1/6 OPTIMASI LINTAS LAPISAN PADA SISTEM KOMUNIKASI KOOPERATIF DI DALAM GEDUNG Bayu Sampurna 2206 100 180 Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Elektro Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Email : b.sampurna@ymail.com Abstrak -- Sistem komunikasi kooperatif merupakan suatu sistem komunikasi yang menggunakan relay untuk mentransmisikan data dari sumber ke tujuan. Pada tugas akhir kali ini digunakan konfigurasi sistem yang terdiri dari 2 sumber dan 1 tujuan serta 6 node yang terletak secara acak dan dibagi ke dalam 3 ruang berbeda dalam area berukuran 200mx200m. Kemudian dengan menggunakan teknik optimasi gabungan dari persamaan Lagrangian yang dipengaruhi oleh tiga parameter (kapasitas trafik, konsumsi daya, dan bit error rate (BER akan ditentukan relay terbaik yang digunakan masing-masing sumber untuk mentransmisikan data. Dari hasil simulasi menggunakan software Matlab didapatkan hasil untuk sumber 1 adalah berdasarkan kapasitas trafik maksimal dipilih node 5 sebagai relay terbaik, berdasarkan konsumsi daya minimum dipilih node 4 sebagai relay terbaik, dan berdasarkan BER minimum dipilih node 3 sebagai relay terbaik. Sedangkan untuk sumber 2 hasilnya adalah berdasarkan kapasitas trafik maksimal dipilih node 1 sebagai relay terbaik, berdasarkan konsumsi daya minimum dipilih node 6 sebagai relay terbaik, dan berdasarkan BER minimum dipilih node 1 sebagai relay terbaik. Untuk mendapatkan kompromi dari ketiga parameter tersebut digunakan teknik optimasi gabungan untuk mencari daya physical layer terbesar, dan hasil pemilihan relay terbaik menggunakan teknik tersebut dengan iterasi sebanyak 30 kali adalah sumber 1 memilih node 3 dan sumber 2 memilih node 5 sebagai relay terbaik untuk mentransmisikan data. Kata Kunci : cooperative communication, cross layer, indoor propagation. I. PENDAHULUAN Dewasa ini perkembangan dalam dunia komunikasi sangat pesat. Ini disebabkan karena para produsen saling bersaing untuk menjadi yang terdepan dan terbaik dalam dunia komunikasi. Media nirkabel mulai digunakan karena praktis dan mempunyai mobilitas yang tinggi. Namun dalam kenyataannya, komunikasi menggunakan media nirkabel mempunyai beberapa tantangan yang harus dihadapi, salah satu gangguan yang paling dominan yaitu multipath fading. Multipath fading umumnya terjadi karena adanya pantulanpantulan yang disebabkan oleh benda-benda di sekitar jalur transmisi. Pantulan-pantulan ini akan menyebabkan perbedaan panjang lintasan sinyal, sehingga sinyal yang diterima merupakan penjumlahan dari sinyal-sinyal tersebut. Hal ini tentu saja akan memperburuk kinerja sistem komunikasi nirkabel. Multipath fading dapat diatasi dengan menggunakan teknik diversity. Diversity merupakan suatu teknik pada sistem komunikasi yang digunakan untuk mengurangi fading yang disebabkan adanya lintasan jamak dalam pemantulan sinyal. Salah satu teknik diversity yang sering digunakan dalam permasalahan ini adalah teknik spatial diversity[1]. Spatial diversity merupakan teknik yang menggunakan antena jamak untuk mengatasi fading, sehingga dapat meningkatkan kinerja sistem. Namun, dalam pelaksanaannya terdapat beberapa keterbatasan, baik dari segi biaya maupun jumlah peralatan (antena yang digunakan. Untuk mengatasi keterbatasan tersebut, dapat digunakan sistem komunikasi kooperatif seperti pada [2], [3], yaitu suatu sistem yang menggunakan antena virtual melalui metode MIMO (multi input multi output. Selama ini, sistem komunikasi kooperatif banyak digunakan di luar ruangan, pada makalah ini akan dibahas penerapannya di dalam ruangan. Dan dalam penerapannya akan dicoba mengoptimalisasi lintas lapisan yang ada, pada tugas akhir sebelumnya[4], optimasi lintas lapisan hanya digunakan untuk menentukan konsumsi daya dan kapasitas trafik tanpa memperhitungkan kualitas sinyal pada penerima, sedangkan pada tugas akhir ini akan ditambahkan perhitungan nilai BER ( Bit Error Rate. Penambahan perhitungan BER ini sangat penting karena nilai BER pada suatu sistem komunikasi sangat menentukan kualitas sinyal informasi yang diterima. Dengan tugas akhir ini diharapkan optimasi lintas lapisan tidak hanya dapat mengoptimalkan konsumsi daya dan kapasitas trafik, tetapi juga kualitas sinyal informasi pada penerima, sehingga diharapkan metode ini dapat menjadi suatu referensi di dalam mengatasi permasalahan komunikasi di dalam gedung. Penjelasan mengenai pemodelan sistem akan dibahas pada Bab II. Sedangkan Bab III membahas langkahlangkah optimasi, Bab IV membahas analisis hasil simulasi berdasarkan parameter kapasitas trafik, konsumsi daya serta nilai BER dan kesimpulan mengenai hasil simulasi dibahas pada Bab V.
