JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010
ISSN : 2086 - 4981
ANALISIS PERFORMANSI MIMO-MC CDMA- RAKE RECEIVER MENGGUNAKAN MATLAB 7.0 Delsina Faiza1
ABSTRACT In the next few years, wireless systems will need more complex communication tools. Where bandwidth requirements varies, from narrow band to very wide band. On the other hand, the main problem in wireless communication is the multipath fading caused by propagation channel environment. With the combination of MIMO and MC CDMA, it is possible to achieve spectral efficiency and link reliability (BER with a minimum SNR). This degree thesis evaluates the performance of MIMO-MC CDMA-RAKE receiver system on Rayleigh-distributed mobile propagation channel that influenced by user mobility, the number of subcarrier and the number of RAKE. From the MIMO-MC CDMA-RAKE receiver system simulation, we can conclude that RAKE implementation gives more enhancements rather than increasing the number of subcarriers. In order to achieve BER = 103 , the performance increased 0,3 dB when the number of subcarriers varies. While varying the number of RAKE will increase the performance 0,7 dB. Because increasing the number of subcarrier will also gives more interferences to the system instead of increasing the number of RAKE. Keywords: MIMO, MC CDMA, RAKE receiver. INTISARI Pada beberapa tahun yang akan datang, wireless system diperkirakan akan membutuhkan sarana komunikasi yang lebih kompleks. Dimana kebutuhan bandwidth lebih bervariasi, mulai dari yang sempit sampai yang sangat lebar. Selain itu, masalah utama dalam komunikasi wireless adalah multipath fading yang disebabkan oleh lingkungan kanal propagasi. Dengan perpaduan sistem MIMO (multiple input multiple output) dan MC CDMA (multicarrier code division multiple access) memungkinkan diperoleh spectral efficiency dan link reliability (tercapainya target BER dengan SNR se-minimum mungkin). Pada tugas akhir ini diteliti performansi sistem MIMO-MC CDMA- RAKE receiver yang dimodelkan pada kanal propagasi mobile yang terdistribusi Rayleigh dengan adanya pengaruh kecepatan user, penambahan jumlah subcarrier dan jumlah RAKE. Dari hasil simulasi sistem MIMO-MC CDMA-RAKE receiver diketahui bahwa penggunaan RAKE memberikan perbaikan yang lebih baik dibandingkan dengan penambahan jumlah subcarrier. Untuk mendapatkan BER= 103 dengan perubahan jumlah subcarrier terjadi perbaikan performansi sekitar 0,3 dB sedangkan dengan perubahan jumlah RAKE terjadi perbaikan performansi 0,7 dB. Karena dengan penambahan jumlah subcarrier akan memberikan interferensi yang lebih besar dibanding penambahan jumlah RAKE Kata kunci : MIMO, MC CDMA, RAKE receiver 1
Jurusan Elektronika, Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang
69
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010
ISSN : 2086 - 4981
Oleh karena itu, pada tugas akhir ini diteliti performansi sistem MIMO-MC CDMA-RAKE receiver dengan menggunakan pemodelan kanal multipath fading rayleigh berderau Gaussian (AWGN). Diharapkan dengan konfigurasi tersebut akan dihasilkan suatu sistem telekomunikasi nirkabel yang mengalokasikan bandwidth yang lebih sempit dan kapasitas sistem bertambah, namun kualitas sinyal terima dapat lebih baik dilihat dari BER yang makin kecil.
PENDAHULUAN Pada beberapa tahun yang akan datang, sistem wireless diperkirakan akan membutuhkan sarana komunikasi yang lebih kompleks dari sekarang. Dimana kebutuhan bandwidth lebih bervariasi, mulai dari yang sempit (misal untuk layanan voice) sampai yang sangat lebar (misal untuk pengiriman gambar). Selain itu, masalah dalam komunikasi wireless adalah multipath fading yang disebabkan oleh lingkungan kanal propagasi. Gangguan tersebut berupa delay, scattering, dan difraksi pada sinyal yang ditransmisikan. Untuk memenuhi kebutuhan pelanggan tersebut, dikembangkanlah teknologi yang mendukung. Sejak tahun 1990-an telah mulai diteliti MIMO (multiple input multiple output) system, sistem ini memungkinkan diperoleh penggunaan efisiensi bandwidth yang cukup besar, sehingga dapat memenuhi kebutuhan transmission bandwidth yang lebar. Perpaduan dari modulasi multicarrier dan CDMA mempunyai kelebihan yang signifikan. Multicarrier spread spectrum mempunyai symbol rate yang lambat jika dibandingkan dengan OFDM sehingga durasi simbol pun lebih panjang maka proses sinkronisasi lebih mudah. Selain itu multicarrier spread spectrum selain dapat mengatasi ISI (Inter Symbol Interference) namun juga multipath. Penerima RAKE [1] hanya dapat diimplementasikan bila komponen multipath atau respon impuls kanal diketahui. Penerima RAKE dapat menangani beberapa lintasan multipath. Pendeteksian dilakukan secara terpisah, yang kemudian sinyal-sinyal tersebut digabungkan, sehingga didapatkan sinyal yang lebih kuat dibandingkan dengan menggunakan penerima yang hanya mendeteksi satu lintasan saja.
