TUGAS AKHIR PEMODELAN DAN SIMULASI ORTHOGONAL FREQUENCY AND CODE DIVISION MULTIPLEXING (OFCDM) PADA SISTEM KOMUNIKASI WIRELESS Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro OLEH DIANA ADRIANI S 050402045 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
PEMODELAN DAN SIMULASI ORTHOGONAL FREQUENCY AND CODE DIVISION MULTIPLEXING (OFCDM) PADA SISTEM KOMUNIKASI WIRELESS Oleh: DIANA ADRIANI S 050402045 Disetujui oleh: Pembimbing, RAHMAD FAUZI, ST, MT NIP. 132161239 Diketahui oleh: Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU, Ir. NASRUL ABDI, MT NIP. 13036532 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
ABSTRAK Perkembangan teknologi wireless multimedia tumbuh dengan pesat. Hal ini berdampak pada penggunaan bandwith yang besar dan kecepatan data yang semakin tinggi yang sangat rentan terhadap lingkungan multipath sehingga harus didukung oleh sistem yang handal agar dapat memberikan kualitas layanan dengan baik. Sistem Orthogonal Frequency And Code Division Multiplexing (OFCDM) menjadi sebuah evolusi teknologi baru yang dapat menjadi solusi layanan multimedia yang digunakan untuk transmisi downlink pada 4G. Pada Tugas Akhir ini dilakukan pemodelan dan simulasi OFCDM. Selain itu juga dilakukan analisis kinerja sistem OFCDM yang dipengaruhi kanal AWGN dan kanal Fading Rayleigh serta melihat pengaruh ukuran VSF, jumlah carrier, bit rate, dan interferensi terhadap besar Bit Error Rate (BER). Simulasi dilakukan dengan menggunakan bahasa pemrograman MATLAB 7.1. Dari simulasi yang dilakukan diperoleh besarnya BER untuk sinyal yang dipengaruhi AWGN pada E b /N 0 10 db sampai 50 db adalah 0,2496690538 sampai 0,2494322917. Untuk sinyal yang dipengaruhi Fading Rayleigh pada E b /N 0 10 db sampai 50 db adalah 0,27004 sampai 0,26391. Untuk ukuran VSF 1 sampai 1024 besarnya BER adalah 0,29003 sampai 0,29901. Untuk jumlah carrier yang ditransmisikan 128 sampai 2048 besarnya BER adalah 0,28958 sampai 0,30057. Untuk bit rate 100000 bps sampai 1000000 bps besarnya BER adalah 0,29507 sampai 0,28916 dan untuk C/I 10 sampai 100, besarnya BER adalah 0,50462 sampai 0,50069.
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur hanya bagi Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-nya kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini disusun untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro pada Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Tugas Akhir yang berjudul: Pemodelan dan Simulasi Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing (OFCDM) pada Sistem Komunikasi Wireless ini, berisi pemodelan dan simulasi sistem OFCDM serta analisis kinerja Bit Error Rate (BER) terhadap parameter-parameter pembangun jaringan OFCDM. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa, yaitu Ayahanda Alm. Sukri, KZ dan Ibunda L. Hasibuan, SPd serta adik-adik penulis, Guan Sojasinantin, Guan Juniardi Putra, Guan Rizka Leno, dan Saufa Sulas Mareta yang merupakan motivasi terbesar bagi penulis untuk selalu melakukan yang terbaik. Abi Fajrian Romandhani, ST yang selalu mendukung dan membimbing penulis dengan doa dan kasih sayang yang tulus. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. 2. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro dan Dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis, atas segala bimbingan, pengarahan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
