BAB III TEKNO OLOGI M MIMO-O OFDM DA AN AMC C
2..1
Konsep Komun nikasi Nirkaabel (Wireleess)
Gambar 2.1 Komunikasii nirkabel
2 2.1.1 Konssep Dasar Komunikasi K i Nirkabel (W Wireless) Istilaah nirkabel dalam d telekoomunikasi daapat diartikann mobile ataau bergerak, d dimana peraangkat user atau dengann kata lain terminal userr dapat dibaawa sambil b bergerak ataau berpindahh tempat selama terjadin nya komunikkasi. Hal inii menandai b bahwa kemampuan kom munikasi daapat melaluii udara sehiingga pengg guna dapat d dengan mud dah dan fleeksibel melaakukan kom munikasi dim manapun. Dewasa D ini, i istilah mobile atau berg gerak digunaakan untuk menyatakann perpindahaan terminal u user dengann kecepatan tinggi. t Hal iini berkaitann dengan terrminal user yang y dapat m melayani ko omunikasi paada kondisi kkendaraan berkecepatann tinggi tanpaa ada suatu p pemutusan k komunikasi. Selain itu mobile m atau bergerak daapat dikelom mpokkan ke d dalam tiga kategori yakni y simpplex, half duplex d dann full duplex. Untuk p perkembang gan teknologgi saat ini, ddibutuhkan komunikasi k ffull duplex (dua arah) t tanpa adany ya suatu peemutusan koomunikasi. Kondisi inii membutuhhkan suatu
4
perambatan sinyal pada kanal yang berbeda, sehingga kanal pemancar dan kanal penerima dapat secara terus-menerus melewatkan sinyal tanpa adanya interferensi pada keduanya. Kebutuhan akan kanal ini merupakan kebutuhan pada alokasi frekuensi dan sistem komunikasi bergerak sangat berhubungan erat dengan istilah ini. 2.1.2 Propagasi Sinyal
Gambar 2.2 Ilustrasi 3 hal penting mekanisme propagasi radio
2.1.2.1 Analogi Propagasi Sinyal Jika sebuah batu dilemparkan ke dalam air, maka akan terbentuk sebuah gelombang yang seragam berpusat pada suatu titik. Pada pusat titik tersebut akan didapatkan kekuatan gelombang yang terbesar dan semakin jauh dari pusat titik tersebut, kekuatan gelombang perlahan semakin kecil. Hal ini sesuai dengan perambatan gelombang di udara, semakin dekat dengan base station maka semakin mudah menerima sinyal dan semakin jauh dari base station akan susah menerima sinyal pada kondisi power base station yang sama. Jika dilemparkan sebuah batu kembali pada area yang berbeda, maka akan didapati sebuah gelombang lain pada sebuah titik tersebut. Hal ini akan menyebabakan gelombang batu awal dan gelombang dari batu yang kedua terjadi interferensi, ada yang saling menguatkan dan ada pula yang melemahkan. Pada
5
konsep seluler, base station akan memancarkan sinyal asli (original signal) dimana jika tidak terdapat pola gangguan maka bagi base station sendiri tidak ada tantangan untuk merepresentasikan sinyal. Tetapi jika ada pola gangguan dimana sinyal mulai untuk melakukan pantulan, mereka akan kembali ke penerima dengan beberapa kemungkinan yakni dapat menguatkan pada kondisi yang sama dan melemahkan pada kondisi yang berbeda. Inilah yang disebut dengan masalah multipath. Dari dua analogi diatas, perlu dipahami perbedaan diantara panggilan dan/atau sinyal pada atmosfer bumi, sebuah base station harus memiliki kecerdasan untuk menganalisa penempatan informasi pada konteks ruang/spasial yang sebenar-benarnya. 2.1.2.2 Multipath Multipath adalah sebuah kondisi dimana sinyal radio yang dipancarkan direfleksikan oleh struktur atau fitur fisik yang dapat menciptakan bagian-bagian dari multiple sinyal diantara base station dan terminal user. Sinyal refleksi yang tidak diinginkan merupakan masalah yang mengganggu komunikasi yakni pada masalah phase gelombang datang yang diterima stasiun penerima yang terkadang tidak sesuai. Di bawah ini ada beberapa kondisi yang termasuk akibat dari multipath sinyal yakni : • Fading – Terjadi ketika gelombang dari sinyal multipath di luar phase, penurunan kekuatan sinyal akan terjadi. Satu tipe dari penurunan ini disebut fade (pelenyapan/pelemahan), fenomena ini dikenal sebagai Rayleigh fading atau fading cepat. Kekuatan sinyal yang diterima akan fluktuatif dengan penurunan kualitas pada saat tertentu. • Phase cancellation – ketika satu gelombang dari dua sinyal multipath merupakan sinyal yang dirotasikan 180 derajat keluar dari phase, sinyal tersebut akan melenyapkan masing-masing dari yang lain. • Delay spread – Pemantulan jamak yang terjadi sebagai akibat multipath dari sinyal yang sama akan datang pada penerima dengan memiliki perbedaan waktu. Ini dapat menyebabkan interferensi intersimbol (bit-bit
6
bertabrakan satu dengan yang lain) dan penerima tidak dapat mengelompokkan sinyal tersebut. Ketika ini terjadi bit error rate naik dan akhirnya menyebabkan penurunan pesat dalam kualitas sinyal. • Interferensi cochannel – Penurunan sinyal terjadi karena penggunaan frekuensi carrier yang sama menjangkau penerima yang sama dari dua transmitter yang terpisah. 2.1.2.3 Rayleigh Fading Ada beberapa saat ketika sebuah penerima bergerak diluar jangkauan langsung (non-LOS) dari base station transmitter (tidak ada sinyal yang dipancarkan ke penerima secara LOS). Dalam kasus ini, sinyal yang diterima dibentuk dari sekumpulan pantulan dari objek, dan tidak ada bagian pantulan yang lebih dominan satu dengan yang lain. Bagian sinyal yang dipantulkan akan datang pada waktu yang berbeda-beda dengan amplitude yang berbeda dan phase yang berbeda pula.
