ANALISIS PENGARUH PENGGUNAAN POWER LOADING TERHADAP PAPR PADA SISTEM OFDM

Transkripsi

1 ANALISIS PENGARUH PENGGUNAAN POWER LOADING TERHADAP PAPR PADA SISTEM OFDM Adela Karia 1, Budi Prasetya 2, Heroe Wijato 3 1,2,3 Departeme Tekik Elektro, Istitut Tekologi Telkom 1,2,3 Jl Telekomuikasi No. 1, Badug, Telp : (022) ext. 2326, Fax : (022) della_rez@yahoo.com 1, bpy@ittelkom.ac.id 2, hrw@ittelkom.ac.id 3 ABSTRACT OFDM memugkika sistem bekerja dega spektral efisiesi tiggi karea pegguaa subcarrier yag orthogoal dapat meghidari iterferesi atar sub-carrier sehigga dapat mereduksi efek kaal multipath. Semetara itu, power loadig diketahui dapat memiimalisasi BER sistem OFDM dega melakuka alokasi bit da power pada tiap sub-carrier berdasarka feedback kodisi kaal. Tetapi mucul dugaa bahwa pegguaa power loadig aka memperbesar ilai Peak to Average Power Ratio (PAPR) karea pada keyataaya sistem OFDM tidak perah terlepas dari pegaruh PAPR yag terjadi pada setiap usaha yag dilakuka utuk meigkatka performasiya. Dalam Peelitia ii dilakuka aalisis utuk megetahui sejauh maa pegguaa power loadig dapat memperbaiki performasi sistem da sejauh maa pegguaa power loadig dapat mempegaruhi ilai PAPR. Aalisis dilakuka pada skema modulasi fixed da adaptif utuk modulasi QPSK, 16-QAM da 64-QAM dega memperhatika pegaruh variasi pergeraka user yag ditujukka dega frekuesi doppler. Aalisis juga dilakuka utuk melihat pegaruh pegguaa jumlah sub-carrier berbeda terhadap ilai PAPR sistem. Berdasarka hasil simulasi terlihat bahwa power loadig dapat diguaka utuk memperbaiki performasi sistem dega memberika codig gai sebesar 3.5 db pada modulasi 16-QAM, da sebesar 5.5 db pada modulasi 64-QAM. Semaki tiggi orde modulasi, maka performasi sistem OFDM power loadig aka semaki baik seirig dega semaki besarya codig gai yag diberika. Pegguaa power loadig tidak membuat ilai PAPR sistem membesar, sebalikya power loadig dapat memperkecil ilai PAPR karea proses pegalokasia bit da power dapat meghidari adaya peak siyal yag melewati daerah liear amplifier. Kata Kuci: OFDM, Power Loadig, BER, PAPR PENDAHULUAN Orthogoal Frekuesi Divisio Multiplexig (OFDM) adalah tekik dega utilitas spektral yag efisie da taha terhadap frekuesi selective fadig karea tekik ii membagi data berkecepata tiggi dega membagi carrier mejadi bayak sub-carrier yag bersifat orthogoal dega kecepata bit lebih redah, sehigga aka didapat dereta paralel siyal dega data rate yag redah. Pegguaa sub-carrier yag rapat da salig orthogoal ii lebih dapat meghemat badwidth karea memugkika sub-carrier utuk overlappig da masig-masig sub-carrier megalami flat fadig tapa terjadi iterferesi Belakaga ii telah diketahui bahwa power loadig adalah salah satu upaya utuk meigkatka performasi OFDM dega cara megatur alokasi bit da power yag diberika pada masig-masig sub-carrier berdasarka feedback. Feedback yag dikirim kemudia aka diguaka trasmitter utuk dapat megalokasika power trasmit pada masig-masig sub-carrier secara tepat. Power loadig membuat BER OFDM mejadi lebih baik, tetapi di sisi lai OFDM megalami masalah PAPR (peak to average power ratio) yag merupaka perbadiga amplitudo maksimum siyal dega amplitudo rata-rataya. Pegguaa power loadig diduga meimbulka kosekuesi tertetu pada besarya ilai PAPR, oleh karea itu perlu diperhatika kosekuesi yag ditimbulka dari setiap usaha yag dilakuka utuk meigkatka performasi OFDM [9]. Prisip Dasar OFDM Orthogoal Frequecy Divisio Multiplexig (OFDM) yag mucul sebagai solusi utuk megatasi masalah dalam propagasi gelombag di udara adalah sebuah tekik modulasi multicarrier megguaka frekuesi yag salig tegak lurus (orthogoal). Orthogoalitas dalam OFDM 400