3. Bapak Ir. Syamsul Amin, MSi, selaku Dosen Wali penulis, atas bimbingan dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan. 4. Seluruh Staf Pengajar Departemen Teknik Elektro, khususnya Konsentrasi Teknik Telekomunikasi yaitu Bapak Ir. M. Zulfin, MT, Bapak Ir. Arman Sani, MT, Bapak Maksum Pinem, ST, MT dan Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT yang banyak memberi inspirasi, pelajaran moril dan spritual serta masukan dan dorongan bagi penulis untuk selalu menjadi lebih baik. 5. Seluruh Karyawan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. 6. Rozi, Abang Firdaus dan Abang Moehfi untuk segala masukannya. Para warriors; Ami, Dewi, Harpen, Taci, Ricky, Dika, Harry, Chici, Muti, Yona, Apri, Uta, Soezack, Rifqy, serta rekan-rekan lainnya yang selalu setia menjadi teman-teman terbaik penulis dalam mencapai tujuan bersama Sarjana Teknik. 7. Dan pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk Tugas Akhir ini. Akhir kata, penulis berharap semoga penulisan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi kita semua. Medan, Mei 2009 Penulis
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR SINGKATAN... xi DAFTAR ISTILAH... xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang Masalah... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penulisan... 2 1.4 Batasan Masalah... 3 1.5 Metode Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 BAB II ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING (OFCDM)... 5 2.1 Pendahuluan... 5 2.2 Variable Spreading Factor (VSF)... 6 2.3 Konfigurasi Sistem OFCDM... 8
2.3.1 Transmitter... 9 2.3.2 Kanal... 10 2.3.3 Receiver... 12 2.4 Modulasi/Demodulasi QPSK... 13 2.4.1 Modulator QPSK... 13 2.4.2 Demodulator QPSK... 15 2.5 AWGN dan Fading Rayleigh... 16 2.5.1 Additive White Gaussian Noise (AWGN)... 16 2.5.2 Fading Rayleigh... 18 2.6 Fast Fourier Transform (FFT) dan Inverse Fast Fourier Transform (IFFT)... 20 2.7 Guard Interval... 21 2.8 Carrier to Interference Ratio (C/I)... 23 BAB III PEMODELAN SISTEM OFCDM... 24 3.1. Umum... 24 3.2 Struktur Simulasi... 25 3.3 Parameter Masukan Simulasi... 25 3.4 Proses Simulasi... 26 3.4.1 Transmitter OFCDM... 26 3.4.1.1 Pembangkitan Data Masukan... 26 3.4.1.2 Serial to Parallel... 27 3.4.1.3 Modulasi... 28
3.4.1.4 Spreading 2D... 29 3.4.1.5 Inverse Fast Fourier Transform (IFFT)... 30 3.4.1.6 Penyisipan Guard Interval... 30 3.4.2 Kanal...... 31 3.4.2.1 Kanal AWGN... 31 3.4.2.2 Kanal Fading Rayleigh... 32 3.4.3 Receiver OFCDM... 33 3.4.3.1 Pengeluaran Guard Interval... 34 3.4.3.2 Fast Fourier Transform (FFT)... 34 3.4.3.3 Despreading 2D... 34 3.4.3.4 Demodulasi... 35 3.4.3.5 Parallel to Serial... 35 3.4.4 Perhitungan BER... 36 3.5 Prinsip Kerja Sistem... 38 BAB IV SIMULASI DAN ANALISIS KINERJA OFCDM PADA SISTEM KOMUNIKASI WIRELESS... 40 4.1 Umum... 40 4.2 Kinerja OFCDM Pada Kanal Yang Dipengaruhi AWGN... 40 4.3 Kinerja OFCDM Pada Kanal Yang Dipengaruhi Fading Rayleigh... 43 4.4 Pengaruh Ukuran Variable Spreading Factor (VSF) Terhadap Kinerja OFCDM... 45
