PENGARUH ERROR SINKRONISASI TRANSMISI PADA KINERJA BER SISTEM MIMO KOOPERATIF Yuwanto Dwi Saputro 0600007 Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60 Abstrak : Sistem transmisi MIMO merupakan salah satu teknik transmit diversity dengan memanfaatkan jamak pada sisi pemancar dan penerima, namun dikarenakan keterbatasan ukuran perangkat, daya dan biaya, maka sulit diterapkan pada mobile station. Sehingga diperkenalkan sistem komunikasi kooperatif dengan menggunakan beberapa user sebagai relay yang saling bekerja sama dalam menyampaikan informasi dari source ke destination. Space Time Block Code () merupakan salah satu teknik komunikasi kooperatif dengan penerapan transmit diversity, sehingga mampu meningkatkan kualitas sinyal tanpa menggunakan jamak seperti pada sistem MIMO. Teknik yang digunakan adalah pengkodean Alamouti dan. Dimana pada - Alamouti jumlah yang digunakan hanya dua transmitter, sedangkan - menggunakan empat transmitter. Namun dalam transmisi komunikasi kooperatif tersebut, proses sinkronisasinya sulit diperoleh karena letak antar relay saling berjauhan. Error sinkronisasi dalam fungsi waktu disebabkan oleh delay asynchronism. Dari simulasi yang telah dilakukan, sistem komunikasi kooperatif - akan memberikan kinerja BER yang jauh lebih baik dibandingkan dengan - Alamouti, karena semakin banyak jumlah transmitter yang digunakan, kinerja BER semakin baik. Selain itu, apabila semakin sedikit jumlah transmitter yang mengalami delay transmisi, maka kinerja BER juga semakin baik. Kata kunci : Sistem komunikasi kooperatif, MIMO, Space Time Block Code (), Alamouti,.. PENDAHULUAN Kinerja dari sistem komunikasi wireless dipengaruhi oleh keadaan kanal antara pemancar dan penerima yang sangat rentan terhadap fading dan dapat menyebabkan kinerja sistem menurun. Sehingga muncul teknik transmit diversity, yaitu teknik Multiple Input Multiple Output (MIMO). Penerapan teknologi MIMO pada sistem komunikasi wireless merupakan sebuah metode yang cukup baik untuk memperkecil efek dari multipath fading dengan penggunaan jamak pada sisi pemancar dan sisi penerima []. Namun dikarenakan adanya faktor keterbatasan daya, biaya yang mahal, serta ukuran perangkat hardware, mobile station tidak bisa mendukung penerapan sistem transmit diversity. Salah satu cara mengatasi masalah tersebut adalah melalui penerapan sistem komunikasi kooperatif []. Sistem komunikasi kooperatif mampu untuk menerapkan transmit diversity pada mobile station, dimana pada sistem komunikasi tersebut diimplementasikan dengan menganggap para user berupa mobile station yang berada disekeliling source atau destination dapat digunakan sebagai relay. Letak antar relay yang saling terpisah berjauhan menyebabkan terjadinya perbedaan waktu pengiriman dan penerimaan informasi atau yang disebut error sinkronisasi. Pengaruh error sinkronisasi ini menyebabkan intersymbol interference (ISI), sehingga informasi sulit untuk diterjemahkan kembali oleh receiver. Informasi yang dikirim oleh source akan dikirim melalui relay dan diteruskan ke destination dengan menggunakan salah satu metode forwarding yaitu detect and forward. Metode ini akan mendeteksi terlebih dahulu informasi dari beberapa relay sebelum diteruskan menuju ke destination. Metode tersebut merupakan metode komunikasi kooperatif konvensional yang sangat sederhana dan keuntungan diversity