2 memberika trasmisi secara simulta pada sub-carrier yag bayak dalam ruag frekuesi yag sempit tapa salig beriteferesi sehigga pada akhirya aka terjadi peghemata badwidth yag cukup besar. Gambar 1 Tekik modulasi multicarier (a) FDM kovesioal, (b) OFDM Ide dasar dari OFDM adalah metrasmisika data megguaka FDM (frequecy divisio multiplexig) semetara kosep dasar OFDM adalah membagi data serial berkecepata tiggi mejadi data paralel berkecepata redah yag ditrasmisika oleh beberapa sub-carrier. Gambar 2 Spektral siyal OFDM dega 3 sub-carrier (a) dalam domai frekuesi da (b) dalam domai waktu Kaal Multipath Fadig Proses trasmisi siyal yag sampai ke peerima tidak haya melewati satu jalur tetapi datag dari berbagai jalur (multipath). Sehigga megalami pergesera fasa da delay yag aka megakibatka peguata atau redama siyal terima yag biasa disebut fadig. Fadig didefiisika sebagai fluktuasi daya di peerima yag disebabka oleh iterferesi atara dua atau lebih siyal multipath yag diterima receiver pada saat berbeda. Rayleigh Fadig Distribusi Rayleigh diguaka meggambarka kodisi propagasi siyal terburuk dimaa seluruh siyal terima merupaka siyal patula dega fugsi kerapata probabilitas sebagai berikut: Kaal AWGN 2 r r exp ( 0 r ) 2 2 p( r) = σ 2σ (1) 0 ( r < 0) Kaal ideal (AWGN) meloloska semua spektrum siyal tapa distorsi karea kaal memiliki badwidth tak berhigga sehigga respo frekuesi diaggap flat utuk semua frekuesi. Fugsi pdf AWGN adalah: 401

3 p 2 2 [ / 2σ ] 1 = (2) σ 2π ( x) exp ( x m) Peak to Average Power Ratio (PAPR) [8] PAPR merupaka perbadiga daya pucak dega daya rata-rata siyal akibat modulasi subcarrier yag dilakuka dega frekuesi berbeda, sehigga apabila beberapa sub-carrier mempuyai fasa yag kohere aka mucul amplitudo dega level yag lebih besar dari daya rata-rata siyal sehigga OFDM membutuhka kompoe sistem dega daerah operasi liear yag besar utuk megakomodasi amplitudo siyal. Pada OFDM, PAPR siyal yag ditrasmisika dapat didefiisika sebagai berikut: PAPR ( S t )) maks 0 t Ts = Ts 1 T s 0 S ( t ) S ( t ) 2 2 ( (3) Semetara peluag muculya PAPR dalam seluruh siyal OFDM atau Complemetary Cumulative Distributio Fuctio (CCDF) lebih dari PAPR 0, didekati dega rumus berikut ii: PAPR 0 P PAPR > PAPR = 1 1 e (4) Pilot Based Chael Estimator ( ) ( ) N Estimasi kaal merupaka proses utuk megetahui respo kaal yag diguaka utuk memberika referesi amplituda da fasa sehigga proses deteksi da demodulasi simbol dapat dilakuka dega bear. Metode estimasi kaal dega megguaka siyal pilot dilakuka dega cara meyisipka siyal pilot pada sub-carrier tertetu. Berdasarka respo kaal yag dialami oleh pilot sub-carrier, maka estimasi terhadap respo kaal yag dialami sub-carrier laiya dapat dilakuka dega cara melakuka iterpolasi terhadap ilai respo kaal yag dialami pilot subcarrier. 0 dt (f) Y d Y X (f ) (f ) d d Y p (f) Y p (f) Hˆ d (f) Y(f) p X p (f) X (f ) p Hˆ p (f) Gambar 3 Blok diagram pilot based chael estimator Sigular Value Decompositio (SVD) SVD aka meguraika (melakukak dekomposisi) matriks kaal hasil estimasi mejadi 3 kompoe matriks. Matriks H dapat didekomposisi megguaka tekik SVD mejadi: ' Dimaa: H = matriks berdimesi U = matriks uitary orthogoal (U U=I ) H = USV (5) 402

