TUGAS AKHIR EVALUASI KINERJA MIMO-OFDM DENGAN MODULASI ADAPTIF PADA LONG TERM EVOLUTION DALAM ARAH DOWNLINK Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendididikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro SANDI SIBURIAN NIM. 070402033 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
ABSTRAK Adanya efek multipath fading mengakibatkan sinyal yang terima di bagian penerima akan berubah-ubah dan akan mempengaruhi kualitas bit error rate (BER) di penerima. Untuk mengatasi masalah tersebut teknologi long term evolution (LTE) sudah mendukung teknik modulasi adaptif (QPSK, 16-QAM, 64-QAM) dan MIMO- OFDM. Pada teknik MIMO-OFDM jumlah antena pemancar dan antena penerima lebih dari satu yang akan meningkatkan dan mengoptimalkan signal to noise ratio (SNR) di penerima sehingga diperoleh BER yang lebih baik pada jaringan. Teknik modulasi adaptif memungkinkan pengirim untuk mengubah jenis modulasinya sesuai dengan kondisi link radio yang ada untuk mendapatkan bit rate yang lebih baik. Pada Tugas akhir ini penulis akan mengevaluasi kinerja MIMO-OFDM dengan modulasi adaptif dalam arah downlink dan akan menganalisis pengaruhnya terhadap BER pada kanal AWGN. Adapun software yang digunakan untuk simulasi ini adalah MATLAB R2010a. Dari hasil simulasi dan analisa yang dilakukan diperoleh bahwa modulasi QPSK memberikan nilai bit error rate (BER) lebih rendah dibandingkan dengan modulasi 16-QAM, dan 64-QAM pada setiap nilai SNR yang sama. Dari simulasi juga diperoleh, untuk mendapatkan BER 10-3 dengan menggunakan modulasi QPSK, maka MISO 2x1-OFDM memerlukan SNR >16 db, sedangkan MIMO 2x2 OFDM memerlukan SNR 10 db, dan MIMO 2x4-OFDM memerlukan SNR > 2 db. Untuk modulasi 16-QAM dengan target BER 10-3, maka MISO 2x1-OFDM membutuhkan SNR 19 db, sedangkan MIMO 2x2- OFDM membutuhkan SNR 11 db dan MIMO 2x4-OFDM membutuhkan SNR 6,5 db. Untuk modulasi 64-QAM dengan target BER 10-3, maka MISO 2x1- OFDM membutuhkan SNR > 20 db, MIMO 2x2-OFDM membutuhkan SNR 19 db, dan MIMO 2x4- OFDM membutuhkan SNR 13 db. Selain itu teknik modulasi adaptif juga dapat mempertahankan nilai BER 10-2 tetap konstan, tetapi dengan bit rate yang lebih cepat dengan mengganti jenis modulasi dengan level yang lebih tinggi. Pada simulasi diperoleh bahwa nilai SNR minimal yang dibutuhkan oleh MISO 2x1-OFDM, MIMO 2x2 OFDM, dan MIMO 2x4-OFDM untuk menggunakan modulasi 64-QAM yang memiliki bit rate lebih tinggi dan dengan tetap mempertahankan nilai BER 10-3 berturut-turut adalah 20 db,15 db, dan 10 db. i
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Evaluasi Kinerja MIMO-OFDM dengan Modulasi Adaptif Pada Long Term Evolution Dalam Arah Downlink Penulisan Tugas Akhir ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Dalam penulisan Tugas Akhir ini penulis sudah berusaha maksimal dengan kemampuan yang ada, namun penulis menyadari penyusunan Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu penulis bersedia menerima kritik dan saran yang sifatnya membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada orangtua tercinta, ayahanda B.Siburian dan ibunda T.Sinaga yang memberikan dukungan moral dan materil selama perkuliahan sampai selesainya penulisan Tugas Akhir ini. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih yang sebanyakbanyaknya kepada pihak-pihak yang telah membantu penulis berupa fasilitas, moril, dan materil antara lain : 1. Bapak Ir. Surya Tarmizi, MSi, selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. 2. Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. 3. Bapak Ir. Sihar P. Panjaitan, MT, selaku dosen pembimbing Tugas Akhir, atas bimbingan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Ir. Pernantin Tarigan, MSc, selaku Dosen Wali penulis atas segala nasehat dan bimbingannya kepada penulis selama mengikuti kegiatan akademik. ii
5. Seluruh staf pengajar Departemen Teknik Elektro, khususnya Konsentrasi Teknik Telekomunikasi yang telah membekali penulis dengan berbagai disiplin ilmu. 6. Seluruh Pegawai dan Karyawan Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. 7. Teman-teman di Departemen Teknik Elektro USU, terkhusus angkatan 2007 8. Para Teman-teman koordinasi UKM KMK USU, yaitu candra, rani, tria, ayet, dan meylona, serta seluruh orang yang Tuhan pakai membentuk hidupku di pelayanan ini 9. Terkhusus buat Sri Dewi Situmorang yang setia memberikan semangat dalam penyelesaian Tugas Akhir ini Akhir kata penulis berharap semoga penulisan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi penulis, pembaca, dan bagi siapapun yang membutuhkannya. Medan, Agustus 2011 Penulis iii
DAFTAR ISI ABSTRAK.. KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR..... DAFTAR TABEL.. DAFTAR SINGKATAN.... i ii iv ix xi x BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang..... 1 1.2 Rumusan Masalah.... 2 1.3 Tujuan dan Manfaat Penulisan... 2 1.4 Batasan Masalah... 2 1.5 Metodologi Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengenalan Teknologi Long Term Evolution ( LTE )... 5 2.1.1 Umum... 5 2.1.2 Arsitektur Long Term Evolution... 6 2.1.3 Aspek Interface Radio LTE... 8 2.1.3.1 Teknik Akses... 8 iv
2.1.3.2 Mode Akses Radio... 9 2.1.3.3 Konfigurasi Antena Pada LTE... 10 2.1.3.3.1 Single Input Multiple Output (SIMO)... 11 2.1.3.3.2 Multiple Input Single Ouput (MISO)... 11 2.1.3.3.3 Multiple Input Multiple Output (MIMO)... 12 2.1.3.4 Adaptive Modulation coding ( AMC )... 13 2.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)... 13 2.2.1 Sistem Tranceiver OFDM... 17 2.2.2.1 Transmiter OFDM... 17 2.2.2.2 Receiver OFDM... 19 2.3 Kanal AWGN... 20 2.4 Modulasi dan Teknik Modulasi Adaptif... 21 2.4.1 Modulasi... 21 2.4.1.1 Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)... 22 2.4.1.2 Quadratute Amplitude Modulation (QAM)... 24 2.4.2 Teknik Modulasi Adaptif... 27 2.5 Teknik Transmisi Antena MIMO... 28 2.5.1 Space Frequency Block Coding (SFBC)... 29 v
