KOMBINASI ADAPTIVE MODULATION DAN CODING DENGAN CROSS LAYER UNTUK JARINGAN WIRELESS

Transkripsi

1 KOMBINASI ADAPTIVE MODULATION DAN CODING DENGAN CROSS LAYER UNTUK JARINGAN WIRELESS Budi Praetya School of Electrical Engineering Telkom Univerity Bandung, Indoneia Adit Kurniawan Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Intitut Teknologi Bandung Bandung, Indoneia Abtrak Pertumbuhan komunikai wirele mendorong meningkatnya pemenuhan kebutuhan diii pengguna dalam hal layanan data kecepatan tinggi ecara real time, memperbaiki kualita inyal dan peningkatan data rate dengan tetap menjaga efiieni pektrum, delay yang rendah, penghematan energi bahkan ebia mungkin dengan komplekita item yang rendah. Permaalahan komunikai data kecepatan tinggi adalah frequency elective fading yang muncul ketika dihadapkan dengan kanal propagai multipath, hal ini diatai dengan OFDM (Orthogonal Frequency Diviion Multiplexing). Untuk mengatai maalah kanal yang berfluktuatif, dibutuhkan uatu cara agar item mampu menyeuaikan terhadap kondii kanal. Pada makalah ini menerapkan teknik cro-layer dengan mengkombinaikan AMC (adaptive modulation and coding) pada layer fiik dan ARQ (automatic repeat requet) yang terpotong pada layer data link. Dari hail imulai awal dapat dilihat bahwa item adaptive memberikan performani yang lebih baik dibandingkan item non adaptive dalam efiieni bandwidth maupun efiieni daya. Kata kunci cro-layer, AMC, ARQ, OFDM 1. PENDAHULUAN Problem utama dari item mobile wirele communication adalah pada kanal propagai akibat multipath fading dan pergerakan uer/benda di ekitar yang bia menurunkan kualita komunikai. Pada [1] telah dilakukan penelitian untuk mengatai maalah dalam kanal komunikai wirele yaitu adanya fenomena multipath fading tetapi maih belum menganalii time varying channel. Pada [1], inyal yang diterima merupakan penjumlahan dari inyal langung dan ejumlah inyal terpantul dari berbagai objek yang bia mengakibatkan frequency elective fading. Salah atu teknik untuk mengatai efek multipath fading pada pengiriman data kecapatan tinggi adalah denganmenggunakan teknik modulai multicarrier OFDM (Orthogonal Frequency Diviion Multiplexing). Dengan adanya OFDM, inyal yang mengalami frequency elective fading akan teraa flat fading di penerima dan dengan ifat orthogonalita antara ubcarrier-ubcarrier maka penggunaan bandwith akan lebih efiien. Akibat pergerakan uer/benda di ekitarnya mengakibatkan time varying channel, kinerja link nirkabel emakin ruak yang bia membatai throughput item ecara keeluruhan jika dibandingkan dengan alternatif komunikai wireline. Untuk meningkatkan throughput dalam item komunikai data nirkabel terkini dan maa depan, modulai dan pengkodean adaptif atau Adaptive Modulation and Coding (AMC) telah dipelajari ecara mendalam dan diuul diterapkan pada lapian fiik, dalam rangka untuk menyeuaikan kecepatan tranmii dengan perubahan kondii kanal, eperti telah diteliti pada [2], [3], [5] - [8] dan refereni di dalamnya. Namun, untuk mencapai keandalan yang tinggi pada lapian fiik, kita haru mengurangi kecepatan tranmii baik dengan menggunakan modulai tingkat rendah, atau, powerfull tetapi dengan pengkodean error-control yang low-rate. Alternatif lain untuk mengurangi efek kanal fading adalah dengan menggunakan automatic repeat requet ARQ protokol pada lapian data link, yang meminta tranmii ulang bagi paket-paket yang diterima dan mengalami kealahan. Karena retranmii diaktifkan hanya bila diperlukan, maka ARQ cukup