PENDEKATAN PEMECAHAN MASALAH Tujuan Penelitian Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah meneliti performansi sistem MIMO-MC CDMA-RAKE receiver pada kondisi kanal multipath fading Rayleigh berderau Gaussian (AWGN). Metodologi Penelitian Metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Studi literatur Sebagai dasar untuk memantapkan teori yang mendukung terhadap sistem yang dibuat. Studi literatur dilakukan sebagai proses pembelajaran mengenai teori secara umum melalui artikel, jurnal penelitian, buku-buku referensi yang ada diperpustakaan dan internet. 2. Desain sistem MIMO-MC CDMARAKE receiver Perancangan sistem berdasarkan hasil studi literatur, setiap blok dari sistem tersebut diterjemahkan ke program simulasi. 3. Simulasi sistem MIMO-MC CDMA-RAKE receiver Proses simulasi dilakukan dengan tool bahasa pemograman Matlab 7.0.
70
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010
replika sinyal informasi pada kanal independent fading, sehingga di receiver minimal ada satu sinyal yang tidak mengalami fading terburuk. Sedangkan multiplexing gain dapat dicapai dengan menggunakan spatial multiplexing atau space division multiplexing (SDM) pada sinyal yang akan dikirim. Prinsip dasar SDM yaitu simbol stream yang akan dikirim dipecah menjadi beberapa pararel symbol stream yang kemudian ditransmisikan secara simultan dengan yang sama pada masing-masing antena, sehingga teknik ini memberikan peningkatan data rates. Secara matematis, sistem MIMO dapat dituliskan sebagai berikut: y1 h12 h13 x1 h11 y 2 = h21 h22 h23 x2 y3 h31 h32 h33 x3
4. Pengukuran kinerja serta analisis sistem Pengukuran terhadap parameterparameter sistem serta analisis mengenai hasil penelitian yang didapat. 5. Kesimpulan Melakukan penarikan kesimpulan terhadap hasil simulasi yang diperoleh Tinjauan Pustaka 1. Konsep Dasar Sistem MIMO Tuntutan peningkatan data rates dan kualitas layanan suatu sistem komunikasi wireless memicu lahirnya teknik baru untuk meningkatkan efisiensi spektrum dan perbaikan kualitas saluran. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan multi antena pada sisi pengirim dan penerima, teknik ini dikenal sebagai Multiple Input Multiple output (MIMO). Channel_MIMO 00101101
Coding Modulation/ Mapping
Weighting Demodulation/ demapping coding
ISSN : 2086 - 4981
00101101
Gambar 1. Representasi fisik model sistem MIMO
y1 h11 0 0 x1 y2 = 0 h22 0 x2 y3 0 0 h33 x3
2. Space Time Block Code Pada sistem MIMO yang akan simulasikan diterapkan metode transmisi Space Time Block Codes yang merupakan salah satu contoh dari metode linear codes. Skema transmisi space time block code merupakan skema transmisi yang diperkenalkan oleh Alamouti, seperti yang terlihat pada gambar 2. berikut ini [2][3]:
Seperti yang terlihat pada gambar 1, kunci dari suatu sistem MIMO adalah penggunaan multi antena untuk pengirim dan penerima. Telah diteliti oleh Foshicini bahwa kapasitas akan meningkat pada sistem wireless dengan menggunakan multiple antena, baik pada pengirim ataupun penerima. Ada dua hal yang sebenarnya diberikan oleh sistem MIMO yaitu diversity gain dan multiplexing gain. Diversity gain dapat dicapai dengan menerapkan teknik diversitas pada sistem komunikasi wireless. Prinsipnya, diversitas mengirimkan beberapa
71
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010
ISSN : 2086 - 4981
Gambar 3. Space Time Block Code menggunakan 2 antena receiver Pada kasus ini jumlah antena receiver sebanyak 2 buah. Pada blok combiner, sinyal-sinyal yang diterima akan dikombinasikan untuk memisahkan sinyal yang ditransmisikan, x1 dan x2, dari sinyalsinyal y11, y12, y21 dan y22. Sinyalsinyal x1 dan x 2 hasil keluaran combiner memiliki persamaan sebagai berikut[7]: x1 h11. y11 h12 . y12 h21. y21 h22 . y22 (7)
Gambar 2.2. Skema transmisi Alamouti [10] Pada saat t, Tx1 memancarkan sinyal X 1 dan Tx2 memancarkan sinyal X2, kemudian saat t+T, Tx1 memancarkan sinyal X2* dan Tx2 memancarkan sinyal X1*. Tanda * merupakan operasi konjugat dari persamaan sinyal yang dimaksud. Dari gambar 3, terlihat bahwa pada antena Rx1 persamaan sinyal yang diterima adalah: (1) y11 h11.x1 h12 .x2 n11 (2) y12 h11.x2 h12.x1 n12 Sedangkan pada antena persamaan sinyalnya adalah:
x2 h12 . y11 h11. y12 h22 . y21 h21. y22
(8) Bila terdapat q buah receiver, persamaan tersebut dapat diubah menjadi: q
y 21 h21.x1 h22 .x2 n21 y22 h21.x2 h22 .x1 n22
(3)
q merupakan receiver.