Gambar 2.3 Ilustrasi 3 sinyal multipath
Pengujian secara teori dan percobaan dilakukan untuk selubung dari sebuah sinyal pembawa yang diterima pada perpindahan mobile didistribusikan secara Rayleigh. Selanjutnya, tipe fading ini disebut Rayleigh Fading. Model teori dibuat sesuai dengan kenyataan bahwa ada beberapa sinyal yang dipantulkan dari arah yang berbeda. Gabungan sinyal yang diterima adalah
cos 2
2
,
(2.1)
7
Catatan : sinyal yang diterima dibentuk dari jumlah seluruh N sinyal yang dipantulkan; masing-masing bagian dari sinyal yang dipantulkan memiliki amplitudo
dan
adalah frekuensi pembawa. Pergeseran frekuensi
,
dari
masing-masing sinyal yang dipantulkan dikarenakan efek Doppler ketika pengguna mobile bergerak. Jika sinyal dirambatkan paralel kearah pergerakan mobile, pergeseran frekuensi Doppler adalah (2.2)
,
Gambar 2.4 Dua sinyal multipath
2.1.2.4 Additive White Gaussian Noise Setiap data yang ditransmisikan mengalami gangguan noise, baik dari thermal noise, noise dari alat-alat elektronik, dan dari sumber lainnya. Oleh karena itu, penjumlahan dari berbagai sumber noise yang berbeda secara statistik yang diterima dimodelkan sebagai distribusi white dan Gaussian. Power realtif dari noise AWGN secara tipikal dapat digambarkan sebagai besaran dari : • Signal to Noise Ratio (SNR) per sampel • Ratio of bit Energy to Noise (Eb/No) • Ratio of symbol Energy to Noise (Es/No) Adapun hubungan dari ketiga besaran diatas adalah sebagai berikut : ⁄ ⁄
⁄ 10 log
10 log ⁄
(2.3) (2.4)
8
⁄
10 log
0,5.
⁄
(2.5)
Dimana, k = jumlah bit per simbol, Tsym = periode sinyal simbol, dan Tsamp = periode sinyal sampel. Persamaan 2.4 untuk kondisi sinyal input real dan persamaan 2.5 untuk kondisi sinyal input kompleks. 2.2
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
Gambar 2.5 Sistem OFDM
Konsep dari penggunaan transmisi data paralel adalah Frequency Division Multiplexing (FDM) dimana pemancaran dalam OFDM merupakan pemancaran dengan pembagian frekuensi pada tiap subkanalnya hanya saja bersifat orthogonal. OFDM adalah teknik transmisi yang menggunakan beberapa buah frekuensi (multicarier) yang saling tegak lurus (orthogonal) dengan menggunakan Discrete Fourier Transform (DFT).
Gambar 2.6 Perbandingan pemakaian bandwidth untuk OFDM dan FDM
9
Cara kerjanya OFDM adalah sebagai berikut. Deretan data informasi yang akan dikirim dikonversikan kedalam bentuk paralel, sehingga bila bit rate semula adalah R , maka bit rate di tiap-tiap jalur paralel adalah R/M dimana M adalah jumlah jalur paralel (sama dengan jumlah sub-carrier). Setelah itu, modulasi dilakukan pada tiap-tiap sub-carrier. Modulasi ini bisa berupa BPSK, QPSK, QAM atau yang lain, tapi ketiga teknik tersebut sering digunakan pada OFDM. Kemudian sinyal yang telah termodulasi tersebut diaplikasikan ke dalam Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT), untuk pembuatan simbol OFDM. Penggunaan IDFT ini memungkinkan pengalokasian frekuensi yang saling tegak lurus (orthogonal), mengenai hal ini akan dijelaskan lebih lanjut. Setelah itu simbol-simbol OFDM dikonversikan lagi kedalam bentuk serial, dan kemudian sinyal dikirim.
Gambar 12.7 Spektrum frekuensi pada OFDM.
