KINERJA SISTEM MUD-PIC MULTICARRIER CDMA DENGAN MODULASI QPSK

Transkripsi

1 KINERJA SISTEM MUD-PIC MULTICARRIER CDMA DENGAN MODULASI QPSK Oktavia Ayu Permata 1, Yoedy Moegiharto 2 1 Mahasiswa Politeknik Elektronika Negeri Surabaya,Dosen Teknik Telekomunikasi 2 Teknik Telekomunikasi,Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS, Surabaya oktaviayu@ymail.com Abstrak Tugas akhir ini menggabungkan sistem MC CDMA dengan MUD-PIC sehingga fading dan MAI dapat dihilangkan dalam sekali proses. Dari hasil simulasi dapat diketahui bahwa 5 user dengan SNR 21 db lebih baik 1.5 db daripada 15 user dan lebih baik 2.5 db daripada 25 user untuk BER Untuk perbandingan jumlah subcarrier pada sistem didapatkan bahwa subcarrier 63 dengan SNR 20 db lebih baik 2 db daripada subcarrier 31 dan lebih baik 4.5 db daripada subcarrier 7 untuk BER Dengan perbandingan jumlah stage didapatkan bahwa stage 2 dan stage 3 dengan SNR 22.5 db lebih baik 0.5 db daripada stage 1 untuk BER Untuk perbandingan kanal didapatkan bahwa pada stage ke 3 untuk BER 10-3, kanal AWGN lebih baik 20.6 db daripada kanal Rayleigh fading. Kata kunci : Multicarrier CDMA (MC-CDMA), Multiple Access Interference (MAI), Multiuseer Detection-Parallel Interference Cancellation (MUD-PIC), QPSK 1. Pendahuluan Pada sistem komunikasi CDMA beberapa pengguna berkomunikasi menggunakan waktu dan frekuensi yang sama secara bersamaan. Untuk membedakan pengguna satu dengan yang lainnya diberikan sebuah kode (Pseudorandom Code) pada masing-masing pengguna. Ketika jumlah pengguna dalam kanal frekuensi yang sama meningkat maka proses komunikasi akan rentan terhadap interferensi. Interferensi tersebut berasal dari pengguna lain yang tidak di inginkan atau lebih dikenal dengan MAI (Multiple Access Interference). Untuk membuang MAI digunakan salah satu metode detektor yakni MUD-PIC (Multiuser Detection Parallel Interference Cancellation). Proses komunikasi CDMA yang menggunakan media transmisi udara menyebabkan sinyal yang diterima mengalami pelemahan (fading). Fading dapat menyebabkan sinyal yang diterima cacat. Untuk mengatasi masalah fading digunakan sistem MC-CDMA (Multicarrier - CDMA) yang merupakan pengembangan dari sistem CDMA yang bertujuan untuk peningkatan kinerja atas multipath link. Sehinggga diharapkan pada sisi penerima mendapatkan sinyal terbaik dari hasil pemberian sinyal carrier. Tugas Akhir ini menggabungkan sistem MUD- PIC dengan MC-CDMA dengan menggunakan modulasi QPSK. Serta mengevaluasi kinerja dari sistem gabungan tersebut menggunakan kanal AWGN (Additive White Gaussian Noise) dan Rayleigh fading dengan bantuan program simulasi Matlab sehingga diperoleh sebuah software simulasi yang menghitung probabilitas nilai BER (Bit Error Rate) sebagai fungsi S/N ratio untuk jumlah user, stage dan subcarrier yang berbeda. 2. Teori Penunjang 2.1 Proses Spreading Inti dari sistem spread spectrum adalah penyebaran energi data pada sisi pengirim dan pengembalian ke bentuk narrowband pada sisi penerima. Spreading code sequence digunakan dalam proses tersebut. Jika terdapat banyak user yang mengakses sistem, setiap code sequence yang digunakan harus dapat dibedakan dari code sequence user lain dan idealnya kode tersebut tidak menyebabkan adanya interferensi antar user yang berbagi kanal. Proses spreading dilakukan dengan cara mengalikan secara XOR dengan Pseudo-Noise code (PN code). Kode PN adalah rangkaian bit dengan kecepatan tinggi yang bernilai polar dari 1 ke -1 atau non polar 1 ke 0. Kode PN yang mempunyai satuan chip, merupakan sinyal penyebar sinyal informasi dan digunakan untuk membedakan antara kanal pengguna satu dengan yang lainnya. PN code dari user ke- untuk proses spreading dinotasikan sebagai : (1) dimana menunjukkan gain. Jadi pada sistem MC CDMA, jumlah gain adalah sama dengan jumlah subcarrier ( ) [1]. Output dari proses spreading ini dinotasikan sebagai. (2) 1

