Kinerja Sistem Komunikasi Nirkabel Pita Lebar Gelombang Milimeter Menggunakan Adaptive Coded Modulation dibawah Pengaruh Hujan di Indonesia

Transkripsi

1 Kinerja Sistem Komunikasi Nirkabel Pita Lebar Gelombang Milimeter Menggunakan Adaptive Coded Modulation dibawah Pengaruh Hujan di Indonesia Suwadi 1), 2) Gamantyo Hendrantoro dan 3) Syahfrizal Tachfulloh Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Sukolilo, Surabaya ) suwadi@ee.its.ac.id; 2) gamantyo@ee.its.ac.id; 3) rizhan@elect-eng.its.ac.id Kata Kunci: Sistem Nirkabel Pita Lebar, Gelombang Milimeter, Adaptive Coded Modulation, Abstrak Kebutuhan layanan komunikasi broadband menuntut penggunaan alokasi frekuensi tinggi. Salah satu sistem komunkasi broadband adalah sistem LMDS (Local Multipoint Distribution Services) yang beroperasi menggunakan gelombang milimeter. Sistem LMDS sangat rentan tehadap redaman hujan. Indonesia memiliki curah hujan yang sangat tinggi, sehingga dalam implementasi sistem LMDS perlu dilakukan penelitian teknik mitigasinya. Pada paper ini dipresentasikan teknik MQAM adaptif dan adaptive coded modulation (ACM). Sistem ACM yang menjamin BER 10-6 pada panjang link 4 km mempunyai link availability 99,91% dengan kapasitas kanal 5,350 bps/hz. Pada kinerja sistem BER imal pada panjang link 4 km mempunyai link availability 99,90% dengan kapasitas kanal 5,2970 bps/hz. Teknik ACM mempu meningkatkan link availability dan kapasitas kanal dibandingkan teknik MQAM adaptif. I. PENDAHULUAN Sistem LMDS beroperasi pada frekuensi antara GHz, dengan menggunakan sistem akses seluler untuk arsitektur jaringannya, namun dengan receiver yang tetap. Sistem ini dapat mengirimkan sinyal dengan cepat pada bit rate 1,5 GBps saat downstream dan 200 MBps saat upstream serta sistem ini mendapati gangguan minimal. Sistem komunikasi pada pita frekuensi tinggi seperti sistem LMDS sangat peka terhadap fade (pelemahan) yang disebabkan oleh hujan, sehingga bisa memberikan efek yang signifikan pada keandalan sistem komunikasi di Indonesia yang memiliki curah hujan tinggi. Oleh karena itu, penerapan sistem LMDS di Indonesia akan menjadi permasalahan yang rumit mengingat besarnya redaman hujan yang terjadi. Dimana, semakin tinggi curah hujan rata-rata maka semakin besar pula redaman hujan yang terjadi. Beberapa teknik mitigasi pengaruh fading hujan sudah diteliti dibeberapa negara non tropis, diantaranya teknik penggunaan kendali daya untuk kompensasi fading karena hujan pada system seluler LMDS/LMCS [2]. Sistem ini dirancang untuk bekerja pada daerah nontropis dengan redaman hujan yang tidak terlalu besar. Akibatnya jika diterapkan di daerah tropis untuk system komunikasi nirkabel seluler pada gelombang milimeter akan terjadi nilai BER yang terlalu besar. Penelitian [1] hanya menerapkan kendali daya yang berbasis AGC (automatic gain control) untuk mengatasi efek redaman hujan. Sistem mereka membedakan pelanggan dekat dan jauh dengan tujuan untuk membagi rentang dinamis AGC ke dalam dua segmen yang lebih sempit. Sistem ini tidak