OFDM dapat secara sederhana didefinisikan dalam bentuk modulasi multicarrier dimana jarak antar carrier sangat hati-hati dipilih sehingga masingmasing subcarrier adalah orthogonal terhadap subcarrier lainnya. Seperti yang telah diketahui, sinyal orthogonal dapat dipisah pada penerima dengan teknik yang
berhubungan
dengannya,
dimana
InterSymbol
Interference
dapat
dihilangkan. ”Orthogonal” pada kata OFDM mengindikasikan bahwa ada hubungan matematis yang tepat diantara frekuensi pembawa dalam sistem. Pada sistem FDM secara normal, beberapa sinyal dipisahkan oleh sebuah ruang yang dikenal dengan guard band, sinyal pada penerima didapatkan dengan menggunakan filter dan demodulator yang umum digunakan (conventional). Seperti pada penerima ini, guard band harus dikenalkan diantara frekuensi pembawa yang berbeda dan pengenalannya terjadi pada domain frekuensi sehingga pada sistem FDM efisiensi
10
frekuensi sangat rendah. Pada sistem OFDM, sinyal OFDM disusun dengan melakukan tumpang tindih frekuensi pembawa dan pada penerima masih dapat diperoleh tanpa ada interferensi antar frekuensi pembawanya. Pada OFDM, tiaptiap sinyal pembawa harus benar-benar orthogonal. Secara Matematis, dapat diekspresikan sinyal yang orthogonal sebagai berikut : Ψ
Ψ
(2.6)
0
Tanda Ψ adalah sinyal OFDM sedangkan Ψp adalah elemen ke-p dalam kelompok sinyal tersebut. Tanda * mengindikasikan complex conjugate dan interval [a,b] adalah periode simbol. 2.2.1 FFT dan IFFT Komponen kunci dari sebuah sistem OFDM adalah Inverse FFT di pemancar dan FFT di penerima. Operasi ini menjalankan linear mapping diantara simbol-simbol data kompleks N dan simbol-simbol OFDM kompleks N, hasilnya ketahanan
kanal
melawan
multipath
fading.
Alasannya
adalah
untuk
mentransformasikan data rate tinggi ke dalam N data rate rendah, masing-masing diujicobakan pada sebuah fading datar selama proses transmisi. Perkiraan kelompok data yang ditransmisikan adalah 1 ,
2 ,…,
(2.7)
Dimana N adalah jumlah total sub-carrier. Discrete-time merepresentasikan dari sinyal setelah IFFT adalah 1
.
√
,
0…
1
(2.8)
Di sisi penerima, data diperbaiki dengan menjalankan FFT pada sinyal yang diterima, 1 √
.
,
0…
1
(2.9)
11
N-poin FFT hanya menyediakan perkalian N log (N), hitungannya lebih efisien daripada sistem yang sama dengan menyamakannya dalam domain waktu. 2.2.2 Guard Interval dan Implementasinya Satu cara untuk menghindari ISI adalah dengan menciptakan guard interval tambahan, dimana masing-masing simbol OFDM didahului dengan sebuah tambahan periodik dari sinyal itu sendiri. Durasi total simbol adalah (2.10) dimana
adalah periode waktu guard interval dan T adalah durasi dari simbol.
Gambar 2.8 Pengaruh toleransi waktu dari penambahan guard interval.
Alasan penggunaan sebuah cyclic prefix untuk guard interval adalah untuk memperbaiki sinkronisasi carrier penerima dan untuk konvolusi cyclic yang masih dapat diaplikasikan diantara sinyal OFDM dan respon kanal.
Gambar 2.9 Contoh guard interval. Setiap simbol dibagi dalam dua bagian
2.2.3
Cyclic Prefix Cyclic prefix adalah fitur penting dalam OFDM untuk melawan pengaruh
dari multipath. Inter Simbol Interference (ISI) dan Inter Channel Interference
12
(ICI) dihindari dengan mengenalkan guard interval pada bagian depan, dimana, secara khusus, dipilih untuk menjadi sebuah replika dari bagian belakang bentuk gelombang OFDM dalam domain waktu. Dari ekspresi ini, bentuk gelombang subcarrier saat ini diberikan dengan (2.11)
Gambar 2.10 Posisi cyclic prefix
Gambar 2.11 Respon impuls kanal
Ide dibalik ini adalah untuk mengubah konvolusi linier (diantara sinyal dan respon kanal) ke konvolusi circular. Sinyal yang telah dilakukan FFT adalah sama untuk perkalian pada frekuensi domain. Bagaimanapun, digunakan untuk memelihara hak orthogonalitas, tmax harus tidak melebihi durasi waktu guard interval. Seperti yang ditunjukkan dimana tidak ada ISI yang terjadi sejak simbol sebelumnya yang hanya akan memiliki pengaruh atas sample termasuk [0, tmax].
Gambar 2.12 Cyclic Prefix
2.2.4 Keuntungan Penggunaan Teknik OFDM Terdapat beberapa keuntungan pada sistem OFDM, diantaranya adalah: 1.
Adaptif terhadap kondisi kanal tanpa adanya complex equalization.
13
2.
Tahan terhadap interferensi co-channel pada narrow band.
3.
Tahan terhadap ISI dan fading yang disebabkan multipath propagation.
4.
Efisiensi spektrum tinggi.
5.
Implementasi efisien dengan FFT
6.
Sensitivitas rendah pada error time synchronization.
7.
Tidak memerlukan Tuned sub-channel sisi penerima filters (seperti pada FDM)
8.
Memfasilitasi Single Frequency Networks, contohnya sisi pengirim macrodiversity.
2.3
MIMO (Multiple Input Multiple Output)
Gambar 2.13 (a) Model SISO. (b) Model SIMO. (c) Model MISO. (d) Model MIMO
MIMO (Multiple Input Multiple Output) adalah teknologi yang menggunakan multiple antenna pada kedua sisinya baik pemancar maupun
14
penerima. Ada beberapa macam perbedaan metode yang digunakan pada multiple antenna pada sisi pemancar dan penerima, seperti transmit-receive diversity, beamforming, antenna subset selection, dan spatial multiplexing. Pada dasarnya MIMO terbagi seperti pada gambar 2.14 berikut ini.