2 2.2 Modulasi QPSK Dengan QPSK memungkinkan mempunyai empat output phase untuk sebuah single carrier. Karena mempunyai empat output phase yang berbeda, maka harus mempunyai empat kondisi input berbeda. Agar mempunyai empat kondisi input yang berbeda, maka setiap deretan bit input diambil setiap 2 group bit. Dengan 2 group bit, maka kondisi input yang mungkin adalah: 00 ; 01 ; 10 ; 11. Setiap dibit (dua) bit code menghasilkan satu dari empat output phase yang dihasilkan. Karena setiap 2-bit dipisahkan ke masing-masing modulator, maka rate output (baut rate) adalah setengah dari bit rate input [13]. Untuk logika 1 = +1V dan logika 0 = -1V. Dua phase yang mungkin pada output ballanced modulator I adalah: +sinω c t dan -sinω c t (3) dan dua phase yang memungkinkan pada output ballanced Q adalah +cosω c t dan -cosω c t (4) 2.3 IFFT Sistem MC-CDMA adalah sistem multicarrier, sehingga membutuhkan suatu modulator untuk meletakan data yang akan dikirimkan ke dalam subcarrier-subcarrier tertentu. Input dari blok fungsi IFFT adalah matriks berukuran m x n yang merupakan hasil proses modulasi. Kolom n menyatakan panjang data yang ditransmisikan. Baris m menyatakan panjang kode spreading. Output dari blok fungsi IFFT merupakan bentuk sinyal MC-CDMA dalam domain waktu. Jumlah titik IFFT merupakan banyaknya sampel untuk satu symbol yang akan menjadi output dari blok fungsi IFFT. IFFT digunakan untuk mengalihragamkan sinyal dari domain frekuensi ke domain waktu [14]. 2.4 Kanal AWGN Kanal AWGN yaitu kanal ideal hanya memiliki noise AWGN (Additive White Gaussian Noise) didalamnya. Untuk sinyal masukan yang kompleks, blok saluran AWGN berhubungan Eb/N0, Es/N0, dan SNR menurut persamaan berikut: Es/N0=(Tsym/Tsamp) SNR Es/N0 = Eb/N0 + 10log10 (k) dalam db (5) Dimana, -. Es = Sinyal Energi (Joule) -. Eb = Bit Energi (Joule) -. No = Kepadatan spektral daya kebisingan (Watt/Hz) -. Tsym = periode symbol parameter blok di Es -. k = M-ary atau jumlah total simbol yang mungkin diperoleh -. Tsam = waktu sampel dalam hitungan detik 2.5 Kanal Rayleigh Fading Fading merupakan fluktuasi amplitudo sinyal secara cepat dalam periode waktu tertentu yang disebabkan oleh diterimanya dua atau lebih sinyal yang sama oleh receiver (delay spread signal) akibat banyaknya lintasan signal (multipath propagation). Fading juga dapat terjadi karena efek doppler, yang terjadi jika user bergerak dengan kecepatan relatif terhadap base station. Fading atau fluktuasi sinyal dalam komunikasi wireless dapat dimodelkan dengan distribusi Rayleigh, yang juga diturunkan dari distribusi Gaussian. Rayleigh Fading terjadi jika tidak ada jalur Line of Sight (LOS) yang dominan antara transmitter dengan receiver [15]. Rayleigh fading dapat ditentukan dengan persamaan di bawah ini : h = h re +jhi m (6) dimana bagian h re dan jh im mempunyai nilai distribusi Gaussian dengan nilai mean= FFT Jika pada sisi pengirim menggunakan IFFT maka pada sisi penerima menggunakan Fast Fourier Transform (FFT) dimana proses ini akan mengalihragamkan sinyal yang