METODE CLIPPING FILTERING, METODE SELECTIVE MAPPING, DAN METODE PARTIAL TRANSMIT SEQUENCE UNTUK MENGURANGI NILAI PEAK TO AVERAGE POWER RATIO (PAPR) DALAM SISTEM OFDM
oleh Ivan Farrell Setiono NIM : 612010002
Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Januari 2015
METODE CLIPPING FILTERING, METODE SELECTIVE MAPPING, DAN METODE PARTIAL TRANSMIT SEQUENCE UNTUK MENGURANGI NILAI PEAK TO AVERAGE POWER RATIO (PAPR) DALAM SISTEM OFDM
oleh Ivan Farrell Setiono NIM : 612010002
Skripsi ini telah diterima dan disahkan Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik dalam Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika Dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Disahkan oleh
Pembimbing I
Pembimbing II
Eva Yovita Dwi Utami, M.T.
Andreas Ardian Febrianto, M.T.
Tgl.
Tgl.
___
__________
INTISARI Teknologi nirkabel yang sedang berkembang saat ini adalah jaringan Long Term Evolution (LTE) atau yang lebih sering disebut sebagai perkembangan dari jaringan 3G, yaitu jaringan 4G. Teknologi ini adalah teknologi baru yang diperkenalkan oleh 3rd Generation
Partnership Project (3GPP) Release 8 yang dirancang untuk
meningkatkan kapasitas dan kecepatan jaringan sistem komunikasi bergerak. Orthogonal Frequency Division Multiplexing adalah teknologi yang digunakan dalam transmisi arah downlink dalam teknologi LTE. OFDM adalah skema transmisi paralel dengan aliran data serial yang dibagi menjadi beberapa kelompok aliran data, dan masing-masing dimodulasi secara terpisah. Penggunaan teknologi OFDM pada jaringan 4G ini memiliki kelemahan, yaitu dia memiliki nilai Peak to Average Power Ratio (PAPR) yang besar. PAPR adalah perbandingan nilai antara puncak amplitudo isyarat dengan nilai Root Mean Square (RMS) isyarat tersebut. Metode-metode yang digunakan untuk mengurangi nilai PAPR tersebut adalah metode Clipping Filtering, metode Selective Mapping, dan metode Partial Transmit Sequence. Dari hasil studi pustaka ini didapatkan kesimpulan bahwa dengan menggunakan metode Clipping Filtering, semakin kecil nilai Clipping Ratio (CR) maka semakin baik unjuk kerja metode Clipping Filtering dalam mengurangi nilai PAPR. Untuk metode Selective Mapping, semakin banyak jumlah blok maka semakin baik unjuk kerja metode Selective Mapping dalam mereduksi nilai PAPR. Sedangkan untuk metode Partial Transmit Sequence, semakin banyak isyarat masukan yang dibagi maka semakin baik unjuk kerja dalam mereduksi nilai PAPR.
i
ABSTRACT Wireless technology that is still developing at this time is the network of Long Term Evolution (LTE) or more commonly referred as the development of 3G networks, namely the 4G network. This technology is a new technology introduced by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 8 that is designed to increase network capacity and speed of mobile communication systems. Orthogonal Frequency Division Multiplexing is a technology that is used in the transmission of direction downlink in the LTE technology. OFDM is a parallel transmission scheme with a serial data stream, that is divided into multiple groups of data streams, and each is modulated separately. The use of OFDM technology at 4G network has a weakness, that it has large value of Peak to Average Power Ratio (PAPR). PAPR is the ratio between the peak value of the signal amplitude with the value of Root Mean Square (RMS) of the signal. The methods that are used to reduce the PAPR value are Clipping Filtering method, Selective Mapping method and Partial Transmit Sequence method. From the results of the literature study, it is concluded that by using a Clipping filtering method,the smaller value of Clipping Ratio (CR), the better performance of the Clipping Filtering method in reducing PAPR value. For Selective Mapping method, the more number of blocks, the better performance of the Selective Mapping method in reducing the PAPR value. As for Partial Transmit Sequence method, the more signal inputs are partitioned, the better performance in reducing the PAPR value.