4.5 Pengaruh Jumlah Carrier Terhadap Kinerja OFCDM... 46 4.6 Pengaruh Bit Rate Terhaap Kinerja OFCDM... 48 4.7 Pengaruh Carrier to Interference (C/I) Terhadap Kinerja OFCDM... 49 BAB V PENUTUP... 52 5.1 Kesimpulan... 52 5.2 Saran...... 53 DAFTAR PUSTAKA... 54 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Perbandingan Teknik OFDM dan OFCDM, a) OFDM tanpa spreading, b) 2D spreading, c) OFCDM dengan spreading 2D... 5 Gambar 2.2 Spreading Factor dalam Domain Waktu dan Frekuensi... 7 Gambar 2.3 Sistem OFCDM... 8 Gambar 2.4 Power Spectrum dari Sinyal OFCDM... 8 Gambar 2.5 Konsep Sistem OFCDM... 9 Gambar 2.6 Diagram Transmitter OFCDM... 9 Gambar 2.7 Bentuk Umum Kanal... 11 Gambar 2.8 Kanal dan Respon Kanal dari Dekomposisi Multicarrier... 11 Gambar 2.9 Diagram Receiver OFCDM... 12 Gambar 2.10 Diagram Blok Modulator QPSK... 13 Gambar 2.11 Sinyal Keluaran Modulator QPSK... 14 Gambar 2.12 Diagram Blok Demodulator QPSK... 16 Gambar 2.13 (a) Rapat Spektral Daya Derau Putih, (b) Fungsi Otokorelasi Derau Putih... 17 Gambar 2.14 Lingkungan Kanal Multipath... 18 Gambar 2.15 Penyisipan Guard Interval Pada Simbol OFCDM... 22 Gambar 3.1 Model Sistem OFCDM... 24 Gambar 3.2 Struktur Simulasi... 25 Gambar 3.3 Proses Serial to Parallel... 28 Gambar 3.4 Konstelasi Sinyal QPSK... 29
Gambar 3.5 Diagram Pohon Kode VSF... 29 Gambar 3.6 Efek Penyisipan Guard Interval... 30 Gambar 3.7 Diagram Alir Untuk Menentukan Kanal Fading Rayleigh... 33 Gambar 3.8 Diagram Blok Fading Rayleigh, AWGN dan Receiver OFCDM... 33 Gambar 3.9 Proses Parallel to Serial... 35 Gambar 4.1 Grafik Perbandingan BER Terhadap E b /N 0 Pada Kanal AWGN... 42 Gambar 4.2 Grafik Perbandingan BER Terhadap E b /N 0 Pada Kanal Fading Rayleigh... 44 Gambar 4.3 Perbandingan BER Terhadap Ukuran VSF Pada Sistem OFCDM... 46 Gambar 4.4 Perbandingan BER Terhadap Jumlah Carrier Pada Sistem OFCDM... 47 Gambar 4.5 Perbandingan BER Terhadap Bit Rate Pada Sistem OFCDM... 49 Gambar 4.6 Perbandingan BER Terhadap C/I Pada Sistem OFCDM... 51
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Keluaran Modulator QPSK... 14 Tabel 4.1 Parameter Simulasi... 40 Tabel 4.2 Kinerja OFCDM Pada Kanal AWGN... 41 Tabel 4.3 Kinerja OFDM Pada Kanal AWGN... 41 Tabel 4.4 BER Teori OFDM Pada Kanal AWGN... 41 Tabel 4.5 Kinerja OFCDM Pada Kanal Fading Rayleigh... 43 Tabel 4.6 Kinerja OFDM Pada Kanal Fading Rayleigh... 43 Tabel 4.7 BER Teori OFDM Pada Kanal Fading Rayleigh... 44 Tabel 4.8 Pengaruh Ukuran VSF Terhadap Kinerja OFCDM... 45 Tabel 4.9 Pengaruh Jumlah Carrier Terhadap Kinerja OFCDM... 47 Tabel 4.10 Pengaruh Bit Rate Terhadap Kinerja OFCDM... 48 Tabel 4.11 Parameter Simulasi C/I... 50 Tabel 4.12 Pengaruh C/I Terhadap Kinerja OFCDM... 50