diterima dalam domain waktu dijadikan ke dalam domain frekuensi [14].Dalam matlab pembangkitannya menggunakan fungsi fft. 2.7 Demodulasi QPSK Sinyal QPSK mengalami proses demodulasi didalam product detector I dan Q, yang mana akan menghasilkan bit data I dan Q. Output product detector diberikan ke rangkaian kombinasi bit dimana akan mengkonversi dari data paralel dari channel I dan Q ke deretan data biner serial. Sinyal QPSK yang diterima mempunyai 4 kemungkinan output phase seperti sebelumnya. Sebagai contoh: Sinyal QPSK yang diterima (-sinω c t +cos ω c t) merupakan input product detector I, input yang lain dari carrier recovery adalah (sinω c t). Maka output untuk product detector I adalah: I = -½ Vdc ( logika 0 ) (7) Sedangkan untuk kanal Q sebagai contoh, sinyal QPSK yang diterima adalah (-sinω c t +cos ω c t) merupakan input product detector Q, input yang lain dari carrier recovery digeser phase 90 o menjadi (cos ω c t).maka output untuk product detector Q adalah: Q = ½ Vdc ( logika 1 ) (8) 2.8 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 2

3 pendek/singkat dalam memproses delay. Pada sistem DS-CDMA dimana terdapat k user memancarkan informasi mereka secara synchronous bersama dengan additive white Gaussian noise (AWGN) dalam satu channel [12]. Sinyal input untuk PIC berupa keluaran dari proses demodulasi MC CDMA. Proses untuk menemukan matched filternya dapat dilihat dalam diagram berikut ini: Gambar 1. Blok diagram proses PIC Berdasarkan output dari conventional detector, yaitu penerima MC CDMA, diputuskan level amplitudo sinyal pada semua pengguna secara paralel. Dilakukan proses regenerate/ respreading setiap sinyal pengguna dengan mengalikan sinyal yang diterima dengan masing-masing PN code sesuai dengan PN code pada transmitter. Mengurangi sinyal yang diterima dengan penjumlahan seluruh sinyal hasil spreading yang tidak diinginkan. Misalnya, jika ingin didapatkan sinyal dari user1, maka seluruh sinyal hasil spreading, kecuali sinyal user1 akan dijumlahkan untuk dikurangkan ke sinyal yang diterima r(t-t b ). Proses ini dilakukan ke seluruh user secara paralel. Sinyal kemudian melalui Matched Filter Bank (MFB) untuk dikalikan dengan PN code sehingga kembali menjadi bentuk bit dan kemudian diputuskan levelnya, untuk level di atas 0 menjadi 1 sedangkan untuk level di bawah 0 menjadi Rencana Pembuatan Sistem Pembuatan sistem ditunjukkan oleh blok diagram sistem berikut. Hitung bit error (x) BER = x/n Compare data input dan data output Data output bit x Modulasi Data Input QPSK PIC spreading x despreading Demodulasi QPSK Gambar 2. Blok Diagram Sistem MUD- PIC MULTICARRIER CDMA dengan QPSK FFT IFFT + Derau AWGN Kanal Rayleigh Fading Dari gambar 2 dapat diketahui bahwa pada bagian pemancar terdiri dari proses spreading, blok modulasi, dan blok IFFT. Kemudian pada saat proses transmisi melewati kanal Rayleigh fading dan AWGN. Pada bagian penerima terdiri dari blok FFT, blok demodulasi, proses despreding, dan blok PIC. 3.1 Pembuatan Sistem a. Pemancar Sistem 1. Pembangkitan data input Proses pembangkitan bit pada simulasi tugas akhir ini dibangkitkan secara acak atau random dengan menggunakan perintah rand pada Matlab dengan state tertentu sehingga hasilnya akan saling bebas dan tidak mempengaruhi satu dengan yang lain serta memungkingkan untuk pengulangan atau mendapatkan data yang sama pada state yang sama.bit yang dibangkitkan mempunyai nilai 0 dan 1 yang merupakan representasi