yang didapatkan juga terbatas. Dikarenakan keterbatasan tersebut, maka perlu dikembangkan suatu teknik transmit diversity lain yaitu teknik Space-Time Block Code (), dimana ini merupakan pemodelan sistem kanal yang mempresentasikan data yang dikirim tiap tiap transmitter terhadap waktu. Sistem tersebut dikenal dengan sistem komunikasi kooperatif dengan. Teknik diharapkan dapat meningkatkan kinerja transmisi pada sistem komunikasi kooperatif. Dalam tugas akhir ini diteliti mengenai pengaruh error sinkronisasi transmisi terhadap BER pada beberapa teknik Space-Time Block Code (). Pengkodean yang akan digunakan adalah -Alamouti [] yang melibatkan dua transmitter dan - [] yang melibatkan lebih dari dua transmitter. Sehingga dapat dicari seberapa besar delay sinkronisasi yang diperbolehkan agar sistem transmisi komunikasi kooperatif masih dapat berjalan.. TEORI PENUNJANG. Modulasi QPSK Teknik modulasi QPSK merupakan suatu teknik modulasi digital yang mengubah amplitudo dan fase sinyal pembawa dengan mengkodekan deretan bit biner 0 dan menjadi suatu simbol. Dimana setiap simbol mewakili dua bit sekaligus, yaitu 00, 0, 0 dan. Keempat simbol tersebut mempunyai amplitudo sama, namun terdapat perbedaan fase sinyal pembawa sebesar 90 0 [5]. Pada proses modulasi QPSK deretan data bit seri yang masuk ke serial to paralel converter (S/P) diubah ke dalam bentuk paralel yaitu kanal Inphase dan Quadrature. Kemudian pada kanal tersebut sinyal diubah dari sinyal biner yang memiliki Halaman dari 7
amplitudo 0 dan menjadi - dan +. Selanjutnya dibagian Inphase akan dikalikan dengan cos πf c t, sedangkan Quadrature akan dikalikan dengan sin πf c t dan dijumlahkan secara linier menjadi sinyal I+jQ. Sehingga sinyal output menghasilkan simbol ++, +-, - + dan --.. Kanal Rayleigh Fading Kanal merupakan lintasan antara pemancar dan penerima. Pada kanal dengan kondisi ideal, sinyal yang dikirimkan transmitter akan diterima dengan sempurna. Namun pada kenyataannya jarang sekali ditemukan kondisi kanal seperti ini, sinyal yang diterima oleh receiver berupa sinyal hasil pantulan, pembelokan dan hamburan bermacam macam objek dari sinyal yang dikirim [6]. Kanal yang demikian pada sistem komunikasi wireless disebut kanal fading. Pada kanal multipath fading banyak menggunakan distribusi rayleigh, dimana tidak terdapat lintasan langsung atau NLOS (Non Line of Sight) diantara pemancar dan penerima. Distribusi rayleigh digunakan untuk mendeskripsikan statistik perbedaan waktu dari envelope yang diterima terhadap sebuah sinyal fading. Fungsi rapat probabilitas atau (PDF) rayleigh ditulis dalam persamaan : p () r = r σ r exp σ 0 ( 0 r ) ( r < 0) (.) dimana σ adalah nilai tegangan rata-rata sinyal terima sebelum deteksi envelope, sedangkan σ menyatakan daya rata-rata waktu deteksi envelope. Sinyal envelope (r) terdistribusi rayleigh mempunyai nilai yaitu x + y dimana x dan y terdistribusi Gaussian dan independent.. AWGN (Additive White Gaussian Noise) Pada kanal transmisi selalu terdapat penambahan noise yang timbul karena akumulasi thermal noise dari perangkat pemancar, media transmisi dan perangkat penerima. Noise AWGN merupakan gangguan yang bersifat additive atau ditambahkan terhadap sinyal transmisi. Secara teoritis AWGN dapat dideskripsikan sebagai proses acak yang terdistribusi Gaussian dengan rata-rata (mean) sama dengan nol. Proses