ANALISIS KINERJA KOMUNIKASI KOOPERATIF PENGGUNA PADA SISTEM KOMUNIKASI NIRKABEL

Transkripsi

1 KITEKTRO: Jurnal Online Teknik Elektro 18 e-issn: Vol.1 No : ANALISIS KINERJA KOMUNIKASI KOOPERATIF PENGGUNA PADA SISTEM KOMUNIKASI NIRKABEL Mayliana 1) dan Nasaruddin 2) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala Jl. Tgk. Syech Abdurrauf No. 7, Darussalam, Banda Aceh, Indonesia mellymayliana@yahoo.co.id, nasaruddin@elektro.unsyiah.ac.id ABSTRAK Perkembangan sistem komunikasi nirkabel akan mengacu pada sistem komunikasi kooperatif pengguna dimana sumber dapat melakukan pengiriman data ke tujuan melalui perantara yang disebut relay. Hal ini dilakukan untuk mengurangi pengaruh fading pada kanal wireless yang merupakan masalah utama pada sistem komunikasi nirkabel khususnya pada komunikasi bergerak. Penelitian sebelumya telah memberi solusi untuk mengatasi masalah ini yaitu dengan menggunakan teknik Multi Input Multi Output (MIMO). Namun demikian, teknik MIMO memiliki keterbatasan dalam implementasi antena array karena membutuhkan biaya yang cukup besar disamping terbatasnya ruang dalam implementasi antena array tersebut. Sehingga sistem komunikasi kooperatif pengguna merupakan salah satu solusi yang tepat untuk mengatasi masalah tersebut. Penggunaan teknik spatial diversity pada sistem komunikasi kooperatif pengguna menawarkan kerjasama antar pengguna untuk menghasilkan antena jamak virtual yang dapat meningkatkan kapasitas kanal dan memberi pengaruh terhadap parameterparameter kinerja dari sistem komunikasi kooperatif pengguna. Untuk itu, penelitian ini akan menganalisis kinerja berdasarkan parameter - parameter komunikasi kooperatif pengguna pada sistem komunikasi nirkabel. Adapun beberapa parameter kinerja tersebut adalah troughput, delay, Bit Error Rate (BER) dan kapasitas kanal/trafik. Kemudian, simulasi komputer dibuat dengan menggunakan program Matlab untuk menganalisis parameter kinerja. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pertambahan nilai kapasitas kanal dan throughput meningkat seiring dengan pertambahan nilai Signal to Noise Ratio (SNR) dan jumlah relay sehingga berdampak pada penurunan nilai Bit Error Rate (BER). Di sisi lain pertambahan jumlah relay juga ikut mempengaruhi waktu delay pada proses pentransmisian informasi dimana semakin banyak jumlah relay yang digunakan maka delay yang terjadi juga akan semakin besar. Kata Kunci: Komunikasi kooperatif pengguna, Sistem komunikasi nirkabel, relay, Spatial diversity. PERFORMANCE ANALYSIS OF USER COOPERATIVE COMMUNICATION IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM ABSTRACT The development of wireless communication systems will be refer to user cooperative communication system in which source can transmit data from a source to a destination through a relay. This is to reduce the influence of fading on wireless channels which is a major problem in wireless communication systems, especially in mobile communications. Previous research has provided a solution to overcome this problem, it s called Multi Input Multi Output (MIMO) technique. However, the technique has limitations in the implementation of MIMO antenna arrays because it requires a considerable cost and limited space in implementation of the antenna array. So that, the user cooperative communication system is one of the appropriate solution to solve the issue. The use of spatial diversity techniques in cooperative communication system offering cooperation among users to generate a virtual multiple antennas and to increase the capacity of the canal that affect the performance of a cooperative communication system users. This research will analyze performance based on parameters of a multi user cooperative communications in wireless communication systems. The performance parameters are throughput, delay, Bit Error Rate (BER) and channel capacity/traffic. Then, computer simulation is conducted to analyze the parameters. Simulation results show that the value of channel capacity and throughput increases as increasing the value of Signal to Noise Ratio (SNR) and the relay, so that it s impact on the decreasing value of Bit Error Rate (BER). On the other side, the number of relay also affects the time of delay in information transmission process in which an increasing number of relays can cause the increasing of delay time. Keywords: User cooperative communication, Wireless communication systems, relays, Spatial diversity. 1) Mahasiswa tugas akhir, 2) Dosen pembimbing utama. Karya ilmiah ini telah di-review oleh komite pembahas dan disetujui untuk dipublikasikan pada tanggal 1 Agustus 2012.