n12
n21
2
Tx 2
i 1 q
h22 n22
h21
h12
Rx1
Rx2
y11 h11.x1 h12.x2 n11
y12 h11.x2 h12.x1 n12 Channel Estimator
h21
h11 Combiner
h12
x1 x2
h22
2
i1
2
y21 h21.x1 h22.x2 n21 y22 h21.x2 h22.x1 n22 Channel Estimator
Maximum Likelihood Detector
72
i2
x2 hi1 hi 2 i 1
h11
2
Bentuk umum dengan q buah receiver menjadi: q 2 2 x h h x h .n h .n (13) 1
n11
x2 h11 h12 h21 h22 x2 h12.n11 h11.n12 (12) h22.n21 h21.n22
x2 x1
Tx1
(10)
antena
x1 x2
x2 (hi 2 . yi1 hi1 . yi 2 )
Hasil akhir dari persamaanpersamaan di atas: 2 2 2 2 x1 h11 h12 h21 h22 x1 h11.n11 (11) h12.n12 h21.n21 h22.n22
(6)
jumlah
(9)
i 1
(4) Secara umum, persamaanpersamaan di atas dapat dinyatakan dengan: (5) yi1 hi1.x1 hi 2 .x2 ni1
yi 2 hi1.x2 hi 2 .x1 ni 2 di mana i 1,..., q
x1 (hi1 . yi1 hi 2 . yi 2 ) i 1 q
Rx2
2
2
1
x
2
i1
i1
i2
i2
hi 2 .ni1 hi1 .ni 2
(14)
Sinyal-sinyal x1 dan x 2 yang didapat dari blok combiner kemudian dilewatkan ke maximum likelihood detector yang terlihat pada gambar 3. Didasarkan pada Euclidean distances antara sinyal x dan semua kemungkinan simbol yang dikirimkan. Keputusan simbol yang dikirim ditentukan oleh maximum likelihood detector. Penentuan bahwa simbol yang dikirim
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010
merupakan simbol x i dilakukan jika dan hanya jika:
d i s t ( x , x ) d i s t ( x , x ) , i j (15) i j dist( A, B) di mana
y11 x1 y12 x2*
ISSN : 2086 - 4981
x2 h11 n11 x1*h12 n12
(16)
Demikian juga pada antena Rx2, sinyal-sinyal terimanya dijadikan persamaan matriks berikut :
merupakan Euclidean distances antara sinyal A dan sinyal B, dan indeks j menyatakan seluruh batasan nilai yang mungkin dari sinyal yang ditransmisikan. Dari persamaan di atas, terlihat bahwa simbol yang diputuskan oleh maximum likelihood detector merupakan simbol yang memiliki Euclidean distances yang minimum dengan sinyal yang diterima x .