Gambar 2.14 Klasifikasi MIMO
Konfigurasi MIMO secara textbook direpresentasikan sebagai “Open Loop” atau “Close Loop”. Dalam Aplikasinya, secara bersamaan digunakan terminologi MIMO yang telah banyak juga mereferensikan teknik Open Loop MIMO. Standar Wimax termasuk dua versi dari teknik Open Loop MIMO direferensikan sebagai Matriks A dan Matriks B. Teknik Close Loop MIMO, juga diketahui sebagai teknik Transmitter Adaptive Antenna (TX-AA) atau disebut sebagai Smart Antena, secara sederhana direferensikan oleh industri sebagai “Beamforming”. Dengan Open Loop MIMO, kanal komunikasi tidak memanfaatkan informasi secara terbuka namun lebih memperhatikan kanal propagasi. Teknik yang dipakai oleh Open Loop MIMO seperti Space Time Block Coding (STBC), Spatial Multiplexing (SM-MIMO) dan Collaborative Uplink MIMO. Dalam Wimax, sistem MIMO Matriks A mereferensikan untuk teknik STBC dan MIMO Matriks B mereferensikan teknik SM-MIMO. Dengan Close Loop MIMO, pemancar mengumpulkan informasi dengan memperhatikan kanal untuk mengoptimalkan komunikasi pada penerima yang dimaksud. Close Loop MIMO secara tipikal memanfaatkan teknik Maximum Ratio Transmission (MRT) atau teknik Statistical Eigen Beamforming (EBF) yang dimaksud pendekatan ini adalah beamforming.
15
Matriks A digunakan dengan tujuan menambah jangkauan, gambar 2.15. Dengan MIMO Matriks A, sebuah data stream tunggal digandakan dan dipancarkan melalui masing-masing kanal multiple antenna. Masing-masing data stream diencode menggunakan mathematical algoritm yang dikenal Space Time Block Codes. Dengan coding, masing-masing signal yang ditransmisikan secara orthogonal menjadi tumpuan mengurangi interferensinya dan meningkatkan kapabilitas dari penerima untuk membedakan diantara multiple sinyal. Dengan multiple transmisi pada data stream yang telah dikodekan, kesempatan yang ditingkatkan pada penerima untuk mengidentifikasi sebuah sinyal kuat yang sedikit berlawanan dipengaruhi oleh pantulan fisik. Pada penerima dapat menggunakan teknik Maximal Ratio Combining (MRC) untuk mengkombinasikan multiple sinyal untuk penerimaan yang lebih tahan. Matriks B digunakan dengan tujuan menambah kapasitas, gambar 2.15. Dengan MIMO Matriks B, sinyal yang dipancarkan dibagi dalam banyak data stream dan masing-masing data stream dipancarkan melalui masing-masing kanal pemancar multiple antenna dengan alokasi sumber frekuensi-waktu yang sama. Dalam kehadirannya pada sebuah lingkungan multipath, multiple sinyal akan tiba di antena array penerima dengan cukup penanda ruang yang berbeda dan mengijinkan penerima untuk siap membedakan multiple data stream. Spatial Multiplexing menyediakan kemampuannya untuk meningkatkan kapasitas kanal.
Gambar 2.15 Open Loop MIMO
Kanal MIMO merupakan kumpulan dari beberapa kanal dan dioperasikan pada frekuensi yang sama. Tantangan pada teknologi ini adalah dalam hal pembagian kanal dan persamaan yang ada pada seluruh sinyal. Model kanal merupakan matriks H dengan komponen kanal langsung dan tak langsung. Komponen langsung (seperti h11) digambarkan pada kanal yang datar dan
16
komponen tak langsung (seperti h21) berarti isolasi kanal. Sinyal yang dikirim digambarkan dengan s dan sinyal penerima digambarkan dengan r. Sehingga dapat diasumsikan seperti persamaan dibawah ini. (2.9) Dengan perumusan lebih detail, dimana diketahui MT atau disimbolkan juga dengan NT adalah antena pemancar dan NR atau MR adalah antena penerima. Dengan frekuensi yang sama, dapat dilakukan pengiriman bit stream atau data yang berbeda pada pemancar yang juga berbeda. Sinyal pada antena ke-p sebagai fungsi waktu t diberikan oleh
t . Semua komponen multipath antara pemancar ke-p dengan t , sehingga sinyal diterima
penerima ke-q dapat digabungkan dalam
t
t
(2.12)
Kapasitas kanal sangat penting dalam pengaplikasian MIMO. Dalam hal ini termasuk bandwidth transmisi fg dan signal-to-noise ratio. Kapasitas kanal lebih ditingkatkan dengan penambahan bandwidth atau modulasi yang lain. Efisiensi spektral tidak dapat dinaikkan secara berarti dengan faktor ini. Kapasitas Shannon dengan Sistem MIMO ditambahkan bergantung pada jumlah dari antena M dimana digambarkan sebagai MT untuk pemancar dan MR untuk penerima. Contohnya sistem 2x3 hanya dapat mendukung dua spatial stream sama halnya dengan sistem 2x4. Untuk kapasitas sistem MIMO diberikan persamaan sebagai berikut : log
1
Gambar 2.16 Kanal fisik MIMO
(2.13)
17
2.3.1 Model Sistem MIMO-OFDM MIMO OFDM merupakan teknik komunikasi nirkabel pita lebar dengan menggunakan kombinasi teknologi MIMO dan OFDM. Dengan MIMO-OFDM, peningkatan spektrum efisiensi dan perbaikan kualitas link reliability dapat dicapai. MIMO digunakan untuk dapat mengatasi adanya gangguan dalam perjalanan sinyal dari sisi pengirim menuju sisi penerima seperti multipath fading dan interferensi dari pengguna yang lain. Oleh karena itu, peningkatan link reliability dapat tercapai. Sedangkan OFDM, merupakan teknik yang mengurangi secara signifikan kompleksitas sisi penerima dan dapat meningkatkan spektrum efisiensi pada pengiriman sinyal tanpa adanya penambahan bandwidth. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, OFDM dengan sistem multicarrier dapat diimplemtasikan secara efisien pada sistem waktu disktrit dengan menggunakan IFFT sebagai modulator dan FFT sebagai demodulator. Data yang ditransmisikan dalam koefisien domain frekuensi dan output dari IFFT merupakan gelombang sinyal transmisi dalam domain waktu. Gambar berikut merupakan implementasi sistem MIMO OFDM secara umum.