efektif dalam meningkatkan throughput item ecara relatif terhadap item yang hanya menggunakan forward error coding (FEC) pada lapian fiik [9]. Untuk meminimalkan delay dan ukuran buffer, dalam prakteknya protokol ARQ yang terpotong telah banyak diadopi dengan membatai jumlah makimum retranmii. Penelitian [9] ini hanya dibatai pada pemilihan jeni modulai dan coding yang tetap pada layer fiik tetapi telah dipertimbangkan dalam item dengan protokol ARQ yang terpotong. Dengan mempertimbangkan AMC pada lapian fiik dan ARQyang terpotong pada lapian data link ecara terpiah, pada penelitian [4] telah diuulkan deain cro layer yang menggabungkan dua lapian berbeda untuk memakimalkan efiieni pektral, atau throughput, termauk delay yang telah ditentukan di bawah tandar dan kinerja error juga menjadi bataan. Dengan diterapkan ARQ eekali dapat mengoreki kealahan paket di lapian data link, peryaratan error kontrol yang emula ketat diringankan untuk AMC pada lapian fiik. Namun penelitian [4] yang udah dilakukan baru diterapkan pada tandard IEEE a atau HIPERLAN erta maih menggunakan aumi pada pengirim tidak mengetahui kondii kanal atau CSI (Channel State Information). Pada makalah ini mencoba menguulkan cro layer yang menggabungkan AMC pada layer fiik dengan Truncated ARQ yang diterapkan pada jaringan wirele 3G erta jaringan mendatang. Teknologi kunci jaringan maa depan adalah OFDM dan MIMO yang menerapkan CSI pada ii pengirim. 11

2 Suunan dari makalah ini terdiri dari bagian ebagai berikut: pemodelan item cro layer ecara umum dijelakan pada ection II, pembahaan tentang Adaptif Modulation & Coding dipaparkan diection III, Pemodelan item pada Adaptif Modulation & Coding dipaparkan di ection IV, hail imulai pada layer fiik dipaparkan pada ection V, edangkan keimpulan diampaikan pada ection VI. 2. PEMODELAN SISTEM CROSS- LAYER Pada makalah ini akan diuulkan deain cro layer yang menggabungkan modulai adaptif dan pengkodean pada lapian fiik dengan protokol automatic repeat requet ARQ yang terpotong pada lapian data link. Model ecara umum dari item adalah ebagai berikut: Gambar 1. Struktur Cro layer mengkombinaikan AMC dan ARQ [4] 3. ADAPTIF MODULATION& CODING 3.1. Adaptif Modulation and Coding Modulai adaptif merupakan alah atu cara untuk meningkatkan tradeoff antara efiieni bandwidth dan kualita dari layanan yang akan diberikan. Penggunaan modulai adaptif akan memberikan keuntungan pada kondii lingkungan yang elalu berubah-ubah epanjang waktu. Kanal yang digunakan pada komunikai wirele akan elalu berubah ehingga akan mempengaruhi kinerja ebuah item terutama apabila kita menggunakan modulai yang fixed. Hal ini akan berbeda jika kita menggunakan kema modulai yang adaptif euai dengan keadaan kanal pada aat itu.pilihan jeni modulai yang digunakan pada modulai adaptif penelitian ini adalah BPSK, QPSK dan 16QAM. Prinip dari modulai adaptif itu endiri adalah pengubahan kema modulai yang euai dengan kondii kanal aat itu, biaanya parameter yang digunakan adalah nilai SNR-nya. Mialnya jika kondii kanal edang buruk atau nilai SNR yang rendah, maka kema modulai yang rendah akan digunakan pula, mialnya BPSK dan channel coding dengan code rate 1/3. Sejalan dengan perubahan kondii kanal, apabila kondii kanal bagu, maka kema modulai yang lebih tinggi (16 QAM) akan digunakan, ehingga akan memberikan kapaita yang lebih pada item, dan demikian elanjutnya. Menurut penelitian [2] dan [3] diebutkan bahwa perubahan parameter tranmii merupakan repon tranmitter terhadap kondii kanal yang time-varying. Untuk mengefiienkan reaki terhadap perubahan pada kualita kanal, maka langkah-langkah yang dapat ditempuh adalah: 1. Etimai kualita kanal Etimai ini diperlukan untuk memilih parameter tranmii yang diperlukan untuk proe tranmii berikutnya ecara tepat. 