BAB III PEMODELAN MIMO OFDM DENGAN AMC
3.1
Pemodelan Sistem
Gambar 13.1 Sistem transmisi MIMO-OFDM dengan AMC
Dalam skripsi ini, pembuatan simulasi dilakukan pada sistem end-to-end sederhana yang dikhususkan pada analisa pengaruh Adaptive Modulation and Coding (AMC) terhadap suatu sistem komunikasi nirkabel dalam kondisi diam dan bergerak. Dilakukan dengan menggunakan data generator sebagai input untuk mendapatkan data performansi. Tujuan simulasi ini adalah memperlihatkan efek dan unjuk kerja dari sistem Adaptive Modulation and Coding (AMC) pada skema yang telah ditentukan. Pemodelan ini dilakukan dengan asumsi dan batasan-batasan yang akan dijelaskan selanjutnya. Data generator merupakan inputan data yang akan dimasukkan ke dalam sistem transmisi. Inputan data dapat berupa random input atau dengan memasukkan inputan seperti video atau gambar. Kemudian, data input diencoding dan dimodulasi sesuai dengan algoritma AMC dan masuk ke sistem MIMO.
34
35
Dalam sistem MIMO ini digunakan teknik STBC (Space Time Block Coding) yang nantinya data input akan menjadi paralel sesuai dengan jumlah antena yang digunakan. Sebelum dikirimkan ke antena, sinyal hasil STBC melalui proses OFDM, data dibagi menjadi paralel sesuai dengan subkanal masing-masing berdasarkan subcarrier yang berbeda. Kemudian data ditambahkan gurad interval dan siap dikirimkan melalui antena. Di penerima, data masuk ke sistem MIMO dan didemodulasi dengan OFDM. Kemudian data didemodulasi dan di-decoding untuk mendapatkan sinyal seperti data informasi yang dikirim. Kemudian dilakukan perhitungan parameter performansi dengan membandingkan data yang dikirim dan data yang diterima. 3.2
Parameter Simulasi Dalam pemodelan sistem diberikan beberapa parameter dan asumsi yang
telah ditentukan sebagai berikut a) Simulasi dilakukan dengan pemodelan end to end sistem pemancar dan penerima dengan menggunakan MIMO-OFDM 2x2 (2 antena pemancar dan 2 antena penerima). b) Input data biner sebagai data generator yang dibangkitkan sebanyak 120 blok dan tiap-tiap blok mempunyai panjang 128 bit, jadi total data yang dikirim sebanyak 120 x 128 = 15360 data bit. c) Encoding yang digunakan adalah Convolutional Encoding dengan variasi coderate sebanyak 3, yakni : 2/3, 1/2 , dan 1/3. d) Tipe Modulasi yang dipakai adalah QPSK, 16-QAM dan 64-QAM. e) Parameter OFDM yang digunakan : Jumlah subkanal/subcarrier (Nc) = 256
Jumlah Pilot (P)
= 64
Side carrier (S)
= 64
Jumlah data subkanal
= Nc-P-S = 64
Jumlah Guard Interval (GI)
= NC/4 = 64
36
f) Frekuensi Sampling
= 250 kHz
g) Frekuensi Data
= 30 kHz
h) Frekuensi pembawa
= 3,6 GHz
i) Sistem MIMO yang digunakan adalah sistem Space Time Block Code (STBC) dengan algoritma Alamouti. j) Kanal transmisi untuk simulasi menggunakan asumsi kanal Rayleigh Fading ditambah dengan AWGN. k) Nilai EbNo awal diberikan antara 1 dB sampai 30 dB dengan jarak per sampel sebesar 2 dB 3.3
Sisi Pemancar
Gambar 3.2 Blok diagram pemancar MIMO-OFDM
Proses yang terjadi pada sistem pemancar adalah sebagai berikut : • Data Generator
37
Dalam simulasi ini, bit-bit masukan dibangkitkan dengan menggunakan fungsi randint dan menghasilkan bit 1 dan 0 secara acak sebanyak 15360 data bit. • Convolutional Encoding Data masukan kemudian di encoding dengan convolutional encoding dengan coderate yang bergantung pada algoritma AMC. Untuk melakukan convolutional encoding ini, digunakan fungsi convenc pada matlab. • Interleaver Interleaver sangat berguna untuk menekan error yang disebabkan oleh burst error pada sistem komunikasi. Dan tujuan akhirnya adalah untuk memperbaiki error rate. Proses interlever ini dilakukan dengan menjalankan fungsi interleaver yang telah dibuat sebelumnya. • Modulation Setelah melalui interleaver, data dimodulasi dengan modulasi QPSK, 16QAM atau 64-QAM tergantung pada algoritma AMC seperti yang berlaku pada proses convolutional encoding diatas. • Space Time Block Code (STBC) dan Serial