Pemodelan Kanal Mobile WiMAX dengan Menggunakan Model Kanal SUI
LAPORAN TUGAS AKHIR
Oleh: Henry Waskita 13203156 Kelompok Keilmuan Teknik Telekomunikasi
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
Pemodelan Kanal Mobile WiMAX dengan Menggunakan Model Kanal SUI Oleh : Henry Waskita 13203156 / Teknik Telekomunikasi
Laporan Tugas Akhir Telah diterima dan disahkan sebagai Kolokium untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar SARJANA TEKNIK ELEKTRO pada Program Studi Teknik Telekomunikasi Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung Bandung, Oktober 2007 Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Ir. M. Ridwan Effendi M.Sc.
Dr. Andriyan Bayu Suksmono
NIP : 131875304
NIP : 132149373
i
ABSTRAK Standar IEEE 802.16e atau dikenal dengan Mobile WiMAX adalah adalah bentuk pengembangan dari standar WiMAX sebelumnya untuk mendukung mobilitas pengguna. Mobile WiMAX memenuhi kapabilitas untuk aplikasi portable dan mobile yang merupakan optimalisasi kinerja dari standar sebelumnya sehingga dapat mengatasi dinamika kanal mobile. Untuk mengatasi dinamika kanal mobile wireless yang rumit diperlukan suatu model kanal yang akurat sehingga jaringan mobile WiMAX dapat terencana dengan baik. Pada Tugas Akhir ini penulis mempelajari algoritma pemodelan kanal sistem Mobile WiMAX dengan menggunakan salah satu model kanal empirik, yaitu model kanal SUI (Stanford Uniersity Interim). Model kanal SUI dianggap akurat untuk menggambarkan kanal mobile wireless karena memperhitungkan karakteristik dispersif kanal dan mencakup semua tipe terrain. Karakteristik kanal tersebut kemungkinan besar akan kita temui pada penerapan komunikasi mobile wireless. Pengaruh parameter-pameter model SUI seperti delay spread dan Doppler spread diinvestigasi menggunakan simulasi komputer dengan bantuan software Matlab R2007a. Penulis menemukan bahwa kinerja kanal yang baik tidak dapat dicapai tanpa menggunakan proses ekualisasi pada domain frekuensi. Oleh karena itu, penulis menggunakan teknik ekualisasi adaptif linier dengan menggunakan sinyal training untuk memperbaiki kinerja kanal. Dengan menggunakan teknik ekualisasi tersebut, kinerja kanal meningkat secara signifikan. Kinerja kanal tersebut juga tidak mengalami perubahan berarti pada pengguna dengan kecepatan rendah. Pada kecepatan tinggi, kinerja kanal menurun drastis. Penurunan kinerja pada kecepatan tinggi dapat diperbaiki dengan proses ekualisasi pada domain waktu. Kata Kunci: Mobile WiMAX, SUI, kanal, ekualisasi, delay spread, Doppler spread.
ii
ABSTRACT The IEEE 802.16e standard, known as Mobile WiMAX, is an improvement of previous WiMAX standard to support user mobility. Mobile WiMAX conform the capability of portable and mobile application which optimize the previous standard performance to resolve dynamic mobile wireless channel. To resolve dynamic mobile wireless channel, an accurate channel model is required, so that the mobile wireless network could be well planned. In this Final Project, the writer learns about channel modeling algorithm for mobile WiMAX system using one of empiric channel models, SUI (Stanford University Interim) channel model. This model is believed to be accurate to describe mobile wireless channel because it calculate the dispersive characteristic of channel and cover all terrain types. That channel characteristic will possibly be found at mobile wireless communication. The effects of system parameters, such as Doppler spread and delay spread, are investigated using computer simulations by help of Matlab R2007a. Simulation results show that good channel performance cannot be reached without using frequency domain equalization. Therefore, writer uses adaptive linear equalizer using training signal to improve the channel performance. With that type of frequency domain equalization, channel performance significantly improved, especially to channel with large delay spread. The channel performance is not decrease significantly in low speed mobility user. In high speed mobility user, the channel performance is decrease drastically. Channel performance in high speed mobility can be improved by time domain equalization. Key Words: Mobile WiMAX, SUI, channel, equalization, delay spread, Doppler spread.