dari sinyal digital. Jumlah bit yang dibangkitkan sebanyak bit yang dinotasikan dengan d. 2. Pembangkitan goldcode 31 dan proses spreading PN code diinisialisasikan dengan (9) Input bit yang telah dikalikan dengan PN code menghasilkan deretan chip. Dimana menunjukkan gain. Jadi pada sistem MC CDMA, jumlah gain adalah sama dengan jumlah subcarrier ( ) [1]. Output dari proses spreading ini dinotasikan sebagai. (10) 3. Proses modulasi dengan subcarrier Pada proses modulasi QPSK, data chip hasil spreading code untuk masing-masing kombinasi processing gain dibagi menjadi 2 kanal. Pembagian kanal ini dilakukan secara urut, bit pertama masuk ke kanal 1, bit kedua masuk ke kanal 2 dimana untuk kanal Q dan kanal I dikalikan dengan sinyal carrier masing-masing. Untuk kanal Q dikalikan dengan sinyal cosinus, sedangkan untuk kanal I dikalikan dengan sinyal sinus. Hasil dari kedua kanal ini kemudian dijumlahkan. (11) 4. Proses IFFT Setelah proses modulasi sinyal diolah ke dalam proses IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) dimana sinyal dalam domain frekuensi diubah ke dalam domain waktu [11]. 3

4 (12) IFFT digunakan untuk mempercepat perhitungan. b. Penambahan noise kanal Setelah melalui proses IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) kemudian ditambahkan noise Rayleigh Fading, dimana noise ini juga mengandung noise AWGN. Pada simulasi ini, pembangkitan Rayleigh Fading dan AWGN secara teoritis dilakukan dengan menentukan besarnya signal to noise ratio (SNR) dalam bentuk linier terlebih dahulu, dimana SNR ini adalah perbandingan daya sinyal dengan daya noise. Noise yang didapat selanjutnya dijumlahkan dengan sinyal. Karena operasi yang digunakan adalah penjumlahan antara noise terdistribusi normal atau Gaussian dengan sinyal informasi, maka noise ini disebut dengan Additive White Gaussian Noise (AWGN). (13) Dimana J menunjukkan jumlah user yang aktif dan n(t) menunjukkan noise AWGN dan h(t) menunjukkan noise Rayleigh fading. c. Penerima Sistem 1. Proses demodulasi dengan subcarrier Proses demodulasi dengan subcarrier dilakukan dengan menempatkan hasil proses FFT ke dalam kanal Q dan kanal I. Kanal Q berisi data real sedangkan kanal I berisi data imaginer. Setelah dibagi menjadi dua kanal dan diambil masingmasing data real dan imaginer, data di deretkan kembali ke dalam satu bandwidth. 2. Proses despreading Proses despreading adalah proses perkalian antara sinyal hasil demodulasi dengan PN code yang digunakan pada waktu spreading di bagian transmisi. Proses despreading dilakukan untuk mendapatkan bandwidth asli dari sinyal. PN code yang digunakan haruslah sama dengan PN code yang digunakan pada saat spreading untuk mendapatkan sinyal user yang diamati [1]. dengan (14) (15) disini, y n dan n n adalah komponen kompleks baseband dari sinyal yang diterima setelah konversi dengan subcarrier sinkronisasi frekuensi dan kompleks AWGN noise pada n-th subcarrier. Secara berturut turut, z j dan A j adalah kompleks dari n-th adalah subcarrier dan simbol yang ditransmisikan untuk j-th user, dan J adalah jumlah dari aktif user. Dapat di asumsikan z j =zm (j=1,2,..,j) pada kanal downlink. Proses despreading dalam sistem ini merupakan input untuk proses PIC. Sehingga nilainya diubah ke dalam bentuk Parallel Interference Cancellation (PIC) Sinyal yang diterima (yang diinginkan) pada proses PIC diambil dari hasil proses demodulasi multicarrier CDMA yakni dalam bentuk integer. Sinyal ini diubah