memanfaatkan modulasi adaptif maupun pengodean adaptif sehingga tidak dapat mencapai penggunaan sumber daya yang efisien. Teknik cell-site diversity juga telah terbukti sangat efektif untuk melawan pengaruh redaman yang diakibatkan oleh hujan di daerah non tropis [7]. Sistem transmisi adaptif menggunakan variasi laju data dan variasi daya pada sistem M-QAM telah diterapkan untuk mengatasi Rayleigh fading untuk mendapatkan efisiensi spektrum serta unjuk kerja yang optimum [4]. Teknik modulasi MQAM adaptif pada kanal komunikasi gelombang milimeter telah digunakan untuk mengoptimalkan efisiensi spektrum atau kapasitas kanal dibawah pengaruh hujan di Indonesia [10]. Pada penelitian ini dilakukan evaluasi teknik modulasi dan pengkodean adaptif dengan menggunakan kode rangkap Red Solomon dan Kode Konvolusional yang aplikasikan pada sistem komunikasi nirkabel pita lebar gelombang milimeter dibawah pengaruh SNUBL, Jakarta, Agustus 2009 E - 1

2 Tabel 1 Parameter sistem LMDS jarak 1 km (k=1, dan T 0 =298 K) Parameter Units Formula Value Transmit Power into Antenna dbw Ptx : transmit power per carrier 0 Transmit Antenna Gain dbi Gt : Gant 15 Frequency GHz f : Transmit frequency 30 Path Length Km d : Hub to Subscriber Station Range 1 Field Margin db Lfm : Antenna Misalignment -1 Free Space Loss db FSL = *log(f)-20*log(d) Total Path Loss db Ltot = FSL + Lfm Receiver Antenna Gain dbi Gr = Gant 30 Effective Bandwidth MHz BRF = Receiver Noise Bandwidth 40 Receiver Noise Figure db NF : Effective Noise Figure 5 Thermal Noise dbw/mhz 10*log(k*To*B) Systems Loss db Lsys = Gt+Ltot+Gr Received Signal Level dbw RSL = Ptx+Lsys Thermal Noise Power Spectral Density dbw/mhz No = 10*log(k*To*B)+NF SNR Clear Sky db C/N = RSL-No-10*log(BRF) redaman hujan di Indonesia, kususnya dilakukan pengukuran curah hujan di Surabaya. II. MODEL SISTEM A. Sistem Nirkabel Pita Lebar Gambar 1 menunjukkan sistem LMDS yang diud dalam penelitian ini. Frekuensi yang digunakan adalah sekitar 30 GHz yang merupakan pita frekuensi yang rentan terhadap efek redaman hujan. Lintasan radio antara base station dan suatu terminal pelanggan tetap berada dalam kondisi line-of-sight dan dapat mengalami redaman tambahan jika terjadi hujan. Terminal-terminal pelanggan dibagi ke dalam dua kategori, yaitu pelanggan dekat dan pelanggan jauh. Pelanggan dekat menggunakan sistem MQAM adaptif, sedangkan pelanggan jauh menggunakan sistem ACM. Sistem LMDS sangat sesuai untuk daerah perkantoran, kampus dan daerah yang memerlukan bandwidth sangat lebar (broadband wireless). BS User dekat User Jauh Gambar 1. Sistem Nirkabel Pita Lebar Parameter parameter sistem LMDS yang digunakan untuk perhitungan harga SNR pada jarak L Km adalah dengan menggunakan perhitungan yang bersumber dari Chu Y.C. Dalam penelitiannya Chu menggunakan parameter LMDS yang diproduksi oleh New Bridge Corporation Canada [3] B. Sistem MQAM Adaptif dan ACM Sistem nirkabel pita lebar gelombang milimeter yang dievaluasi bekerja pada frekuensi 30 GHz. Metode transmisi adaptif pada sistem