2/6 II. PEMODELAN SISTEM III. LANGKAH-LANGKAH OPTIMASI A. Konfigurasi Sistem Konfigurasi yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari 2 sumber, 1 tujuan serta 6 node yang tersusun secara acak dalam area berukuran 200m x 200 m. Pada konfigurasi ini sumber 1 terletak pada koordinat (0,0, sedangkan sumber 2 terletak pada koordinat (0,200 dan node tujuan terletak pada koordinat (200,200. Node-node yang berfungsi sebagai relay terletak pada 3 ruang berbeda yang terpisahkan oleh dinding, dimana pada tiap ruang terdapat 2 node yang dibangkitkan secara acak. Untuk lebih jelasnya mengenai konfigurasi sistem yang digunakan pada tugas akhir ini dapat dilihat pada Gambar 1. Setelah mendapatkan nilai gain, langkah selanjutnya adalah mendapatkan daya pengiriman mula-mula seperti pada [6]. Daya untuk pengiriman langsung (mw dapat dihitung melalui persamaan (2. Untuk pengiriman kooperatif melalui persamaan (3 berikut : (2 Hasil dari perhitungan besar gain dan daya awal pada transmisi akan digunakan untuk menentukan besar dari data rate yang dapat dicapai melalui persamaan di bawah ini: (4 Gambar 1. Konfigurasi Sistem B. Kanal di dalam gedung Dari konfigurasi yang ada pada Gambar 1 akan ditentukan jarak dari sumber-node, dan node-tujuan, jarak tersebut akan digunakan untuk menentukan besar gain pada kanal. Pada sistem ini terdapat dua macam gain yaitu gain pada transmisi langsung dan juga gain pada transmisi kooperatif. Besar gain yang melewati dinding akan dipengaruhi oleh shadowing[5], sehingga besar gain pada masing-masing kanal tersebut dapat dihitung berdasarkan persamaan pada [5] dan [6] yaitu : dimana merupakan konstanta yang besarnya 10 8, merupakan parameter jarak untuk pengiriman dari sumber ke tujuan (meter, merupakan loss karena adanya penghalang dinding sebanyak N sebesar 8 db tiap dinding[1], merupakan log-normal shadowing dengan standar deviasi 5.2 db[1], dan merupakan gain kanal (db. (1 (5 dimana adalah data rate yang dicapai melalui transmisi langsung dari sumber ke tujuan, dan merupakan data rate yang dicapai melalui transmisi kooperatif dari sumber ke tujuan (b/s/hz. Dari persamaan (4 dan (5 akan ditentukan data rate terbesar antara transmisi langsung dan kooperatif untuk menentukan kapasitas trafik (traffic rate maksimal tiap link. Langkah selanjutnya adalah menentukan source rate dan traffic rate maksimal dengan persamaan (6 dan (7. Dimana adalah fungsi invers dari derivatif fungsi utilitas, dan merupakan konstanta yang bernilai 0.05[6]. Dari persamaan (6 dan (7 terlihat bahwa source rate( dan traffic rate ( dipengaruhi oleh nilai link price ( dan node price ( yang dapat dihitung dari persamaan berikut : (6 (7 (8 (9
3/6 Dimana, sedangkan ditentukan dari persamaan (10 dan (11. (10 (11 Karena pada tugas akhir ini terdapat perhitungan BER, maka untuk menghitung nilai BER ditentukan terlebih dahulu modulasi yang akan digunakan. Pada tugas akhir ini digunakan modulasi BPSK, sehingga untuk menghitung nilai BER digunakan persamaan (12 seperti pada [1]. merupakan daya transmisi yang didapat dari persamaan (2 dan (3, merupakan konstanta Boltzman yang bernilai 1.38x, merupakan suhu awal ( dan B merupakan bandwidth (Hz yang dalam tugas akhir ini digunakan bandwidth sebesar 8 MHz (bandwidth DVB-T. Untuk