Gambar 12.17 Sistem Q x L MIMO OFDM.
2.3.2 Algoritma Alamouti Dalam MIMO, skema dari alamouti digunakan dalam pengiriman data dimana dilakukan dengan rumusan alamouti. Sebagai contoh dilakukan dengan menggunakan asumsi dua antena pengirim dan dua antena penerima. Untuk
18
memperjelas bahasan, gambar 2.18 dibawah ini akan membantu untuk memahami alamouti encoding.
Gambar 2.18 Ilustrasi Alamouti Encoding
Simbol data yang dikirim adalah sebagai berikut. Tabel 2.1 Simbol data Alamouti pada pemancar
Waktu
Tx Antena 1
Tx Antena 2
t t+T Dimana
dan
adalah simbol pada kondisi normal sistem 1x1 yang
dipancarkan pada waktu t dan t+T secara berturut-turut. T adalah durasi simbol. Saat dipancarkan, simbol data akan melewati kondisi lingkungan yang direpresentasikan sebagai kondisi kanal. Kondisi kanal direpresentasikan dalam matriks seperti berikut. (2.14) Dari representasi diatas dapat dijelaskan jika antena yang dipakai adalah antena MIMO dengan sistem 2x2, dimana indeks pertama mengindikasikan pemancar dan indeks yang kedua mengindikasikan penerima. Selanjutnya untuk kondisi simbol yang diterima oleh antena penerima adalah sebagai berikut.
19
Tabel 2.2 Simbol data pada penerima
Waktu
Rx Antena 1
Rx Antena 2
t t+T Sehingga sinyal yang diterima adalah .
.
.
.
.
(2.16)
.
. dimana
(2.15)
(2.17)
.
(2.18)
adalah noise gaussian dari kanal yang berbeda. Combiner
menggabungkan sinyal-sinyal diatas menjadi .
.
.
.
(2.19)
.
.
.
.
(2.20)
sehingga, |
|
|
|
|
|
|
| .
1
(2.21)
|
|
|
|
|
|
|
| .
2
(2.22)
dimana 1 2 2.4
.
. .
. .
. .
AMC (Adaptive Modulation and Coding)
(2.23) .
(2.24)
20
Salah satu isu utama dari komunikasi nirkabel adalah masalah power control. Tujuan utamanya adalah meningkatkan power meskipun kualitas sinyal yang diterima kecil dan menekan power transmisi saat kualitas sinyal yang diterima melebihi dari ambang batas yang diberikan. Teknik power control juga harus dapat menekan interferensi intracell dan intercell yang tidak penting yang disebabkan power transmisi yang berlebihan, sehingga secara keseluruhan kapasitas sistem dapat ditingkatkan. Salah satu caranya yakni mengubah-ubah skema modulasi dan coding dari sinyal yang dikirim yang dikenal dengan teknik AMC (Adaptive Modulation and Coding) atau terkadang disebut juga Link Adaptation. 2.4.1 Pengertian Adaptive Modulation and Coding (AMC) Adaptive Modulation and Coding (AMC) merupakan teknologi yang memungkinkan penggunaan teknik modulasi dan encoding yang berbeda berdasarkan kondisi kanal dari sistem transmisi. AMC banyak digunakan dalam teknologi nirkabel terkini seperti sistem komunikasi berbasis 3G, Wi-Fi (IEEE 802.11), Wimax (IEEE 802.16) dan lain-lain. Dalam AMC, terdapat dua hal penting yaitu teknik modulasi dan teknik deteksi dan koreksi error yang berguna untuk meningkatkan kapasitas dan kecepatan sistem transmisi. Dua hal tersebut akan dijelaskan sebagai berikut: Dengan menggunakan AMC, dapat ditentukan modulasi apa dan coding rate berapa yang akan digunakan kepada pengguna yang berada dalam cakupan base station tersebut. Penentuan tersebut diputuskan berdasarkan keadaan dan kondisi air interface antara penerima dengan pemancar. Faktor-faktor yang menentukan seberapa keras kondisi air interface antara lain jarak antara penerima dengan pemancar, keadaan geografis seperti bukit yang dapat meredam kuat sinyal atau slow fading, wilayah perkotaan (urban) atau pedesaan (rural) dimana gedung-gedung dapat menyebabkan fast fading dan cuaca seperti hujan yang memperburuk air interface. Untuk menghadapi air interface yang buruk, akan diterapkan teknik modulasi yang lebih tahan gangguan (informasi yang terkandung dalam sinyal hasil modulasi lebih sedikit) dan coding rate yang lebih tinggi sehingga transfer
21
rate lebih rendah sehingga informasinya lebih aman. Sebaliknya untuk kondisi air interface yang baik, akan digunakan teknik modulasi yang mengandung informasi lebih banyak dan coding rate yang lebih rendah sehingga transfer rate lebih cepat. Teknik modulasi yang disebutkan diatas memiliki trade-off, dimana teknik modulasi QPSK mempunyai karakteristik lebih tahan gangguan tetapi kecepatan penyampaian informasi lebih lambat. Karena sinyal yang dibentuk mengandung lebih sedikit informasi. Begitu sebaliknya dengan teknik modulasi QAM.