4 S = matriks diagoal dega ilai sigular s V = matriks uitary orthogoal (V V=I) ( ) = operasi hermitia traspose / complex cojugate Misalka u i merupaka kolom-kolom dari matriks U da v i merupaka kolom-kolom dari matriks V. Dega demikia, ekspasi dari H adalah: Power Loadig Megguaka Feedback H i [2] [5] = i = 1 u i s i ' i v (6) Power loadig merupaka power cotrol yag dilakuka utuk megoptimasi performasi sistem, dalam hal ii memiimalisasi BER sistem OFDM dega megatur alokasi bit da power pada tiap sub-carrier berdasarka feedback kodisi kaal yag dialami oleh tiap sub-carrier. Power loadig memiliki dua prisip dalam melakuka alokasi power pada tiap sub-carrier, yaitu: Jika kodisi kaal baik, maka alokasi bit yag aka semaki besar da alokasi power yag didapatka juga semaki besar. Jika kodisi kaal buruk, maka alokasi bit yag didapatka aka semaki kecil da alokasi power yag didapatka juga semaki kecil Gambar 4 Alur proses power loadig Tiap sub-carrier pada skema power loadig memiliki bobot power awal yag sama, tetapi setelah ditrasmisika besarya bobot power mejadi tidak seragam. Setelah proses trasmisi, receiver dapat megetahui respo kaal yag dialami oleh setiap sub-carrier melalui proses estimasi kaal. Setelah itu receiver melakuka proses SVD terhadap kaal utuk medapatka kompoe matriks U, S da V. Matriks U diguaka receiver utuk megkompesasi siyal di sisi peerima, semetara S da V aka diumpa balika ke trasmitter melalui kaal feedback. Trasmitter megguaka matriks V utuk megkompesasi siyal di sisi pegirim semetara ilai sigular (S) diguaka pada perhituga SNR utuk kemudia dapat dilakuka alokasi bit da power pada tiap sub-carrier. Proses pegalokasia bit da power pada power loadig dilakuka dega megguaka algoritma power loadig. Berikut ii adalah lagkah algoritma power loadig dalam melakuka alokasi bit da power, yaitu: Iisialisasi Alokasi Bit da Power Pada tahap iisialisasi terdapat N fugsi e (b) dimaa N adalah jumlah sub-carrier da e (b) merepresetasika jumlah power yag dibutuhka utuk metrasmisika sejumlah b bit pada subcarrier. Asumsika e (0) = 0, sehigga alokasi power yag aka dilakuka sesuai dega formula berikut ii [2] : miimize subject to b Ζ, b N = 1 N e = 1 0, b ( b = = ) B 1,2,..., N 403

5 Optimasi Alokasi Bit Selajutya aka dilakuka optimasi alokasi bit seperti berikut ii: Iput: b, iisialisasi alokasi bit Output: B, jumlah total bit yag dialokasika b, alokasi bit teroptimasi Optimasi ii dilakuka utuk medapatka jumlah bit optimal pada tiap sub-carrier. PERANCANGAN MODEL DAN SIMULASI SISTEM Blok Diagram OFDM Power Loadig Pemodela Kaal AWGN Gambar 5 Blok diagram sistem OFDM megguaka power loadig Gambar 6 Pemodela kaal AWGN 404