to Parallel (S/P) Sinyal keluaran hasil modulasi selanjutnya di-encoding dengan algoritma Alamouti Encoding sehingga terdapat 2 aliran simbol yang berbeda namun satu informasi. Setelah itu secara independen tiap aliran serial data, dibagi menjadi paralel sesuai dengan jumlah subkanal pada OFDM. Proses serial to parallel dilakukan dengan menggunakan fungsi reshape. • Inverse Fast Fourier Transform Sebelum diproses IFFT masing-masing aliran simbol dibagi sebanyak jumlah subkanal pada OFDM. Setelah proses IFFT selesai, seluruh subkanal digabungkan kembali sehingga menjadi data yang independen. Proses IFFT di matlab menggunakan fungsi ifft. • Penyisipan Guard Interval (GI) Setelah menjadi aliran data yang independen, kemudian aliran data tersebut diproses menghasilkan simbol OFDM yang di antara setiap simbol disisipkan Guard Interval. Penyisipan guardtime dilakukan untuk
38
melindungi sinyal dari efek multipath fading. Guardtime yang disisipkan berupa deretan pulsa bernilai nol (zero stream). • Upsampling Sinyal keluaran dari proses di atas kemudian mengalami upsampling. Upsampling merupakan proses peningkatan sampling rate dari sebuah sinyal. Up-sampling pada sistem MIMO-OFDM diperlukan untuk meningkatkan akurasi sinkronisasi dan estimasi kanal. Pada simulasi ini, upsampling yang digunakan adalah dengan mengulang masing masing simbol sebanyak n kali, dimana n adalah faktor upsampling. • Upconversion Setelah itu, sinyal mengalami proses upconversion. Up-conversion di sini bertujuan untuk memudahkan transmisi simbol kompleks. Bagian real dan imajiner di-up-conversion menggunakan dua carrier yang saling orthogonal (sinus dan cosinus). Sinyal hasil up-conversion terbagi menjadi bagian sinyal inphase (I) dan quardrature (Q). Kedua sinyal ini kemudian dijumlahkan untuk dikirim melalui pemancar. Proses upconversion dilakukan pada fungsi upconv yang sudah dibuat sebelumnya. 3.4
Sisi Penerima Proses yang terjadi di penerima adalah kebalikan dari proses di pemancar.
Data yang diterima dari antena penerima akan dilakukan down conversion dan down sampling sehingga data diterima tanpa adanya duplikasi. Kemudian pada data tersebut, dilakukan proses penghilangan GI (Guard Interval) yang ditambahkan selama proses transmisi di pemancar. Selanjutnya dilakukan proses FFT, sehingga menghasilkan sinyal yang telah di demodulasi OFDM Kemudian dilakukan kanal estimasi yang digunakan untuk mendapatkan kanal respon. Hasil estimasi kanal respon ini akan diinversikan dan dikalikan dengan sinyal yang diterima untuk mendapatkan bit asli yang telah dikirimkan. Berikut perhitungan kanal respon melalui kanal estimasi:
39
(3.1) 1
(3.2)
Gambar 3.3 Blok diagram pemancar MIMO-OFDM
Untuk mendapatkan kanal respon ini kita harus menyisipkan pilot insertion dengan 2 simbol yang sama pada interval tertentu. Setelah didapat hasil dari sistem MIMO, maka dilakukan proses demodulasi QPSK, 16-QAM, 64-QAM dan encoding sesuai dengan algoritma AMC, sehingga menghasilkan keluaran bit asli (data output) 3.5
Pemodelan Kanal Untuk merepresentasikan kanal transmisi (air interface) yang sesuai
dengan kanal transmisi sebenarnya, digunakan gangguan yang dibangkitkan oleh AWGN dan rayleigh fading. Gangguan AWGN divariasikan dengan parameter Signal to Noise Ratio (SNR) dan gangguan rayleigh fading divariasikan dengan parameter kecepatan gerak relatif mobile station dengan base station (v). Variasi kecepatan gerak juga merupakan variasi pergeseran maksimum frekuensi Doppler
40
(Doppler shift). Nilai realistik untuk Doppler Shift adalah antara 4 Hz untuk gerak lambat (pedestrian) hingga 80 Hz untuk gerak sangat cepat (full mobility). Keadaan multipath juga direpresentasikan oleh gangguan rayleigh fading. Keadaan multipath ini digambarkan memiliki 3 path yang datang dengan waktu tunda yang berbeda-beda seperti pada tabel berikut. Tabel 3.1 Parameter multipath rayleigh fading
Multipath
3.6
Delay
Gain Average