Gambar 12.19 Penentuan teknik modulasi dan coding rate berdasarkan jarak
2.4.2 Modulasi Gelombang radio merupakan gelombang elektromagnetik yang bergerak dengan kecepatan cahaya dan dapat membawa suatu pesan/data pada jarak yang cukup jauh. Gelombang radio memiliki frekuensi yang berbeda-beda sehingga memiliki sifat yang berbeda pula. Gelombang radio dengan frekuensi rendah dapat menembus dinding dan bangunan seperti pada proses difraksi. Modulasi merupakan proses penumpangan sinyal informasi pada sinyal pembawa yang berupa gelombang radio dengan frekuensi yang relatif lebih tinggi. Dalam proses modulasi dilakukan pemetaan informasi berdasarkan perubahan fasa gelombang, frekuensi gelombang, amplitudo gelombang atau kombinasinya. Pemetaan ini dapat dilakukan pada domain waktu atau domain konstelasi. Pemetaan dalam domain waktu dilakukan pada band frekuensi pembawa, sedangkan pemetaan pada domain konstelasi dilakukan pada baseband. Terdapat beberapa jenis modulasi yang dapat digunakan dalam sistem transmisi. Dalam sistem transmisi nirkabel dan bergerak, teknik modulasi dengan menggunakan pemetaan berdasarkan amplutudo dan fasa lebih banyak digunakan karena lebih tahan terhadap noise, multipath fading, delay spread dan pergeseran
22
Doppler akibat mobilitas dari CPE (Customer Premise Equipment). Berikut modulasi yang sering digunakan dalam sistem komunikasi nirkabel dan bergerak: a. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)
Gambar 12.20 Modulator QPSK
Merupakan modulasi dengan pemetaan fasa yang setiap simbolnya memiliki 2 bit informasi. Sehingga memiliki 4 kombinasi simbol yang dibedakan berdasarkan perbedaan fasanya. Berdasarkan gambar, QPSK dapat diperoleh dengan penggabungan 2 modulasi BPSK. Aliran bit yang masuk pada modulator p(t), dibagi menjadi 2 cabang yaitu pt(t) dan pq(t). Aliran bit pt(t) akan dimodulasikan dengan cos
dan pq(t) akan dikombinasikan dengan sin
.
Kemudian 2 Aliran bit ini akan digabungkan kembali menjadi stream QPSK dengan kondisi sbb: Tabel 2.3 Keadaan sinyal QPSK
23
Gambar 12.2 Diagram fasa QPSK modulation
Karena pada QPSK setiap simbol memiliki 2 bit informasi, maka setiap durasi simbol QPSK yang sama dengan durasi bit pada BPSK, mengandung 2 bit informasi. Sehingga tentunya bandwidth yang diperlukan oleh QPSK adalah setengah kali bandwidth BPSK. Hal inilah yang menjadi keuntungan dari QPSK, namun juga memiliki kerugian berupa kompleksnya rangkaian yang diperlukan. Pada proses demodulasi, dengan logika yang sama dari sistem modulasi dapat diperoleh bit informasi yang diperlukan seperti tampak pada gambar berikut:
Gambar 12.22 Demodulator QPSK
b. QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Merupakan modulasi dengan menggunakan kombinasi pemetaan fasa dan amplitudo. QAM memiliki beberapa orde berdasarkan banyaknya bit yang terdapat dalam 1 simbol QAM. Dalam bab ini hanya akan dibahas 2 bentuk QAM yaitu 16-QAM dan 64-QAM. Pada 16-QAM, setiap simbol mengandung 4 bit informasi. Sehingga terdapat 16 jenis variasi sinyal yang dihasilkan oleh
24
modulator. Sedangkan pada 64-QAM, setiap simbol mengandung 6 bit informasi sehingga terdapat 64 jenis keluaran sinyal hasil modulasi. Semakin tinggi orde dari QAM, maka semakin banyak pula jumlah bit informasi yang terdapat dalam 1 simbol. Hal ini, dapat meningkatkan efisiensi bandwidth dan dapat meningkatkan kecepatan transmisi data. Namun terdapat beberapa kerugian, untuk membuat energi rata-rata kontelasi tetap sama, maka titik-titik kontelasi dibuat lebih berhimpit sehingga sangat rentan terhadap noise atau gangguan lain yang dapat mengurangi kualitas sinyal. Sehingga dapat meningkatkan BER (Bit Error Rate) dan kehandalan (reliability) sinyal semakin berkurang. Berikut merupakan blok diagram modulasi dari QAM dengan frekuensi pembawa
dan
respon frekuensi dari filter transmisi.