2. Memilih parameter yang tepat untuk tranmii elanjutnya. Berdaarkan prediki dari kondii kanal untuk timelot berikutnya, tranmitter haru memilih mode modulai yang euai untuk digunakan. 3. Signaling atau blind detection parameter yang dipakai. Penerima haru diberi informai parameter demodulator mana yang haru dipakai untuk paket yang diterimanya. Informai ini bia dibawa langung dalam imbol OFDM endiri atau penerima dapat mengetimai parameter yang dipakai oleh tranmitter dengan mekanime blind detection. Tujuan utama penerapan adaptive modulation and coding adalah meningkatkan performani item dalam hal efiieni bandwidth, reduki SNR dan BER. Adaptif Coding pada Penelitian ini menggunakan Turbo code dan Convolutional code. Apabila kanal tranmii angat buruk maka algoritma akan memilih Turbo code, apabila kanal tidak terlalu buruk maka algoritma akan memilih Convolutional code. 1) Modulai BPSK, QPSK dan 16QAM BPSK atau Binary Phae Shift Keying merupakan jeni modulai digital dimana inyal informai akan mempengaruhi faa dari inyal pembawa tanpa merubah amplitudo ataupun frekueninya. Pada BPSK terdapat dua imbol inyal yang maing-maing imbolnya direpreentaikan 1 bit dan maing-maing imbol terebut berbeda faa ebear 180 derajat. Gambar 2. Diagram Kontelai BPSK Jika inyal pembawa inuoidal mempunyai amplitudo A c dan energi per bit E b ebear ½ A c 2 T b, maka inyal BPSK yang ditranmiikan dapat dinyatakan ebagai: S 2Eb t) co(2f ct ), 0 t Tb Tb BPSK ( c QPSK (Quadrature Phae Shift Keying) merupakan modulai PSK dengan perbedaan faa untuk maing-maing imbol ebear 90 derajat. QPSK mempunyai bandwidth dua kali lebih efiien daripada BPSK karena untuk maingmaing imbol direpreentaikan dengan 2 bit. Peramaan matemati untuk menyatakan inyal QPSK adalah: S QPSK ( t) 2E T co 2f ct ( i 1) 2 (1) 12

3 0 t T, i 1, 2,3, 4 (2) dimana T merupakan durai imbol yang bernilai dua kali periode bit, dan E adalah Energi Simbol. Diagram kontelai QPSK dapat ditunjukkan pada gambar dibawah ini: ( ) v 1 ( ) v 2 Gambar 3. Diagram Kontelai QPSK Modulai M-ary QAM merupakan modulai PSK dengan amplitudo inyal carrier yang berubah-ubah, ehingga pada diagram kontelainya tidak berupa lingkaran eperti pada M-PSK. Bentuk umum dari inyal M-QAM endiri dapat didefiniikan ebagai berikut: 2Emin 2Emin Si( t) ai co(2 fct) bi in(2 fct) T T Dimana E min merupakan energi dari inyal dengan amplitudo terkecil, a i dan b i adalah paangan nilai integer yang ditentukan menurut lokai dari maing-maing titik inyal. Modulai 16-QAM tidak memiliki energi per imbol yang kontan atau tidak memiliki jarak yang kontan antar imbol. Diagram kontelai untuk 16QAM dapat digambarkan ebagai berikut: (3) Gambar 5. Struktur daar encoder konvoluional dengan pola (2,1,3) Struktur turbo encoder terlihat pada gambar 6.Turbo encoder terdiri dari dua RSC encoder (Recurive Sitematic Convolutional Encoder) yang identik terhubung ecara paralel dengan ebuah interleaver (inner interleaver) menuju RSC encoder kedua. Dua RSC encoder terebut dinamakan encoder kontituen dari turbo encoder.input kedua encoder terebut ebenarnya adalah data yang ama, tetapi data yang mauk ke encoder kedua urutannya diacak terlebih dahulu dengan menggunakan interleaver (inner interleaver). Puncture berfungi untuk menghapu bit-bit tertentu dari encoder ehingga diperoleh jumlah bit output ebear R, jika panjang bit input adalah 1 maka encoder akan memiliki code rate = 1/R dengan tail bit ditambahkan pada ujung frame yang akan ditranmiikan. Karena keluaran puncture berupa data paralel maka haru diubah terlebih dahulu menjadi data erial ebelum menuju blok berikutnya Q U A D R A T U R E Gambar 4. Diagram Kontelai 16QAM 2) Convolutional dan Turbo Coding IN -P H A S E Kode konvoluional dibangkitkan dengan melewatkan deretan informai melalui finite-tate hift regiter yang linier. Struktur daar kode konvoluional (n, k, m) dengan pola (2,1,3) ditunjukkan pada gambar 5 dibawah ini. Dimana digunakan m = 3, menunjukkan jumlah hift regiter atau memory pada tiap tingkat, k = 1, yaitu jumlah maukan, dan n = 2, yaitu jumlah keluaran. Gambar 6.Turbo encoder parallel concatenated 3.2. Sitem Komunikai OFDM Konep daar OFDM adalah membagi data erial kecepatan tinggi menjadi data paralel kecepatan rendah yang ditranmiikan dengan beberapa ubcarrier. Maing-maing ubcarrier dibuat aling orthogonal yang memungkinkan pectral overlap untuk efiieni bandwidth. Keuntungan lain item OFDM adalah kemampuan mereduki efek kanal multipath, karena kanal dengan ifat frequencyelective fading terhadap inyal OFDM akan diraa berifat flat fading pada maing-maing ub-carrier. 3) OFDM menggunakan Invere DFT Penggunaan dicrete fourier tranform (DFT) pada item OFDM akan mengurangi tingkat komplekita item pengirim dan penerima. DFT digunakan untuk menghailkan ubcarrier yang orthogonal, untuk memperingkat waktu komputai dapat diimplementaikan algoritma Fat Fourier Tranform (FFT). 13

4 Normalized Amplitude Normalized Frequency(FT) Gambar 7. Spektrum tiga ub-carrier Untuk membangkitkan baeband imbol OFDM, urutan data erial pertama dimodulai menggunakan kema modulai eperti Phae Shift Keying (PSK) atau Quadrature Amplitude Modulation (QAM). Simbol data ini kemudian dikonveri menjadi urutan data paralel dengan menggunakan erial to paralel ebelum modulai multicarrier. Tiap Subcarrier diampling dengan ampling rate N/T, dimana N adalah jumlah ubcarrier dan T adalah durai imbol OFDM. Pemiahan frekueni antar ubcarrier yang berdekatan adalah 2π/N. Simbol OFDM merupakan penjumlahan dari tiap ubcarrier yang dinyatakan dengan peramaan berikut: [8] x Dimana: m N 1 1 N n 0 X n 2mn exp j, N 0 m N 1 (4) N = jumlah point IDFT (ubcarrier total) yang digunakan X n = imbol data yang ditranmiikan pada ubcarrier ke-n (kawaan frekueni) x m = imbol OFDM output proe IDFT Tujuan dari proe ini adalah untuk membuat orthogonalita antar ubcarrier, ehingga pektrumnya dapat dibuat aling overlapping. IDFT dapat diimplementaikan dengan menggunakan Invere Fat Fourier Traform (IFFT). 4) Guard Time dan Cyclic Prefix Untuk mengurangi efek ISI, guard time ditambahkan pada awal tiap imbol OFDM ebelum ditranmiikan dan dibuang kembali dipenerimaebelum dilakukan operai DFT. Jika guard time dipilih ehingga durainya lebih panjang daripada delay pread, ISI akan dapat dieliminai. Guard time yang dipilih adalah beberapa data imbol terakhir dari atu imbol OFDM agar orthogonalita ubcarrier OFDM tetap terjamin. Panjang guard time yang dibutuhkan tergantung dari kondii delay pread kanal, tetapi panjang guard time haru melebihi delay pread. Guard time yang tadi dipilih, dicopy-kan menjadi prefix atu imbol OFDM, dan hal ini diebut cyclic prefix. 4. MODEL AND SIMULATION ADAPTIF MODULATION AND CODING 4.1. Model Sitem Gambar 8 dibawah adalah model layer fiik item yang telah menerapkan AMC di dalamnya. Kanal maih dimodelkan untuk indoor dengan model Saleh Valenzuela dan ada tambahan noie AWGN (Additive White Gauian Noie) Gambar 8.Penerapan AMC pada layer fiik [2] 14

