Ayu Rosyida Zain 1, Yoedy Moegiharto 2. Kampus ITS, Surabaya

Transkripsi

1 Analisa Kinerja Kode Konvolusi pada Sistem PIC (Parallel Interference Cancellation) MUD (Multiuser Detection) CDMA dengan Modulasi QAM Berbasis Perangkat Lunak Ayu Rosyida Zain 1, Yoedy Moegiharto 2 1 Mahasiswa Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Jurusan Teknik Telekomunikasi 2 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya ayu.rosyida@yahoo.com Abstrak Pada proyek akhir ini dilakukan analisa kinerja kode konvolusi pada sistem parallel interference cancellation (PIC) Multi User Detection (MUD) CDMA berbasis perangkat lunak dengan modulasi 16 QAM. Encoder kode konvolusi pada sisi transmitter memiliki struktur (2,1,2) dengan rate ½. Pada sisi receiver diterapkan detektor metode parallel interference cancellation (PIC) dan proses pendekodean menggunakan algoritma viterbi. Hasilnya berupa grafik nilai bit error rate () sebagai fungsi signal noise to ratio (SNR). Kinerja dengan kode konvolusi pada sistem parallel interference cancellation melalui kanal Rayleigh fading lebih baik 19 db dibandingkan tanpa kode konvolusi. Metode PIC stage 3 lebih baik 1 db dibanding PIC stage 2 dan 4 db dibandingkan dengan PIC stage 1 karena semakin banyak stage yang digunakan maka sistem mampu mengurangi lebih banyak pengaruh MAI. Dan penerapan keseluruhan sistem untuk 15 user aktif lebih baik 1,5 db dibandingkan untuk 20 user aktif, maka dari itu semakin banyak user maka nilai SNR yang dibutuhkan semakin besar. KATA KUNCI : CDMA, Kode Konvolusi, Parallel Interference Cancellation, Algoritma Viterbi 1. Pendahuluan Saat ini dunia komunikasi semakin berkembang sehingga mengakibatkan beberapa masalah yang muncul, salah satunya adalah yang disebabkan oleh semakin banyaknya jumlah user dan mengakibatkan kemungkinan interferensi antar user juga semakin besar. Hal ini dapat diatasi dengan teknologi spread spectrum dimana dengan menggunakan teknik ini memungkinkan banyak user dapat berkomunikasi secara bersamaan pada frekuensi yang sama. Teknik inilah yang diterapkan pada DS-CDMA(Direct Sequence Code Division Multiple Access) dimana banyak user menggunakan satu frekuensi yang sama dan yang membedakan untuk tiap user adalah pemberian kode-kode yang berbeda. Dengan kodekode ini inilah sehingga bandwidth bisa menjadi semakin lebar. Akan tetapi, pada implementasi teknik ini muncul masalah yang diakibatkan oleh banyaknya user yaitu munculnya MAI (multiple access interference) pada MUD-nya (Multiuser Detection) yang salah satunya dapat ditanggulangi menggunakan PIC (parallel interface cancellation). Setelah semua user dapat ter-cover menggunakan teknik MUD-PIC ini maka masalah yang lain adalah dimana data informasi dikirimkan melalui kanal udara, yang dapat menyebabkan masalah multipath fading. Multipath fading ini terjadi karena pada saat proses pengiriman sinyal terjadi pelemahan dan penguatan sinyal sehingga hasil sinyal yang diterima mempunyai banyak variable yang berbeda. Dan hal ini dapat ditanggulangi menggunakan teknik convolutional code pada sisi pengirim dan menggunakan algoritma viterbi pada sisi penerima. Dan untuk menganalisa sejauh mana pengaruh penggunaan convolutional code dan PIC terhadap masalah multipath fading dan MAI kita gunakan perbandingan nilai -nya. Dimana teknik modulasi yang kita pakai disini adalah pembagian untuk 16 QAM. 2. Teori Penunjang 2.1 CDMA Code division multiple access (CDMA) adalah sebuah bentuk pemultipleksan (bukan sebuah skema pemodulasian) dan sebuah metode akses secara bersama yang membagi kanal tidak berdasarkan waktu (seperti pada TDMA) atau frekuensi (seperti pada FDMA), namun dengan cara mengkodekan data dengan sebuah kode khusus yang diasosiasikan dengan tiap kanal yang ada dan menggunakan sifat-sifat interferensi konstruktif dari kode-kode khusus itu untuk melakukan pemultipleksan. Pengembangan dan 1