y21 x1 y22 x2*
x2 h21 n21 x1*h22 n22
(17)
Keberadaan noise n11, n12, n21 dan n22 menjadi penyebab mengapa estimasi dengan teknik ini tidak sempurna atau tidak ideal. Walaupun kanal memiliki sifat quasi static namun hasil estimasi kanal tidak akan pernah bisa sama dengan koefisien kanal yang sebenarnya akibat noise kanal tersebut. Dari persamaan (16) dan (17) kita dapat mengetahui h11, h12, h21 dan h22 , dengan melakukan proses invers matriks pada persamaan tersebut. Sehingga diperoleh persamaan hasil estimasi kanal dari antena Rx1 dan Rx2 berikut [5]:
3. Estimasi Kanal Transmisi 2x2 Dengan Memamfaatkan Ortogonalitas STBC Pada bagian estimator kanal gambar 3, teknik estimasi mengharuskan adanya beberapa syarat tertentu sehingga estimasi kanal MIMO dengan memanfaatkan ortogonalitas STBC ini dapat dilakukan. Beberapa syarat tersebut adalah : 1. Adanya simbol pilot pada sebuah frame sinyal kirim yang berfungsi untuk dilakukan estimasi kanal dari simbol pilot tersebut. 2. Sifat kanal harus dalam keadaan quasi static, maksudnya keadaan kanal pada beberapa waktu atau beberapa simbol harus dalam kondisi tetap [4]. Keadaan kanal akan mengalami perubahan lagi setelah selang waktu tertentu. Hasil estimasi STBC ini dimanfaatkan untuk mendeteksi sinyal combiner dan dilakukan dalam kondisi kanal yang tetap sehingga sinyal terima tidak mengalami penurunan kualitas terlalu jauh. Pada antena Rx1, sinyalsinyal terima y11 dan y12 berdasarkan persamaan (1) dan (2) dapat dijadikan persamaan matriks berikut :
~ x x2 H y11 n11 (18) 1 h11 1 ~ x 2 x2 2 x* x* y n12 2 1 12 h21 1
~ x x2 H y21 n21 (19) 1 h 21 1 ~ 2 2 * * h22 x1 x2 x2 x1 y22 n22
Pada simulasi sistem yang sebenarnya nilai n11, n12, n21 dan n22 tidak diketahui dan diasumsikan nol, dan itulah sebabnya mengapa hasil estimasi menjadi tidak sempurna. Perlu diketahui bahwa estimasi kanal dengan persamaan (18) dan (19) dilakukan terhadap simbol pilot, hasil estimasi ini digunakan untuk melakukan proses combining terhadap informasi simbol terima pada kondisi kanal yang diasumsikan tetap pada selang waktu tertentu (quasi static).
73
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010 4. Multicarrier Code Division Multiple Access Sistem Multi-carrier CDMA (MC-CDMA) memiliki kehandalan dalam lingkungan propagasi multipath terutama terhadap frekuensi selektif fading [3] Multicarrier CDMA dapat digolongkan menjadi dua kelompok [3], yaitu : 1. Penyebaran data stream original dengan menggunakan spreading code, kemudian memodulasi subcarrier yang berbeda dengan masing-masing chip (dalam hal ini, operasi spreading dalam domain frekuensi)
ISSN : 2086 - 4981
multipath digunakan suatu demodulator optimum yang merupakan suatu matched filter. Demodulator tersebut bekerja dengan menggabungkan sinyalsinyal yang mengalami penundaan pada kanal transmisi yang diletakkan ditiap percabangan, berguna untuk membentuk korelasi sinyal yang terpisah dengan masing–masing komponen multipath yang diterima. Sistem ini dapat menangani beberapa lintasan multipath, dengan sendirinya akan semakin besar bandwidth sistem, semakin banyak pula sinyal yang dapat dikorelasikan antara sinyal tersebut dengan replica-nya. Rake for 1 st subcarrier R(t ) receice signal
Gambar 6. Struktur penerima RAKE pada Multicarrier CDMA 11
2. Penyebaran data dengan serial to paralel yang mengkonversi data stream menggunakan spreading code, kemudian memodulasi subcarrier yang berbeda dengan masing-masing data stream (operasi spreading dalam domain waktu)
RAKE receiver multicarrier CDMA pada Gambar 7. diasumsikan bahwa estimasi waktu tunda dan beda fasa pada percabangan RAKE receiver diusahakan sinkron dengan waktu tunda dan beda fasa lintasan yang terdeteksi, hal ini dapat tercapai bila proses sinkronisasi sempurna sehingga penerima dapat mengestimasi nilai dari l dan m,l,i tanpa error. Nilai 10,11 sampai dengan 1(L-1) merupakan waktu tunda dari masing–masing sinyal multipath sedangkan 1,v,0 , 1,v,1 sampai 1,v,(L-1) adalah estimasi beda fasa dari sinyal multipath pada lintasan 1,2 hingga L pada subcarrier vth.