iii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan pada Tuhan Yang Maha Kuasa karena dengan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini. Tugas akhir ini merupakan prasyarat untuk memperoleh gelar Sarjana pada Program Studi Teknik Elektro, Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB. Proses pelaksanaan dan pembuatan laporan Tugas Akhir ini dapat selesai dengan baik atas dukungan, bantuan serta sumbang saran dari berbagai pihak. Untuk itu dengan segala hormat penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr. Ir. M. Ridwan Effendi M.Sc. selaku dosen pembimbing I, yang telah mengijinkan penulis lulus dan meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan, saran, dan masukan selama penyusunan laporan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Dr. Adriyan Bayu Sukmono selaku dosen pembimbing II, yang telah meluangkan waktu dan memberikan masukkan selama penyusunan laporan Tugas Akhir ini. 3. Bapak Joko Suryana ST. MT. selaku dosen pembimbing TA1, yang telah meluangkan waktunya untuk membimbing penulis. 4. Bapak Ir. Hardi Nusantara MT., Bapak Hamonangan Situmorang ST. MT., dan Bapak Iskandar ST. MT. selaku dosen penguji yang telah memberikan kritik dan saran yang membangun dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini. 5. Bapak Dr. Ir. Ngapuli Irmea Sinisuka, selaku dosen wali penulis yang telah memberikan kesan tak terlupakan selama lebih dari empat tahun di ITB. 6. Seluruh staf pengajar, staf TU Program Studi Teknik Elektro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB, staf TU LTRGM, dan staf Perpustakaan Teknik Elektro atas semua bimbingan, arahan, dan bantuan selama penulis menyelesaikan kuliah.
iv
7. Papa Mama tercinta, Alm. Eddy Winata dan Heddy Yanti atas segala jerih payah dan doa yang tak henti-henti dipanjatkan sehingga penulis dapat mencapai jenjang pendidikan yang dicapai penulis sekarang (Pa, Henry dah lulus nih...). 8. Kakak penulis, Kansy Widiarty dan Handy Wihartady atas segala dukungan, doa, biaya yang tidak sedikit sehingga penulis dapat menyelesaikan kuliah. Semoga penulis dapat mengikuti jejak kesuksesan kalian dan dapat membalas semua kebaikan yang telah kalian berikan. Adik penulis, Barly Witana atas segala dukungan yang diberikan (Semoga sukses ly...). 9. Saudara-saudara penulis yang terkasih, Emak, Om, Tante, dan sepupusepupu, terutama Wati atas dukungan dan perhatiannya. 10. Ibu kos dan Emak Icih yang telah memberikan perhatiannya selama penulis kuliah di ITB. Para penghuni kos lain dan teman-teman kos penulis yang senantiasa datang dan pergi. 11. Teman-teman seperjuangan penulis, Yudy, Tata, Farid, Angga, Deny, Reza, Mata, Galih, Oji, Roy, Amry, Bustani, Aryo dan yang lainnya (Kita lulus oy...). Teman-teman yang telah lulus mendahului penulis, Fauzy, Dery, Dita, Jaya, Erik, Faisal, Dito, Ditto, Aryo, Herlia, Titah, Even, Timothy, Mikael, Ulli, Petra, Siska, Febri dan yang lainnya (Wait for me...). Teman-teman yang akan lulus, Dimas, Drata, Bhimo, Prawira, Saska, Hadid, Mirza, Rian, Syukri, Prana, Yano, Halim, Mesi, Sammy, Lutfhi, Arbow, Otes, Danu, Bowo, Aji, Fuad, Rizal, A’an dan yang lainnya (Cepet lulus ya...). Dan teman-teman EL 03 lainnya (We are big family...). 12. Teman-teman EL 02, terutama kukun yang telah memberikan banyak bantuan dan saran. Teman-teman EL 04 yang turut meramaikan masamasa kuliah penulis. Keluarga besar HME.
v
13. Teman-teman penulis yang turut senantiasa memberikan bantuan dan dukungan, Yoga, Vero, Retta, Rikhky, Ramanda, Irmanda, Kak Marisi (Terima kasih telah menyediakan layanan internet di kos...), dan temanteman yang lain. Penulis sangat menyadari akan segala kekurangan yang ada, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari pembaca demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Besar harapan penulis agar Tugas Akhir ini dapat berguna dan menambah wawasan bagi yang memerlukan.
Bandung, Oktober 2007
Penulis
vi
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN .......................................................................... . i ABSTRAKSI ................................................................................................ . ii ABSTRACT .................................................................................................. . iii KATA PENGANTAR .................................................................................. . iv DAFTAR ISI …………………………………...…………………………... vii DAFTAR TABEL ……………………………...………………………..…. ix DAFTAR GAMBAR .................................................................................... . x BAB I. PENDAHULUAN ……………………...……………………….… . 1 1.2.