acak Gaussian n(t) merupakan fungsi acak dengan harga n pada saat waktu t, dan dikarakteristikkan secara statistik dengan fungsi rapat probabilitas (PDF) Gaussian sebagai berikut : n P ( n) = exp (.) σ π σ dimana σ merupakan varian dari n. Normalisasi Gaussian probability density function dari proses zero mean didapatkan dengan mengasumsikan σ =.. Teknik Diversity Sistem komunikasi wireless mempunyai keterbatasan akibat adanya pengaruh fading, maka diperlukan suatu metode khusus yang dapat mengurangi efek tersebut dan memberikan unjuk kerja yang lebih baik. Salah satunya dengan menggunakan teknik diversity. Teknik diversity memanfaatkan sifat alami dari gelombang elektromagnetik yang dipancarkan secara broadcast dan bersifat multipath. Teknik diversity dapat dibagi menjadi empat macam, antara lain : spatial diversity, frequency diversity, time diversity dan space diversity [7]..5 Sistem MIMO (Multiple Input Multiple Output) Sistem MIMO merupakan salah satu teknik diversity yang berdasarkan spatial diversity, yakni dengan menggunakan sebanyak N di sisi pemancar dan M di sisi penerima. Tujuan dari sistem MIMO adalah untuk menjadikan sinyal pantulan sebagai penguat sinyal utama sehingga tidak saling menggagalkan. Selain itu, MIMO juga memilki kelemahan yaitu adanya interval waktu yang menyebabkan adanya delay pada yang akan mengirimkan sinyal informasi, hal tersebut terjadi karena adanya proses dimana sistem harus membagi sinyal mengikuti jumlah antenna yang dimiliki oleh perangkat MIMO yang jumlahnya lebih dari satu..6 Teknik (Space Time Block Code) Space Time Block Code () merupakan pengembangan dari teknik diversity secara sederhana yang mampu memisahkan simbol transmisi ke dalam spatial diversity dan time slot, sehingga dapat meningkatkan kualitas sinyal dengan dibantu oleh penggunaan dua atau lebih pada pemancar dan penerima..6. Alamouti Skema ini diperkenalkan oleh Siavas M. Alamouti yang telah berhasil menemukan desain kode blok pada teknik transmit diversity, dengan penggunaan dua di sisi pemancar dan penerima[]. Seperti yang ditunjukkan pada gambar. Gambar. Alamouti pemancar dan penerima Halaman dari 7
Tabel. Encoding dan Transmission sequence Alamouti Tx 0 Tx waktu t s 0 s waktu t + T * s * s 0 Tabel. Kanal antara Tx dan Rx Alamouti Rx 0 Rx Tx 0 h 0 h Tx h h.6. Skema Skema combiner yang digunakan adalah MMRC (Maximum-Ratio Receiver Combiner). MRRC merupakan salah satu teknik combiner yang mampu meningkatkan kualitas sinyal di penerima dengan proses yang sederhana, yaitu menggabungkan n sinyal yang diterima. Proses mekanisme teknik dari MMRC ditunjukkan pada gambar. Tabel. Notasi sinyal terima di Rx Alamouti Rx 0 Rx waktu t r 0 r waktu t + T r r.6. Skema ini diperkenalkan oleh Vahid, yang telah berhasil menemukan desain kode blok pada Orthogonal Space Time Block Code (O). Kelemahan pada Orthogonal adalah jika terdapat lebih dari dua pemancar dan sinyal modulasi yang bernilai komplek. Oleh sebab itu, digunakan pengkodean dimana prinsip kerjanya sama seperti kode Alamouti, namun perbedaannya adalah jumlah N pemancar dan M penerima yang digunakan lebih dari dua []. Pada tugas akhir ini digunakan empat pemancar dan penerima. Tabel. merupakan sinyal informasi yang akan ditransmisikan setiap dalam time slot yang berbeda. Tabel. Encoding dan Transmission sequence Tx Tx Tx Tx waktu t s s s s waktu t + T