Multipath-1
0
-3,98 dB
Multipath-2
200 ns
-3,01 dB
Multipath-3
400 ns
0
Teknik AMC Untuk mencapai sistem komunikasi dengan spektrum efisiensi yang
efisien dan tahan terhadap noise pada kanal multipath fading, AMC digunakan untuk mengubah skema transmisi pada karakteristik kanal yang ada. Dengan mengambil keuntungan pada time-varying nature of wireless channels, AMC mengubah-ubah daya transmisi, ukuran konstelasi, dan skema modulasi atau kombinasi dari parameter tersebut untuk menyesuaikan dengan kondisi kanal. Jika kanal dapat diperkirakan maka sisi pengirim dapat disesuaikan dengan kondisi dengan memvariasikan tipe modulasi dengan menjaga BER tetap konstan. Hal ini dapat dilakukan dengan membuat estimasi kanal pada sisi penerima dan mengirim kembali estimasi tersebut ke bagian sisi pengirim. Oleh karena itu, teknik AMC akan mempunyai performansi yang berbeda bergantung pada kondisi kanal. Berikut merupakan gambar blok diagram dari AMC
41
Gambar 13.2 Blok diagram AMC
Pada sisi pengirim, blok AMC terdiri dari modulator yang berbeda digunakan untuk menyediakan mode transmisi yang berbeda. Masing-masing modulator menghasilkan sinyal dengan ukuran konstelasi yang berbeda. Modulator ini bergantung pada nilai prediksi dari EbNo. Dalam aplikasinya, modulasi yang sering dipakai adalah teknik modulasi QPSK dan M-QAM. Pilihan teknik modulasi, tergantung pada nilai EbNo. Semakin tinggi nilai EbNo, maka modulasi yang digunakan adalah modulasi yang memiliki simbol yang banyak mempresentasikan bit seperti 64-QAM dan 16QAM. Sebaliknya, semakin rendah nilai SNR, maka modulasi yang digunakan memiliki bit rate yang lebih rendah seperti QPSK. Demikian juga dengan teknik ECC yang dipakai. Semakin buruk kondisi kanal, maka coderate yang digunakan pada convolutional encoding semakin tinggi untuk menghindari adanya bit error yang banyak. Demikian sebaliknya, dengan semakin bagusnya kondisi kanal maka coderate yang digunakan akan semakin kecil. Pada simulasi ini skema AMC ditentukan sebagai berikut : Tabel 3.2 Parameter skema AMC
AMC
Eb/No Eb/No
1
5
Modulasi
ECC rate
QPSK
2/3
2
5
Eb/No
7
QPSK
1/2
3
7
Eb/No
11
QPSK
1/3
42
4
11
Eb/No
5 3.7
Eb/No
18
19
16-QAM
1/3
64-QAM
1/3
Parameter Performansi Jika kita memodelkan sistem MIMO-OFDM yang terdiri dari N
subcarrier, MT antena pengirim dan MR antena penerima. Sinyal hasil demodulasi pada output FFT dapat ditulis sebagai berikut: (3.3) di mana r adalah NMR x 1 vektor sinyal yang diterima, s adalah NMT x 1 vektor sinyal yang dikirim, n adalah NMR x 1 vektor noise AWGN (Additive White Gaussian Noise) dengan rata-rata 0 dan variasi
(= rata-rata power noise), H
adalah matriks kanal dengan ukuran NMR x NMT
…
3.7.1
(3.4)
Kapasitas kanal pada sistem MIMO-OFDM Kapasitas kanal pada sistem MIMO-OFDM bersifat random. Karena itu
kita hanya bisa menentukan nilai rata-rata dari kapasitas kanal, yaitu log Dimana
det
adalah matriks identitas dari
. . , dan
(3.5) adalah matriks transpose
dari 3.7.2
Throughput Throughput merupakan suatu ukuran jumlah data bit informasi yang dapat
dikirimkan dalam satu satuan waktu tertentu. Throughput dapat ditingkatkan dengan menggunakan teknik OFDM ataupun dengan teknik antena MIMO spatial multiplexing. Besarnya throughput juga sangat dipengaruhi oleh besarnya BER dalam transmisi data. BER di sini akan mempengaruhi PER (Packet Error Rate)
43
secara langsung. Besarnya throughput dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut: . 1 Dengan
adalah besar nilai throughput dan R adalah data rate transmisi.
Sedangkan PER adalah packet error rate pada nilai SNR 3.7.3
(3.6
.
BER (Bit Error Rate) Untuk melakukan perhitungan Bit Error Rate (BER), pada sistem ini
menggunakan fungsi biterr pada matlab. Cara kerja biterr ini adalah dengan membandingkan jumlah bit-bit error (bit-bit pada output yang tidak sesuai dengan bit-bit dari input) dengan bit-bit inputnya.
Gambar 3.5 Ilustrasi kerja fungsi biterr pada matlab