DAFTAR SINGKATAN 2D 2G 3G 4G AWGN BER BPSK CDMA DFT DIF DIT FDMA FFT I IDFT IFFT ISI LPF : 2 Dimensi : Second Generation : Third Generation : Fourth Generation : Additive White Gaussian Noise : Bit Error Rate : Binary Phase Shift Keying : Code Division Multiple Access : Discrete Fourier Transform : Decimation in Frequency : Decimation in Time : Frequency Division Multiple Access : Fast Fourier Transform : In-phase : Inverse Discrete Fourier Transform : Invers Fast Fourier Transform : Intersymbol Interference : Low Pass Filter OFCDM : Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing OFDM Q : Orthogonal Frequency Division Multiplexing : Quadrature
QAM QoS QPSK RF SF SNR TDMA VSF : Quadrature Amplitude Modulation : Quality of Service : Quadrature Phase Shift Keying : Radio Frequency : Spreading Factor : Signal to Noise Ratio : Time Division Multiple Access : Variable Spreading Factor
DAFTAR ISTILAH AWGN (Additive White Gaussian Noise) Noise yang memiliki fungsi kepadatan probabilitas menyerupai Distribusi Gaussian. Bandwidth Kapasitas transmisi dari sambungan elektronik seperti jaringan komunikasi, bus komputer dan komputer channel. BER (Bit Error Rate) Jumlah angka kesalahan dari suatu transmisi data antar dua sistem komputer dalam sebuah jaringan. Bit Satuan terkecil dari data yang nilainya merupakan bilangan biner. Bit Rate Banyaknya bit yang dikirim melalui suatu media dalam satuan waktu. Broadband Koneksi yang sanggup menyediakan kecepatan yang melebihi 200 Kbps sampai pada satu mil terakhir jaringan koneksi, baik dari provider ke konsumen (downstream) atau dari konsumen ke provider (upstream).
Chip Bit yang ditransmisikan. Confidence Interval Selang kepercayaan, yaitu batas-batas nilai yang memenuhi estimasi sesuai dengan tingkat kepercayaan yang dibuat. Sedangkan tingkat kepercayaan menunjukkan persentase estimasi selang yang memenuhi parameter yang diduga. Delay Waktu tunda yang disebabkan oleh proses transmisi dari satu titik ke titik lain yang menjadi tujuannya. Fading Gangguan saluran transmisi, terutama pada sistem gelombang mikro ketika sinyalsinyal yang dikirim melalui berbagai jalur ke penerima mengalami perubahan karena kondisi atmosfir. Interferensi Kondisi dimana dua gelombang atau lebih berjalan melalui bagian yang sama dari suatu ruangan pada waktu yang bersamaan, hal ini mengakibatkan terjadinya superposisi dari gelombang-gelombang tersebut sehingga menghasilkan pola intensitas baru.
Modulasi Teknik yang dipakai untuk memasukan informasi dalam suatu gelombang pembawa, biasanya berupa gelombang sinus. Multimedia Istilah bagi transmisi data dan manipulasi semua bentuk informasi, baik berbentuk katakata, gambar, video, musik, angka, atau tulisan tangan. Bagi komputer, bentuk informasi tersebut, semuanya diolah dari data digital (yang terdiri dari nol dan satu). Multipath Fenomena dimana sinyal dari pengirim (transmitter) tiba di penerima (receiver) melalui dua atau lebih lintasan yang berbeda. Propagasi Proses perambatan gelombang radio di udara, berawal saat sinyal radio dipancarkan di titik pengirim dan berakhir saat sinyal radio tersebut ditangkap di titik penerima. Spreading Proses pelebaran pita frekuensi. Wireless Teknologi komunikasi data dengan koneksi yang tidak menggunakan kabel untuk menghubungkan antar suatu perangkat dengan perangkat lainnya.