s s s s waktu t + T s s s s waktu t + T s s s s Tabel.5 Kanal antara Tx dan Rx Rx Rx Rx Rx Tx h h 5 h 9 h Tx h h 6 h 0 h Tx h h 7 h h 5 Tx h h 8 h h 6 Tabel.6 Notasi sinyal terima di Rx Rx Rx Rx Rx waktu t r r 5 r 9 r waktu t + T r r 6 r 0 r waktu t + T r r 7 r r 5 waktu t + T r r 8 r r 6 Gambar. Maximum Ratio Sinyal yang diterima tersebut berasal dari penjumlahan n sinyal yang diterima oleh penerima pada time slot t sampai t + (n-)t, dimana urutan waktu pengiriman sesuai dengan urutan pada tabel diatas..6. Maximum Likelihood Decision Setelah sinyal keluar dari combiner kemudian dikirim ke maximum likelihood detector, dimana sinyal tersebut akan dilakukan proses pengambilan keputusan terhadap sinyal s 0 sampai sn yang merupakan estimasi maximum likelihood dari s 0 sampai s n-. Hasil nilai dari proses maximum likelihood ini akan digunakan sebagai pembanding dengan sinyal informasi yang telah dikirimkan..7 Sistem Komunikasi Kooperatif Penerapan metode teknik diversity mampu untuk memperbaiki unjuk kerja sistem komunikasi wireless yang terpengaruh adanya efek dari fading, shadowing dan berbagai macam interferensi lainnya. Namun pada teknik diversity ini masih mempunyai kekurangan yakni ketika jarak antara pengirim dan penerima sangat jauh, daya sinyal yang diterima oleh penerima akan semakin kecil seiring dengan pertambahan jarak. Selain itu, pada mobile station dengan keterbatasan ukuran perangkat hardware, daya dan biaya, maka tidak dapat mendukung penerapan teknik diversity. Oleh karena itu, diperkenalkan sebuah sistem komunikasi baru untuk mengatasi masalah tersebut, yaitu sistem komunikasi kooperatif. Sistem komunikasi kooperatif adalah suatu teknik komunikasi multihop yang dalam proses transmisinya membutuhkan bantuan dari node node sebagai relay. Fungsi dari relay adalah untuk menerima, memproses dan meneruskan informasi, dengan penggunaan relay tersebut diharapkan dapat menurunkan probabilitas error dari sinyal informasi yang dikirim oleh pemancar menuju ke penerima. Sehingga kapasitas dan performa sistem komunikasi meningkat dan mengurangi konsumsi daya yang sangat terbatas pada penerima. Halaman dari 7
PEMODELAN SISTEM Pada pemodelan sistem komunikasi kooperatif akan dibandingkan dengan beberapa macam teknik, yaitu -Alamouti dan -. Hal tersebut dilakukan untuk menganalisa pengaruh delay waktu akibat error sinkronisasi transmisi dalam kanal rayleigh fading terhadap Eb/No dan BER, sehingga dapat diketahui performa dari sistem. Sistem komunikasi kooperatif ini menggunakan tiga hop, data informasi yang dibangkitkan secara acak oleh source, kemudian dimodulasi QPSK. Data informasi yang dikirim dari source ke relay dan relay ke destination diasumsikan benar karena jaraknya dekat, sedangkan data dari relay ke relay mengalami delay waktu akibat error sinkronisasi transmisi karena jarak yang sangat jauh. Delay yang terjadi bervariasi sebesar 0,065 μs 0,5 μs atau titik sampel data dan noise AWGN yang dibangkitkan di sisi penerima juga bervariasi pada Eb/No yaitu 0 5 db.. Alamouti Pada pemodelan Alamouti, terdiri dari source, empat relay dan destination. Dimana pengkodean Alamouti menggunakan dua pemancar (Tx) dan dua penerima (Rx), seperti pada gambar... - Pada sistem komunikasi kooperatif terdiri dari source, delapan relay dan destination. Pengkodean yang dilakukan menggunakan empat pemancar (Tx) dan