5 4.2. Channel Model Kanal tranmii yang digunakan pada makalah ini terdiri dari kanal multipath fading indoor dengan model Saleh- Valenzuela dan ditambah dengan kanal noie terditribui Gauian (AWGN). Pada model kanal ini inyal multipath akan terbagi-bagi dalam bentuk kelompok cluter di mana dalam etiap cluter mengandung ejumlah ray. Cluter dimakud dalam pemodelan ini adalah ejumlah inyal yang keluar dari antena Tx, edangkan ray adalah inyal inyal yang memantul dan berpencar dari etiap cluter akibat mengenai furnitur (partii) di dalam ruangan. Aumi kondii partii memiliki bentuk kontan di etiap ii, ilutrai cluter dan ray diperlihatkan oleh gambar Parameter Simulai Tahap Awal Parameter yang digunakan pada imulai makalah ini mengadopi parameter item tandard IEEE a atau UWB: Jumlah ubcarrier =128ubcarrier - Subcarrier untuk data = 100 ubcarrier - Subcarrier untuk pilot = 12 ubcarrier - Subcarrier untuk zeropadding dan Guard Interval GI =16 ubcarrier (10 GI dan 6 ZP) - Periode imbol OFDM = n - Mapping = BPSK, QPSK dan 16-QAM - Code rate =1/3 turbo, 3/4 konvolui Parameter Kanal Saleh-Valenzuela Tabel I. Data Parameter Kanal Saleh-Valenzuela Parameter Kanal CM1 CM2 CM3 CM4 Cluter Arrival Rate (1/n) Ray Arrival Rate (1/n) Cluter Decay Factor Gambar 9. Model cluter & ray Ray Decay Factor BW coherent (MHz) Skenario channel model (CM) yang dilakukan pada penelitian ini adalah untuk kondii Line of Sight (LOS) dan Non Line of Sight (NLOS) dengan peifikai ebagai berikut: a) CM1 kondii LOS dengan jarak Tx-Rx (0-4)meter b) CM2 kondii NLOS dengan jarak Tx-Rx (0-4)meter c) CM3 kondii NLOS dengan jarak Tx-Rx (4-10)meter d) CM4 kondii NLOS dengan jarak Tx-Rx >10meter Pemodelan inyal kanal Saleh-Valenzuela dapat dilihat pada gambar 10 di bawah: 5. HASIL SIMULASI AMC Analii Perbandingan Performani Sitem Adaptive dan Non adaptive Perbandingan Sitem OFDM UWB Adaptif dan Non Adaptif Adaptif Non Adaptif BPSK Non Adaptif QPSK Non Adaptif 16QAM BER SNR (db) Gambar 11. Grafik perbandingan BER penerapan non adaptive dan adaptive pada layer fiik, diimulaikan menggunakan parameter item UWB dengan 500 iterai. Gambar 10. Model kanal Saleh-Valenzuela 15

6 BER Perbandingan Sitem OFDM UWB Adaptif dan NonAdaptif Adaptif Non Adaptif BPSK Non Adaptif QPSK Non Adaptif 16QAM SNR (db) Gambar 12.Grafik perbandingan BER penerapan non adaptive dan adaptive pada layer fiik, diimulaikan menggunakan parameter item UWB dengan 1000 iterai. Gambar 11 dan 12 menunjukkan perbandingan BER untuk penerapan non adaptive dan adaptive pada layer fiik, diimulaikan menggunakan parameter item UWB dengan 500 dan Nilai 500 dan 1000 adalah menyatakan banyaknya pergantian/fluktuai kondii channel model yang random, pada imulai diatur etiap atu kali iterai kondii channel model berubah ke kondii berikutnya dimana n 1 adalah indek perubahan kondii etiap atu kali iterai untuk CM1, n 2 untuk CM2, n 3 untuk CM3 dan n 4 untuk CM4. Total iterai mialkan diambil n 1 adalah 100 kali, maka untuk CM1 akan kembali dengan format (n 1 +4) demikian eterunya untuk CM2, CM3 dan CM4. Berikut diuraikan hail diperoleh untuk etiap iterai berbeda: 1. Untuk 500 kali iterai perfomani adaptive ama baiknya dengan kondii modulai BPSK non adaptive, di ini terlihat mulai adanya proe perbaikan oleh item adaptive. 