EVALUASI KINERJA TEKNIK ESTIMASI KANAL BERDASARKAN POLA PENGATURAN SIMBOL PILOT PADA SISTEM OFDM

Transkripsi

1 EVALUASI KINERJA TEKNIK ESTIMASI KANAL BERDASARKAN POLA PENGATURAN SIMBOL PILOT PADA SISTEM OFDM Dudik Hermanto #1, Imam Santoso, S.T, M.T #, Ajub Ajulian Zahra, S.T., M.T. #3 # Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Diponegoro jl. Prof Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia # setiaone.iwan@gmail.com #3 Budisty@gmail.com Abstract OFDM (Orthogonal Division Multiplexing) is a multicarrier technology that divides high speed data rates into parallel low speed data rates by dividing the signal into n- subcarriers which orthogonal and overlap to each other. Channel estimation problem also very important in communication system for better system performance. Channel estimation is a process to determine the characteristics of a channel that aims to get the received data close to the transmitted data. In this final project made a simulation of channel estimation based on pilot symbol arrangement in OFDM systems. There are two types of channel estimation based on pilot arrangement, block type and comb type. For block type, the channel estimation alghorithm used is LS (Least Square) and MMSE (Minimum Mean Square Error) algorithm. For comb type, channel estimation algorithm used is LS then followed by a linear interpolation and second order interpolation. Testing done by varying Doppler frequency, ratio of the amount of data symbols and pilot symbols and modulation type. Channel models used are Rayleigh, Rayleigh Doppler and AWGN (Additive White Gaussian Noise). The performance of the system was known by measuring BER( Bit Error Rate). The results show that in block type, MMSE estimator has a smaller BER values than LS estimator especially at SNR 0-10 db, such as at SNR 0 db, MMSE estimator has BER, while LS estimator has BER 3, On the comb type, second order interpolation has smaller BER values than linear interpolation, such as at SNR 15 db, second order interpolation has BER values while linear interpolation has BER values Keywords: OFDM, LS, MMSE, Interpolation, Rayleigh, AWGN I. PENDAHULUAN Kebutuhan akan sistem komunikasi yang handal pada kanal frequency selective dan dipengaruhi oleh multipath fading menyebabkan munculnya suatu teknik yang disebut OFDM (Orthogonal Division Multiplexing). OFDM merupakan salah satu teknologi multicarrier dimana data serial berkecepatan tinggi dikonversikan menjadi data paralel dengan kecepatan yang lebih rendah, yaitu dengan membagi sinyal menjadi n-subcarrier yang saling orthogonal dan overlap.untuk mendapatkan sinyal terima yang lebih baik, dikembangkanlah teknik estimasi kanal pada OFDM. Teknik estimasi kanal yang telah dikembangkan diantaranya adalah dengan pengaturan pola simbol pilot dimana sejumlah simbol pilot disisipkan pada simbol data dengan posisi tertentu. Ada dua cara penyisipan simbol pilot yang biasa digunakan yaitu tipe blok dan tipe comb. Dimana untuk memprediksi respon kanal bisa dengan menggunakan Least Square (LS), Minimum Mean Square Error (MMSE) untuk penyisipan simbol pilot tipe blok dan interpolasi linear, interpolasi orde dua untuk penyisipan simbol pilot tipe