Gambar 12.23 Modulator QAM
Sinyal yang ingin dikirimkan dibagi menjadi 2 bagian sehingga terdapat 2 bagian aliran bit. Keduanya dienkode secara terpisah seperti yang terjadi pada modulator ASK (Amplitude Shift Keying). Kemudian salah satu bit stream (yang disebut kanal Inphase) dikalikan dengan sinyal kosinus dan yang lain (disebut kanal Quadratue) dikalikan dengan sinyal sinus. Oleh karena itu, terdapat perbedaan fasa 90° di antara masing-masing kanal. Kemudian kedua aliran bit tersebut digabung dan dikirimkan pada kanal transmisi. cos 2
sin 2
Gambar 12.3 Demodulator QPSK
2.20
25
Pada bagian penerima, merupakan logika kebalikan dari pemancar. Dengan mengalikan dengan kosinus atau sinus dan dengan filter lowpass, akan didapat komponen konstelasi. Kemudian dilanjutkan dengan konsep demodulator ASK dan selanjutnya digabung kembali menjadi satu aliran bit sinyal informasi. Pada prakteknya, terdapat phase delay antara pemancar dan penerima yang nantinya dapat diatasi dengan menggunakan synchronization pada bagian penerima. Pada aplikasi bergerak, terdapat efek Doppler Shift yang menggeser nilai frekuensi asli pada pemancar, sehingga diperlukan adanya penyetelan pada komponen kosinus dan sinus yang memerlukan phase reference dengan menggunakan Phase Locked.
Gambar 12.4 Diagram kontelasi 16-QAM
26
Gambar 12.26 Diagram konstelasi 64-QAM
2.4.3 Error Correction Coding (ECC) Error correction coding juga dapat disebut sebagai forward error correction (FEC) yang merupakan sistem kontrol kesalahan untuk transmisi data dengan menambahkan bit-bit redundant pada bit informasinya. Hal ini memungkinkan penerima untuk mendeteksi dan mengkoreksi error tanpa harus meminta pengirim untuk mengirimkan data ulang. Keuntungan FEC diantaranya adalah tidak memerlukan back-channel atau dapat dihindarkannya retransmisi data. Sehingga lebih dapat menghemat bandwidth dan efisiensi power. Terdapat 2 kategori error correction code yaitu block code dan convolutional code. Block code memiliki beberapa jenis yaitu BCH code, Hamming code dan Reed Solomon Code. Turbo code merupakan gabungan dari 2 atau lebih convolutional code yang ditambah dengan interleaver. Dalam bab ini akan dibahas convolutional code dan turbo code. Convolutional encoding, bit yang dihasilkan oleh encoder merupakan hasil sistem XOR dari beberapa bit masukan sebelumnya dengan bit masukan pada saat itu. Sistem XOR tersebut dapat dirancang sendiri. Sistem XOR ini mencakup bagaimana alur operasi XOR dan berapa lama suatu bit akan mempengaruhi
27
keluaran bit lain. Keuntungan convolutional encoder adalah dapat didesain untuk mampu mendeteksi dan terutama memperbaiki kesalahan dengan lebih baik dibandingkan dengan Linear Block Encoding. Convolutional encoder dapat dirancang dengan menggunakan beberapa shift register sederhana. Gambar 2.27 menunjukkan contoh Convolutional Encoder dengan 7 shift register dengan coding rate 2/3.
Gambar 12.57 Bagan ilustrasi rangkaian Convolutional Encoder 2/3
Coding rate pada convolutional encoder merupakan nilai perbandingan antara jumlah masukan dengan jumlah keluaran pada satu waktu yang bersamaan. Misalkan coding rate 2/3 menyatakan jumlah masukan ke encoder untuk satu clock adalah 2 bit dan akan menghasilkan keluaran 3 bit pada satu clock yang sama. Jika nilai coding rate semakin kecil, performanya dalam mendeteksi dan memperbaiki kesalahan juga semakin baik tetapi sebagai konsekuensinya encoder semakin tidak efisien. Karena jumlah bit yang akan dikirimkan menjadi lebih banyak untuk jumlah bit informasi yang sama. 2.5
MATLAB 7.1.0.246 (R14) Service Pack 3 Matlab merupakan bahasa pemrograman yang hadir dengan fungsi dan
karakteristik yang berbeda dengan bahasa pemrograman lain yang sudah ada lebih dahulu seperti Delphi, Basic maupun C++. Matlab merupakan bahasa
28
pemrograman level tinggi yang dikhususkan untuk kebutuhan komputasi teknis, visualisasi dan pemrograman seperti komputasi matematik, analisis data, pengembangan algoritma, simulasi dan pemodelan dan grafik-grafik perhitungan. Matlab hadir dengan membawa warna yang berbeda. Hal ini karena matlab membawa keistimewaan dalam fungsi-fungsi matematika, fisika, statistik, dan visualisasi. Matlab dikembangkan oleh MathWorks, yang pada awalnya dibuat untuk memberikan kemudahan mengakses data matriks pada proyek LINPACK dan EISPACK. Saat ini matlab memiliki ratusan fungsi yang dapat digunakan sebagai problem solver mulai dari simpel sampai masalah-masalah yang kompleks dari berbagai disiplin ilmu.