C3 C MC Time
C2
C(t)
C(t) Serial to Parallel Converter
IFFT
S
Data
Rake for N subcarrier
Gambar 4. Spreading pada domain frekuensi 13
C1
Rake for second sucarrier
SMC(t)
Time
C (t) Time
Gambar 5. Spreading pada domain waktu 13
5. RAKE Receiver Komponen multipath fading dimodelkan dengan unit-unit delay dengan koefisien kuat sinyal yang tidak berubah terhadap waktu (time invariant). Untuk mengatasi kasus
74
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010 X
Ts 10
X
cos(2fv t v10 )
v 0 c1 (t 10 )
X
Ts 10
X
Zv 0
10
Zv1
Diversity Combiner
10
r (t ) cos(2f v t v11 )
v 0 c1 (t 11 )
X
Ts 10
X
cos(2fv t v1( L 1) )
Zv( L 1)
10
v ( L 1) c1 (t 1( L 1) )
Gambar 7. Model Penerima Rake Multicarrier CDMA 11 Diasumsikan terdapat U buah korelator pada masing-masing subcarrier yang digunakan dalam penerima Multicarrier CDMA untuk menangkap L buah komponen multipath yang terkuat, korelator 1 telah disinkronkan untuk multipath yang terkuat jalur 1, korelator 2 disinkronkan untuk jalur 2 dan seterusnya. Masing–masing percabangan memiliki korelasi yang erat dengan komponen–komponen multipath yang disinkronkan tetapi mempunyai korelasi yang rendah untuk komponen multipath yang lain. Kinerja sistem RAKE receiver Multicarrier CDMA diperoleh dengan membandingkan daya sinyal terhadap daya sinyal gangguan dari tiap-tiap L keluaran integrator. PEMBAHASAN Perancangan Model dan Simulasi Sistem MIMO 1. Subsistem Pengirim Pemodelan sistem MIMO-MC CDMA-Rake receiver pada sisi pengirim digambarkan dengan diagram blok dibawah ini : Spreader
Spreader
Random data
Signal mapping
Serial To Paralel Conventer
Spreader
Tx1
IFFT
Paralel To Serial Conventer
Insert guard interval
Add pilot
STBC
Tx2
Spreader
Spreader
Gambar 8. Blok pemodelan sistem pada pengirim
75
Zv
ISSN : 2086 - 4981
Penjelasan untuk setiap subblok dalam simulasi dapat digambarkan sebagai berikut : 1. Random data generator Data yang dikirim dibangkitkan secara acak menggunakan fungsi “randint” pada matlab yang akan menghasilkan nilai bit “0” dan “1” yang tidak memiliki pola tertentu atau acak. Kemudian untuk mendapatkan data bipolar, bil “1” diwakilkan dengan nilai +1 dan bit “0” diubah menjadi bernilai -1. 2. Mapping signal Blok mapping signal merupakan suatu blok yang membentuk symbol-stream dari bit stream. Mapping signal yang digunakan pada tugas akhir ini adalah Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) yang memetakan konstelasinya berdasarkan kode gray, dimana perbedaan antara simbol yang berdekatan adalah satu bit. Hal ini dimaksudkan agar pada deteksi jika dimungkinkan terjadi kesalahan, maka kesalahan tersebut diusahakan satu bit saja. satu simbol QPSK akan membawa dua bit. Output dari QPSK adalah kompleks dengan data rate-nya adalah R/2. Persamaan sinyal mapping QPSK adalah : Sn(t ) g (t )e j 2 (m1) / 4 m = 1,2,3,4 0≤t≤T dimana g(t) adalah pulse shapping dan T adalah durasi satu simbol. Dengan QPSK maka ada 4 buah kemungkinan data, yaitu 00, 01, 10, 11. 3. Serial to Paralel Converter Serial to Paralel Converter berfungsi untuk mengubah data dengan deretan serial menjadi deretan paralel. Jumlah deretan paralel akan bersesuaian dengan jumlah subcarrier yang digunakan.
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010 4. Spreader Spreader yang digunakan adalah kode Walsh Hadamard yang dibangkitkan oleh operasi matriks. Kode ini saling orthogonal untuk setiap baris dari matriks Hadamard. Satu user menggunakan satu set kode dari satu baris matriks Hadamard untuk setiap lengannya. Pada blok ini data akan dilakukan proses spreading pada data pada domain waktu. 5. IFFT IFFT berfungsi sebagai OFDM baseband modulator. Setiap aliran simbol data akan dimodulasi oleh frekuensi subcarrier yang dibangkitkan oleh IFFT. Penggunaan IFFT akan menjamin orthogonalitas antar subcarrier 6. Parallel to serial converter Keluaran dari IFFT merupakan data paralel, kemudian dikonversi menjadi data serial. 7. Insert guard interval Untuk mengurangi ISI (Inter Symbol Interference) yang disebabkan oleh pengaruh kanal multipath, maka dalam satu simbol MC CDMA ditambahkan guard interval yang memisahkan simbol satu dengan simbol lain yang berdekatan. Panjang guard interval harus lebih panjang dari respon impuls kanal, sehingga jika ada dua atau lebih sinyal yang melewati lintasan yang berbeda, maka energi ISI akan terdegradasi pada guard interval, sehingga simbol data yang sebenarnya tidak terkena ISI tapi terkena interferensi dari simbol yang sama, hal ini bukan merupakan ISI tetapi terkena interferensi dari simbol yang sama. Prosesnya dapat dijelaskan pada gambar berikut ini :
ISSN : 2086 - 4981
Guard Interval
Sinyal_yang_terdelay
Sinyal_langsung
n 1
n
n 1
n
n 1
Gambar 9. Pengaruh Guard Interval dalam mengatasi ISI Guard interval tanpa ada sinyal atau kosong dapat menbuat Inter Carrier Interference (ICI) meskipun tidak ada ISI. Hal ini terjadi karena antara subcarrier tidak lagi orthogonal, sehingga untuk menghilangkan ICI, guard interval diisi oleh beberapa sample sinyal atau biasa disebut cyclic prefix. Proses penambahan guard interval dengan cyclic prefix sebagai berikut : copy Cyclic prefix