2 I. PENDAHULUAN Perkembangan teknologi komunikasi yang sangat pesat telah mendorong penggunaan media nirkabel dalam member layanan komunikasi kepada pengguna. Media nirkabel merupakan media komunikasi yang biasa digunakan pada sistem komunikasi wireless karena menggunakan gelombang radio (microwave) sebagai jalur/media transmisinya. Gelombang radio yang ditransmisikan akan dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti kondisi alam, jarak antara antena pemancar dan penerima, pemilihan bandwidh serta efek fading yang menyebabkan pelemahan spektrun sinyal sehingga kondisi kanal menurun. Untuk mengurangi efek fading tersebut dapat digunakan teknik spatial diversity (Sendonaris, 2003). Komunikasi kooperatif pengguna merupakan suatu sistem komunikasi yang mengacu pada kerjasama antar pengguna dalam mentransmisikan informasi. Dalam hal ini, selain dapat berfungsi sebagai source, suatu user juga dapat berfungsi sebagai relay. Teknik spatial diversity pada sistem komunikasi kooperatif sangat berguna untuk diaplikasikan pada suatu sistem komunikasi nirkabel karena menggunakan satu atau lebih relay yang berfungsi sebagai antena jamak virtual (virtual multiple antennas) dalam mentransmisikan datanya agar sampai ke tujuan. Penelitian ini akan menganalisis kinerja sistem dengan mempertimbangkan beberapa parameter yaitu delay, Bit Error Rate (BER), througput dan kapasitas kanal/trafik. Kemudian, simulasi komputer dibuat dengan menggunakan pemrogram Matlab untuk menganalisis kinerja dari beberapa parameter tersebut pada sistem komunikasi kooperatif pengguna. Hasil simulasi menunjukkan bahwa beberapa parameter tersebut mempunyai pengaruh terhadap kinerja sistem. II. DASAR TEORI 2.1 Sistem Komunikasi Nirkabel Pada sistem komunikasi nirkabel, ada 2 (dua) jenis transmisi sinyal dalam perambatan gelombangnya yaitu Line of Sight (LoS) dan Non Line of Sight (NLoS) (Tse, 2005). Line of Sight (LoS) merupakan perambatan gelombang radio dari antena pemancar ke antena penerima tanpa adanya halangan (obstacle) karena proses perambatan sinyalnya terjadi secara langsung (direct path) dan satu lintasan ( single path). Sedangkan Non Line of Sight (NLoS) adalah perambatan gelombang radio merambat dari antenna pemancar ke antena penerima melaui banyak jalur (multipath). Hal ini dikarenakan sinyal radio tersebut melewati free space (atmosfir) ataupun penghalang lain seperti pohon, gedung, dan gunung sehingga mengalami refleksi, refraksi dan scattering saat terjadinya proses propagasi sehingga dapat menyebabkan fading. 2.2 Fading Fading merupakan gangguan pada sinyal yang menyebabkan penurunan daya sinyal yang diterima sehingga kondisi sinyal tidak dapat dikenali lagi (error). Dalam hal ini, rayleigh fading dimodelkan bila sinyal yamg diterima tidak ada unsur sinyal langsung dari pemancar ke penerima atau dengan kata lain sinyal yang dikirimkan bersifat Non Line of Sight (NLoS). Disamping itu, jenis fading lain adalah rician fading yang dapat dimodelkan bila sinyal yamg diterima merupakan sinyal langsung dari pemancar atau dengan kata lain sinyal yang dikirimkan bersifat Line of Sight (LoS) (Rappaport, 2002). 2.3 Additive White Gaussian Noise (AWGN) AWGN merupakan thermal noise yang disebabkan oleh pergerakan elektron di dalam konduktor yang ada pada sistem telekomunikasi seperti pada perangkat penerima yang bersifat menambahkan pada sinyal. Thermal noise atau yang biasa disebut AWGN merupakan noise pada kanal yang dapat merusak sinyal karena dapat menyebabkan sinyal yang diterima tidak lagi sama dengan sinyal yang dikirimkan (sklar, 2000). 