Kinerja Parallel Interference Cancellation Multiuser Detection Multicarrier dengan Modulasi m-qam Dwi Darmi Sa diyahti 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 60111 Email : dweeconan@student.eepis-its.edu ABSTRAK Dalam Tugas Akhir ini, dilakukan pengamatan BER (Bit Error Rate) sebagai fungsi SNR (Signal to Noise Ratio) untuk kinerja sistem Multicarrier Code Division Multiple Access (MC-) Multiuser Detection Parallel Interference Cancellation (MUD PIC). Modulasi yang digunakan adalah m-qam untuk jumlah user tertentu di lingkungan yang dipengaruhi kanal AWGN dan Rayleigh fading. PN-Code yang digunakan adalah Gold Code 31, maksimum user adalah 25, subcarrier yang digunakan adalah 7,31 dan 63. Jumlah maksimum stage adalah 3. Pengujian sistem dilakukan pada nilai BER 10-3. Pada nilai BER tersebut, sistem komunikasi MC- dengan MUD-PIC memiliki kinerja 2 db lebih baik daripada sistem MC- tanpa MUD-PIC, dan semakin banyak stage PIC, maka kinerja sistem semakin baik. Sistem dengan subcarrier 63 memiliki kinerja 1,5 db lebih baik daripada sistem dengan subcarrier 31 dan sistem dengan subcarrier 31 memiliki kinerja 10 db lebih baik daripada sistem dengan subcarrier 7. Selain itu, parameter jumlah user mempengaruhi kinerja sistem setelah sistem mencapai nilai BER 10-3. 1. PENDAHULUAN Pada sistem, seluruh user menggunakan waktu dan frekuensi yang sama, sehingga sistem ini sangat rentan terhadap interferensi. Dengan semakin bertambahnya user, maka akan mengakibatkan timbulnya Multiple Access Interference (MAI) yang merupakan interferensi dari user yang tidak diinginkan. MAI dapat mengakibatkan sinyal yang diterima menjadi rusak/ cacat. Multiuser Detection (MUD) merupakan salah satu cara untuk meminimalkan MAI dengan memanfaatkan user yang tidak diinginkan. Salah satu teknik MUD adalah Parallel Interference Cancellation (PIC). Dalam proses komunikasi, sistem menggunakan media transmisi udara yang mengakibatkan sistem ini juga sangat rentan terhadap fading. Untuk mengurangi efek fading, dapat digunakan teknik Multicarrier. Dalam teknik Multicarrier diberikan banyak sinyal carrier untuk satu user (frequency diversity), sehingga masing-masing user mengirimkan lebih dari satu sinyal. Dengan demikian, diharapkan dapat dipilih salah satu sinyal terbaik yang dapat digunakan disisi penerima. Dalam Tugas Akhir ini, akan dilakukan pengamatan SNR (Signal to Noise Ratio) dan BER (Bit Error Rate) suatu sistem dengan penggabungan sistem MUD-PIC dan Multicarrier 1 dengan menggunakan modulasi m-qam untuk beberapa jumlah user di lingkungan yang dipengaruhi AWGN dan melalui kanal Rayleigh fading. PN-Code yang digunakan adalah Gold Code 31, maksimum user adalah 20, dan jumlah maksimum subcarrier adalah 8. Hasil dari Tugas Akhir ini adalah kinerja sistem MUD-PIC Multicarrier dalam bentuk kurva BER sebagai fungsi S/N Ratio untuk jumlah user yang berbeda dan sub-carrier yang berbeda pada modulasi m-ary Quadrature Amplitude Modulation (m-qam). 2. PERENCANAAN SISTEM DAN TEORI PENUNJANG Perencanaan sistem secara sederhana dalam tugas akhir ini dibuat berdasarkan blok diagram berikut: Data Input Data Output Modulasi 4-QAM Demodulasi 4-QAM MC- MUD- PIC Gambar 1 Blok diagram sistem Blok diagram perencanaan sistem secara lebih detail dapat dilihat pada gambar 10. 