2 penggunaan teknik akses CDMA dalam komunikasi selular di dasari oleh pertimbangan meningkatnya kebutuhan komunikasi selular dewasa ini. CDMA di dasarkan pada teknik direct sequence spread spectrum. Teknik CDMA pada dasarnya berbasis pada teknologi spread spektrum. Hal ini didasari kenyataan bahwa teknologi spread spektrum memungkinkan banyak pengguna untuk berkomunikasi secara bersama-sama dengan menggunakan satu kanal/saluran yang sama dengan kode yang berbeda. Metode akses seperti ini disebut dengan Direct-Sequence Code-Division Multiple Access (DS-CDMA). Dalam sistem CDMA tiap user menggunakan kode unik yang berbeda satu sama lain, dan cross corelation antar kode sangat kecil. Setiap data yang akan dipancarkan terlebih dahulu akan ditebar (spreading) sehingga memungkinkan adanya akses jamak(multiple access). Bandwidth transmisi jauh lebih besar dibandingkan bandwidth bandwidth sinyal informasi. Rasio antara keduanya disebut processing gain. sinyal informasi. Rasio antara keduanya disebut processing gain. Berikut adalah diagram system dari CDMA : Gambar 1. Diagram CDMA system 2.2 PIC (Parallel Interference Cancellation PIC adalah salah satu dari pendekatan pendeteksian nonlinear multiuser, dan dengan hal ini dapat memperoleh peningkatan yang nyata dengan perhitungan kompleksitas yang rendah dan pendek/singkat dalam memproses delay. Pada sistem DS-CDMA dimana terdapat K user memancarkan informasi mereka secara synchronous bersama dengan noise dalam satu channel. Sinyal yang diterima di receiver dapat digambarkan seperti rumus berikut ini: K r ( i) A b ( i) s n ( i) j1 j j j..(1) Dimana: - adalah amplitude yang diterima oleh user ke j - adalah symbol(±1) yang dikirim oleh user ke j - adalah pn code ke j - Dan ň(i) adalah noise Proses untuk menemukan matched filternya dapat dilihat dalam diagram berikut ini: Gambar 2. Diagram blok PIC Sinyal output pada keluaran stage 1 adalah sbb: y 1 k r ( t Tb ) K i1 i k ki y i...(2) 2.3 Kode Konvolusi Pada Convolutional Code bit-bit pesan yang diterima secara kontinyu akan dioperasikan untuk bisa manghasilkan aliran bit-bit output yang kontinyu juga. Proses encoding yang dieterapkan melakukan operasi biner yang khusus pada bit-bit masukan (sumber dikonvolusi) sehingga menghasilkan deretan bit keluaran. Jadi, bit-bit output tidak hanya bergantung pada bit-bit yang sedang diproses saja, melainkan juga bergantung pada deretan sebelumnya dari bit-bit sumber. Dengan demikian dibutuhkan suatu bentuk dari memori. Dalam prakteknya bentuk memori ini dapat berupa shift register dengan panjang tertentu yang dikenal dengan nama constrain length dan konvolusi yang dilakukan adalah dengan membentuk dua buah adder modulo-2 yang melakukan operasi XOR. Kode konvolusi berbeda dari kode blok yaitu pengkodean kode konvolusi dengan n keluaran pada suatu waktu tertentu tidak hanya tergantung pada k masukan pada waktu itu tetapi tergantung m blok masukan sebelumnya. Kode konvolusi (n,k,m) bisa diimplementasi dengan suatu rangkaian linear k-masukan, n keluaran dengan memori masukan m. Khususnya, n dan k adalah bilangan bulat kecil dengan k < n, tetapi tingkat memori harus dibuat cukup besar untuk mencapai probability error yang rendah. Pada kondisi k = 1, deretan pesan tidak dibagi menjadi blok-blok melainkan bisa diproses secara kontinyu. 2

3 2.3.1 Enkoder Konvolusi Kode konvolusi data dilakukan menggunakan shift register dan gerbang logika yang melakukan Modulo-dua tambahan. (Sebuah shift register hanyalah rantai di mana output dari flip-flop terikat pada masukan dari (n +1) flip-flop. Setiap kali terjadi clock, input pada rangkaian flip-flop adalah clock melalui output, dan dengan demikian data bergeser lebih dari satu tahap.) gerbang logika yang sering digunakan adalah gerbang EX-OR. Sekarang kita memiliki dua komponen dasar konvolusi encoder (flip-flop terdiri dari shift register dan gerbang EX-OR dan dua modulo adder) didefinisikan Seperti gambar dibawah ini merupakan contoh dari bentuk rangkaian convolutional encoder generator yang terdiri dari 2 buah shift register: memiki hamming distance paling minimumlah yang akan dipilih sebagai deretan bit outputnya. Pada dasarnya trellis diagram selalu mempunyai dua buah path untuk tiap node. Pathpath yang tidak terputus merupakan survivor path yang berguna untuk menentukan decoding path dalam trellis diagram. Path yang dipilih sebagai path hasil decoding adalah path yang tidak terputus sepanjang trellis diagram dan memiliki aggregate Hamming distance minimum. Algoritma pencarian path seperti ini disebut algoritma Viterbi, sedangkan decoder yang berfungsi untuk menemukan path yang paling mirip dengan deretan bit yang telah diterima dikenal dengan nama maximum-likelihood decoder. Jadi secara sederhana convolutional code dengan algoritma viterbi digunakan untuk menhitung banyaknya kesalahan yang terjadi pada saat transmisi data. Tabel 2. Penentuan Next State Gambar 3. Blok diagram encoder konvolusi (2,1,2) Output selektor (SEL A / B blok) melalui dua state,state pertama memilih output dari dua modulo adder yang atas(upper), state kedua memilih output dari dua modulo bawah(lower). Berikut adalah table yang memperlihatkan state dari encoder konvolusi (2,12). Tabel 1. State dari kode konvolusi (2,1,2) Input State Kini 0 1 Output/State Transisi Output/State Transisi /00 11/00 11/01 00/01 10/10 01/10 01/11 10/ Dekoder Konvolusi (Algoritma Viterbi) Fungsi dari decoder adalah untuk menetukan deretan bit output yang paling mirip dengan aliran bit input yang diberikan dan pengetahuan dari encoder yang digunakan oleh sumber. Proses decoding equivalen adalah dengan membandingkan deretan bit yana diterima dengan deretan bit yang mungkin dihaslkan pada proses encoder dan memilih deretan bit yang paling dekat dengan deretan bit yang diterima. Untuk menentukan deretan bit yang paling dekat adalah dengan cara menhitung hamming distancenya. Deretan bit yang Tabel 3. Penentuan Output Symbol Dari tabel diatas dapat ditentukan next state dari current satate yang telah diberi input 0 / 1, dan nilai dari output symbol tersebut sesuai dengan tabel diatas yang terdiri dari dua bit.dan dari output symbol yang diperoleh maka akan dibandingkan dengan nilai output dari encoder yang merupakan deretan bit hasil convolusional coding, perbandingan tersebut dilakukan per dua bit. Perbandingan tersebut diperoleh nilai accumulated error metric. Dan dari nilai accumulated error matric tersebut akan diambil nilai terkecil untuk menentukan jalur state untuk memperoleh bit yang asli. Dan input state yang dipilih untuk menuju berikutnya berikutnya yang lebih pendek akan diputuskan sebagai input decoder atau deretan input yang asli. Dari hasil next state diatas dapat diterapkan dalam bentuk tray list sebagai berikut: 3

4 Pada tugas akhir ini digunakan bit acak sebagai informasi sumber. Masing-masing 4 bit informasi tersebut akan menempati setiap titik pada konstelasi 16-QAM dengan peluang yang sama. Gambar 4. Penerapan trellis viterbi 3. METODOLOGI Perancangan Sistem 2.4 Modulasi 16 QAM Modulasi berfungsi untuk menyesuaikan karakteristik sinyal agar dapat dilewatkan melalui kanal dan diterima tujuan dengan baik. Pada tugas akhir ini dipilih modulasi 16 QAM(Quadrature Amplitudo Modulation) sebagai bentuk modulasi. QAM banyak digunakan untuk memenuhi pengiriman informasi yang membutuhkan efesiensi bandwidth yang tinggi karena QAM dapat memberikan kapasitas yang besar dengan mengirimkan 4 bit melalui 1 simbol sehingga memiliki efisiensi bandwidth yang lebih baik dibandingkan Binary Phase Shift Keying (BPSK) atau Quadrature Phase Shift Keying(QPSK). Kendala utama penggunaan modulasi dengan efisiensi bandwidth tinggi adalah sinyal informasi yang ditransmisikan dapat teredam oleh fading sehingga menyulitkan deteksi sinyal. Namun dengan adanya teknik diversity maka fading yang mempengaruhi sinyal informasi dapat ditekan. Gambar berikut menunjukkan blok diagram dari modulator QAM: PN code start NN = Jumlah Bit Info User= Jumlah pengguna SNR_dB Konvolusi encoder spreading Nilai SNR_dB ya Modulator 16 QAM Kanal rayleigh fading, AWGN dan MAI tidak Demodulator 16 QAM PN code despreading Gambar 5. blok diagram dari modulator QAM MUD PIC Dari blok diagram diatas dapat dinyatakan dalam sebuah persamaan : Dekoder viterbi s(t) = d1(t)cos2πfct + d2(t)sin2πfct..(3) Perhitungan error Perhitungan Ni;ai sebagai Fungsi SNR end Gambar 6. Konstelasi 16-QAM 4 Gambar 7. Flowchart Simulasi sistem

5 Gambar 8. Blok diagram sistem Dalam sistem ini sinyal setelah dibangkitkan secara random, data akan masuk kedalam encoder kode konvolusi dengan rate yaitu ½. Lalu data akan di spreading oleh Pseudonoise code yaitu gold code 31. Sebelum sinyal ditransmisikan melalui kanal sinyal harus dimodulasikan terlebih dahulu.menggunakan modulasi 16 QAM. Setelah menjadi sinyal termodulasi data akan dikirimkan melalui kanal dengan nosie AWGN dan Rayleigh fading. Dimana nosie AWGN adalah noise yang disebabkan oleh panas. Sehingga data yang dikirimkan terdapat perubahan data yang dikirim atau dengan kata lain data menjadi error. Sedangkan Rayleigh fading adalah distribusi dari multipath fading yang terjadi selama proses transmisi dikarenakan terjadinya pemantulan dan pergerakan sinyal pada benda-benda penghalang sebelum sampai pada receiver. Pada sisi penerima akan terjadi proses sebaliknya yaitu data akan diterima oleh demodulasi 16 QAM kemudian data akan di despreading dengan PN code yang sama. Setelah itu data akan dilewatkan ke proses Multiuser Detection terlebih dahulu untuk menyeleksi satu pesan dari 1 user yang ingin didapatkan dengan cara pengurangan. Setelah itu baru masuk ke proses decoder kode konvolusi dalam hal ini menggunakan algoritma viterbi untuk mendapatkan estimasi data yang dikirim. 4. HASIL DAN ANALISA 4.1 Pengujian encoder kode konvolusi pada sistem (PIC) pada stage 3 melalui kanal flat Rayleigh fadingdengan modulasi 16 QAM kode konvolusi sistem PIC MUD CDMA modulasi 16 QAM stage 3 dengan konvolusi tanpa konvolusi E b / N o (db) Gambar 9. Hasil Simulasi Kinerja dengan dan tanpa kode konvolusi (2,1,2) pada kanal Flat Rayleigh Fading Dari hasil simulasi dengan dan tanpa konvolusi pada sistem PIC MUD CDMA dengan modulasi 16 QAM dapat dilihat pada gambar grafik diatas. Dimana grafik berwarna merah untuk kondisi tanpa konvolusi dan grafik berwarna merah muda untuk kondisi dengan konvolusi. Dari bemtuk kedua grafik diatas sudah terlihat bahwa kinerja sistem dengan konvolusi lebih baik dari 5

6 pada kinerja sistem tanpa konvolusi. Untuk memenuhi standart sistem komunikasi suara yaitu mencapai pada kondisi dengan konvolusi membutuhkan SNR 10 db sedangkan pada kondisi tanpa konvolusi memebutuhkan SNR lebih besar yaitu 29 db. Dari sini dapat dilihat bahwa kinerja kinerja sistem dengan konvolusi lebih baik 19 db dari pada kinerja sistem tanpa kode konvolusi. 4.2 Pengujian encoder kode konvolusi pada sistem parallel interference cancellation (PIC) MUD pada stage 3 melalui kanal AWGN dan flat Rayleigh fading kode konvolusi sistem PIC MUD CDMA modulasi 16 QAM stage 3 kanal Rayleigh kanal AWGN E b / N o (db) Gambar 10. Hasil Simulasi Kinerja kode konvolusi (2,1,2) pada kanal AWGN dan flat Rayleigh fading Dari hasil simulasi kode konvolusi pada sistem PIC MUD CDMA dengan modulasi 16 QAM yang melalui kanal AWGN dan Flat Rayleigh Fading dapat dilihat dari bentuk gambar grafik diatas bahwa kinerja sistem lebih baik ketika melalui kanal AWGN (grafik berwarna biru) dari pada ketika melalui kanal Flat Rayleigh Fading (grafik warna hijau). Untuk nilai terhadap SNR pada saat melalui kanal AWGN nilai nya cenderung lebih cepat turun dengan nilai SNR yang rendah sedangkan pada saat melalui kanal Flat Rayleigh Fading nilai untuk turun membutuhkan nilai SNR yang lebih besar. Untuk memenuhi standart sistem komunikasi suara mencapai pada kanal AWGN diperlukan SNR sebesar 3 db sedangkan pada kanal Flat Rayleigh Fading diperlukan SNR sebesar 9,25 db. 4.3 Pengujian encoder kode konvolusi pada sistem parallel interference cancellation (PIC) pada stage 1,2 dan 3 melalui kanal flat Rayleigh fading dengan modulasi 16 QAM kode konvolusi sistem PIC MUD CDMA modulasi 16 QAM tiap stage stage1 stage2 stage E / N (db) b o Gambar 11. Hasil Simulasi Kinerja kode konvolusi (2,1,2) parallel interference cancellation (PIC) MUD tiap stage Dari hasil simulasi kinerja kode konvolusi pada PIC stage 1,2 dan 3 dengan modulasi 16 QAM melalui kanal Flat Rayleigh fading didapatkan gambar grafik seperti diatas dimana grafik berwarna merah untuk PIC stage 1, grafik berwarna hijau untuk PIC stage 2 dan grafik berwarna biru untuk PIC stage 3. Dari ketiga grafik tersebut terlihat bahwa kinerja sistem PIC stage 3 menghasilkan grafik yang lebih baik dari pada PIC stage 1 dan 2. Untuk memenuhi standart sistem komunikasi suara yaitu mencapai pada PIC stage 1 membutuhkan SNR sebesar 13 db, pada PIC stage 2 membutuhkan SNR sebesar 10 db sedangkan untuk PIC stage 3 hanya membutuhkan SNR sebesar 9 db. 4.4 Pengujian perbandingan kinerja kode konvolusi pada sistem parallel interference cancellation (PIC) stage ke-3 melalui kanal flat Rayleigh fading dengan modulasi 16 QAM dan 15,17,20 user aktif kode konvolusi sistem PIC MUD CDMA modulasi 16 QAM stage 3 user 15 user 17 user E b / N o (db) Gambar 12. Hasil Simulasi kinerja kode konvolusi (2,1,2) pada parallel interference cancellation (PIC) MUD untuk perbandingan user 6

