguan apapun kecuali AWGN. Namun saat sinyal informasi melewati kanal rayleigh fading maka sinyal tersebut akan mengalami berbagai macam gangguan, antara lain adalah redaman, path loss, pantulan, dan lain sebagainya. Simulasi DSTBCkoperatif ini digunakan untuk melihat kinerja dari DSTBCkoperatif pada kanal AWGN dan rayleigh flat fading bila dilihat dari segi penggunaan SNR kanal antar user dan SNR kanal uplink yang masing-masing dibuat bervariasi. Untuk melihat pengaruh kondisi kanal, maka akan dianalisa simulasi dengan penggunaan SNR kanal uplink bernilai tetap (0, 5, 10 dan 15 dB) dengan SNR kanal antar user bervariasi (0-15dB) yang diilustrasikan pada gambar 4 dan SNR kanal antar user bernilai tetap dengan SNR kanal uplink bervariasi yang diilustrasikan pada gambar 5.
3.1 Analisa Simulasi Sistem untuk Kanal Uplink dan Kanal Antar User pada Kanal AWGN dan Rayleigh Flat Fading Pada simulasi ini, kinerja konfigurasi DSTBCkooperatif dengan melakukan perulangan data sebanyak 10 kali dibandingkan dengan melakukan perulangan data sebanyak 100 kali.
Gambar 5 Grafik BER DSTBC-kooperatif perulangan sebanyak 100 kali untuk SNR kanal antar user tetap pada kanal AWGN dan rayleigh flat fading
Gambar 4 Grafik BER DSTBC-kooperatif perulangan sebanyak 100 kali untuk SNR kanal uplink tetap pada kanal AWGN dan rayleigh flat fading
Pada DSTBC-kooperatif yang melakukan perulangan data sebanyak 100 kali, akan dilakukan pengiriman data yang berjumlah 100 bit, kemudian data tersebut diblok, untuk kemudian dikirimkan sebanyak 100 kali, sedangkan pada DSTBC-kooperatif yang melakukan perulangan data sebanyak 10 kali, akan dilakukan pengiriman data berjumlah 1000 bit, kemudian data tersebut diblok,untuk dikirimkan sebanyak 10 kali,sehingga total data yang akan diterima di destination oleh kedua konfigurasi tersebut adalah sebesar 10.000 akan dilewatkan pada kanal AWGN dan rayleigh flat
Dari gambar 4 dan gambar 5 terlihat bahwa kanal antar user memiliki pengaruh yang lebih besar dibandingkan kanal uplink, hal ini dikarenakan pada saat SNR kanal uplink 0 dB, variasi dari kanal antar user mampu menurunkan BER hingga 0.0302, sedangkan pada saat SNR kanal antar user 0 dB, variasi dari kanal uplink hanya mampu menghasilkan BER sebesar 0.04815. Sedangkan pertambahan besar SNR dari masing-masing kanal mampu menurunkan BER sistem DSTBC-kooperatif. Sehingga dapat diketahui bahwa pada DSTBC-kooperatif ini kondisi kanal antar user lebih berpengaruh terhadap kinerja dari DSTBC-kooperatif, akan tetapi kondisi kanal uplink juga harus diperhatikan agar sistem DSTBC-kooperatif tetap memiliki kinerja yang baik. 3.2 Analisa Simulasi Sistem DSTBC-kooperatif pada Kanal AWGN dan Rayleigh Flat Fading
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
5/6
Pada sub bab ini akan dianalisa kinerja dari DSTBCkooperatif, yaitu dengan cara membandingkan kinerja dari SNR kanal antar user maupun SNR kanal uplink apabila berada pada kanal AWGN dan kanal AWGN dan rayleigh flat fading, dimana masing-masing konfigurasi akan menggunakan SNR kanal uplink bernilai 15 dB, dan SNR kanal antar user bernilai 10 dB. Hasil gambar simulasi dapat dilihat pada gambar 6, yang mana memperlihatkan bahwa DSTBC-kooperatif untuk perulangan data 100 kali pada kanal AWGN dan rayleigh flat fading akan mendekati BER sebesar 10-2 dengan nilai BER sebesar 0.03, dan memiliki kinerja BER lebih baik sebesar 0.327 bila dibandingkan dengan perulangan sebanyak 10 kali.