6 Pemodela Kaal Rayleigh Pemodela kaal multipath berdistribusi Rayleigh megguaka metode Jakes two-ray model yag megguaka 2 koefisie fadig yag salig idepede. τ Gambar 7 Model two-ray multipath Rayleigh fadig Tabel 1. Parameter OFDM IEEE e PARAMETER VALUE AND UNIT Frequecy Carrier 3.5 GHz Badwidth (BW) 3.5 MHz FFT size (N FFT) 256, 512 Jumlah sub-carrier data 192, 384 Jumlah sub-carrier pilot 8, 16 Jumlah zero paddig 56, 112 Frequecy Samplig 4 MHz (Fs) Sub-carrier spacig (Δf) Fs / N FFT = 4 MHz / 256 = 15,625 KHz Fs / N FFT = 4 MHz / 512 = 7,8125 KHz Useful symbol time (Tb) 1 / Δf = 1 / KHz = 64 μs 1 / Δf = 1 / KHz = 128 μs Guard Iterval Ratio (G) 1 / 32 Guard Iterval Time (T g ) G. T b = 1/32 x 64 μs = 2 μs G. T b = 1/32 x 128 μs = 4 μs OFDM symbol time T b + T g = 64 μs + 2 μs = 66 μs T b + T g = 64 μs + 4 μs = 68 μs Modulasi & Demodulasi QPSK, 16-QAM, 64- QAM Average speed of user (0, 3, 30,120) km/jam Doppler frequecy (0, 9.8, 98, ) Hz HASIL DAN PEMBAHASAN Aalisis Performasi Power Loadig pada Modulasi QPSK da 16-QAM 405

7 Pada bagia ii aka diaalisis sejauh maa pegguaa power loadig pada modulasi QPSK da 16-QAM mempegaruhi performasi sistem OFDM. Aalisis dilakuka dega cara membadigka performasi sistem sebelum megguaka power loadig (o power loadig) da sesudah megguaka power loadig. Simulasi dilakuka pada kodisi kaal frequecy selective fadig berdistribusi Rayleigh da oise additive beristribusi Gaussia utuk sub-carrier sejumlah 256. Gambar 8 berikut ii meujukka grafik performasi power loadig pada modulasi QPSK da 16- QAM Performasi Power Loadig BER QPSK, No PL QPSK, PL 16QAM, No PL 16QAM, PL EbNo (db) Gambar 8. Performasi sistem power loadig [N=256, Modulasi QPSK, 16-QAM] Pada gambar diatas terlihat bahwa performasi sistem aka dipegaruhi oleh jeis modulasi yag diguaka. Semaki tiggi orde modulasi (16-QAM), maka performasi aka semaki meuru. Data diatas juga meujukka bahwa power loadig dapat diguaka utuk memperbaiki performasi sistem jika diterapka pada orde modulasi tiggi seperti 16-QAM. Semaki tiggi orde modulasi, maka performasi sistem megguaka power loadig aka semaki baik. Adapu utuk target BER sebesar 10-4 Tabel 2. Eb/No required sistem OFDM Power Loadig utuk target BER 10-4 Jeis Modulasi OFDM No Power Loadig OFDM Power Loadig Codig Gai QPSK 17 db 25 db - 8 db 16-QAM 23.5 db 20 db 3.5 db Berdasarka tabel 2 terlihat bahwa pada modulasi 16-QAM performasi sistem OFDM power loadig lebih bagus jika dibadigka sistem OFDM o power loadig da sebalikya pada modulasi QPSK performasi sistem OFDM o power loadig lebih bagus jika dibadigka sistem OFDM power loadig. Aalisis Performasi Power Loadig pada Berbagai Kodisi Kecepata User Pada bagia ii aka diaalisis sejauh maa frekuesi doppler yag diwakili oleh kecepata user mempegaruhi performasi sistem OFDM power loadig megguaka fixed modulasi 64-QAM da adaptif modulasi megguaka 16-QAM da 64-QAM. Pada simulasi ii sistem aka bekerja pada kodisi kaal frequecy selective fadig berdistribusi Rayleigh da oise additive berdistribusi Gaussia utuk sub-carrier sejumlah 256. Gambar berikut meujukka performasi sistem OFDM power loadig pada berbagai kodisi kecepata user. 406

8 10 0 Performasi Fixed Modulasi da Power Loadig 10-1 BER Km/Jam 3 Km/Jam 30 Km/Jam 120 Km/Jam EbNo (db) 10 0 Performasi Adaptif Modulasi da Power Loadig BER Km/Jam 3 Km/Jam 30 Km/Jam 120 Km/Jam EbNo (db) Gambar 9 Performasi OFDM power loadig pada berbagai kecepata user: fixed modulasi da adaptif modulasi [N=256, Kecepata 0, 3, 30, 120 km/jam] Terlihat bahwa semaki cepat pergeraka user atau semaki tiggi frekuesi dopller, maka performasi sistem OFDM power loadig baik megguaka fixed modulasi maupu adaptif modulasi aka semaki meuru. Aalisis Pegaruh Pegguaa Power Loadig terhadap PAPR Sistem OFDM Pada bagia ii aka diaalisis pegaruh pegguaa power loadig terhadap PAPR sistem OFDM utuk megetahui apakah pegguaa power loadig meimbulka kosekuesi tertetu terhadap besarya ilai PAPR. Aalisis juga dilakuka utuk melihat apakah skema modulasi yag diguaka, yaitu fixed da adaptif modulasi berpegaruh terhadap besarya ilai PAPR sistem. Fixed Modulasi QPSK Gambar berikut adalah hasil simulasi sistem OFDM power loadig dalam betuk grafik CCDF (Complemetary Cummulative Distributio Fuctio). 407

9 Gambar 10 Grafik CCDF siyal OFDM [N=256, 512, modulasi QPSK] Pada gambar diatas terlihat bahwa siyal OFDM aka memiliki ilai PAPR yag besarya bervariasi da bersifat radom. Pada modulasi QPSK, sistem OFDM megguaka 256 sub-carrier memiliki ilai PAPR yag lebih kecil jika dibadigka dega sistem OFDM yag megguaka 512 sub-carrier. Adapu utuk tiap 10 3 pegirima, maka ilai PAPR maksimum utuk QPSK dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 3. Nilai PAPR maksimum dalam 10-3 percobaa utuk QPSK Sistem OFDM N PAPR (db) PAPR Gs (db) = 2(PAPR a -PAPR b ) a. No Power db Loadig db b. Power db Loadig db Tabel diatas meujukka bahwa sistem OFDM power loadig memiliki ilai PAPR yag lebih kecil jika dibadigka dega sistem OFDM o power loadig. Hal ii diperlihatka oleh parameter gai savig (Gs) yag merupaka selisih daya yag diperluka amplifier utuk masig-masig sistem dega modulasi berbeda terhadap daya sistem OFDM tapa adaya power loadig [19]. 408

10 Fixed Modulasi 16-QAM Gambar 11. Grafik CCDF siyal OFDM [N=256, 512, modulasi 16-QAM] Pada modulasi 16-QAM, sistem OFDM dega 256 sub-carrier memiliki ilai PAPR yag lebih kecil jika dibadigka dega sistem OFDM yag megguaka 512 sub-carrier. Tabel 4. Nilai PAPR maksimum dalam 10-3 percobaa utuk 16-QAM Sistem PAPR Gs (db) N PAPR OFDM (db) = 2(PAPR a -PAPR b ) a. No db Power Loadig db b. Power Loadig db db Tabel diatas meujukka bahwa sistem OFDM power loadig memiliki ilai PAPR yag lebih kecil jika dibadigka dega sistem OFDM o power loadig. Utuk medapatka daya keluara da distorsi amplifier yag sama, maka sistem OFDM power loadig memerluka daya amplifier sebesar db lebih redah pada sub-carrier sejumlah 256 da sebesar db lebih redah pada subcarrier sejumlah 512. Adaptif Modulasi Megguaka QPSK da 16-QAM 409