comb. Sebelumnya telah dilakukan penelitian tentang perbandingan kinerja modulasi M-PSK dan M-QAM terhadap laju kesalahan data pada sistem OFDM (Ananta, 009), pengaruh modulasi M-PSK pada unjuk kerja sistem OFDM (Fadhila, 009), Estimasi Kanal Pada OFDM menggunakan Teknik Symbol Assisted Modulation (PSAM) (Setiadi, 007), Estimasi kanal menggunakan LS pada kanal SUI (Subandi, 009) selain itu juga terdapat penelitian yang berjudul A Study of Channel Estimation in OFDM Systems (Coleri,00). Pada tugas akhir ini akan dianalisis kinerja teknik estimasi kanal berdasarkan pola pengaturan simbol pilot (tipe blok dan comb) pada OFDM. Estimator kanal yang digunakan pada sisi penerima adalah LS dan MMSE untuk pola pengaturan simbol pilot tipe blok serta Interpolasi Linear dan Interpolasi Orde dua untuk pola pengaturan simbol pilot tipe comb. Kanal yang digunakan untuk pengujian adalah kanal Rayleigh dan AWGN (Additive White Gaussian Noise). II. DASAR TEORI A. Sistem OFDM OFDM merupakan salah satu jenis transmisi multicarrier yang membagi suatu aliran data serial berkecepatan tinggi menjadi beberapa subcarrier paralel yang saling orthogonal dengan kecepatan yang lebih rendah. Dengan sifat orthogonalitas ini maka antar subcarrier dapat dibuat overlap tanpa menimbulkan efek ICI (Inter Carrier Interference). Secara umum, diagram blok transmisi sederhana OFDM adalah seperti ditunjukkan pada Gambar.1 berikut: Binary Data Binary Data Mapping Demapping S/P Removal and Channel Estimation IFFT FFT Removal KANAL S/P + Gambar 1 Diagram blok transmisi sederhana OFDM [],[5] AWGN 1 Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro UNDIP Semarang,3 Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro UNDIP Semarang 1

2 Pemancar dalam sistem OFDM terdiri dari masukan, pemetaan, pengubah serial-paralel, Inverse Fast Fourier Transform (IFFT), dan pengubah paralel to serial. Data masukan yang berupa data serial akan dimodulasi menggunakan teknik modulasi seperti M-PSK atau M-QAM. Data yang telah dimodulasi kemudian diubah ke dalam bentuk paralel pada blok serial to paralel dengan menghasilkan simbol-simbol secara paralel. Simbol-simbol yang telah dalam bentuk paralel tersebut akan dilewatkan ke blok IFFT untuk menghasilkan simbolsimbol OFDM yang saling orthogonal satu sama lain. Operasi IFFT dilakukan pada setiap satuan simbol, yang akan memberikan cuplikan dalam kawasan waktu kompleks. Persamaan IFFT adalah sebagai berikut [13] : 1 N 1 kn x ( n) [ X ( k)] W N... (.1) N k N N [ X ( k) X ( k)] N k 0 kn W N... (.) Kemudian simbol-simbol OFDM yang masih dalam bentuk paralel akan diubah kembali menjadi bentuk serial pada blok paralel to serial. Sinyal tersebut akan diberi tambahan guard interval yang untuk mengurangi terjadinya Intersymbol Interference (ISI). Proses yang terjadi pada penerima adalah kebalikan dari proses yang dilakukan pada pemancar. Penerima akan membawa sinyal terima yang telah melalui kanal untuk dilakukan proses pelepasan guard interval sebelum diubah menjadi bentuk paralel. FFT merupakan komponen yang paling utama pada bagian perencanaan demodulasi. Ketika lebih dari satu pembawa dimasukkan, FFT merupakan suatu metode praktis untuk memperbaiki data dari pembawa (carrier). FFT