7 Dari hasil simulasi kinerja kode konvolusi pada sistem PIC MUD CDMA stage 3 dengan modulasi 16 QAM untuk user 15,17 dan 20 user aktif melalui kanal Flat Rayleigh Fading didapatkan gambar grafik diatas. Dimana grafik berwarna hijau untuk 20 user aktif, garfik berwarna merah untuk 17 user aktif dan grafik berwarna merah muda untuk 15 user aktif. Dari perbandingan ketiga grafik diatas dapat dilihat untuk 20 user aktif hasilnya lebih jelek dibanding 15 user aktif dan 17 user aktif. Sedangkan untuk 17 user aktif hasilnya lebih jelek jika dibandingkan dengan 15 user aktif. Sehingga dapat dikatakan bahwa semakin banyak user hasil kinerja sistem akan semakin jelek. Sehingga jika dilihat dari nilai SNR-nya pada SNR 4 db dengan 15 user aktif -nya 2,2x dan pada 17 user aktif -nya mencapai 7,9x, dan untuk 20 user aktif -nya hanya mencapai 1,63x. Jadi untuk kapasitas 20 user aktif dengan sesuai standart sistem komunikasi suara yaitu maka dibutuhkan nilai SNR yang lebih besar. 5. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan analisa yang telah dilakukan, maka dapat di berikan beberapa kesimpulan: 1. Penggunaan kode konvolusi pada sistem PIC MUD CDMA dengan modulasi 16 QAM melalui kanal Flat Rayleigh Fading menghasilkan yang lebih baik 19 db dari pada tanpa menggunakan kode konvolusi. Hal ini mengindikasikan bahwa kode konvolusi dapat mengatasi interferensi yang disebabkan oleh fading pada saat melalui kanal Flat Rayleigh Fading yang bersifat meredam sinyal yang diterima sehingga berpengaruh besar pada sinyal informasi yang ditransmisikan. 2. Kinerja kode konvolusi dengan teknik PIC MUD CDMA pada penerima dengan modulasi 16 QAM melalui kanal Flat rayleigh fadingmenunjukkan bahwa semakin banyak stage yang digunakan pada proses PIC maka semakin baik hasil kinerja sistem secara keseluruhan. Hal ini dapat terlihat pada PIC stage 3 lebih baik 4 db dibandingkan dengan PIC stage 1. Sehingga membuktikan bahwa teknik PIC MUD ini dapat mengatasi adanya pengaruh MAI yang ada pada penerima. 3. Kinerja kode konvolusi pada sistem PIC stage 3 dengan modlulasi 16 QAM melalui kanal Flat Rayleigh Fading untuk jumlah user aktif yang berbeda-beda menunjukkan bahwa semakin banyak user aktif yang digunakan maka kinerja sistem secara keseluruhan menjadi semakin buruk. Sehingga untuk kapasitas user semakin banyak diperlukan nilai SNR yang lebih besar pula untuk mencapai. DAFTAR PUSTAKA : [1] Hernández, G Leija, Badaoui, M and friend, Performance Analysis of Convolutional Coding in CDMA Communication Systems, Journal of Vectorial Relativity, [2] Divsalar, Dariush and friends, Improved Parallel Interference Cancellation for CDMA, IEEE Transaction On Communications, February [3] Duel-Hallen, Alexandra, Holtzman, Jack and Zvonar, Zoran Multiuser Detection for CDMA Systems, IEEE Personal Communication, April [4] Riati, Rina, Analisa Kinerja Kode Konvolusi pada Sistem Successive Interference Cancellation Multi User Detection CDMA Berbasis Perangkat Lunak, Proyek Akhir PENS ITS,2010 [5] Dingankar, Asif and Anil Kumar, Ravi, Digital Communications-Multiuser Detection for Synchronous CDMA, ECPE [6] Duel-Hallen, Alexandra and Holtzman, Jack, Multiuser Detection for CDMA Systems, IEEE Personal Communication, April [7] Santoso, Gatot, Sistem Seluler CDMA, Graha Ilmu, [8] Marius Pop, Statistical Analysis of Sum-of Sinusoids Fading Channel Simulators, February, [9] Chandra Wilman, Simulasi dan Pemodelan pada Kanal Multipath Rayleigh Fading, [10]Luluk Faridah, Pembuatan Modul Praktikum Teknik Modulasi Digital 8-QAM, 16-QAM, dan 64-QAM dengan Menggunakan Software,