bentuknya menjadi 1 x m*n, dimana m adalah panjang PN code yang digunakan dan n adalah panjang bit data. Proses despreading yang ditulis sebelumnya, menjadi input PIC untuk MAI (Multiple Access Interference) yang merupakan user yang tidak diinginkan. Hasil despreading di looping sejumlah user. Kemudian dijumlahkan. Proses PIC pada stage 1 berjalan dengan mengurangkan sinyal yang diterima dengan MAI. Pada stage 2, proses PIC berjalan dengan mengurangkan sinyal yang diterima (yang diinginkan) dengan MAI yang berasal dari output sinyal pada stage 1 yang telah di looping sejumlah user dan dijumlahkan. Cara kerja yang digunakan untuk stage selanjutnya adalah sama. Setelah melalui proses stage yang outputnya dalam bentuk 1-1, sinyal di ubah ke dalam bentuk 0 1 dengan bantuan fungsi find pada matlab. Misal output sinyal setelah proses PIC untuk j atau k user = 4 didapatkan [3] : Stage 1, misal pengguna 1 yang diamati [14] K ( 1) yk = yk y i= 1 i k ki i (16) 4 ( 1) y1 = y1 1 i yi i= 2 = y1 12 = y1 12 ( 13 y3+ 14 y4) ( 13 y3+ 14 y4) ( 1) y = y ( y + y + ) y4 1 y3 = y3 31y y4 ( 1) y4 = y4 ( 41y y3) = ( ) ( ) =R I y (1) = y (R I)y (17) Seterusnya, Stage 2, misal pengguna 1 yang diamati y (2) = y (R I)y (1) dst (18) 4

5 4. Perhitungan Error Proses terakhir dalam sistem ini adalah perhitungan error. Perhitungan error yang merupakan BER (Bit Error Rate) dihitung dengan cara membagi size data akhir dengan jumlah bit data. Size data didapat dari proses pengurangan data awal sebelum proses multicarrier CDMA dengan data setelah proses stage. Hasil pengurangan data tersebut bernilai absolut dalam bentuk Blok Diagram Sistem a. Transmitter b. Receiver Gambar 3. Blok Diagram Sistem 3 Pengujian Sistem dan Pembahasan 3.1 Hasil simulasi sistem untuk perbandingan jumlah user. Hasil dari pengujian sistem untuk perbandingan jumlah user pada kanal Rayleigh fading ditampilkan pada gambar 4. Pada gambar 4 terlihat bahwa semakin banyak jumlah user mempengaruhi nilai BER yang di dapat. Untuk user 5 dengan SNR 21 db nilai BER mencapai Pada SNR 22.5 db, user 15 mencapai BER Sedangkan untuk user 25 dengan SNR 23.5 db nilai BER mencapai Perubahan nilai BER terjadi ketika jumlah user bertambah namun tidak begitu besar. Gambar 4. Hasil simulasi BER sistem untuk perbandingan jumlah user 5

6 3.3 Hasil simulasi sistem untuk perbandingan jumlah subcarrier. Hasil pengujian sistem untuk BER perbandingan jumlah subcarrier pada kanal Rayleigh fading ditampilkan pada gambar 5. Dari gambar 5 terlihat bahwa jumlah subcarrier mempengaruhi kualitas nilai BER. Pada simulasi ini digunakan user sejumlah 7. Untuk subcarrier 7 dengan SNR 24.5 db, nilai BER mencapai Pada saat SNR 22 db, subcarrier 31 mencapai BER Sedangkan pada saat SNR 24.5 db subcarrier 64 mencapai BER Nilai BER akan menurun dengan penambahan jumlah subcarrier. 3.4 Hasil simulasi sistem untuk perbandingan jumlah stage Berdasarkan hasil pengujian sistem pada kanal Rayleigh fading dengan jumlah user 20 di dapatkan data seperti yang terlihat pada gambar 7. Secara umum nilai BER pada stage 2 dan stage 3 yang terlihat pada gambar 6 adalah hampir sama. Stage 2 dan stage 3 pada SNR 22.5 db mencapai BER Sedangkan pada stage 1, untuk SNR 23 db mencapai BER Dengan penambahan jumlah stage maka nilai BER akan semakin baik. Pada gambar 6 terlihat bahwa nilai BER untuk sistem dengan MC-PIC lebih baik daripada sistem tanpa PIC (menggunakan multicarrier CDMA saja). Gambar 6. Hasil simulasi BER sistem