lebih jelas mengenai langkah-langkah optimasi pada sistem dapat dilihat pada Gambar 2. Start Inisialisasi,,,, Menentukan : nilai optimal,,, Input (12 Dari persamaan (12 dapat digunakan persamaan (13 untuk menghitung nilai BER transmisi langsuung dan persamaan (14 untuk transmisi kooperatif. Tidak Konvergen Ya Hasil dual optimasi :,,,,, (13 End Gambar 2. Langkah-langkah Optimasi (14 Setelah parameter optimasi seperti konsumsi daya, kapasitas trafik serta nilai BER didapatkan. Langkah selanjutnya adalah menambahkan perhitungan persamaan BER pada persamaan Lagrangian yang telah ada, yang hasilnya dapat dilihat pada persamaan berikut : dimana,, dan merupakan daya terima pada link sumber-tujuan, sumber-relay, dan relay-tujuan yang didapat dari persamaan (15 dan (16, sedangkan merupakan besar nilai noise thermal[7] yang didapat dari persamaan (17. (15 (16 (17 Dimana merupakan path loss exponent = 3[1], merupakan besar panjang gelombang yang didapat dengan menggunakan frekuensi 2.4 GHz (frekuensi WiFi, ( 1
4/6 Dari persamaan (18 ini selanjutnya ditentukan persamaan (19 untuk mencari daya optimum pada physical layer untuk tiap node yang akan digunakan sebagai parameter untuk menentukan node yang akan digunakan sebagai relay terbaik untuk masing-masing sumber dalam mentransmisikan data. 8 (1 9 IV. ANALISIS HASIL SIMULASI Dalam simulasi ditentukan parameter-parameter antara lain nilai sebagai parameter kontrol trade-off, yaitu = 20-200 (kelipatan 20, =1,, koefisien dinding sebesar 8 db, standar deviasi dari shadowing sebesar 5.2 db, =0.05 dan. Dari parameter-parameter tersebut didapatkan hasil simulasi sebagai berikut : A. Analisis Kapasitas Trafik Untuk Pengiriman Pada Source 1 dan Source 2. Nilai kapasitas trafik dari setiap sumber akan menentukan seberapa besar kapasitas kanal maksimal yang dimiliki masing-masing kanal untuk melakukan pengiriman data sehingga tidak terjadi kongesti. Pemilihan relay terbaik untuk masing-masing sumber didasarkan pada kapasitas trafik maksimal dari masing-masing node. Dalam menentukan kapasitas trafik dilakukan iterasi sebanyak 30 kali hingga diperoleh nilai kapasitas trafik yang konvergen (sama. Kapasitas trafik untuk masing-masing node pada sumber 1 dapat di lihat pada Gambar 3, sedangkan untuk pengiriman melalui sumber 2 dapat dilihat pada Gambar 4. Gambar 3. Kapasitas Trafik Sumber 1 Gambar 4. Kapasitas Trafik Sumber 2 Dari Gambar 3 terlihat bahwa kapasitas trafik mencapai nlai yang konvergen setelah melalui 13-15 kali iterasi dan hasil kapasitas trafik untuk node pada sumber 1 dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Perbandingan Kapasitas Trafik tiap Node pada Sumber 1 Posisi Kapasitas trafik (bps/hz Node 1 3.7105 Node 2 4.1788 Node 3 4.0261 Node 4 3.5698 Node 5 4.4651 Node 6 3.8229