Latar Belakang Masalah ……………………...………….......... . 1
1.3.
Rumusan Masalah ……………………...…...………………..... . 2
1.4.
Tujuan Penelitian …………………………...……………......... . 3
1.5.
Batasan Masalah …………………………...………………….. . 3
1.6.
Metodologi Penelitian ……………..…...………………..…….. . 3
1.7.
Sistematika Penulisan …………………...…………………..… . 4
BAB II. MOBILE WiMAX ………………………………………………… . 5 2.1.
Pengertian WiMAX …………………...…………..……...…… . 5
2.2.
Perkembangan Standar WiMAX ……………...…..…………... . 6
2.3.
Teknologi Mobile WiMAX ……………...…...……..………….. . 8 2.3.1. Gambaran Lapisan Fisik Mobile WiMAX ……...……........ . 10 2.3.1.1.Teknologi OFDM ........................................................... . 10 2.3.1.2.OFDMA ……………....................................………….. . 12 2.3.1.3.Struktur Simbol OFDMA dan Subkanalisasi .................. . 12 2.3.1.4.Scalable OFDMA ............................................................ . 14 2.3.1.5.Struktur Frame TDD ........................................................ 15 2.3.1.6.Fitur Lapisan Fisik Lainnya ............................................ . 16 2.3.2. Manajemen Mobilitas ........................................................... . 17 2.3.2.1.Manajemen Daya ............................................................ . 18 2.3.2.2.Handoff ........................................................................... . 18
vii
2.3.3. Keamanan ............................................................................. . 19 2.3.4. Teknologi Smart Antenna ..................................................... . 19 2.3.5. Pengulangan Frekuensi Fraksional ....................................... . 20 2.4.
Alokasi Frekuensi Mobile WiMAX ............................................ 20
BAB III. MODEL KANAL WIRELESS ……………...…………………… . 22 3.1.
Karakteristik Kanal Wireless ……...…………………………... . 23 3.1.1. Large-scale Fading ............................................................... . 23 3.1.2. Small-scale Fading ............................................................... . 23 3.1.2.1.Delay Spread ................................................................... . 25 3.1.2.2.Doppler Spread ............................................................... . 27 3.1.2.3.Model Fading .................................................................. . 30
3.2.
Model Kanal Propagasi …………………………....................... . 31 3.2.1. Stanford University Interim Model ………………………... . 32 3.2.2. Perbandingan Model Path Loss SUI dengan Model Lain .... . 34
3.2.3. Karakteristik Kanal Multipath SUI ....................................... . 36 BAB IV PEMODELAN SIMULASI …………………………………...… . 38 4.1.
Diagram Blok Simulasi …………………………………...…… . 38
4.2.
Parameter Kanal SUI ………………...............……...………… . 41
4.3.
Parameter OFDM ........................................................................ . 43
BAB V HASIL SIMULASI DAN ANALISIS……………………………… 45 5.1.
Perbandingan Kinerja untuk Setiap Model Kanal SUI ............... . 45
5.2.
Perbandingan Kinerja Model Kanal SUI dengan Berbagai Tingkat Kecepatan ......…............................................................ . 50
BAB VI PENUTUP ..............................…………………………………… . 56 6.1.
Kesimpulan ………………………………….………………… . 56
6.2.
Saran …………………………………...……………………… . 56
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………… . xii LAMPIRAN.................................................................................................... A-1
viii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Karakteristik Standar IEEE 802.16 ............................................. . 7 Tabel 2.2. Tipe Akses Jaringan WiMAX ..................................................... . 7 Tabel 2.3. Profil Sistem release-1 untuk Mobile WiMAX .......................... . 10 Tabel 2.4. Parameter Scalable OFDMA ....................................................... . 15 Tabel 2.5. Kode dan Modulasi pada Mobile WiMAX ................................... . 17 Tabel 2.6. Data Rate Mobile WiMAX pada Sub-kanal PUSC ...................... . 17 Tabel 3.1. Parameter Terrain ....................................................................... . 33 Tabel 3.2. Statistik Kesalahan untuk Daerah Rural .................................... . 35 Tabel 3.3. Statistik Kesalahan untuk Daerah Suburban .............................. . 35 Tabel 3.4. Statistik Kesalahan untuk Daerah Urban ................................... . 36 Tabel 3.5. Parameter model SUI .................................................................. . 37 Tabel 4.1. Parameter Kanal SUI-1 ............................................................... . 42 Tabel 4.2. Parameter Kanal SUI-2 ............................................................... . 42 Tabel 4.3. Parameter Kanal SUI-3 ............................................................... . 42 Tabel 4.5. Parameter Kanal SUI-4 ............................................................... . 43 Tabel 4.4. Parameter Kanal SUI-5 ............................................................... . 43 Tabel 4.6. Parameter Kanal SUI-6 ............................................................... . 43 Tabel 4.6. Parameter-parameter OFDM yang Digunakan pada Simulasi .... . 44
ix
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1. Perubahan Standar WiMAX ke Arah Mobile ......................... . 2 Gambar 2.1. Standar-standar yang ada dengan spesifikasi yang mendukung komunikasi sampai tingkat MAN disatukan dengan standar WiMAX ................................................................................ . 5 Gambar 2.2. Perbandingan Sinyal Single-Carrier dengan Sinyal OFDM .. . 11 Gambar 2.3. Perbandingan Sinyal Single-Carrier dan OFDM di Penerima . 11 Gambar 2.4. Penyisipan Cyclic Prefix ........................................................ . 12 Gambar 2.5. Struktur Sub-carrier OFDM ................................................... . 13 Gambar 2.6. Perbedaan OFDM dan OFDMA .............................................. 14 Gambar 2.7. UL OFDM dan OFDMA ........................................................ . 14 Gambar 2.8. Struktur Frame WiMAX OFDMA .......................................... 16 Gambar 2.9. Pengulangan Frekuensi Fraksional ......................................... . 20 Gambar 3.1. Arsitektur Sistem Komunikasi Pada Umumnya ..................... . 22 Gambar 3.2. Large-scale dan Small-scale Fading ...................................... . 23 Gambar 3.3. Delay Profile .......................................................................... . 25 Gambar 3.4. Channel Coherence Bandwidth .............................................. . 26 Gambar 3.5. Rounded Doppler Spektrum ................................................... . 28 Gambar 3.6. Classic Jakes Doppler Spectrum ............................................ . 29 Gambar 3.7. PDF Rayleigh ......................................................................... . 31 Gambar 3.8. Perbandingan Model Kanal untuk Daerah Rural ................... . 34 Gambar 3.9. Perbandingan Model Kanal untuk Daerah Suburban ............. . 35 Gambar 3.10. Perbandingan Model Kanal untuk Daerah Urban ................ . 36 Gambar 4.1. Diagram Blok Simulasi Utama ............................................... . 38 Gambar 4.2. Blok Fungsi Konversi Serial ke Pararel ................................. . 39 Gambar 5.1. Kurva BER terhadap SNR untuk Setiap Model Kanal SUI .. . 45 Gambar 5.2. Kurva BER terhadap SNR untuk Setiap Model Kanal SUI dengan Proses Ekualisasi .................................................................. . 47 Gambar 5.3. Respon Impuls Model Kanal SUI-1 ....................................... . 48
x
Gambar 5.4. Respon Impuls Model Kanal SUI-2 ....................................... . 48 Gambar 5.5. Respon Impuls Model Kanal SUI-3 ....................................... . 48 Gambar 5.6. Respon Impuls Model Kanal SUI-4 ....................................... . 49 Gambar 5.7. Respon Impuls Model Kanal SUI-5 ....................................... . 49 Gambar 5.8. Respon Impuls Model Kanal SUI-6 ....................................... . 49 Gambar 5.9. Kurva BER terhadap SNR Model Kanal SUI-1 dengan Berbagai Kecepatan Pengguna ......................................................... . 50 Gambar 5.10. Kurva BER terhadap SNR Model Kanal SUI-2 dengan Berbagai Kecepatan Pengguna ......................................................... . 51 Gambar 5.11. Kurva BER terhadap SNR Model Kanal SUI-3 dengan Berbagai Kecepatan Pengguna ......................................................... . 51 Gambar 5.12. Kurva BER terhadap SNR Model Kanal SUI-4 dengan Berbagai Kecepatan Pengguna ......................................................... . 52 Gambar 5.13. Kurva BER terhadap SNR Model Kanal SUI-5 dengan Berbagai Kecepatan Pengguna ......................................................... . 52 Gambar 5.14. Kurva BER terhadap SNR Model Kanal SUI-6 dengan Berbagai Kecepatan Pengguna ......................................................... . 53 Gambar 5.15. Kurva BER terhadap SNR Model Kanal SUI-6 berkecepatan rendah dengan Ekualiser pada Domain Waktu ........... . 54 Gambar 5.16. Kurva BER terhadap SNR Model Kanal SUI-6 berkecepatan tinggi dengan Ekualiser pada Domain Waktu ............ . 54
xi