2.1 Pembangkitan Input Input d yang digunakan dalam sistem ini adalah input bit biner (1 dan 0) acak. Jumlah bit yang dipancarkan untuk pengujian sistem adalah 100.000. 2.2 Modulasi 4-QAM Dalam proyek akhir ini, modulasi yang digunakan adalah 4-QAM. Sinyal binary data yang diterima dibagi kedalam dua group (dibit) yaitu kanal I dan Q. Masing-masing kanal mempunyai bit rate yang sama yaitu satu per dua dari input data rate. Pada tabel 2-1 telihat bahwa ada 4 kondisi bit input. Untuk masing-masing kombinasi bit I dan Q akan menghasilkan level fase yang berbeda-beda. Selain itu, pada modulasi 4-QAM terdapat factor normalisasi, yakni 1.- 2 Tabel 1 Tabel Kebenaran 4-QAM Input Biner Fase output Q I 0 0-135 0 1-45 1 0 +135 1 1 +45 Kanal AWGN & Rayleigh Fading MC-
Output sinyal setelah proses modulasi dapat dinotasikan sebagai berikut: =...(1) dimana merupakan amplitudo sinyal dan merupakan data input. 2.3 Pemancar MC- Multicarrier (MC-) adalah suatu kombinasi dari teknik dan Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Sehingga MC- dapat menggabungkan kelebihan dari kedua kombinasi tersebut. MC- menjadi sistem yang memiliki ketahanan terhadap frequency selective fading dan multipath delay [4] karena sistem ini menggunakan proses pengkodean dengan PN-code yang dimodulasi dengan G MC subcarrier berbeda pada domain frekuensi dalam proses transmisi data. Secara sederhana, blok diagram sistem MC- adalah sebagai berikut: Data Gambar 2 Diagram alur sistem transmitter Multicarrier 2.3.1 Proses Spreading Spreading merupakan proses pengodean data dengan cara mengalikan data dengan kode tertentu. Pada proyek akhir ini, code yang digunakan adalah Gold codes 31. Gold codes didapatkan dari proses XOR (modulo 2 adding) dua buah maksimum squence dengan panjang yang sama (kode faktor). Hasil perkalian data dengan sinyal untuk user ke-k dengan code c untuk n subcarrier dapat didenotasikan dengan [4] : y n =....(2) hasil output data input bit yang telah dikalikan dengan processing gain spreading code adalah deretan chip. 2.3.2 Proses Modulasi Subcarrier (IFFT) Sistem MC- adalah sistem multicarrier, sehingga membutuhkan suatu modulator untuk meletakan data yang akan dikirimkan ke dalam subcarrier-subcarrier tertentu. Untuk mengurangi waktu komputasi, maka proses modulasi ini dapat dilakukan dengan menggunakan fungsi Inverse Fast Fourier Transform (IFFT). Setelah melalui proses spreading dan modulasi dengan subcarrier (IFFT), masing-masing duplikasi data akan dideretkan ke dalam satu bandwidth untuk kemudian dipancarkan. Berikut adalah ilustrasi dari penderetan sinyal ke dalam satu bandwidth : Gambar 3 Spektrum frekuensi Multicarrier Output IFFT berdasarkan gambar 2.2: S k = Proses Spreading Modulasi dengan Subcarrier (IFFT) Sinyal Dikirim...(3) 2.4 Proses Transmisi 2 Kanal adalah lintasan antara pemancar dan penerima. Kanal yang digunakan dalam proyek akhir ini adalah kanal AWGN dan Rayleigh fading. 2.4.1 Kanal AWGN Kanal AWGN yaitu kanal ideal hanya memiliki noise AWGN (Additive White Gaussian Noise) yang biasa dinotasikan dengan n(t). Untuk sinyal masukan yang kompleks, blok saluran AWGN berhubungan Eb/N0, Es/N0, dan SNR berdasarkan persamaan berikut [9] : Es/N0=(Tsym/Tsamp) SNR )...(4) 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 = jumlah bit informasi per simbol masukan -. Tsam = waktu sampel dalam hitungan detik 2.4.2 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). 