ii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur dan kemuliaan hanya bagi Tuhan Yesus Kristus berkat kasih karunia-Nya yang berlimpah dan penyertaan-Nya yang sempurna sehingga skripsi dengan judul “Metode Clipping Filtering, Metode Selective Mapping, dan Metode Partial Transmit Sequence untuk Mengurangi Nilai Peak to Average Power Ratio (PAPR) dalam Sistem OFDM” dapat diselesaikan dari awal pengusulan, pembuatan, hingga akhirnya selesai. Skripsi ini digunakan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga. Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih sebesar besarnya kepada : 1. Bapak Dekan Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Dr. Iwan Setyawan 2. Ibu Eva Yovita Dwi Utami, M.T. selaku pembimbing I yang sangat banyak membimbing, memberi saran, serta mengajari penulis banyak hal selama proses pembuatan skripsi ini dan selama menjalani perkuliahan di . 3. Bapak Andreas Ardian Febrianto, M.T. selaku selaku Kaprogdi Teknik Elekto, pembimbing II atas bimbingan, saran, serta strategi yang diberikan dalam proses merancang skripsi ini dan juga atas segala saran kepada penulis selama proses perkuliahan baik sebagai asisten ataupun sebagai mahasiswa. 4. Bapak F. Dalu Setiadji, M.T. selaku wali studi penulis hingga tahun keempat yang banyak memberi arahan dan pengalaman berharga selama berkuliah. 5. Bapak Budihardja Murtianta, M. Eng. selaku wali studi penulis yang banyak memberi arahan dan pengalaman berharga selama berkuliah. 6. Segenap staff pengajar Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer atas didikan selama proses perkuliahan. 7. Staff Tata Usaha FTEK atas bantuan dalam hal administrasi. 8. Orang tua dan adik yang terkasih di Semarang yang telah memberi dukungan dalam segala hal. 9. Teman teman terdekat selama kuliah dan hidup di Salatiga Yunus, Roberto, Andrew, Natanael, Edo, Ricky, Budhi, Deny, Bob, Jeffryson.
iii
10. Teman teman FTEK ’10 yang terkasih yang tidak dapat disebutkan satu persatu. 11. C Computer Club FTEK UKSW beserta pengurusnya atas kesempatan mengembangkan diri bersama disana dari 2010-2012. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini terdapat banyak kekurangan, oleh sebab itu dengan kerendahan hati penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk lebih menyempurnakan penulisan ini. Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan memberikan informasi bagi pembaca, khususnya yang berkepentingan. Tuhan memberkati kita semua.
Salatiga, Januari 2015 Penulis,
Ivan Farrell Setiono
iv
DAFTAR ISI INTISARI .......................................................................................................................... i ABSTRACT...................................................................................................................... ii KATA PENGANTAR ..................................................................................................... iii DAFTAR ISI..................................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... vii DAFTAR SINGKATAN ................................................................................................. ix DAFTAR LAMBANG ................................................................................................... xii BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................. 1 1.1. Tujuan ................................................................................................................. 1 1.2. Latar Belakang Permasalahan ............................................................................ 1 1.3. Spesifikasi Tugas ................................................................................................ 3 1.4
Sistematika Penulisan ......................................................................................... 3
BAB II JARINGAN LONG TERM EVOLUTION (LTE) ................................................. 5 2.1. Evolusi Jaringan Komunikasi Bergerak ............................................................. 5 2.1.1.
Teknologi LTE .......................................................................................... 7
2.1.2.
Arsitektur LTE ........................................................................................... 8
2.1.3.
Aspek Antarmuka Radio LTE ................................................................. 11
2.2
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) .................................. 16
2.2.1
Modulasi dan Demodulasi dalam OFDM ............................................... 18
2.2.2
OFDM Guard Interval ............................................................................ 21
2.2.3
OFDM Guard Band ................................................................................ 23
2.2.4
Bit Error Rate pada Sistem OFDM ......................................................... 24
BAB III PAPR PADA SISTEM OFDM DALAM JARINGAN LTE ............................ 26 3.1. Pengertian PAPR .............................................................................................. 26 3.2. PAPR pada Sistem OFDM ............................................................................... 26 v
BAB IV METODE-METODE UNTUK MENURUNKAN NILAI PAPR .................... 31 4.1. Metode Clipping Filtering ................................................................................ 31 4.2. Metode Selcetive Mapping ............................................................................... 35 4.3. Metode Partial Transmit Sequence .................................................................. 38 BAB V KESIMPULAN.................................................................................................. 41 5.1. Kesimpulan ....................................................................................................... 41 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................... 42
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Karakteristik Penguat Daya ..................................................................... 2 Gambar 2.1. Evolusi 3GPP .......................................................................................... 7 Gambar 2.2. Diagram Arsitektur LTE .......................................................................... 9 Gambar 2.3. Arah Transmisi pada Jaringan LTE ......................................................... 12 Gambar 2.4. Konfigurasi SIMO ................................................................................... 13 Gambar 2.5. Konfigurasi MISO ................................................................................... 14 Gambar 2.6. Konfigurasi MIMO .................................................................................. 15 Gambar 2.7. Teknik Modulasi Multicarrier ................................................................ 16 Gambar 2.8. Spektrum Isyarat OFDM ......................................................................... 17 Gambar 2.9. Diagram Kotak OFDM ........................................................................... 17 Gambar 2.10. Modulasi OFDM ..................................................................................... 18 Gambar 2.11. Demodulasi OFDM ................................................................................. 20 Gambar 2.12. OFDM dengan Cyclic Prefix ................................................................... 21 Gambar 2.13. Isyarat OFDM ......................................................................................... 22 Gambar 2.14. Isyarat OFDM dengan Cyclic Prefix ...................................................... 22 Gambar 2.15. Isyarat OFDM dengan Cyclic Suffix....................................................... 22 Gambar 2.16. Guard Band pada FDM ........................................................................... 23 Gambar 2.17. Guard Band pada OFDM ........................................................................ 23 Gambar 2.18. Isyarat Keluaran Modulator QPSK ......................................................... 24 Gambar 4.1. Pemotongan Isyarat .................................................................................31 Gambar 4.2. Diagram Kotak Metode Clipping Filtering.............................................32 Gambar 4.3. Clipping Isyarat OFDM dalam Ranah Waktu ......................................... 33 Gambar 4.4. Penguat Daya untuk Modulasi Amplitudo .............................................. 34 Gambar 4.5. Diagram Kotak Metode Selective Mapping ............................................ 36
vii
Gambar 4.6. Hasil simulasi untuk
= 128 dengan
= 1, 2, 4, dan 16 .................... 37
Gambar 4.7. Diagram Kotak Metode Partial Transmit Sequence ............................... 38 Gambar 4.8. Reduksi PAPR dengan Partial Transmit Sequence untuk 2-8 Fase ........ 40
viii
DAFTAR SINGKATAN
1G
1st Generation
2G
2nd Generation
2.5G
2.5th Generation
3G
3rd Generation
3GPP
3rd Generation Partnership Project
4G
4th Generation
AMPS
Advanced Mobile Phone System
BER
Bit Error Rate
CP
Cyclic Prefix
CR
Clipping Ratio
CS
Cyclic Suffix
CAPEX
Capital Expenditure
CCDF
Complementary Cumulative Distribution Function
CDMA
Code Division Multiple Access
E-UTRAN
Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
EDGE
Enhanced Data for Global Evolution
EPC
Evolved Packet Core
FDD
Frequency Divison Duplex
FDM
Frequency Division Multiplexing
FDMA
Frequency Division Multiple Access
FFT
Fast Fourier Transform
GPRS
General Packet Radio Service
GSM
Global System for Mobile Communication
HSDPA
High-Speed Downlink Packet Access ix
HSPA
High-Speed Packet Access
HSS
Home Subscriber Server
HSUPA
High-Speed Uplink Packet Access
IBO
Input Backoff
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
ISI
Intersymbol Interference
LTE
Long Term Evolution
MIMO
Multiple Input Multiple Output
MISO
Multiple Input Single Output
MME
Mobility Management Entity
MRC
Maximum Ratio Combining
MSC
Mobile Switching Center
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OPEX
Operational Expenditure
PAPR
Peak to Average Power Ratio
PSK
Phase Shift Keying
QoS
Quality of Service
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RMS
Root Mean Square
RRM
Radio Resource Management
SC-FDMA
Single Carrier Frequency Division Multiple Access
SAE
System Architecture Evolution
SIMO
Single Input Multiple Output
SGW
Serving Gateway
SNR
Signal to Noise Ratio
TDD
Time Division Duplex
x
TDMA
Time Division Multiple Access
UE
User Equipment
UMTS
Universal Mobile Telecommunication Service
WCDMA
Wideband Code Division Multiple Access
Wi-Fi
Wireless Fidelity
WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access
xi
DAFTAR LAMBANG
waktu modulasi simbol per subpembawa jumlah subpembawa jarak antar subpembawa m
simbol dari OFDM subpembawa yang termodulasi ke-k barisan data digital panjang tundaan maksimum nilai cyclic prefix panjang isyarat simbol OFDM panjang isyarat total simbol OFDM bit energy to noise density
M
simbol QPSK daya rata-rata daya maksimal periode sampling isyarat hasil pementaan PSK pita dasar
N
jumlah subpembawa
g(X)
nilai bati penguat daya pengatur kehalusan transisi dari daerah linear ke daerah batas saturasi nilai masukan penguat daya nilai ambang fase pemotongan jumlah blok dalam metode selective mapping faktor rotasi fase dalam Peak Value Optimization
xii