11 Gambar 12. Grafik CCDF siyal OFDM [N=256, 512, modulasi adaptif] Pada modulasi adaptif, sistem OFDM megguaka 256 sub-carrier memiliki ilai PAPR yag lebih kecil jika dibadigka dega sistem OFDM yag megguaka 512 sub-carrier. Tabel 5. Nilai PAPR maksimum dalam 10-3 percobaa utuk modulasi adaptif Gs (db) Sistem PAPR N PAPR = 2(PAPR OFDM (db) a - PAPR b ) a. No db Power 16.6 Loadig db b. Power Loadig db db Dari data di atas diketahui bahwa pegguaa power loadig aka memperkecil ilai PAPR karea proses pegalokasia bit da power yag terjadi pada tiap sub-carrier dapat meghidari adaya peak siyal yag dapat melewati daerah liear amplifier. Kesimpula da Sara KESIMPULAN Berdasarka hasil simulasi da aalisis, maka dapat diambil beberapa kesimpula sebagai berikut: 1. Power loadig memperbaiki BER sistem. Semaki tiggi orde modulasi, maka performasi aka semaki baik seirig dega semaki besarya codig gai yag diberika. 2. Skema modulasi adaptif OFDM power loadig diilai kurag efektif karea performasiya tidak lebih baik dari performasi 16-QAM da codig gai yag diberika tidak lebih besar dari 64-QAM. 3. Semaki tiggi frekuesi doppler, performasi sistem OFDM power loadig aka semaki meuru.. 410

12 4. Power loadig memperkecil ilai PAPR karea dapat meghidari adaya peak siyal yag melewati daerah liear amplifier. Alokasi bit da power pada power loadig lebih berpegaruh terhadap proses deteksi da demodulasi simbol. Daftar Pustaka [1] Chag, Re-Yu, OFDM for Mobile Data Commuicatio, Departmet of Electrical Egieerig, Natioal Cheg Kug Uiversity. Taiwa [2] Basal, Prateek, A. Brzeziski, Adaptive Loadig i MIMO/OFDM Systems, Stadford Uiversity, Eglad, [3] J. Wojtiuk, Jeffrey, Aalysis of Frequecy Coversio for M QAM ad M PSK Modems, Thesis, The Uiversity of South Australia School of Electroic Egieerig, Australia,1995. [4] Rodrigues, Miguel, Orthogoal Frequecy Orthogoal Frequecy Divisio Multiplexig Divisio Multiplexig (OFDM, Laboratory for Commuicatio Egieerig,Departmet of Egieerig, Uiversity of Cambridge, Australia. [5] J. Love, David, Robert W. Heath, OFDM Power Loadig Usig Limited Feedback, IEEE joural o selected areas i commuicatios, VOL. 54, NO. 5, September, [6] Qaddour, Jihad, High Peak to Average Ratio Solutio i OFDM of 4G Mobile Systems, School of Iformatio Techology, Illiois State Uiversity, USA, [7] Schurgers, Curt, Mai B. Srivastava, A Systematic Approach to Peak-to-Average Power Ratio i OFDM, Electrical Egieerig Departmet, Uiversity of Califoria at Los Ageles (UCLA), USA, [8] Li Li, Yu, Performace Aalysis i the PAPR of OFDM System via SLM Scheme, Departmet of Electrical Egieerig, Natioal Cheg Kug Uiversity. Taiwa [9] Schurgers, Curt, Mai B. Srivastava, Impact of PAPR reductio mechaism o Bit ad Power Loadig Strategies for OFDM based Wireless Systems, Radio Access Techology (RATE) Sectio, Departmet of Electroic Systems, Aalborg Uiversity, [10] Lawrey, E. Phillip, Adaptive Techiques for Multiuser OFDM, Electrical ad Computer Egieerig School of Egieerig, James Cook Uiversity, [11] Prasetya, Budi, Peigkata Kierja Sistem Komuikasi dega: MIMO,OFDM da Beamformig, Kuliah Kapita Selekta, STT Telkom, Badug, [12] Arsla, Huseyi, Adaptatio techiques ad eablig parameter estimatio algorithms for the evolutio of wireless mobile radio systems, Departmet of Electrical Egieerig, Uiversity of South Florida, USA,