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=0. Magnitude h mempunyai fungsi probabilitas h =, h ~...(7) Sistem yang dibuat berada pada lingkungan kanal dengan noise AWGN dan Rayleigh Fading, sehingga dapat dinotasikan : r(t) = S(t)q(t) + n(t)......(8) dimana n(t) = noise AWGN yang mempengaruhi data. S(t) = data yang dikirim r(t) = simbol sinyal yang dkirim setelah melalui kanal q(t) = Rayleigh fading 2.5 Penerima MC- Pada penerima MC, data input berbentuk sinyal diterima r(t) setelah melalui kanal (AWGN dan Rayleigh fading). Secara sederhana, penerima MC dapat dibagi menjadi 2 blok yaitu blok demodulasi subcarrier dan proses despreading. Sinyal Diterima Demodulasi Subcarrier (FFT) Proses Despreading Gambar 4 Diagram alur sistem receiver Multicarrier 2.5.1 Proses Demodulasi Subcarrier (FFT) Data
Proses Demodulasi dengan subcarrier dapat dilakukan dengan FFT (Fast Fourier Transform). Berkebalikan dengan proses IFFT pada sisi transmitter, proses FFT berfungsi untuk melakukan alihragam sinyal dari domain waktu ke domain frekuensi. Persamaan FFT dapat dituliskan sebagai berikut [9] : = sin...(9) 2.5.2 Proses Despreading Pada proses despreading, deretan chip-chip data akan dikalikan (XOR) dengan chip = sesuai dengan chip pada transmitter. Apabila ortogonalitas antara pemancar dan penerima sempurna, maka chip-chip akan kembali menjadi bitbit data. Namun, apabila tidak cocok, akan tetap menjadi chip, yang merupakan interferensi bagi data. Sehingga, apabila terdapat n macam kombinasi chip spreading code dengan K jumlah user, maka proses ini dapat didenotasikan dengan: = h +...(10) 2.4 MUD-PIC Parallel Interference Cancellation (PIC) termasuk dalam non linier multiuser detection, dan dapat memperoleh peningkatan capaian yang nyata menggunakan perhitungan dengan kompleksitas rendah dan dengan proses delay yang singkat. Proses sinyal pada blok PIC di sisi penerima adalah sebagai berikut [8] : kembali menjadi bentuk bit dan kemudian diputuskan levelnya, untuk level di atas 0 menjadi 1 sedangkan untuk level di bawah 0 menjadi -1. Apabila hasil output sinyal masih belum memuaskan, maka proses yang sama dilakukan pada stage selanjutnya dengan input hasil output sinyal stage pertama. Proses PIC dilakukan berulang untuk beberapa stage hingga hasil sinyal diinginkan baik. Dalam proyek akhir ini, jumlah stage PIC maksimal adalah 3 stage. Untuk stage ke-m, output PIC dapat dinotasikan dengan: y ( m+ 1) ( m) k = r K i= 1 i k ρ y ki i...(11) dimana r merupakan sinyal input, sedangkan y merupakan representasi sinyal user. 2.5 Demodulasi 4-QAM Pada proses ini data yang dikirim tadi dipecah lagi menjadi 2 kanal, yaitu kanal Q dan kanal I utuk mendapatkan data masing-masing kanal seperti sebelum dimodulasi yaitu data input biner 1 dan 0. A for For aa=1: aa=1:length(s length(sn NR) R) Hasil output conventional detector Proses regenerate/respread ing sinyal dengan PN-code Pengurangan sinyal yang diterima dengan penjumlahan seluruh sinyal yang tidak diinginkan Penambahan Kanal FFT Proses decision logic sinyal menjadi 1 (level di atas 0) atau - 1 (level di bawah 0) Integrasi sinyal dalam bentuk bit Melakukan proses decoding untuk sinyal hasil proses sebelumnya Gambar 5 Diagram alur sistem MUD PIC 1. Berdasarkan output dari conventional detector, dalam proyek akhir ini yaitu penerima MC, diputuskan level amplitudo sinyal pada semua pengguna secara paralel. 