2.4 Pengkodean Kanal Salah satu tujuan dari pengkodean kanal pada suatu data adalah mengirimkan data secara utuh dari sumber ke tujuan. Namun demikian, suatu data dapat mengalami perubahan dan menjadi suatu kesalahan selama proses pengiriman data baik berupa sinyal digital maupun dalam bentuk sinyal analog. Kesalahan (error) pada suatu data dapat disebabkan oleh adanya gangguan pada kanal seperti noise, interferensi, crosstalk dan fading. Salah satu metode yang digunakan untuk melakukan deteksi dan koreksi kesalahan dalam transmisi adalah dengan menggunakan Cyclic Redundancy Check (CRC) (Hoffman, 1991) Convolutional Code Convolutional code didefinisikan sebagai sistem kode yang memiliki informasi bit masukan yang akan dikodekan menjadi beberapa bit terkode dengan syarat bit masukan harus lebih kecil daripada bit keluaran. Rasio antara bit masukan dengan bit keluaran memiliki persamaan sebagai berikut (Essa, 2010). RR = kk nn (1) dimana, R merupakan Laju kode konvolusi (coding rate) Vol.1 No kitektro

3 k adalah jumlah bit masukan convolutional code n adalah jumlah bit keluaran convolutional code r2 Pada convolutional code terdapat constraint length (L) dapat diartikan sebagai panjang kode dari convolutional code yang berkaitan dengan jumlah shift register atau jumlah elemen memori. S r1 D Algoritma Viterbi Algoritma Viterbi decoding merupakan metode decoding pada sisi penerima dan binary convolutional code merupakan metode encoding pada sisi pengirim. Prinsip kerja dari algoritma viterbi adalah mengkodekan kembali bit bit data yang telah dikodekan oleh convolutional code dengan menggunakan prinsip maximum likelihood detector yakni mencari kemungkinan bit bit yang paling mirip antara bit yang diterima pada sisi decoder dengan bit yang dikirimkan melalui proses encoder sesuai dengan proses convolutional code pada tiap tiap percabangan trellis sehingga dapat dilakukan proses pengambilan keputusan (Hard Decision Decoding) terhadap data atau informasi yang diterima (Purser,1995). 2.5 Jaringan Relay Konsep dari jaringan relay adalah suatu user yang berperan sebagai source mengirimkan informasi (voice) ke destination melalui user lain yang berfungsi sebagai relay (Chakrabarti, 2006). Komunikasi kanal dua hop merupakan jaringan relay sederhana yang terdiri terdiri dari soure (S), relay (R) dan destination (D). Dalam hal ini, informasi dikirimkan oleh source (S) menuju relay (R) untuk kemudian diteruskan ke destination (D) seperti pada Gambar 1. Gambar 2. Jaringan Kooperatif 2.6 Komunikasi Kooperatif Pengguna Komunikasi kooperatif pengguna mengacu pada kerjasama antar user (pengguna) dalam mentrasmisikan informasi ke tujuan dimana dalam proses pentransmisian tersebut user juga dapat berfungsi sebagai relay. Sistem pengolahan informasi pada relay dapat menggunakan protokol untuk metode pensinyalannya seperti estimate and forward, amplify and forward, decode and forward (Chakrabarti, 2006). Pada penelitian ini protokol yang digunakan adalah decode and forward. II. METODE PENELITIAN Proses penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahap seperti diagram alir pada Gambar 3. S D R Gambar 1. Two Hop Relay Channel. b. Jaringan Kooperatif Jaringan kooperatif merupakan suatu jaringan yang berpusat pada pengguna yang mampu menyediakan operasional jaringan yang lebih fleksibel dan terskala. Pada komunikasi kooperatif, kerjasama antar beberapa user yang dapat juga berfungsi sebagai relay, dan juga dapat disusun menjadi suatu jaringan kooperatif seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2 ( Laneman, 2006 ). Gambar 3. Diagram alir tahap penelitian komunikasi kooperatif pengguna Vol.1 No kitektro

4 Berdasarkan diagram alir di atas, metode penelitian dimulai dengan mempelajari konsep dan teori terkait dengan komunikasi kooperatif pengguna dari jurnal dan referensi lainnya. Kemudian dilanjutkan dengan mengidentifikasi parameter kinerja komunikasi kooperatif pengguna. Selanjutnya membuat pemodelan dan simulasi komputer dan numerik dengan menggunakan pemrograman Matlab. Pada tahapan proses simulasi dilakukan, perencanaan awal yang mencakup langkah - langkah yang dilaksanakan mulai dari perancangan program. Setelah hasil simulasi diperoleh, analisis parameter kinerja dari komunikasi kooperatif pengguna dilakukan pada penelitian ini. Tabel 1. Parameter Simulasi Komunikasi Kooperatif Pengguna Parameter Keterangan Jumlah Bit bit Modulasi Jumlah Source 1 Jumlah Relay 2 Jumlah Destination 1 Range SNR 0 db 30 db VI. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pemodelan Jaringan Kooperatif Pengguna Model jaringan kooperatif yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari 1 (satu) source, 2 (dua) relay dan 1 (satu) destination. Bentuk kooperatif antar source, relay dan destination dapat diilustrasikan sebagai suatu model jaringan kooperatif pengguna seperti pada Gambar 4. Input Data Re - Encoding Encoding Modulasi Decoding Fading + AWGN Decision Relay 1 Relay 2 r2 Modulasi S D Demodulasi Combining Decision Decoding Output Data r1 Gambar 4. Model Jaringan Kooperatif Pengguna. Gambar 5. Model Simulasi Sistem Komunikasi Kooperatif Pengguna Teknik modulasi yang digunakan pada simulasi komputer untuk model jaringan ini adalah Binary Phase Shift Keying (), dimana pada sisi destination, sinyal yang diterima digabungkan dengan menggunakan metode Maximum Ratio Receiver Combining (MRRC). 4.2 Model Simulasi Sistem Komunikasi Kooperatif Pengguna Dari model sistem komunikasi kooperatif pengguna, maka model simulasi komputer dan numerik dari sistem komunikasi kooperatif pengguna pada penelitian ini seperti pada Gambar 5. Adapun parameter yang dipertimbangkan untuk menganalisa kinerja komunikasi kooperatif pengguna pada sistem komunikasi nirkabel adalah Bit Error Rate (BER), delay, throughput, dan kapasitas kanal. Kesemua parameter tersebut perlu dipertimbangkan untuk melihat kualitas atau kinerja dari suatu sistem komunikasi kooperatif pengguna. Adapun parameter simulasi komunikasi kooperatif pengguna yang digunakan untuk simulasi dapat dilihat pada Table Hasil Simulasi A. Kapasitas kanal 0 SNR (db) Gambar 6. Perbandingan Kinerja Kapasitas kanal Dengan Relay dan Tanpa Relay Vol.1 No kitektro Kapasitas Kanal (bit/sec/hz) Tanpa relay 1 Relay 2 Relay

5 Gambar 6 menunjukkan perbandingan kinerja kapasitas kanal baik dengan menggunakan relay maupun yang tanpa relay. Untuk nilai SNR 10 db, kapasitas kanal untuk grafik tanpa relay bernilai 0,8 bit/sec/hz dan untuk 1 (satu) relay kapasitas kanalnya bernilai 1,7 bit/sec/hz. Sedangkan untuk yang 2 (dua) relay, kapasitas kanalnya bernilai 2,1 bit/sec/hz. Pada nilai SNR 20 db, kapasitas kanal untuk grafik tanpa relay bernilai 2,25 bit/sec/hz dan untuk 1 (satu) relay kapasitas kanal nya bernilai 3,25 bit/sec/hz sedangkan untuk yang 2 (dua) relay, kapasitas kanalnya bernilai 3,75 bit/sec/hz. Untuk nilai SNR 30 db, kapasitas kanal untuk grafik tanpa relay bernilai 3,9 bit/sec/hz dan untuk 1 (satu) relay kapasitas kanalnya bernilai 5 bit/sec/hz sedangkan untuk yang 2 (dua) relay, kapasitas kanalnya bernilai 5,4 bit/sec/hz. Dari hasil ini menunjukkan bahwa kapasitas kanal meningkat seiring dengan bertambahnya nilai SNR dan jumlah relay. B. Bit Error Rate (BER) Hasil simulasi terkait dengan BER dapat diamati perbedaan kinerja BER antara komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dengan komunikasi kooperatif pengguna yang menggunakan rate ½ Convolutional Encoder untuk L = 3 seperti pada Gambar 7. Pada target BER 10-3, besarnya nilai SNR untuk komunikasi non kooperatif (tanpa relay) sekitar 24 db sedangkan pada komunikasi kooperatif dengan satu relay sekitar 14 db. BER relay 2 relay Tanpa Relay antara SNR komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dengan komunikasi kooperatif yang menggunakan 2 (dua) relay dan selisih 2 db antara komunikasi kooperatif 1 (satu) relay dengan komunikasi kooperatif 2 (dua) relay. BER relay 2 relay Tanpa Relay 10-5 SNR (db) Gambar 8. Perbandingan Kinerja BER Untuk komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dan komunikasi kooperatif menggunakan rate 1/3 Convolutional Encoder dengan L = 3. Gambar 8 yang menunjukkan kinerja BER antara komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dengan komunikasi kooperatif pengguna yang menggunakan rate 1/3 Convolutional Encoder untuk L = 3. Pada target BER 10-3, besarnya SNR untuk komunikasi non kooperatif sekitar 24 db sedangkan pada komunikasi kooperatif dengan 1 (satu) relay sekitar 11 db. Ini berarti terdapat selisih 13 db antara SNR komunikasi kooperatif (tanpa relay) dengan SNR sistem komunikasi kooperatif 1 (satu) relay. Untuk komunikasi kooperatif dengan 2 (dua) relay, nilai SNRnya sekitar 10 db yang berarti terdapat selisih 14 db antara SNR komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dengan sistem komunikasi kooperatif 2 (dua) relay dan selisih 2 db antara komunikasi kooperatif 1 (satu) relay dengan komunikasi kooperatif 2 (dua) relay SNR (db) Gambar 7. Perbandingan Kinerja BER Untuk komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dan komunikasi kooperatif menggunakan rate 1/2 Convolutional Encoder dengan L = 3. Hasil ini memperlihatkan terdapat selisih 10 db antara SNR komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dengan SNR sistem komunikasi kooperatif dengan 1 (satu) relay. Untuk komunikasi kooperatif dengan 2 (dua) relay, nilai SNRnya sekitar 12 db yang berarti terdapat selisih 12 db C. Delay Gambar 9 menunjukkan hubungan antara delay dengan jumlah relay. Dalam hal ini jumlah relay divariasikan antara 1 (satu) sampai 10 (sepuluh) relay, dimana pertambahan jumlah relay juga ikut mempengaruhi delay yang terjadi dalam suatu pengiriman paket informasi. Dari gambar tersebut juga dapat disimpulkan bahwa semakin bertambahnya jumlah relay maka waktu delay dalam suatu komunikasi kooperatif juga akan bertambah. Hasil simulasi ini hanya membandingkan antara relay dengan delay yang terjadi pada suatu sistem komunikasi kooperatif pengguna tanpa memperhitungkan jarak baik dari source ke relay maupun dari relay ke destination karena simulasi ini lebih menekankan pada Vol.1 No kitektro

6 pengaruh pertambahan relay terhadap waktu delay. Delay (ms) Jumlah relay Gambar 9. Hubungan Antara Delay Dengan Relay. D. Throughput Hubungan antara throughput dan nilai SNR terhadap pertambahan relay dapat dilihat pada Gambar 10. telah dilakukan untuk mengevaluasi beberapa parameter yang mempengaruhi kinerja dari sistem kooperatif pengguna. Pada sistem komunikasi kooperatif pengguna, nilai kapasitas kanal meningkat seiring dengan pertambahan nilai SNR dan jumlah relay. Sistem komunikasi kooperatif pengguna yang menggunakan ½ convolutional code memiliki kinerja yang lebih baik karena menghasilkan nilai BER yang lebih rendah daripada sistem yang menggunakan convolutional code. Kemudian, pertambahan jumlah relay ikut mempengaruhi waktu delay yang terjadi pada suatu sistem komunikasi kooperatif dalam mentransmisikan informasi. Semakin banyak jumlah relay yang digunakan maka akan semakin besar pula waktu delay nya. Terakhir, nilai throughput dari sistem komunikasi kooperatif pengguna meningkat seiring dengan pertambahan nilai SNR dan jumlah relay. DAFTAR PUSTAKA Throughput (bit/s) Relay 2 Relay Andrew, Sendonaris. Erkip, Elza. Aazhang, Behnaam (2003). User Cooperation Diversity Part 1(System Description) IEEE Transsaction On Communication Vol 51 No 11. Chakrabarti, Arnab. Sabharwal, Ashutosh. Aazhang, Behnaam (2006). Cooperative Communication. Rice University SNR(dB) Gambar 10. Hubungan antara Throughput dengan SNR. Pada nilai SNR=15 db, nilai throughput yang diperoleh untuk sistem komunikasi kooperatif dengan 1 (satu) relay sekitar 2 bit/s dan pada sistem komunikasi kooperatif 2 (dua) relay sekitar 3 bit/s. Hasil ini menunjukkan bahwa terdapat selisih 1 bit/s antara kedua sistem. Sedangkan untuk nilai SNR=30 db, nilai throughput untuk sistem komunikasi kooperatif 1 (satu) relay sekitar 2.5 bit/s dan pada sistem komunikasi kooperatif 2 (dua) relay sekitar 3.5 bit/s. Hasil ini menunjukkan bahwa terdapat selisih 1 bit/s antara kedua sistem. V. KESIMPULAN Essa A., Suad. Khalil F, Eman. Jasim Sh,Najat (2010). The Effect Of Constraint Length And Interleaver On The Performance Of Turbo Code. Eng and Tech Journal Vol 28 No 4. Electromechanical Engineeering Department University of Baghdad. Hoffman,DG. Leonard DA. Lindner CC (1991). Coding Theory. Marcel Dekker, INC, New York. Laneman, J.N (2006). Cooperative Diversity Model, Algorithms and Architecture. Department of Electrical Engineering University Of Notre Dame. Purser, Michael (1995). Introduction to Error Correcting Codes. Artech House,Inc. Boston. London. Rappaport, Theodore S (2002). Wireless Communications Principles and Practice Second edition. Prentice Hall, Inc, Upper Sadley River. New Jersey. Penelitian ini telah melakukan analisis terhadap kinerja sistem kooperatif pengguna pada sistem komunikasi nirkabel. Simulasi komputer dan numerik Sklar, Bernard (2000). Digital Communications Fundamental and Application. 2nd Edition. Prentice Vol.1 No kitektro

7 Hall. Upper Sadley River, New Jersey. London. Tse, David. Viswaneth, Pramod (2005). Fundamental of Wireless Communication. University of California, Berkeley and University of Illionis,Urbana-Champaign. Cambridge University Press. Mayliana ( ) dilahirkan pada tanggal 22 Mei 1989 dan merupakan anak kedua dari dua bersaudara. Penulis lulus dari SDN 2 Banda Aceh pada tahun 2001 dan melanjutkan ke SMPN 1 Banda Aceh pada tahun yang sama. Pada tahun 2004, penulis lulus dari SMPN 1 Banda Aceh kemudian melanjutkan pendidikan di SMAN 1 Banda Aceh. Pada tahun 2007 penulis lulus dari tingkat SMA dan melanjutkan studinya di Universitas Syiah Kuala dengan mengambil jurusan Teknik Elektro. Pada bulan Agustus 2012 penulis melaksanakan seminar dan sidang tugas akhir sebagai salah satu syarat untuk menperoleh gelar sarjana Teknik Elektro bidang studi telekomunikasi. Vol.1 No kitektro