2. Untuk 1000 kali iterai terlihat perbaikan item adaptive terhadap non adaptive, untuk target BER = 10-4 nilai SNR adaptive paling rendah ekitar 5.5dB. Analii dapat dijelakan ebagai berikut: 1. Pengguanaan turbo code dengan modulai QPSK menjadi lebih baik, ini terjadi karena code rate 1/3 (rendah) menghailkan peluang error untuk BPSK dan QPSK hail imulai menjadi hampir ama. BPSK dengan convolutional code (3/4) dan QPSK dengan turbo code 1/3, maka turbo code memberikan coding gain lebih bear pada QPSK. 2. Sifat kanal yang makin random (mendekati random murni) menunjukkan hail performani item adaptive emakin baik. 6. KESIMPULAN Keimpulan yang dapat ditarik dari makalah ini yaitu diuulkan cro layer dengan menggabungkan AMC pada layer fiik dengan truncated ARQ pada layer data link. Hail imulai menunjukkan bahwa ecara keeluruhan performani item menggunakan teknik adaptive lebih baik dari item non adaptive. Teknik adaptive modulation and coding pada imulai awal ini diterapkan pada item dengan tandard IEEE a atau UWB dengan menambahkan OFDM. 7. DAFTAR PUSTAKA [1] Praetya, B., Tjondronegoro, S.,Kinerja Sitem MIMO-OFDM dengan Beamformingpada Kanal Rayleigh,Jurnal "Telekomunikai" STT Telkom Deember [2] Praetya, B., Mardyanto S.D.,Morganda G. A., Kinerja Adaptive Modulation and Coding Pada Sitem UWB OFDM, Proceeding of The 1t Makaar International Conference on Electrical Engineering and Informatic (MICEI)2008. [3] Keller, T., Hanzo,L., Adaptive multicarrier modulation: a convenient framework for time-frequency proceing in wirele communication, Proceeding of the IEEE (Volume: 88, Iue: 5 ) Date of Publication: May [4] Liu, Q., Zhou, S., Giannaki, G. B., Cro-Layer Combining of Adaptive Modulation and Coding With Truncated ARQ Over Wirele Link, IEEE Tranaction on Wirele Communication, Vol.3, No.5, September [5] Goldmith,A. J., Chua, S.G., Adaptive Coded Modulation for Fading Channel, IEEE Tranaction On Communication, Vol. 46, No. 5, May [6] Viwanathan, H., Li, X., Krihnamoorthy, R., Adaptive Coded Modulation over Slow Frequency-Selective Fading Channel, IEEE Vehicular Technology Conference, May, 1999 [7] M.-S. Alouini and A. J. Goldmith, Adaptive modulation over Nakagami fading channel, Kluwer J. Wirele Commun., vol. 13, no. 1 2,pp , May [8] D. L. Goeckel, Adaptive coding for time-varying channel uing outdated fading etimate, IEEE Tran. Commun., vol. 47, pp ,June [9] E. Malkamaki and H. Leib, Performance of truncated type-ii hybrid ARQ cheme with noiy feedback over block fading channel, IEEE Tran. Commun., vol. 48, pp , Sept [10] Barr, J.R.., IEEE TG3a and SG3a. IEEE Tak Group Motorola, [11] Valenti, M., Turbo Code and Iterative Proceing. Mobile and Portable Radio Reearch Group Bradley Department of Electrical and Computer Engineering. Virginia Tech. Blackburg, Virginia, [12] Weman, M.O., Deign and Performance of Carrier-baed Direct-Sequence Ultra-Wideband Sitem. Department of Signal and Sitem. Sweden: Chalmer Univerity of Technology, [13] 3GPP TS , Phyical layer - general decription, [14] Phyical layer apect of UTRA high peed downlink packet acce (releae 4), 3GPP TR V4.0.0, [15] Error reilience in real-time packet multimedia payload, 3GPPTSG-S4 Codec Working Group, [16] T. Ue, S. Sampei, N. Morinaga, and K. Hamaguchi, Symbol rate and modulation level-controlled adaptive modulation/tdma/tdd item for high-bit-rate wirele data tranmiion, IEEE Tran. Veh. Tech., vol. 47, pp , Nov