2. Dilakukan proses regenerate/ respreading setiap sinyal pengguna dengan mengalikan sinyal yang diterima dengan masing-masing PN code sesuai dengan PN code pada transmitter. 3. 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. 4. Sinyal kemudian melalui Matched Filter Bank (MFB) untuk dikalikan dengan PN code sehingga 3 MUD PIC 3 stage Demodulasi 4QAM Output bit digital Error= bit input-bit output Hitung BER= Error/ jumlah bit Plot BER END Gambar 9 Diagram alir pembuatan program simulasi sistem dengan Matlab 2.6 Penghitungan Error
Selanjutnya ditentukan nilai Bit Error Rate (BER) berdasarkan nilai Signal to Noise (SNR) dan perhitungan jumlah bit error. Nilai BER ini kemudian di-plot pada grafik perbandingan SNR dan BER. 3. PEMBUATAN SISTEM, PENGUJIAN HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Pembuatan Sistem Simulasi sistem dibuat menggunakan software MATLAB R2007b berdasarkan diagram alir pada gambar 3.1. 3.2 Pengujian Sistem dan Pembahasan 3.2.1 Pengujian Sistem Dengan Parameter Jumlah Stage PIC Selanjutnya akan dilakukan pengujian sistem untuk parameter stage PIC yang berbeda. Stage maksimal yang digunakan adalah 3 stage. User yang digunakan berjumlah 20 dengan input bit 5*10-4. Setelah SNR 5 db, kinerja sistem dengan PIC lebih baik daripada kinerja sistem tanpa PIC. Pada SNR 25 db, sistem tanpa PIC menghasilkan BER 1,57*10-3. Pada nilai SNR yang sama, sistem dengan PIC pada stage pertama menghasilkan BER 10,75*10-4, sedangkan stage kedua memiliki nilai BER 9*10-4 dan ketiga memiliki nilai BER 9,5*10-4. Stage kedua dan ketiga PIC memiliki kinerja yang hampir sama. Melalui gambar 7 dapat diketahui bahwa untuk sistem tanpa MUD-PIC, nilai BER 10-3 dicapai pada SNR 27. Nilai BER yang sama dicapai oleh sistem dengan MUD-PIC stage pertama pada SNR 25. Gambar 7 Perbandingan Kurva BER untuk Subcarrier 7, 31 dan 63 Kinerja sistem MC- MUD-PIC subcarrier 7, 31 dan 63 dapat diamati pada gambar 8 dan tabel 3-3. Sebelum SNR 10 db, sistem dengan subcarrier 7, 31, dan 63 menunjukkan kinerja yang sama. Pada SNR lebih dari 10 db, sistem dengan subcarrier 7 menunjukkan kinerja yang lebih buruk. Pada SNR 45, sistem dengan subcarrier 7 hanya mencapai nilai BER 1,8*10-4, sistem dengan subcarrier 31 memiliki nilai BER 1*10-5 sedangkan sistem dengan subcarrier 7 telah memiliki nilai BER 0. Kinerja sistem dengan subcarrier 31 dan 63 hampir sama hingga SNR 15 db. Untuk SNR lebih dari 15 db, kinerja sistem dengan subcarrier 63 lebih baik. Nilai BER 10-3 dapat dicapai pada SNR 23,5 oleh sistem dengan subcarrier 63. Nilai BER yang sama baru dapat dicapai oleh sistem dengan subcarrier 31 pada SNR 25. Sedangkan sistem dengan subcarrier 7 dapat mencapai nilai BER 10-3 pada SNR 35. 3.2.3 Pengujian Sistem dengan Parameter Jumlah User Pengujian terakhir dilakukan dengan parameter jumlah user. Kinerja sistem akan diamati saat jumlah user 2, 5 dan 9. Jumlah bit yang dipancarkan adalah 10^5 dengan jumlah subcarrier 31. Gambar 6 Perbandingan kinerja sistem pada tiap-tiap stage PIC 3.2.2 Pengujian Sistem dengan Parameter Jumlah Subcarrier Pengujian sistem berikutnya dilakukan dengan menggunakan parameter Jumlah Subcarrier. Bit yang dipancarkan sebanyak 10^5 bit dan jumlah user 7. Gambar 8 Perbandingan kinerja sistem dengan jumlah user berbeda 4