tanpa dan dengan proses PIC Gambar 7. Hasil simulasi BER sistem perbandingan jumlah stage 3.4 Hasil simulasi sistem untuk perbandingan kanal Grafik BER sistem pada gambar 8 menunjukkan bahwa kanal yang dipakai mempengaruhi nilai BER. Pada kanal Rayleigh Fading dengan jumlah user yang dipakai 20, BER 10-3 dicapai pada SNR 25.5 db. Sedangkan pada kanal AWGN BER 10-3 dicapai pada SNR 4.9 db. Gambar 5. Hasil simulasi BER sistem perbandingan jumlah subcarrier Gambar 8. Hasil simulasi BER sistem perbandingan kanal stage 3 6

7 4 PENUTUP 5.1 KESIMPULAN Berdasarkan data yang di dapat dari hasil simulasi kinerja sistem maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Pada sistem dengan menggunakan perbandingan user di dapatkan bahwa 5 user dengan SNR 21 db lebih baik 1.5 db daripada 15 user dan lebih baik 2.5 db daripada 25 user untuk BER Untuk perbandingan jumlah subcarrier pada sistem didapatkan bahwa subcarrier 63 dengan SNR 20 db lebih baik 2 db daripada subcarrier 31 dan lebih baik 4.5 db daripada subcarrier 7 untuk BER Dengan perbandingan jumlah stage didapatkan bahwa stage 2 dan stage 3 dengan SNR 22.5 db lebih baik 0.5 db daripada stage 1 untuk BER Dengan menggunakan sistem MUD-PIC Multicarrier CDMA untuk perbandingan kanal didapatkan bahwa pada stage ke 3 untuk BER 10-3, kanal AWGN lebih baik 20.6 db daripada kanal Rayleigh fading. 5.2 SARAN Pada proyek akhir ini masih terdapat beberapa kekurangan sehingga perlu dilakukan pengembangan. Beberapa saran untuk proyek akhir ini adalah: 1. Modulasi yang digunakan adalah QPSK yang hanya bisa menghemat separuh dari bandwidth sinyal BPSK. Untuk pengembangan peningkatan kinerja sistem dapat digunakan modulasi yang lain, seperti 8PSK dan 16PSK. 2. Pemakaian bahasa pemrograman yang berbeda untuk mengetahui apakah kinerja sistem dapat bekerja baik pada bahasa pemrograman yang berbeda. [6] S. Verdu, Multiuser Detecion. Cambrige, UK: Cambrige, [7] Kim, Eunhee, Performance of Multicarrier DS CDMA System, December 2002 [8] Zhanyun Duan, Tobias Hidalgo Stitz, Mikko Valkama, and Markku Renfors, Performance Analysis of Parallel Interference Cancellation Detector in Downlink MC-CDMA Systems, Tampere University of Technology. Institute of Communications Engineering, June 9-11, 2004,Espoo-Finland [9] Feng Liu, Parallel Interference Cancellation Multiuser Detectors For DS-CDMA Communication Systems, The University of Texas at Arlington, May 2006 [10] Pratiarso Aries,"Teknik Modulasi Digital VT- 0333",Jurusan Teknik Telekomunikasi Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya [11] Frequency Division Multiplex (OFDM) Tutorial" [12] Artikel Wikipedia Rayleigh Fading, [13] ECE 4710 Lecture #32, Electrical and Computer Engineering University of Missouri [14] Ang Peter, Performance Comparison of Multiuser Detection for Synchronous CDMA with Short Code, Stanford University Faculty of Electrical Engineering, June DAFTAR PUSTAKA [1] Shinsuke Hara, Ramjee Prasad, Overview of Multicarrier CDMA, IEEE Communication Magazine, Desember [2] Alexander Duel-Hallen, Jack Holtzman, Zoran Zvonar, Multiuser Detection for CDMA System, IEEE Personal Communication, April [3]K.R.Shankar Kumar, A.Chockalingam, Parallel Interference Cancellation in Multicarrier DS- CDMA System, IEEE Communications Society, [4] Jan De Nayerlaan, Spread Spectrum (SS), Sirius Communication, Oktober [5] Jetmir Palushi, Multiuser Detection, EE613 DSP for Communications.ppt, Stevens Institute of Technology. 7