ini direpresentasi pada tipe pelanggan. Pelanggan dekat menggunakan MQAM adaptif [10] dan pelanggan jauh menggunakan ACM. Penggunaan metode ACM yang memvariasikan rate pengkodean dan modulasi M-QAM merupakan dasar pemodelan sistem transmisi adaptif pada penelitian ini, dimana sistem adaptif ini dicirikan dengan adanya feedback di dalam blok diagram sistem yang disajikan seperti pada gambar 2. Bit informasi r[k] sebelum dimodulasi dilakukan proses coding rangkap yaitu pengkodean Reed- Solomon dan dilanjutkan dengan proses koding Convotional Code. Setelah proses pengkodean rangkap, bit informasi dipetakan sesuai dengan level modulasi yang digunakan x[k]. Level modulasi tergantung pada kondisi kanal yang dipengaruhi hujan yang ditentukan oleh harga SNR (signal to nosie ratio) pada sisi penerima. Estimasi kanal diasumsikan ideal dan waktu tunda (delay) pada umpan balik diasumsikan mendekati nol. SNUBL, Jakarta, Agustus 2009 E - 2

3 Pemancar Mod & Coding Adaptif x[k] Kanal (redaman hujan) 1/ A [k] n[k] Delay y[k] Penerima Demodulasi Adaptif Estimasi Kanal Gambar 2 Model Sistem Transmisi adaptif ^ r[k] B. Redaman Hujan di Indonesia Pengukuran curah hujan dilakukan di lingkungan kampus ITS Surabaya menggunakan alat ukur disdrometer optik. Dari hasil pengukuran diperoleh data curah hujan selama 2 tahun dari tahun 2007 dan 2008 dengan waktu sampling T 10 detik. Metode synthetic storm technique (SST) [5][8] merupakan metode yang digunakan untuk mengestimasi redaman hujan berdasarkan kecepatan dan arah angin. Hasil pengukuran curah hujan di Surabaya menunjukan bahwa probabilitas curah hujan 0,01% untuk curah hujan lebih dari 140,1 mm/jam. Hal ini menunjukkan curah hujan di Surabaya, Indonesia sangat tinggi. Salah satu hasil perhitungan redaman hujan dengan Synthetic Storm Technique yang berupa grafik CCDF redaman hujan untuk link berorientasi berbagai arah dapat dilihat pada gambar 3. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa terjadi redaman hujan di Surabaya (Indonesia) dengan probabilitas 0,01% untuk redaman lebih dari 102 db pada panjang link 4 Km arah link utara selatan. Prob.[Redaman > absis] % link TIMUR link BARAT LAUT link TIMUR LAUT link UTARA Redaman (db) Gambar 3 Distribusi kumulatif komplemen redaman hujan untuk link 4 Km berorientasi berbagai arah. C. Skenario Modulasi M-QAM dan Pengkodean Adaptif Sistem modulasi dan kode adaptif menggunakan skenario bahwa level modulasi yang digunakan 4-QAM, 16-QAM, dan 64- QAM berturut-turut sesuai dengan harga S/N yang dipengaruhi redaman hujan saat itu. Apabila selama periode tertentu nilai redaman rendah, maka nilai SNR akan naik dan memungkinkan tingkat modulasi yang tinggi diterapkan dengan BER rendah. Sedangkan, apabila nilai redaman selama periode tertentu tinggi, maka nilai SNR akan menurun dan mea untuk menggunakan tingkat modulasi yang rendah agar BER terjaga. Perhitungan teoritis dari BER untuk masing-masing skema modulasi dilakukan menggunakan persamaan: [9] P B m m 2 1 = j Pe 2 m 1 j t + 1 j j cc 2 m 1 j 1 Pe log