Kinerja sistem MC- MUD-PIC untuk Jumlah user 2, 5 dan 9 dapat diamati pada gambar 9. Sebelum sistem mencapai nilai BER 10-3, jumlah user belum berpengaruh terhadap kinerja sistem. Setelah mencapai nilai 10-3, sistem menunjukkan perubahan atas parameter jumlah user. Sistem dengan jumlah user 2 memiliki kinerja lebih baik dari pada sistem dengan jumlah user 5 atau 9. Kemudian setelah mencapai nilai BER 10-4, kinerja sistem dengan user 5 lebih baik daripada sistem dengan user 9. Pada nilai SNR 25, sistem dengan jumlah user 2 memiliki nilai BER 8,1*10-4, sistem dengan jumlah user 5 memiliki nilai BER 8,9*10-4 dan sistem dengan jumlah user 9 memiliki nilai BER 9*10-4. 4. PENUTUP 4.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil pengujian sistem dan pembahasan pada bab sebelumnya, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Sistem komunikasi Multicarrier dengan MUD-PIC memiliki kinerja 2,5 db lebih baik daripada sistem Multicarrier tanpa MUD- PIC untuk nilai BER 10-3. Pada SNR 25 db, sistem tanpa PIC menghasilkan BER 1,4*10-3, sedangkan sistem dengan PIC pada stage pertama menghasilkan BER 7*10-4. Stage kedua dan ketiga PIC memiliki kecenderungan nilai BER sama mulai pada SNR 20 db. 2. Jumlah subcarrier yang digunakan mempengaruhi kinerja sistem MC- MUD-PIC. Pada BER 10-3, sistem dengan subcarrier 64 memiliki kinerja 2 db lebih baik daripada sistem dengan subcarrier 32. 3. Jumlah user yang pada sistem MUD- MUD- PIC berpengaruh pada kinerja sistem. Pada nilai BER 10-3, sistem dengan jumlah user 5 memiliki kinerja 1,25 db lebih baik daripada sistem dengan jumlah user 15. Pada nilai BER yang sama, sistem dengan jumlah user 15 memiliki kinerja 1,25 db lebih baik daripada sistem dengan jumlah user 25. 4.2 Saran Terdapat beberapa saran untuk pengembangan tugas akhir ini, antara lain: 1. Dapat dibuat simulasi sistem MC- MUD- PIC dengan modulasi QAM yang lain, seperti 8QAM, 16QAM atau 32QAM. 2. Dapat ditambahkan perbandingan dengan menggunakan kanal terdistribusi Rician Fading. 3. Membuat simulasi sistem dengan menggunakan bahasa pemrograman yang lain, seperti Java, C++, dll. 4. Dapat dilakukan perbandingan kinerja sistem (a)transmitter (b)receiver Gambar 10 Blok diagram sistem (a) Transmitter (b) Receiver 5
dengan sistem MC- MUD-SIC. 5. DAFTAR PUSTAKA [1]Tomasi wayne, Advanced electronic communications systems, Peretice Hall, 1992 [2] Harada, Hiroshi and Prasad Ramjee, Simulation and Software Radio for Mobile Communication, Artech House Publishers, London: 2002 [3] Hara, Shinsuke and Prasad, Ramjee, Overview of Multicarrier Systems, IEEE Communications Magazine, December 1997. [4] Charan Langton, Orthogonal Frequency Division Multiplexing Tutorial, http://www.complextoreal.com/,2004. [5] Alexander Duel-Hallen, Jack Holtzman, Zoran Zvonar, Multiuser Detection for Systems, IEEE Personal Communication, April 1995 [6] TJ Lim, Multistage Interference Cancellation, Notes for ECE1530S 2002/2003, Part 5 [7] S. Verdu, Multiuser Detecion. Cambrige, UK: Cambrige, 1998. [8] Moegiharto, Yoedy Signal to Noise,PENS- ITS,2010. [9]Ang,Peter, Performance Comparison of Multiuser Detectors for Synchtonous with Short Code, Stanford University, 2001 6