Performansi atau kinerja dari kedua metode tersebut, bergantung pada besarnya SNR. Jadi semakin besar SNR, maka performansi atau kinerja yang dihasilkan akan semakin bagus. DSTBC-kooperatif untuk perulangan data 100 kali pada kanal AWGN dan rayleigh flat fading akan mendekati BER sebesar 10-2 dengan nilai BER sebesar 0.030, dan memiliki kinerja BER lebih baik sebesar 0.327 bila dibandingkan dengan perulangan sebanyak 10 kali. Jadi, dapat disimpulkan bahwa DSTBC-kooperatif akan memiliki kinerja yang lebih baik apabila hanya melewati kanal AWGN, dibandingkan dengan kinerja DSTBC-kooperatif apabila melewati kanal AWGN dan rayleigh flat fading. DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
[4] [5]
Gambar 6 Grafik BER DSTBC-koperatif untuk SNR kanal uplink tetap pada kanal AWGN dibandingkan dengan kanal AWGN dan rayleigh flat fading
[6]
[7] Pada gambar 6, dapat dilihat bahwa DSTBCkooperatif memiliki kinerja yang lebih baik pada kanal AWGN, dibandingkan dengan kinerja DSTBC-kooperatif pada kanal AWGN dan rayleigh flat fading. 4
KESIMPULAN
Setelah melakukan simulasi dan analisa data, dapat diambil beberapa kesimpulan bahwa kanal antar user memiliki pengaruh yang lebih besar dibandingkan kanal uplink, hal ini dikarenakan pada saat SNR kanal uplink 0 dB, variasi dari kanal antar user mampu menurunkan BER hingga 0.0302, sedangkan pada saat SNR kanal antar user 0 dB, variasi dari kanal uplink hanya mampu menghasilkan BER sebesar 0.04815. Sedangkan pertambahan besar SNR dari masing-masing kanal mampu menurunkan BER sistem DSTBC-kooperatif. Pada DSTBC-kooperatif ini kondisi kanal antar user lebih berpengaruh terhadap kinerja dari DSTBC-kooperatif, akan tetapi kondisi kanal uplink juga harus diperhatikan agar sistem DSTBC-kooperatif tetap memiliki kinerja yang baik.
A Nosratinia, A. Hedayat, and T.E. Hunter,”Cooperative Communication in Wireless Networks”, IEEE Communication Magazine, vol. 42,10, pp. 74-80, 2004. J.N. Laneman, ”Cooperative diversity in wireless networks : algorithms and architectures,” Massachussets institute of Technology, Sept 2002. Wirani, Y., “ Analisis Kinerja Teknik Space Time Block Coded pada Sistem Komunikasi Koperatif”,Tugas Akhir,Jurusan Teknik Elektro ITS,2005. Vucetic, B., Yuan, J., “Space-Time Coding”.John Wiley & Sons,England,2003. Rodriguez, B.,”Diffrential STBC for OFDM based Wireless Systems”,Technischen Universitat HamburgHarburg,Montevideo,Uruguay,2007. Rappaport, T. S., “Wireless Communications Principles and Practice”, Prentice Hall, New Jersey, 1996 Glover, I., Grant, P., ”Digital Communications”, Prentice Hall, England, hal. 510, 2000. DAFTAR RIWAYAT HIDUP
I Gusti Putu Raka Sucahya dilahirkan di Mataram, 12 Juni 1988. Merupakan putra pertama dari dua bersaudara pasangan I Gusti Made Rai Supartama. dan Ni Luh Putu Windari. Lulus dari SDN 2 T.J.Karang Ampenan tahun 2000 dan melanjutkan ke SLTPN 2 Mataram. Kemudian dia melanjutkan ke SMAN 5 Mataram pada tahun 2003 dan lulus pada tahun 2006. Setelah menamatkan SMA, penulis melanjutkan studinya ke Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada tahun 2006. Pada bulan Juni 2010 penulis mengikuti seminar dan ujian Tugas Akhir di Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Surabaya sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro.
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