Simbol OFDM
Sample yang akan dikopi
Gambar 10. Guard Interval dengan cyclic prefix 8. Space Time Block Code dan antena transmitter Pada bagian antena transmitter akan dilakukan metode transmisi Space Time Block Codes sesuai dengan kode Alamouti untuk dua buah antena pemancar dan dua buah antena penerima. Kedua buah simbol yang datang secara paralel, setelah dimodulasi, akan ditransmisikan pada dua buah antena yang berbeda, Tx1 dan Tx2, secara bersamaan. Pada saat t, antena Tx1 akan memancarkan sinyal yang berasal dari simbol S 0 sedangkan antena Tx2 memancarkan sinyal yang berasal dari S1 . Pada saat t T , setelah simbol
S 0 dan S1 selesai dikirim, switch pada masing-masing antena pemancar, Tx1 dan Tx2, akan bergeser untuk mentransmisikan simbol-simbol berikutnya. Untuk
76
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010 antena Tx1 akan mentransmisikan simbol yang terlebih dahulu telah melalui proses konjugasi dan diberi muatan negatif. Sedangkan pada antena Tx2, pada saat yang sama, akan mentransmisikan
tetapi melalui lintasan yang berbeda. Untuk antena Rx1, pada saat t akan menerima sinyal dengan persamaan:
S1
y11 h11.s0 h12 .s1 n11
Sedangkan antena Rx2 akan menerima sinyal yang memiliki persamaan:
simbol S 0 yang telah melalui proses konjugasi. Dua transmitter dengan matriks transmisi:
y21 h21.s0 h22 .s1 n21 Pada saat t T , antena Rx1akan menerima persamaan:
s1 s0 S= s1 * s0 *
Decoding STBC
Guard Interval Remove
Serial to paralel converter
Despreader
RAKE receiver
Despreader
RAKE receiver
Despreader
RAKE receiver
Despreader
RAKE receiver
Despreader
RAKE receiver
FFT
Paralel to serial converter
Signal demappin g
Output
Penjelasan untuk setiap subbloknya dalam simulasi dapat digambarkan sebagai berikut : 1. Antena penerima x2 x1
x1 x2 n12
n21
n22
Rx1
2. Remove pilot dan estimasi kanal Estimasi kanal dilakukan untuk mengetahui respon kanal yang terjadi selama sinyal ditransmisikan dari pemancar ke penerima. Lintasan yang akan diestimasi terdiri dari h11 yang merupakan respon kanal dari lintasan yang dilewati sinyal antara Tx1 dan Rx1, h12 antara Tx2 dan Rx1, h21 antara Tx1 dan Rx2 serta h22 antara Tx2 dan Rx2. 3. STBC Decoding Untuk mendapatkan simbol S0 dilakukan proses terhadap sinyal-sinyal terima sesuai dengan persamaan berikut: Sedangkan untuk mendapatkan simbol S1 dilakukan proses:
h22
h11
~ s h . y h . y h . y h . y 0 1 1 1 1 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 2 2
Tx 2
n11
h12
y22 h21.s1 h22 .s0 n22
Gambar 11. Blok pemodelan sistem pada penerima
Tx1
dengan
Sedangkan antena Rx2 akan menerima sinyal dengan persamaan:
Rx1 Remove pilot+ estimasi computation
sinyal
y12 h11.s1 h12 .s0 n12
2. Subsistem penerima Pemodelan sistem MIMO-MC CDMA-Rake receiver pada sisi penerima digambarkan dengan diagram blok dibawah ini :
Rx2
ISSN : 2086 - 4981
h21
~ s h . y h . y h . y h . y 1 1 2 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 2 1 2 2
Rx 2
Gambar 12. Penerimaan sinyal pada antena Rx
Nilai H yang digunakan adalah nilai H hasil estimasi 4. Guard interval remove Deretan ekstensi cyclic yang merupakan replikasi dari sinyal informasi dihilangkan karena tidak diperlukan oleh penerima, sehingga outputnya adalah sinyal data murni tanpa guard interval (cyclic code)
Gambar 12 menunjukkan proses bagaimana sinyal diterima oleh antena penerima yang berjumlah dua buah. Pada saat t , antena Rx1 dan antena Rx2 akan menerima sinyal yang datangnya dari antena Tx1 dan antena Tx2
77
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010 5. Seriap to parallel converter Sinyal informasi yang diterima receiver merupakan deretan data serial simbol stream, dan untuk proses demodulasi multicarrier data serial ini diubah menjadi data parallel. Jumlah jalur subcarrier bersesuaian dengan jumlah subcarrier pada satu simbol. Pada program simulasi, realisasi blok ini sama dengan blok yang terdapat pada transmitter 6. FFT Fungsi FFT merupakan kebalikan dari IFFT yaitu mengambil informasi dari subcarrier orthogonal, jumlah point FFT harus sama dengan IFFT
ISSN : 2086 - 4981
6 korelator yang berfungsi untuk menangkap sinyal multipath, korelator satu akan menangkap sinyal path terkuat pertama, dan korelator yang kedua akan menangkap sinyal path terkuat kedua yang tertunda, begitu seterusnya untuk masing-masing korelator. Disini asumsi estimasi kanal sempurna sehingga paramater kanal delay, fasa dan gain kanal dapat diketahui. 10. Demapping signal Blok ini berfungsi untuk memetakan kembali symbolstream kedalam bit-stream yang berdasarkan daerah konstelasi dari simbol tersebut. 11. Output Analisis Hasil Simulasi Pada bagian ini dilakukan simulasi terhadap system MIMO-MC CDMA-RAKE receiver pada kanal kultipath fading Rayleigh berderau Gaussian.