digunakan untuk merubah kembali ke ranah frekuensi. Sedangkan persamaan FFT adalah sebagai berikut [13] : N 1 N kn X ( k) x( n) x nw... (.3) N n0 Sampel dari daerah waktu dimasukan ke dalam FFT, hal ini diperlukan untuk menyaring amplitudo dan fase dari sinyal tersebut. Penyaringan amplitudo dan fase tergantung dari pewaktuan simbol x+iy yang dibutuhkan. Sinyal yang telah melalui blok FFT tersebut akan dirubah kembali ke bentuk serial untuk selanjutnya dilakukan proses demodulasi agar didapatkan data seperti data masukan pada pemancar. B. Estimasi Kanal Sinyal yang diterima pada bagian penerima telah mengalami distorsi, hal ini disebabkan oleh adanya variasi respon kanal,jika sinyal yang diterima ini langsung dideteksi maka akan terjadi kesalahan pendeteksian. Maka dibutuhkan estimasi kanal untuk mengetahui respon kanal. Persamaan.4 menunjukkan proses mendapatkan sinyal informasi pada sis penerima setelah dilakukan proses estimasi kanal. D D H N... (.4) D D H N H H H D D e D H Dengan D adalah sinyal informasi terima dalam domain frekuensi, D adalah sinyal informasi kirim dalam ranah frekuensi. H adalah respon kanal hasil estimasi D e adalah sinyal informasi terima setelah dilakukan estimasi kanal. C. Pola Pengaturan Simbol Salah satu teknik estimasi kanal adalah dengan menyisipkan sinyal pilot pada sinyal data yang akan dikirimkan pada bagian pemancar. ini digunakan untuk menghitung respon dari kanal yang menyebabkan adanya interferensi. Ada dua pola pengaturan penempatan sinyal pilot pada sinyal yaitu pola pengaturan simbol pilot tipe blok dan pola pengaturan tipe comb. D. Pola Pengaturan Simbol Tipe Blok Pada estimasi kanal berdasarkan pengaturan simbol pilot tipe blok, simbol pilot yang digunakan disisipkan pada setiap frekuensi subcarrier dengan rentang waktu tertentu. S S3 S4 (a) S5 Subcarrier Simbol S S3 S4 Simbol (b) S5 Subcarrier Gambar Susunan simbol (a) sebelum disisipi simbol pilot (b) setelah disisipi simbol pilot tipe blok Untuk mendapatkan nilai estimasi kanal pada pola pengaturan simbol pilot tipe blok bisa menggunakan estimator Least Square (LS), atau Minimum Mean Square (MMSE). Estimator Least Square (LS) Estimator Least Square (LS) mendapatkan nilai estimasi kanal dengan cara memperkecil jumlah kuadrat selisih dari nilai sesungguhnya dan nilai yang diprediksi. Estimasi kanal dengan Least Square adalah seperti ditunjukkan pada persamaan.5 berikut [],[3],[5] H LS Y( k) ( k)...(.5) X ( k) H LS dengan (k) adalah nilai estimasi kanal, Y(k) adalah sinyal pilot yang diterima, X(k) adalah sinyal pilot yang dipancarkan.

3 Estimator Minimum Mean Square Error (MMSE) Estimator MMSE bekerja dengan meminimalkan kuadrat galat terkecil (Mean Square Error) antara kanal sebenarnya dengan kanal hasil estimasi. Persamaan estimasi menggunakan estimator MMSE ditunjukkan pada persamaan.6 berikut ~ 1 H MMSE R ~ ( R HH I) H H H SNR...(.6) R ~ dengan H H adalah korelasi silang antara matriks estimasi kanal dengan kanal sesungguhnya, β adalah faktor konstelasi (BPSK, QPSK=1, 16QAM=17/9). D. Pola Pengaturan Simbol Tipe Comb Pada estimasi kanal berdasarkan pengaturan simbol pilot tipe comb, simbol pilot yang digunakan sebagai referensi untuk estimasi kanal dikirimkan secara periodik pada frekuensi subcarrier tertentu dalam rentang frekuensi tertentu dan semua simbol subcarrier tersebut digunakan untuk simbol pilot. k) ml l) c1 m 1) c0 m) c 1 m 1)...(.8) dengan ( 1) ( 1) c 1, c0 ( 1)( 1), c 1, l / L H ( k) adalah estimasi kanal subcarrier data ke-k, H ( m) adalah estimasi kanal simbol pilot ke-m, L adalah jarak antar simbol pilot. III. PROGRAM SIMULASI Untuk menggambarkan sistem yang akan disimulasikan, pada Gambar 3.1 disajikan diagram blok sistem OFDM dengan estimasi kanal. Bit-bit informasi Mapping S/P Block Type IFFT S S3 S4 S5 (a) Subcarrier S S3 S4 S5 (b) Subcarrier Bit-bit informasi Demapping Channel Estimation (LS and MMSE) Comb Type Channel Estimation (Linear and second order interpolation) FFT Removal KANAL Rayleigh S/P + AWGN Gambar 3 Susunan simbol (a) sebelum disisipi simbol pilot setelah disisipi simbol pilot tipe comb Untuk mendapatkan nilai estimasi kanal pada pengaturan simbol pilot tipe comb dilakukan dengan menggunakan estimator LS atau MMSE yang kemudian dilanjutkan dengan interpolasi. Interpolasi Linear [],[5] Pada interpolasi linear untuk mendapatkan estimasi kanal pada subcarrier data yaitu dengan menggunakan dua estimasi simbol pilot yang berdekatan. Persamaan interpolasi linear adalah seperti ditunjukkan pada persamaan.7 berikut k) ml l) m) ( m 1) m)).( l / L)... (.7) dengan H ( k) adalah estimasi kanal subcarrier data ke-k, H ( m) adalah estimasi kanal simbol pilot ke-m, L adalah jarak antar simbol pilot. Interpolasi Orde Dua [],[5] Teknik Interpolasi orde dua hampir sama dengan interpolasi linear perbedaannya untuk teknik interpolasi orde dua dengan menggunakan tiga estimasi kanal simbol pilot yang berdekatan. Persamaan interpolasi orde dua adalah seperti ditunjukkan pada persamaan.8 berikut (b) Gambar 4 Diagram blok sistem OFDM dengan estimasi kanal Tabel 3.1 Parameter Sistem No. Parameter Keterangan 1 Jumlah subcarrier (blok) 51 Jumlah subcarrier (comb) Panjang FFT 51 4 Level modulasi BPSK, QPSK, 16QAM 5 Jumlah simbol 18 6 Panjang Interval 18 7 Perbandingan simbol pilot dan data 8 Jenis estimator 1/8, 1/16 LS, MMSE (blok) dan Interpolasi linear, interpolasi orde (comb) Program simulasi ini dibuat untuk mensimulasikan pengiriman data melalui kanal nirkabel (Rayleigh + AWGN) dengan estimasi kanal pada sistem komunikasi OFDM dan kemudian menghitung nilai BER untuk setiap nilai SNR yang kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik hubungan antara nilai SNR dan BER. 3

4 Dalam simulasi ini diasumsikan terjadi sinkronisasi sempurna antara pemancar dan pengirim, tidak memperhitungkan pengaruh Peak to Average Power Ratio (PAPR) dan menganggap guard interval lebih panjang dari delay spread maksimum. IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS A. Pengujian Kinerja Teknik Estimasi Kanal Berdasarkan Pola Pengaturan Simbol Tipe Blok Gambar 8 Grafik kinerja LS dan MMSE dengan tipe modulasi BPSK Gambar 5 Grafik kinerja LS dan MMSE dengan perbandinganjumlah simbol pilot dan data 1:8 Gambar 9 Grafik kinerja LS dan MMSE dengan tipe modulasi QPSK Gambar 6 Grafik kinerja LS dan MMSE dengan perbandingan jumlah simbol pilot dan data 1:16 Pada Gambar 5 terlihat bahwa estimator MMSE Pada Gambar 6 terlihat bahwa estimator MMSE SNR lebih dari 1 db. Untuk kanal Rayleigh estimator LS mencapai nilai BER 0 pada SNR lebih dari 14 db sedangkan estimator MMSE mencapai nilai BER 0 pada SNR lebih dari 14 db. Untuk kanal Rayleigh Doppler keduanya mencapai nilai BER 0 pada Pada Gambar 8 terlihat bahwa estimator MMSE SNR lebih dari 10 db. Untuk kanal Rayleigh keduanya mencapai nilai BER 0 pada SNR lebih dari 1 db. Untuk Pada Gambar 9 terlihat bahwa estimator MMSE Gambar 11 Grafik kinerja LS dan MMSE dengan frekuensi Doppler 1 Hz 4

5 Gambar 1 Grafik kinerja LS dan MMSE dengan frekuensi Doppler 35 Hz Pada Gambar 11 terlihat bahwa estimator MMSE Pada Gambar 1 terlihat bahwa estimator MMSE kanal Rayleigh Doppler nilai BER estimator LS akan terus turun sampai pada SNR lebih dari 14 db nilai BER akan tetap sekitar 1.16e-0 sedangkan estimator MMSE akan terus turun sampai pada SNR lebih dari 14 db nilai BER akan tetap sekitar 1.16e-0. B. Pengujian Kinerja Teknik Estimasi Kanal Berdasarkan Pola Pengaturan Simbol Tipe Comb Gambar 15 Grafik kinerja interpolasi linear dan interpolasi orde dua dengan perbandingan pilot dan data 1:16 Pada Gambar 15 terlihat bahwa interpolasi orde dua mencapai nilai BER 0 pada SNR lebih dari 1 db. Untuk Gambar 16 Grafik kinerja interpolasi linear dan interpolasi orde dua dengan tipe modulasi BPSK Gambar 14 Grafik kinerja interpolasi linear dan interpolasi orde dua dengan perbandingan pilot dan data 1:8 Pada Gambar14 terlihat bahwa interpolasi orde dua Gambar 17 Grafik kinerja interpolasi linear dan interpolasi orde dua dengan modulasi QPSK Pada Gambar 16 terlihat bahwa interpolasi orde dua Untuk kanal AWGN interpolasi linear mencapai nilai BER 0 pada SNR lebih dari 1 db sedangkan interpolasi orde dua 5

6 mencapai nilai BER 0 pada SNR lebih dari 10 db. Untuk kanal Rayleigh keduanya mencapai nilai BER 0 pada SNR lebih dari 1 db. Untuk kanal Rayleigh Doppler keduanya mencapai nilai BER 0 pada Pada Gambar 17 terlihat bahwa interpolasi orde dua Gambar 18 Grafik kinerja interpolasi linear dan interpolasi orde dua dengan frekuensi Doppler 1 Hz Pada Gambar 18 terlihat bahwa interpolasi orde dua V. PENUTUP Berdasarkan hasil pengujian dan analisis yang dilakukan didapatkan pada pola pengaturan simbol pilot tipe blok, estimator MMSE memiliki nilai BER yang lebih kecil dibandingkan estimator LS pada nilai SNR 0 db, seperti pada SNR 0 db estimator LS memiliki BER.878e-01 sedangkan estimator MMSE memiliki BER.397e-01. Pada pola pengaturan simbol pilot tipe comb, interpolasi orde dua memilik nilai BER lebih kecil dibandingkan interpolasi linear, seperti pada SNR 0 db interpolasi linear memiliki BER.783e-01 sedangkan interpolasi orde dua memiliki BER.706e-01. Estimator LS dan MMSE pada SNR 14 db untuk variasi perbandingan simbol pilot dan simbol data 1:8 memiliki nilai BER sekitar 4e-04 sedangkan pada perbandingan 1:16 memiliki nilai BER sekitar 8e-04. Nilai BER interpolasi linear dan interpolasi orde dua pada SNR 14 db untuk variasi perbandingan simbol pilot dan data 1:8 adalah sekitar 4.8e-04 sedangkan pada perbandingan 1:16 sekitar 3.4e-04 Estimator LS dam MMSE pada SNR 14 db untuk variasi frekuensi Doppler 1 Hz memiliki nilai BER sekitar 4.6e-04 sedangkan pada frekuensi Doppler 35 Hz memiliki nilai BER sekitar 1.1e-0 dan pada frekuensi Doppler 70 Hz memiliki nilai BER sekitar 5e-0 Nilai BER interpolasi linear dan interpolasi orde dua pada SNR 14 db untuk variasi frekuensi Doopler 1 Hz adalah sekitar 4.8e-04 sedangkan pada frekuensi Doppler 35 Hz sekitar 7.9e-04 dan pada frekuensi Doppler 70 Hz sekitar 6e- 03 Untuk pengembangan sistem lebih lanjut, maka dapat diberikan saran untuk mensimulasikan sistem dengan menggunakan tipe modulasi lain yang lain dan mencoba teknik estimasi lain seperti estimasi kanal buta, estimasi kanal semi buta. DAFTAR PUSTAKA [1]. Abdillah, Very Senopati, Analisis Kinerja Sistem Akses Jamak Pada Orthogonal Division Multiplexing (OFDM) Menggunakan Teknik Code Division Multipe Acces (CDMA), Tugas Akhir S-1, Universitas Diponegoro, Semarang, 009. []. Bahai, Ahmad R.S., Burton R. Saltzberg, Mustafa Ergen, Multicarrier Digital Communication Theory and Application of OFDM, Springer Science+Bussiness Media,Inc, United States of America, 004. [3]. Cho, Yong Soo, MIMO-OFDM Wireless Communication with MATLAB, John Wiley and Sons Pte Ltd, Singapore, 010. [4]. Choi, Yang Seok, On Channel Estimation and Detection for Multicarrier Signals in Fast and Selective Rayleigh Fading Channels, IEEE Transactions on communications, vol.49, no. 8, 001. [5]. Coleri, Sinem., Mustafa Ergen, Anuj Puri and Ahmad Bahai, A Study of Channel Estimation in OFDM Systems, IEEE 56 th Vehicular technology Conference. [6]. Edfors, O., Sandell,M., Van de Beek, J.J., and Wilson,S.,K., OFDM Channel Estimation by Singular Value Decomposition, IEEE Transactions on Broadcasting, 48, 3-9, 00. [7]. Fadhila, Wike S, Pengaruh Modulasi M-PSK pada Unjuk Kerja Sistem Orthogonal Division Multiplexing (OFDM), Tugas Akhir S-1, Universitas Diponegoro, Semarang, 009. [8]. Hara, Shinsuke, Ramjee Prasad., Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications, Artech House, London, 003. [9]. Harada, Hiroshi, Ramjee Prasad, Simulation and Software Radio for Mobile Communication, PDF file, 009. [10]. Picesa, Rosa Sanjaya, Estimasi Kanal Sistem Wimax OFDM Berdasarkan Pola Pengaturan Simbol, Tugas Akhir S-1, Institut Teknologi Bandung, 007. [11]. Rappaport, Theodore S, Wireless Communications, Prentice Hall, New Jersey,

7 [1]. Setiadi, Evan Adrianto, Estimasi Kanal pada Orthogonal Division Multiplexing (OFDM) Menggunakan Teknik Sumbol Assisted Modulation (PSAM), Tugas Akhir S-1, Institut Teknologi Bandung, 007. [13]. Tan, Li, Digital Signal Processing Fundamentals and Applications, Elsevier.Inc, London, 008. [14]. Zaier, Aida and Ridha Bouallegue, Channel Estimation Study For Block in OFDM System Under Slowly Varying Conditions, International Journal of Computer & Communication, vol.3, no.6, 011. BIODATA MAHASISWA Dudik Hermanto, lahir di Temanggung November Menempuh pendidikan di SD Negeri 1 Jumo, SMP Negeri 1 Jumo, SMA Negeri 1 Temanggung dan melanjutkan studi Strata-1 di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang, konsentrasi Elektronika dan Telekomunikasi. Mengetahui dan mengesahkan, Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Imam Santoso, S.T., M.T. NIP Tanggal: Ajub Ajulian Zahra, S.T., M.T. NIP Tanggal: 7