BAB III MODEL SISTEM MIMO-OFDM PADA LTE DALAM ARAH DOWNLINK 3.1 Umum... 32 3.2 Model Sistem...... 32 3.2.1 Bagian Pengirim.... 33 3.2.2 Modulation Mapper... 33 3.2.2 Layer Mapper.... 34 3.2.3 Precoder... 35 3.2.4 OFDM modulator... 36 3.2.2 Kanal MIMO... 38 3.2.2.1 Kanal MIMO 2x1... 38 3.2.2.2 Kanal MIMO 2x2... 39 3.2.2.3 Kanal MIMO 2x4... 40 3.2.2.4 Matriks Korelasi MIMO Pada LTE... 41 3.2.3 Bagian Penerima... 42 3.2.3.1 OFDM Demodulator... 42 3.2.3.2 SFBC Deprecoder dan Combiner... 43 3.4.3 Layer Demapper... 44 3.4.4 Demodulator... 45 3.5 Modulasi Adaptif... 46 3.6 Perhitungan BER... 46 vi
BAB IV HASIL SIMULASI DAN ANALISIS 4.1 Parameter Simulasi... 48 4.2 Hasil Simulasi dan Analisis... 49 4.2.1 Perbandingan Kinerja Jenis Modulasi Pada MIMO- OFDM..... 49 4.2.2 Kinerja MIMO-OFDM tanpa Menggunakan modulasi Adaptif... 51 4.2.1.4 Perbandingan Kinerja Konfigurasi MIMO- OFDM Dengan Modulasi 64-QAM... 51 4.2.1.5 Perbandingan Kinerja Konfigurasi MIMO- OFDM Dengan Modulasi 16-QAM... 52 4.2.1.6 Perbandingan Kinerja Konfigurasi MIMO- OFDM Dengan Modulasi QPSK... 54 4.2.3 Kinerja MIMO-OFDM Dengan Menggunakan Modulasi Adaptif... 62 4.2.2.1 MISO 2x1 OFDM... 57 4.2.2.2 MIMO 2x2 OFDM... 59 4.2.2.3 MIMO 2x4 OFDM... 62 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 65 5.2 Saran... 65 DAFTAR PUSTAKA. 66 LAMPIRAN vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Evolusi Jaringan LTE 5 Gambar 2.2 Arsitektur Dasar Jaringan LTE.... 7 Gambar 2.3 Arah Transmisi Downlink dan Uplink.. 8 Gambar 2.4 FDD dan TDD Pada LTE.. 10 Gambar 2.5 Konfigurasi SIMO. 11 Gambar 2.6 Konfigurasi MISO. 12 Gambar 2.7 Konfigurasi MIMO... 13 Gambar 2.8 Sinyal Subcarrier yang Non-Orthogonal. 14 Gambar 2.9 Sinyal Subcarrier yang Saling Orthogonal pada OFDM. 15 Gambar 2.10 Sistem Transceiver OFDM... 16 Gambar 2.11 Transmitter OFDM 17 Gambar 2.12 Proses Serial to Parallel dan Modulasi... 18 Gambar 2.13 Sistem Receiver OFDM... 19 Gambar 2.14 Fungsi kerapatan daya AWGN.... 20 Gambar 2.15 Modulator QPSK. 23 Gambar 2.16 Konstelasi Sinyal QPSK.. 24 Gambar 2.17 Konstelasi Sinyal 16-QAM (a) dan 64-QAM (b) 26 Gambar 2.18 Penggunaan Modulasi Adaptif pada Kondisi Link Radio yang Berbeda. 28 Gambar 2.19 Antena MIMO 3x3. 29 Gambar 2.20 Proses Pengkodean SFBC dengan Dua Antena Pengirim. 31 Gambar 3.1 Model sistem yang disimulasikan. 33 Gambar 3.2 Layer Mapping untuk Dua Layer.. 34 Gambar 3.3 SFBC Precoding untuk Dua Antena Port... 36 viii
Gambar 3.4 Blok Diagram OFDM Modulator. 37 Gambar 3.5 Kanal MIMO 2x1.. 39 Gambar 3.6 Kanal MIMO 2x2. 40 Gambar 3.7 Kanal MIMO 2x4.. 41 Gambar 3.8 Blok Diagram Sistem Penerima 48 Gambar 3.9 OFDM Demodulator.. 49 Gambar 4.1 Perbandingan SNR vs BER MISO 2x1 - OFDM pada Jenis Modulasi Berbeda.. 52 Gambar 4.2 Perbandingan SNR vs BER MIMO 2x2 - OFDM pada Jenis Modulasi Berbeda.. 54 Gambar 4.3 Perbandingan SNR vs BER MIMO 2x4 - OFDM pada Jenis Modulasi Berbeda.. 56 Gambar 4.4 Perbandingan SNR vs BER MIMO-OFDM dengan 64-QAM.. 58 Gambar 4.5 Perbandingan SNR vs BER MIMO-OFDM dengan 16-QAM.. 60 Gambar 4.6 Perbandingan SNR vs BER MIMO-OFDM dengan 64-QAM.. 62 Gambar 4.7 Perbandingan SNR vs BER MISO 2x1 - OFDM dengan Modulasi Adaptif. 64 Gambar 4.8 Perbandingan SNR vs BER MIMO 2x2 - OFDM dengan Modulasi Adaptif..... 67 Gambar 4.9 Perbandingan SNR vs BER MISO 2x4 - OFDM dengan Modulasi Adaptif... 70 ix