5/6 Dari Tabel 1 dapat terlihat bahwa kapasitas trafik terbesar adalah melalui node 5 pada ruang 3, berarti node 5 merupakan relay terbaik. Dari Gambar 4 terlihat bahwa kapasitas trafik mencapai nlai yang konvergen setelah melalui 13-15 kali iterasi dan hasil kapasitas trafik untuk node pada sumber 2 dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Perbandingan Kapasitas Trafik tiap Node pada Sumber 2 Posisi Kapasitas trafik (bps/hz Node 1 4.9282 Node 2 4.6838 Node 3 4.4068 Node 4 4.3529 Node 5 4.5175 Node 6 4.5349 Dari Tabel 2 dapat terlihat bahwa kapasitas trafik terbesar adalah melalui node 1 pada ruang 1, berarti node 1 merupakan relay terbaik. B. Analisis Konsumsi Daya untuk Sumber 1 dan Sumber 2 Untuk analisis daya total akan dibandingkan total konsumsi daya transmisi langsung dan transmisi kooperatif. Total konsumsi daya tersebut akan dibandingkan dengan parameter sebagai parameter kontrolling trade-off. Untuk pemilihan relay terbaik akan didasarkan pada konsumsi daya minimum. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 5 dan 6. Gambar 5. Perbandingan Total Daya Rata-Rata Sumber 1 dengan nilai Gambar 6. Perbandingan Total Daya Rata-Rata Sumber 2 dengan nilai Pada Gambar 5 dapat terlihat bahwa total konsumsi daya pada transmisi langsung untuk sumber 1 lebih besar bila dibandingkan total konsumsi daya pada transmisi kooperatif. Dan total daya minimum didapatkan pada node 4, berarti node 4 merupakan relay terbaik. Dan dari Gambar 5 juga terlihat bahwa kenaikan konsumsi daya sebanding dengan kenaikan nilai. Pada Gambar 6 dapat terlihat bahwa total konsumsi daya pada transmisi langsung untuk sumber 2 lebih besar bila dibandingkan total konsumsi daya pada transmisi kooperatif. Dan total daya minimum didapatkan pada node 6, berarti node 6 merupakan relay terbaik. Dan dari Gambar 6 juga terlihat bahwa kenaikan konsumsi daya sebanding dengan kenaikan nilai. C. Analisis nilai Bit Error Rate (BER untuk Sumber 1 dan Sumber 2 Bit Error Rate (BER merupakan paramater yang penting dalam dunia komunikasi, hal ini dikarenakan nilai BER menunjukkan banyaknya peluang bit salah yang ditransmisikan, semakin kecil nilai BER maka komunikasi semakin baik. Untuk analisis nilai BER akan dibandingkan antara transmisi langsung dengan kooperatif dan akan ditentukan nilai BER terkecil untuk menjadi relay terbaik untuk masingmasing sumber. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Nilai BER tiap transmisi Jenis Transmisi Sumber 1 Sumber 2 Langsung 6,3467e-06 9,3179e-14 Node 1 1,3044e-11 9,2179e-19 Node 2 3,4566e-14 2,0679e-06 Node 3 1,6859e-28 7,3234e-03 Node 4 1,3520e-23 8,0710e-15 Node 5 1,7709e-15 8,4756e-09
6/6 Node 6 5,5753e-07 5,0276e-10 Dari Tabel 3 dapat diketahui bahwa nilai BER transmisi kooperatif lebih kecil bila dibandingkan dengan transmisi langsung. Dan BER terkecil untuk sumber 1 didapatkan pada node 3, sedangkan untuk sumber 2 BER terkecil didapatkan pada node 1, sehingga node 3 merupakan relay terbaik untuk sumber 1 dan node 1 merupakan relay terbaik untuk sumber 2. D. Optimasi Gabungan Bila didasarkan pada ketiga parameter yang digunakan terdapat perbedaaan pemilihan node sebagai relay terbaik untuk masing-masing sumber. Untuk mengatasi perbedaan tersebut diperlukan teknik optimasi gabungan untuk menentukan relay terbaik bagi masing-masing sumber, dan persamaan untuk optimasi gabungan dapat dilihat pada persamaan (19. Pada persamaan (19 diperoleh kompromi dari ketiga parameter tersebut. Dari hasil satu kali iterasi didapatkan bahwa daya optimasi gabungan sumber 1 yang terbesar pada node 3 sebesar = 53.2808 mw, sedangkan pada sumber 2 pada node 5 sebesar = 66.9799 mw. Sehinggga terlihat bahwa melalui optimasi gabungan sumber 1 memilih node 3 sebagai relay terbaik, sedangkan sumber 2 memilih node 5 sebagai relay terbaik. Kemudian untuk menguatkan hasil sebelumnya dilakukan iterasi sebanyak 30 kali, dan hasilnya adalah sumber 1 memilih node 3 sebagai relay terbaik, sedangkan sumber 2 memilih node 5 sebagai relay terbaik. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4. Hasil pemilihan relay terbaik menggunakan optimasi gabungan dengan 30 kali iterasi Sumber 1 Sumber 2 Node 1 3 4 Node 2 1 1 Node 3 11 7 Node 4 7 6 Node 5 4 9 Node 6 4 3 Relay terbaik Node 3 Node 5 Dan ilustrasi pengiriman informasi ke tujuan dengan menggunakan relay terbaik masing-masing sumber dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 7. Jalur pengiriman relay terbaik. Ket: Jalur relay sumber 1 Jalur relay sumber 2 V. KESIMPULAN Berdasarkan simulasi dan hasil analis data dapat ditarik beberapa kesimpulan antara lain : 1. Pemodelan transmisi nirkabel yang terbaik dilakukan di dalam gedung adalah melalui metode kooperatif. 2. Optimasi lintas lapisan dapat meningkatkan kapasitas trafik. 3. Optimasi lintas lapisan dapat meminimalkan konsumsi daya. 4. Optimasi lintas lapisan dapat memperkecil nilai BER. 5. Melalui optimasi gabungan antara kapasitas trafik, konsumsi daya dan BER didapatkan pemilihan relay terbaik untuk masing-masing sumber yang didasarkan pada nilai optimasi gabungan terbesar, dan hasilnya adalah sumber 1 memilih node 3, sedangkan sumber 2 memilih node 5 sebagai relay terbaik. VI. DAFTAR PUSTAKA [1] Rappaport, T. S., Wireless Communications Principles and Practice, 2nd ed., Prentice - Hall, Upper Saddle River, NJ, 2002. [2] Sendonaris, A., Erkip, E. and Aazhang,B., User cooperation diversity Part I: System description, IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 11, pp. 1927-1938, Nov. 2003. [3] Sendonaris, A., Erkip, E. and Aazhang,B., User cooperation diversity Part II: Implementation aspects and performance analysis, IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 11, pp. 1939-1948, Nov. 2003. [4] Baskoro, F., Gabungan congestion control,routing
7/6 dan alokasi sumber daya kooperatif untuk daya tradeoff di dalam Gedung, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya, 2009. [5] Yarkoni, N. and Blaunstein, N., Prediction of Propagation Characteristics in Indoor Radio Communication Environment, PIER vol. 59, pp. 151-174, 2006. [6] Le,L and Hossain, E., Cross-Layer Optimization Frameworks for Multihop Wireless Networks Using Cooperative Diversity, IEEE Trans. on Wireless Communication, Sept. 2007. [7] Seybold, John. S, Introduction to RF Propagation, John Wiley & Sons, pp. 70, 2005. RIWAYAT HIDUP Bayu Sampurna dilahirkan di Bandung, 10 April 1987. Merupakan putra kedua dari empat bersaudara pasangan Bambang Sugiharto dan Yanti Asmayanti. Lulus dari SDN Petrokimia Gresik tahun 1999 dan melanjutkan ke SLTPN 1 Gresik. Kemudian penulis melanjutkan studinya ke SMAN 2 Surabaya pada tahun 2002 dan lulus pada tahun 2005. Setelah menamatkan SMA, penulis melanjutkan studinya ke Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya melalui jalur SPMB pada tahun 2006. Pada bulan Juni 2010 penulis mengikuti seminar dan ujian Tugas Akhir di Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Surabaya sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro.