Tekno Efisiensi
Jurnal Ilmiah KORPRI Kopertis Wilayah IV,
Vol 1, No. 1, Mei 2016
ORTOGONALITAS DAN SIMULASI PERFORMA SISTEM OFDM Oleh: Rahmad Hidayat ABSTRAK - Untuk menjaga efesiensi spektrum yang tinggi, pada sistem OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), dibutuhkan ortogonalitas kanal-kanal sub carrier yang ada. Terjadinya kondisi tidak resiprokal antar kanal multicarrier menyebabkan hilangnya ortogonalitas yang ditandai munculnya spektrum yang bocor atau akibat adanya delay pada kanal tertentu OFDM.yang dapat menyebabkan ICI (Inter Carrier Interference). Bergesernya simbol dari posisi yang diharapkan pada titik konstelasi akibat bertambahnya pengaruh noise atau menurunnya S/N (Signal to Noise) menyebabkan turunnya performa penerimaan sistem yang ditandai munculnya sejumlah error di sisi penerima. Simulasi dengan Matlab terhadap sistem OFDM IEEE 802.16-2004 pada penelitian ini, menunjukkan hal tersebut. Pada simulasi dilakukan tiga jenis perubahan nilai AWGN (Additive White Gaussian Noise) yang masing-masing menghasilkan BER (bit error rate) berbeda dengan spektrum AWGN normal (psd) ada di kisaran -77 dBW/Hz. ABSTRACT - To maintain the high spectrum efficiency , in the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) system , takes existing sub-carrier channels orthogonalities. The condition that is not reciprocal between multicarrier channels cause loss of orthogonality which marked the emergence of spectrum leak or due to delays in certain OFDM channels that may cause ICI (Inter Carrier Interfrence). A symbols shifting of the expected position at the constellation point as a result of the increasing of noise influence or decrease the S/N (Signal to Noise) cause a decline in reception system performance which marked the emergence of a number of errors on the receiver. The simulation with Matlab to the IEEE 802.16-2004 OFDM system in this study , demonstrate this. In the simulations carried out three types of changes in the AWGN (Additive White Gaussian Noise) value which respectively produce different BER (bit error rate) from normal AWGN spectrum (psd) in range of -77 dBW/Hz .
PENDAHULUAN OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) sebagai salah satu teknik multicarrier, dipakai secara luas di banyak aplikasi telekomunikasi karena memiliki efisensi pemakaian spektrum frekuensi yang baik. POKOK PERMASALAHAN Disamping banyaknya keunggulan teknologi OFDM sehingga banyak dipakai dalam teknologi wireless boadband, OFDM juga memeiliki beberapa kelemahan yang sekaligus menjadi tantangan untuk terus diatasi guna memperoleh performa yang semakin baik. Beberapa isu penting tersebut diantaranya meliputi masalah frekuensi offset, distorsi nonlinier, dan sinkronisasi sinyal. (Hidayat, R., 2013). Disamping itu juga masalah ortogonalitas dan pengaruh noise di sisi penerimaan , menjadi perhatian utama agar diperoleh performa yang baik pada teknologi OFDM ini. TUJUAN PENELITIAN Penelitian ini penulis maksudkan untuk melakukan kajian ortogonalitas dan mencari hubungannya terhadap performa error rate OFDM dengan bantuan simulasi tool Matlab.
30
TINJAUAN PUSTAKA OFDM berupa teknik transmisi dengan menerapkan Frequency Division Multiplexing yang menggunakan beberapa buah frekuensi (multicarrier) yang saling tegak lurus (orthogonal). Masing-masing sub-carrier tersebut dimodulasikan dengan teknik modulasi konvensional pada rasio simbol yang rendah.
Gambar-1. Blok Fungsional OFDM Pada gambar blok diagram fungsional di atas, terlihat pad sisi kirim, sinyal pertama-tama dikodekan untuk menambah redundansi bagi proses error recovery dan disisipkan untuk mengacak efek error kanal. Bit-bit yang ada kemudian dipetakan menjadi simbol-simbol pada tiap subcarrier dengan menggunakan skim modulasi klasik seperti QPSK atau QAM. Sinyal OFDM multi sub-carrier kemudian dibangun menggunakan pemrosesan sinyal digital (Digital Signal Processing, DSP) dengan teknik IFFT (invers fast fourier transform) dan dilakukan penyisipan interval guard untuk memelihara ortogonalitas (non interferensi) simbol-simbol pada lingkungan multipath. Pada sisi terima , interval guard tersebut dibuang dan digunakan FFT (fast fourier transform) untuk membangkitkan kembali (demodulasi) sinyal multi subcarrier. Kemudian proses deteksi simbol akan memutuskan apakah simbol telah diterima dan menerjemahkannya menjadi bit-bit, kemudian dilakukan pengeluaran (deinterleaved) sinyal asal dan pendekodean menjadi sinyal asli sesuai yang dikirim. Fast Fourier Transform Fast Fourier Transform (FFT) adalah algoritma transformasi fourier yang dikembangkan dari algoritma Discrete Fourier Transform (DFT) untuk meningkatkan laju komputasi dari perhitungan transformasi fourier yaitu dengan mereduksi proses looping pada kalkulasi DFT tersebut sehingga hasilnya FFT tersebut mengurangi pemakaian memori.
31
Ortogonalitas Dengan mempertimbangkan sinyal kompleks eksponensial berbatas waktu pada sinyal OFDM yaitu : �
{
}
�−
............... (2.1)
=
yang merepresentasikan kanal-kanal sub carrier pada fk = k / Tsym dengan 0 t Tsym . Sinyal-sinyal ini akan menjadi ortogonal jika hasil integral dari perkalian periode fundamental masing-masing menghasilkan nilai nol.
∫ Tsym =
=
�
�
∫
�
�
−
�
/�
�
− /� ∫ , integer k = i , untuk yg lain
�
= {
�
−
/�
�
� .... (2.2)
Dengan mengambil sampel diskrit pada t = nTs = nTsym / N , dengan n =0,1,2,..,N-1 maka persamaan (2.2) dapat ditulis dalam domain waktu diskrit sebagai : �
∑�− =
= {
� . /�
−
� . /�
atau .......... (2.3) , integer k = i , untuk yg lain
�
∑�− =
�−� �
Bit Error Rate (BER) Bit Error Rate (BER) adalah perbandingan jumlah bit salah yang diterima receiver terhadap jumlah bit yang dikirim. Dalam realisasinya BER sangat dipengaruhi oleh noise karena noise dapat menyebabkan adanya kesalahan proses deteksi. Terdapat satu parameter utama dalam komunikasi berupa Signal to Noise Ratio (S/N) yang memiliki hubungan dengan BER sebagai berikut : BER = - erf dengan erf (x) = PENDEKATAN
,
√
√�⁄�)
∫
− 2
......... (2.4)
du.
Pada bagian ini penulis melakukan pendekatan berupa simulasi ortogonalitas dari beberapa sinyal masukan pada sistem OFDM secara umum yang kemudian dilanjut dengan simulasi performa BER pada standar IEEE 802.16-2004 OFDM dengan tool Matlab. 32
HASIL SIMULASI Adapun hasil yang diperoleh sebagai berikut :
Gambar-2a. Ortogonalitas sub-carrier
Gambar-2b. Nilai matriks ortogonalitas 33
Gambar-3a. Blok simulasi OFDM (normal)
Gambar-3b. Blok simulasi OFDM (error)
34
Tabel-1. Hasil pengamatan Setting AWGN
S/N (dB) Pembacaan
Error (bit)
BER
20
17,2
5
3,2
30
21,8
≪ , 7�
≪
Gambar-4a. Spektrum antena-1 OFDM (simulasi error), rerata -66 dBW/Hz
Gambar-4c. Spektrum kanal AWGN (simulasi error) rerata -80 dBW/Hz
−8 − −8
Total Bit yang diproses
Dura-si (mnt)
0
7,18x
3
15
1,28x
4
0
7,97x
2
Gambar-4b.Konstelasi Rx (simulasi error)
Gambar-5a. Spektrum antena-1 OFDM (normal), rerata -66 dBW/Hz 35
Gambar-5b. Konstelasi Rx (normal)
Gambar-5c. Spektrum kanal AWGN (normal) rerata -77dBW/Hz
PEMBAHASAN Pada simulasi ortogonalitas enam kanal sub-carrier terlihat ditampilkan seperti Gambar 2a. Pada gambar ini kanal ke-1,2,3 dan 4 menunjukkan ortogonalitas-nya satu terhadap lain. Tetapi tidak demikian dengan kanal ke-5 dan 6. Hal ini dapat terlihat dari matriks yang dihasilkan pada Gambar 2b dengan nol hanya pada baris dan kolom ke-1,2,3 dan 4. Sedangkan kanal ke-5 dan 6 tidak berharga nol yang ditunjukkan dengan adanya kebocoran spektrum pada Gambar 2a diantaranya akibat adanya penambahan delay pada kanal ke-6. Pada simulasi performa BER pada standar IEEE 802.16-.2004 OFDM terlihat beberapa nilai yang ada pada Tabel-1. Pada keadaan default , setting blok AWGN dengan harga S/N sebesar 20 dB dihasilkan pembacaan BER meter dengan nilai BER sempurna ≪ − (atau nyaris nol) yang ditandai dengan tidak adanya error bit. Hal ini dipertegas oleh tampilan konstelasi 16QAM yang bersih. Terbaca rata-rata spektrum kanal AWGN tersebut berkisar -77 dBW/Hz. Nilai terakhir ini turun drastis ke level rata-rata -80 dBW/Hz ketika harga setting S/N di blok AWGN diturunkan ke 5 dB yang ditandai dengan tidak bersihnya tampilan konstelasi serta munculnya 15 error di BER meter. Dan error kembali hilang ketika S/N dinaikkan ke atas harga default. KESIMPULAN & SARAN Ortogonalitas antar sejumlah kanal sub-carrier pada OFDM akan mempengaruhi kualitas informasi yang ditransmisikan. Adanya sub-carrier yang tidak ortogonal dapat menjadi pengganggu karena menyebabkan penyebaran energi ke sub-carrier lainnya. Inter Symbol Interference (ISI) sebagai salah satu gejala akibat adanya delay simbol yang diterima, dapat terlihat dengan mensimulasikan tampilan konstelasi simbol yang mengalami pergeseran dari posisi yang diharapkan dengan munculnya sejumlah error di sisi penerimaan. Disarankan pada penelitian berikutnya dilakukan kajian mendalam terkait masalah sinkronisasi, frekuensi offset dan distorsi non-linier pada sistem OFDM ini. 36
DAFTAR PUSTAKA Cho,Y.S., Kim,J., Yang,W.Y., Kang,C.G., 2010, MIMO - OFDM Wireless Communication with Matlab, Singapore : John Wiley & Sons. Duplessis,P., Nortel Technical Journal, Issue 2. Hara,S., Prasad,R., 2003, Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications. Boston : Artech House. Hidayat, R., 2013, Fitur Utama OFDM dan OFDMA bagi Jaringan Komunikasi Broadband, Jurnal Isu Teknologi STTM Volume 5 No.2 Juli . Ingle,V.K., Proakis,J.G.,2007, Digital Signal Processing using Matlab, Canada : Thompson. Ilyasa,T, OFDM pada Komunikasi Digital Pita Lebar, Jakarta : Teknik Elektro,Universitas Indonesia. Mach,P., Bešták,R., Implementation of OFDM into Broadband Wireless Networks. Prague : Czech Technical University. Prasad,R., 2004, OFDM for Wireless Communication System, Boston : Artech House Inc. Puspito,S.W.J, Mengenal Teknologi Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) pada Komunikasi Wireless, Jurnal Elektro Indonesia, Nomor 24, Tahun V. Thomas,S.W., 2008, Teknologi WiMAX untuk Komunikasi Digital Nirkabel Bidang Lebar. Yogyakarta : Graha Ilmu. Rahmad Hidayat, S.T., M.T. adalah dosen PNS dpk Jurusan Teknik Elektro STT Mandala Bandung.
37