7. Despreader Fungsi despreader merupakan kebalikkan dari spreader yaitu mengambil informasi yang telah tersebar dalam domain frekuensi pada sisi pengirim 8. Parallel to Serial Aliran data paralel akan diubah kembali menjadi aliran data serial seperti hal saat data sebelum diproses. 9. RAKE receiver Pada Tugas Akhir ini, penerima RAKE yang digunakan adalah penerima RAKE tipe estimasi waktu tunda (Time Delay Estimated) dari lintasan yang tiba. Pemodelan kanal yang digunakan oleh penerima RAKE ini adalah memperkirakan waktu tunda dari kedatangan sinyal. Pada aplikasi sebenarnya nilainilai waktu tunda atau komponen-komponen multipath lainya diperoleh dari hasil pengukuran respon impuls kanal yang dilakukan dilapangan pada lintasan propogasi radio kanal multipath. Penerima RAKE merupakan lengan korelator dimana setiap subcarrier akan digunakan 4 dan
Grafik0 MIMO-MC CDMA-RAKE receiver pada kanal AWGN dan Rayleigh 10
AWGN Rayleigh -1
BER
10
-2
10
-3
10
-4
10
0
2
4
6
8
10
12
SNR (dB)
Gambar 13. Grafik pengaruh noise AWGN dan kanal Rayleigh fading dengan frekuensi doppler 0 Hz Dari gambar 13 di atas, terlihat bahwa semakin buruk kondisi kanal akan menyebabkan terjadinya penurunan kualitas penerimaan sinyal. Hal ini terlihat pada BER= 103 MIMO-MC CDMARAKE receiver pada kanal AWGN, dengan harga SNR sebesar 8,4 dB. Sedangkan pada kanal multipath dengan user dalam keadaan diam,
78
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010
Gambar 15 Grafik MIMO-MC CDMA-RAKE receiver 64 subcarrier
kecepatan 0 km/jam, untuk 3 mencapai BER = 10 dicapai pada SNR 9,3 dB Jika dibandingkan antara kanal AWGN dengan kanal multipath time invariant, performansi terdegradasi sebesar ± 0,9 dB. Pada kanal AWGN tidak terjadi fenomena multipath, distorsi yang terjadi hanya noise yang bersifat additif seperti noise perangkat elektronika dan noise transmisi. Grafik0 MIMO-MC CDMA-RAKE receiver pada kanal Rayleigh doppler 8,2 Hz 10
16 subcarrier 32 subcarrier 64 subcarrier
-1
BER
10
-2
10
-3
10
-4
10
0
2
4
6
8
10
ISSN : 2086 - 4981
12
SNR (dB)
Gambar 14 Grafik MIMO-MC CDMA-RAKE receiver pada kanal Rayleigh doppler 8,2 Hz
Pada gambar 15 dapat diamati bahwa semakin besar frekuensi Doppler maka semakin menurunkan performansi pada sistem. Pada setiap kondisi dengan menggunakan subcarrier yang berbeda maka setiap kenaikan frekuensi Doppler juga diikuti kenaikan SNR untuk mencapai target BER yang diinginkan. Hal ini disebabkan adanya Doppler shift sehingga kestabilan frekuensi pembawa antar subcarrier akan berkurang. Akibatnya keorthogonalitasan antar subcarrier tidak dapat lagi dipertahankan. Subcarrier yang tidak orthogonal akan memyebabkan ISI/ICI dan agar hal ini tidak terjadi maka syarat spasi antar subcarrier sebesar ∆f harus terpenuhi. Grafik 0MIMO-MC CDMA-RAKE receiver 64 subcarrier dengan variasi jumlah RAKE 10
Secara umum pada gambar 14, menunjukan semakin besar subcarrier maka performansi semakin baik, ini disebabkan karena setiap subcarrier mampu membuat bandwidth transmisi yang tanpa modulasi multicarrier mengalami frequency selective fading dirasa mengalami flat fading.