M cc (1) Dimana : m adalah banyaknya bit dalam satu simbol M adalah nilai dari orde modulasi Pe cc = prob. simbol salah setelah koding konvolusional Menggunakan persamaan 1 dilakukan perhitungan teoritis BER untuk masing-masing skema modulasi, maka didapatkan nilai operasi untuk BER 10-6 dan seperti terlihat pada tabel 2 dan 3. Tabel 2 Skenario ACM BER 10-6 Modulasi Adaptif menjamin BER imal 10-6 Jenis Modulasi Interval SNR (db) No Transmisi SNR< QAM+RS(63,31)+CC(1/3) 1.18< SNR< QAM+RS(63,51)+CC(1/2) 11.45< SNR < QAM+RS(63,59)+CC(2/3) SNR >21.63 Tabel 3 Skenario ACM BER Modulasi Adaptif menjamin BER imal 10-6 Jenis Modulasi Interval SNR (db) No Transmisi SNR< QAM+RS(63,31)+CC(1/3) 1.79<SNR< QAM+RS(63,51)+CC(1/2) 12.62<SNR< QAM+RS(63,59)+CC(2/3) SNR>23.53 D. Kapasitas Kanal Kapasitas kanal atau effisiensi bandwidth merupakan laju transmisi informasi per Hz dari bandwidth yang digunakan, yang bertujuan untuk mengirimkan sinyal informasi yang imum dengan bandwidth minimum. Satuan yang tepat untuk effisiensi bandwidth adalah bit/s/hz. Pada sistem modulasi adaptif, SNUBL, Jakarta, Agustus 2009 E - 3

4 effisiensi bandwitdh dapat dinyatakan sebagai berikut [4]: R N = log2 ( M i ) P( M i ) (2) B i= 0 dimana, R = effisiensi bandwidth (bps/hz) B N = jumlah data M = level modulasi i P ( M i) = prob. kemungkinan masing-masing modulasi III. ANALISA HASIL SIMULASI Analisa pada makalah ini dibagi menjadi 2 bagian yaitu pertama, mengevaluasi kinerja sistem modulasi adaptif saja dan kedua, sistem adaptive coded modulation. Masisng-masing sistem dievaluasi berdasarkan link availability dan kapasitas kanal pada BER imal 10-6 dan A. Sistem Modulasi MQAM Adaptif Kinerja sistem modulasi MQAM adaptif baik pada jarak 1km, 2km, 3km dan 4 km dievaluasi pada pengamatan untuk BER imum 10-6 dan Nilai availability merupakan suatu syarat esensial dalam perencanaan sistem komunikasi radio. Besarnya link availability pada link utara selatan dengan polarisasi horisontal dapat dilihat pada tabel 4. Tabel 4. Nilai Link Avalability Sistem MQAM Adaptif BER BER HORISONTAL Link Utara Link Utara Mode Transmisi Panjang Lintasan 1 km 2 km 3 km 4 km ADAPTIF 99, , QAM 99, , QAM 99, , QAM 99, ,958 ADAPTIF 99, ,929 4-QAM 99, , QAM 99, , QAM 99,868 99,838 ADAPTIF 99,897 99,882 4-QAM 99,897 99, QAM 99,860 99, QAM 99,799 99,732 ADAPTIF 99,856 99,839 4-QAM 99,856 99, QAM 99,807 99, QAM 99,696 99,544 Berdasarkan tabel 4 terlihat bahwa sistem modulasi MQAM adaptif gelombang milimeter pada BER imal 10-6 pada panjang link 2 Km untuk jarak imal pelanggan dekat mempunyai link availability 99,94%, sedangkan untuk BER imal mempunyai link availability 99,93%. Hasil simulasi efisiensi bandwidth dilakukan pada sistem MQAM adaptif maupun sistem non-adaptif pada link utara, seperti yang disajikan pada tabel 5. Tabel 5. Perbandingan Efisiensi bandwidth Sistem MQAM adaptif Efisiensi HORISONTAL Bandwidth Mode Transmisi (bps/hz) BER BER Panjang Lintasan ADAPTIF QAM QAM km 64-QAM ADAPTIF QAM QAM km 64-QAM ADAPTIF QAM QAM km 64-QAM ADAPTIF QAM