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan Jumlah Bit pada Beberapa Jenis Modulasi.. 22 Tabel 2.2 Pemetaan Bit pada QPSK... 23 Tabel 3.1 Sintaks Fungsi Modulator QPSK,16-QAM, dan 64-QAM pada Matlab.. 34 Tabel 3.2 Layer Mapping untuk dua layer... 35 Tabel 3.3 Jenis Korelasi Kanal MIMO Pada LTE. 42 Tabel 3.4 Matriks Korelasi Kanal MIMO... 43 Tabel 3.5 Layer demapping untuk dua antena penerima. 46 Tabel 3.6 Sintaks fungsi demodulasi pada Matlab.. 47 Tabel 3.7 Batas treshold nilai SNR untuk pemilihan jenis modulasi.. 48 Tabel 3.8 Logika XOR untuk mendeteksi Error Bit.... 49 Tabel 4.1 Parameter Sistem yang Disimulasikan... 50 Tabel 4.2 Perbandingan SNR vs BER MISO 2x1 - OFDM pada jenis modulasi berbeda 52 Tabel 4.3 Perbandingan SNR vs BER MIMO 2x2 - OFDM pada Jenis modulasi berbeda 54 Tabel 4.4 Perbandingan SNR vs BER MIMO 2x4 - OFDM pada jenis modulasi berbeda... 56 Tabel 4.5 Perbandingan SNR vs BER MIMO-OFDM Dengan Modulasi 64-QAM. 58 x
Tabel 4.6 Perbandingan SNR vs BER MIMO-OFDM Dengan Modulasi 16-QAM 60 Tabel 4.7 Perbandingan SNR vs BER MIMO-OFDM Dengan Modulasi QPSK 62 Tabel 4.8 Perbandingan SNR vs BER MISO 2x1 - OFDM dengan Modulasi Adaptif. 64 Tabel 4.9 Perbandingan SNR vs BER MISO 2x2 - OFDM dengan Modulasi Adaptif. 67 Tabel 4.10 Perbandingan SNR vs BER MIMO 2x4 - OFDM dengan Modulasi Adaptif. 69 xi
DAFTAR SINGKATAN 3GPP AMPS AWGN BER CQI CSI DSL E-UTRAN FDD FDM FFT IFFT IMS IP ISI LPF LTE MIMO MISO ML MME/GW MMSE MRC OFDM OSTBC PAPR PDN P-GW PIC QAM QOS QPSK RNC SC-FDMA SFBC S-GW SIC SIMO SINR Third Generation Partnership Project Advance Mobile Phone System Adaptive White Gaussian Noise Bit Error Rate Channel Quality Indicator Channel State Information Digital Subscriber Line Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Frequency Division Duplex Frequency Division Multiplexing Fast Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform IP Multimedia Subsystem Internet Protocol Intersymbol Interference Low Pass Filter Long Term Evolution Multiple Input Multiple Output Multiple Input Single Ouput Maximum Likehood Mobility Management Entity/Gateway Minimum Mean Square Error Maximum Ratio Combining Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Space Time Block Coding Peak Average Power Ratio Packet Data Network Packet Data Network Gateway Parallel Interference Cancellation Quadrature Amplitude Modulation Quality Of Service Quadrature Phase Shift Keying Radio Network Controller Single Carrier-Frequency Division Multiple Access Space Frequency Block Coding Serving Gateway Successive Interference Cancellation Single Input Multiple Output Signal To Interference Noise Ratio xii
SISO SNR STBC TDD UE ZF Single Input Single Ouput Signal To Noise Ratio Space Time Block Coding Time Division Duplex User Equipment Zero Forcing xiii