-1
BER
10
-3
-4
10
0 km/jam 10 km/jam 30 km/jam 60 km/jam 120 km/jam
-2
BER
10
-3
10
-4
10
-5
10
0
5
10
15
20
25
0
2
4
6
8
10
12
SNR (dB)
10
-1
-2
10
10
Grafik0 MIMO-MC CDMA-RAKE receiver dengan 64 subcarrier dan 6 RAKE
10
tanpa RAKE 4 RAKE 6 RAKE
30
SNR (dB)
79
Gambar 16 Grafik MIMOMCCDMA-RAKE receiver 64 subcarrier dengan RAKE Berdasarkan gambar 16 terlihat bahwa penggunaan 4 RAKE lebih baik dari pada tanpa RAKE, dan penggunaan 6 RAKE lebih baik dari 4 RAKE. SEmakin banyak jumlah RAKE yang digunakan maka performansi semakin baik karena setiap korelator penerima RAKE akan menangkap sinyal dengan path sinyalnya masing-masing kemudian mengkorelasikan dari setiap symbol dari sinyal yang diterima, kemudian
14
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010
ISSN : 2086 - 4981
menggabungkannya sehingga didapatkan sinyal yang lebih baik. Secara umum penggunaan RAKE memberikan perbaikan yang lebih baik dibandingkan dengan penambahan jumlah subcarrier karena dengan penambahan jumlah subcarrier akan memberikan interferensi lebih besar dibandingkan dengan penambahan jumlah RAKE. Penambahan jumlah RAKE merupakan diversitas waktu terhadap sinyal yang diterima, semakin besar jumlah RAKE maka semakin banyak jumlah lintasan sinyal yang dapat ditangkap sehingga sinyal di penerima semakin baik.
4. Perubahan jumlah subcarrier dan RAKE yang digunakan, untuk 16, 32, dan 64 subcarrier dari tanpa RAKE menjadi 4 RAKE memberikan perbaikan sekitar 1 dB sedangkan untuk 16 subcarrier menjadi 32 subcarrier, dan 32 subcarrier menjadi 64 subcarrier memberikan perbaikan sekitar 0,3 dB. Dapat dibandingkan bahwa penggunaan RAKE memberikan perbaikan performansi yang lebih baik dibandingkan dengan penambahan jumlah subcarrier dalam jumlah perubahan yang sama dengan RAKE sekitar 0,7 dB.
KESIMPULAN 1. MIMO-MC CDMA-RAKE receiver dengan penambahan subcarrier memberikan performansi yang lebih baik. Untuk mencapai BER= 103 pada doppler 0 Hz dengan menggunakan 64 subcarrier lebih baik dari 32 subcarrier dan 32 subcarrier lebih baik dari 16 subcarrier sekitar 0,7 dB. 2. Performansi MIMO-MC CDMARAKE receiver cenderung memburuk dengan peningkatan frekuensi doppler. Hal ini dapat diamati pada subcarrier yang sama, semakin besar nilai frekuensi doppler semakin besar pula gain yang harus dicapai untuk target BER yang diinginkan. Untuk 32 subcarrier perubahan frekuensi doppler dari 0 Hz sampai 98 Hz ada peningkatan gain sebesar 3,5 dB. 3. Performansi MIMO-MC CDMARAKE receiver cenderung lebih baik dengan peningkatan jumlah RAKE. Untuk jumlah subcarrier yang sama, menggunakan 4 RAKE lebih baik dari tanpa RAKE dan 6 RAKE lebih baik dari 4 RAKE sekitar 0,2 dB sampai 1,2 dB.
DAFTAR PUSTAKA [1] Nurhamdi, Johadi (2005), Kinerja Penggunaan Penerima RAKE untuk Sistem Multicarrier CDMA pada Kanal Multipath Fading, Tugas Akhir, STT Telkom, Bandung. [2] Gesbert, David (2003), “MIMO Space Time Coded Wireless System”, Dept of Informatics, University of Oslo. [3] Jayaweera, Sudharman K (2003), Multiple Antenna Wireless Communication Systems : Capacity, Coding, and Receiver Design, Dissertation, Princeton University. [4] Valenti M.C dan Baker D.A, The Impact of Channel Etimation Errors on Space Time Block Code, Wireless Communicatiob Research Lab., West Virginia University.
80
JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN VOL. 1 NO. 1 MARET 2010 [5]
Mostafa, Raqibul, dkk, Performance Evaluation of 2D Rake Algorithms for WCDMA-DL Applications at the Handset, IEEE Radio and Wireless Conference, pp. 367-370, September 2004, Georgia, USA.
81
ISSN : 2086 - 4981