QAM km 64-QAM Dari tabel 5 terlihat bahwa pelanggan dekat pada jarak imal 2 km yang menggunakan sistem MQAM adaptif dengan BER imal 10-6 mempunyai efisiensi bandwidth atau kapasitas kanal 5,613 bps/hz dan BER mempunyai kapasiatas kanal 5,527 bps/hz. Selain itu sistem MQAM adaptif menghasilkan kapasitas kanal yang lebih besar dibandingkan dengan sistem non adaptif. B. Kinerja Sistem ACM Pelanggan jauh untuk jarak imal 4 km menggunakan teknik ACM untuk mitigasi pengaruh redaman hujan. Simulasi kinerja sistem ACM dilakukan terhadap harga SNR baik pada jarak 1km, 2km, 3km dan 4 km. Analisa tersebut dilakukan pada pengamatan BER imum 10-6 dan Berdasarkan hasil simulasi, nilai link availability dengan SNUBL, Jakarta, Agustus 2009 E - 4

5 arah utara selatan dan polarisasi horisontal dapat dilihat pada tabel 6. Tabel 6. Nilai Link Avalability Sistem ACM BER BER HORISONTAL Mode Link Utara Link Utara Transmisi Panjang Lintasan 1 km 2 km 3 km 4 km ADAPTIF 99, , QAM 99, , QAM 99, , QAM 99, ,9812 ADAPTIF 99, , QAM 99, , QAM 99, , QAM 99, ,9234 ADAPTIF 99, , QAM 99, , QAM 99, , QAM 99, ,9040 ADAPTIF 99, , QAM 99, , QAM 99,884 99, QAM 99,897 99,870 Berdasarkan tabel 6 terlihat bahwa sistem ACM gelombang milimeter pada BER imal 10-6 pada panjang link 4 Km mempunyai link availability 99,91%, sedangkan untuk BER imal pada panjang link 4 Km mencapai link availability 99,90%. Tabel 7. Efisiensi bandwidth Sistem ACM Efisiensi HORISONTAL Bandwidth Mode Transmisi (bps/hz) BER BER Panjang Lintasan ADAPTIF 5,968 5,960 4-QAM 1,998 1, QAM 3,990 3,988 1 km 64-QAM 5,926 5,904 ADAPTIF 5,747 5,722 4-QAM 1,961 1, QAM 3,849 3,838 2 km 64-QAM 5,586 5,532 ADAPTIF 5,539 5,502 4-QAM 1,905 1, QAM 3,716 3,700 3 km 64-QAM 5,328 5,247 ADAPTIF 5,350 5,297 4-QAM 1,859 1, QAM 3,600 3,582 4 km 64-QAM 5,074 4,951 Sistem ACM pada panjang link 4 Km untuk BER imal 10-6 mampu meningkatkan link availability sebesar 0,05% dan BER imal mampu meningkatkan link availability sebesar 0,06%. Analisa hasil simulasi kapasitas kanal atau efisiensi bandwidth dilakukan pada sistem ACM maupun sistem non-adaptif pada link utara, seperti yang disajikan pada tabel 7. Dari tabel 7 dapat terlihat bahwa nilai efisiensi bandwidth sistem ACM pada panjang link 4 Km untuk BER 10-6 mencapai 5,35 bps/hz dan untuk BER mencapai 5,30 bps/hz. Hal ini dapat disimpulkan bahwa efisiensi bandwidth sistem ACM mempunyai nilai yang lebih besar daripada nilai efisiensi bandwidth untuk modulasi non adaptif. IV. KESIMPULAN Berdasarkan analisa dan hasil simulasi dari sistem MQAM adaptif dan ACM dapat disimpulkan bahwa implementasi sistem komunikasi nirkabel pita lebar gelombang milimeter misalnya, sistem LMDS di Surabaya, Indonesia dibawah pengaruh redaman hujan menghasilkan kinerja sistem sebagai berikut : Pada kondisi kinerja BER imal 10-6, Pelanggan dekat dengan jarak imal 2 km menggunakan MQAM adaptif mempunyai link availability imal 99,94% dan kapasitas kanal minimal 5,613 bps/hz. Pelanggan jauh dengan jarak imal 4 km menggunakan ACM mempunyai link availability