Gambar 2.28. Logo Matlab versi 7.1.0.246 (R14) service pack 3
2.5.1 Lingkungan Kerja Matlab 2.5.1.1 Beberapa Bagian dari Window Matlab • Current Directory Window ini menampilkan isi dari direktori kerja saat menggunakan matlab. Kita dapat mengganti direktori ini sesuai dengan tempat direktori kerja yang diinginkan. Default dari alamat direktori berada dalam folder works tempat program files Matlab berada. • Command History
29
Window ini berfungsi untuk menyimpan perintah-perintah apa saja yang sebelumnya dilakukan oleh pengguna terhadap matlab. • Command Window Window ini adalah window utama dari Matlab. Disini adalah tempat untuk menjalankan fungsi, mendeklarasikan variabel, menjalankan prosesproses, serta melihat isi variabel. • Workspace Workspace berfungsi untuk menampilkan seluruh variabel-variabel yang sedang aktif pada saat pemakaian matlab. Apabila variabel berupa data matriks berukuran besar maka user dapat melihat isi dari seluruh data dengan melakukan klik ganda pada variabel tersebut. Matlab secara otomatis akan menampilkan window “array editor” yang berisikan data pada setiap variabel yang dipilih user Gambar berikut menampilkan tampilan antar muka dari matlab versi 7.1.0.246 (R14) Service Pack 3
Gambar 2.29 Tampilan antar muka Matlab
30
2.5.1.2 Getting Help Matlab menyediakan fungsi help yang berisikan tutorial lengkap mengenai Matlab dan segala keunggulannya. User dapat menjalankan fungsi ini dengan menekan tombol pada toolbar atau menulis perintah helpwin pada command window. Matlab juga menyediakan fungsi demos yang berisikan video tutorial matlab serta contoh-contoh program yang bisa dibuat dengan matlab 2.5.1.3 Interupting dan Terminating dalam Matlab Untuk menghentikan proses yang sedang berjalan pada matlab dapat dilakukan dengan menekan tombol Ctrl-C. Sedangkan untuk keluar dari matlab dapat dilakukan dengan menuliskan perintah exit atau quit pada comamnd window atau dengan menekan menu exit pada bagian menu file dari menu bar. 2.5.2 Variabel Pada Matlab Matlab hanya memiliki dua jenis tipe data yaitu Numeric dan String. Dalam matlab setiap variabel akan disimpan dalam bentuk matrik. User dapat langsung menuliskan variabel baru tanpa harus mendeklarasikannya terlebih dahulu pada command window. Penamaan variabel pada matlab bersifat caseSensitif karena itu perlu diperhatikan penggunaan huruf besar dan kecil pada penamaan variabel. Apabila terdapat variabel lama dengan nama yang sama maka matlab secara otomatis akan me-replace variabel lama tersebut dengan variabel baru yang dibuat user. 2.5.2.1 Matriks Dapat diasumsikan bahwa didalam matlab setiap data akan disimpan dalam bentuk matriks. Dalam membuat suatu data matriks pada matlab, setiap isi data harus dimulai dari kurung siku ‘[‘ dan diakhiri dengan kurung siku tutup ‘]’. Untuk membuat variabel dengan data yang terdiri beberapa baris, gunakan tanda ‘titik koma’ (;) untuk memisahkan data tiap barisnya. Matlab menyediakan beberapa fungsi yang dapat kita gunakan untuk menghasilkan bentuk-bentuk matriks yang diinginkan. Fungsi-fungsi tersebut antara lain: • zeros : untuk membuat matriks yang semua datanya bernilai 0
31
• ones
: matriks yang semua datanya bernilai 1
• rand : matriks dengan data random dengan menggunakan distribusi uniform • randn : matris dengan data random dengan menggunakan distribusi normal • eye
: untuk menghasilkan matriks identitas
2.5.3 Operator Beberapa penggunaan operator aritmatika antara dua operand (A dan B) ditunjukkan pada tabel berikut ini Tabel 2.4 Penggunaan operator aritmatika
Operasi
Bentuk Aljabar
Bentuk Matlab
Contoh
Perkalian
AxB
A*B
5*3
Pembagian
A:B
A/B
2/3
Penjumlahan
A+B
A+B
1+2
Pengurangan
A-B
A-B
4-3
Eksponensial
AB
A^B
4^3
2.5.4 Fungsi Matematika lainnya Beberapa fungsi matematika lainnya yang dapat kita gunakan untuk operasi matematika antara lain sebagai berikut: • abs(x)
: fungsi untuk menghasilkan nilai absolut dari x
• sign(x) : fungsi untuk menghasilkan nilai -1 jika x<0, 0 jika x=0 dan 1 jika x>1 • exp(x) : untuk menghasilkan nilai eksponensian natural, e x • log(x)
: untuk menghasilkan nilai logaritma natural x, ln x
• log10(x) : untuk menghasilkan nilai logaritma dengan basis 10, x 10 log • sqrt(x) : untuk menghasilkan akar dari nilai x, x • rem(x,y) : untuk menghasilkan nilai modulus (sisa pembagian) x terhadap y 2.5.5 M File
32
Di dalam matlab, kita dapat menyimpan semua script yang akan digunakan dalam file pada matlab dengan ekstensi .M. M-File dapat dipanggil dengan memilih menu file->new->M-File. Di dalam M-File, kita dapat menyimpan semua perintah dan menjalankan dengan menekan tombol atau mengetikan nama M-File yang kita buat pada command window. 2.5.5.1 Fungsi Di dalam M File, kita dapat menuliskan fungsi-fungsi yang berisikan berbagai operasi sehingga menghasilkan data yang diinginkan. 2.5.5.2 Flow Control Matlab memiliki empat macam statement yang dapat digunakan untuk mengatur aliran data pada fungsi yang akan dibuat : • If, Else, Elseif • Switch • While • For
33
Gambar 2.30 Windows M-File
2.5.5.3 Operator Berikut ini adalah jenis-jenis operator pada matlab yang dapat digunakan untuk operasi ekspresi pada statement yang membutuhkan perbandingan seperti if atau while.