imal 99,91% dan kapasitas kanal minimal 5,350 bps/hz. Pada kondisi kinerja BER imal 10-11, Pelanggan dekat dengan jarak imal 2 km menggunakan MQAM adaptif mempunyai link availability imal 99,93% dan kapasitas kanal minimal 5,527 bps/hz. Pelanggan jauh dengan jarak imal 4 km menggunakan ACM mempunyai link availability imal 99,90% dan kapasitas kanal minimal 5,297 bps/hz. REFERENSI [1] Abbiati Fausto, Gaspare L., Santacesaria C, Reception And Transmission Power Gains Control in a Point-to-Multipoint System, EP A1, SNUBL, Jakarta, Agustus 2009 E - 5

6 [2] Boch,Yee, Ployer, Power Control of LMDS/LMCS Base Station to Provide Rain Fade Compensation, EP A2, [3] Chu, C. Y., Chen, K. S. Effects of Rain Fading on the Efficiency of the Ka-Band LMDS System in the Taiwan Area, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 54, no. 1, Januari [4] Goldsmith, A.J. dan Chua, S.G. Variable- Rate Variable Power MQAM for fading Channels, IEEE transactions of communication, vol. 45, no. 10, October 1997 [5] Haniah Mahmudah, Achmad Mauludiyanto dan Gamantyo Hendrantoro Prediksi Redaman Hujan Menggnakan Synthetic Storm Technique (SST), Tesis, Jurusan Teknik Elektro, ITS, Surabaya, [6] Haykin, S. Digital Communication System, Jhon Wiley & Sons, 2004 [7] Hendrantoro, G. R.J.C. Bultitude and D.D Falconer, Use of Cell-Site Diversity in Millimeter Wave Fixed Cellular Systems to Combat the Effects of Rain Attenuation, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 20, No. 3, Page 602, April 2002 [8] Kanellopoulos, J. D. and P. Kafetzis, Comparison of the Synthetic Storm Technique with a Conventional Rain Attenuation Prediction Model, IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No. 5 hal: 714, May [9] Sklar, B. Digital Communication, Prentice Hall, New Jersey, 1994 [10] Suwadi, Hendrantoro, G. dan Kurniawati, T. Evaluasi Kinerja Modulasi Adaptif Untuk Mitigasi Pengaruh Redaman Hujan di Daerah Tropis Pada kanal komunikasi gelombang Milimeter Seminar EECCIS, Juni Suwadi, dilahirkan di Gresik tanggal 18 Agustus Pada tahun 1992 menamatkan program sarjana di teknik elektro ITS dan Pebruari 1999 menamatkan program magisternya di Elektroteknik ITB. Penulis sejak 1993 sebagai staf pengajar di Jurusan Teknik Elektro ITS dan sedang studi program doktoral di jurusan teknik elektro ITS, serta sedang meneliti pengaruh hujan tropis maritim terhadap sistem komunikasi gelombang milimeter. Gamantyo Hendrantoro, dilahirkan di Jombang, 11 Nopember Pada tahun 1992 memperoleh gelar sarjana di teknik elektro ITS, dan memperoleh M.Eng dan Ph.D di electrical engineering, Carleton University Ottawa, Canada pada tahun 1997 dan Saat ini aktif sebagai guru besar di ITS dan interes pada bidang antena and propagation, wireless and mobile communications. Syahfrizal Tachfulloh, dilahirkan di Kediri, 17 Juni 1980, sebgai mahasiswa program pasca sarjana bidang keahlian telekomunikasi multimedia dan aktif sebagai anggota penelitian bidang propagasi dan komunikasi gelombang milimeter. SNUBL, Jakarta, Agustus 2009 E - 6