empat penerima (Rx), seperti yang ditunjukkan pada gambar.. s s s s s s Data Input Modulasi QPSK n n n n [ s ] [ s ] [ s s s s ] [ s s s ] n 5 n 6 + + 5 6 + + n n s + + h h h h h h h 5 h 6 h h 8 h9 h h 0 7 h 5 h h6 n 7 7 + n 5 n 6 n 9 n n 7 n 8 n 0 n n 8 8 + n 9 n 0 n n + n n [ s *] [ ] * s s s Decoder h = h = α e jθ h = α e jθ α jθ e h = α e jθ Demodulasi QPSK Data Output Gambar. Diagram alir - ANALISA HASIL SIMULASI Gambar. Diagram alir Alamouti. Analisa Kinerja Sistem Komunikasi Kooperatif -Alamouti Terhadap Pengaruh Delay Asynchronus Pada gambar. merupakan sistem komunikasi kooperatif dengan -Alamouti yang mempunyai dua pemancar dan penerima, dimana salah satu dari pemancar tersebut mengalami delay, sinyal yang mengalami delay akibat tidak tersinkronisasi sempurna tersebut akan mempengaruhi kinerja dari sinyal yang tersinkronisasi sempurna, sehingga akan membuat sinyal yang diterima oleh penerima mengalami penurunan kinerja. Hal tersebut dapat dilihat, dimana saat BER 0 -, kinerja dari sistem komunikasi non-kooperatif mempunyai nilai Eb/No sebesar db, sedangkan pada komunikasi kooperatif tanpa Halaman dari 7
delay bernilai Eb/No 9 db. Sehingga sistem komunikasi kooperatif mempunyai kinerja yang sangat baik sebesar 5 db, dibandingkan dengan sistem komunikasi non-kooperatif. Pada BER yang sama 0 - sinyal yang mengalami delay 6,5% dari periode sampling (Ts),,5% Ts, 8,75% Ts, 5% Ts dan,5% Ts bila dibandingkan dengan sinyal tanpa delay, masing masing sinyal akan mengalami penurunan Eb/No sebesar 0, db, 0, db, 0,8 db, db dan,6 db. Untuk sinyal yang mengalami delay sampai melebihi kinerja dari sistem komunikasi non kooperatif, maka tidak bisa diterima dengan baik oleh penerima, yaitu saat sinyal terdelay 5 titik sampel atau,5% Ts. Pengaruh dari delay terhadap nilai Eb/No juga dapat dilihat dari banyaknya jumlah pemancar yang mengalami delay yang ditunjukkan pada gambar.,. dan.5. Gambar. Sistem komunikasi kooperatif -Alamouti terhadap delay Selain itu, pada BER yang sama 0 - sinyal yang mengalami delay 6,5% dari periode sampling (Ts),,5% Ts, 8,75% Ts dan 5% Ts bila dibandingkan dengan sinyal tanpa delay, masing masing sinyal akan mengalami penurunan Eb/No sebesar 0,5 db, db,,5 db dan,5 db. Untuk sinyal yang mengalami delay sampai melebihi kinerja dari sistem komunikasi non kooperatif, maka tidak bisa diterima dengan baik oleh penerima, yaitu saat sinyal terdelay titik sampel atau 5% Ts.. Analisa Kinerja Sistem Komunikasi Kooperatif - Terhadap Pengaruh Delay Asynchronus Pada sistem komunikasi kooperatif - dengan empat pemancar dan penerima. Dimana saat BER 0 -, kinerja dari sistem komunikasi non-kooperatif mempunyai nilai Eb/No sebesar db, sedangkan pada komunikasi kooperatif tanpa delay bernilai Eb/No 5,8 db. Sehingga sistem komunikasi kooperatif mempunyai kinerja yang sangat baik sebesar 8. db, dibandingkan dengan sistem komunikasi non-kooperatif. Gambar. Sistem komunikasi kooperatif - terhadap delay dengan satu tersinkronisasi sempurna Gambar. Sistem komunikasi kooperatif - terhadap delay dengan dua tersinkronisasi sempurna Gambar. Sistem komunikasi kooperatif - terhadap delay Halaman 5 dari 7
Gambar.5 Sistem komunikasi kooperatif - terhadap delay dengan tiga tersinkronisasi sempurna Gambar.8 Perbandingan sistem komunikasi kooperatif -Alamouti dengan - dengan delay,5% Ts Dari hasil grafik didapatkan bahwa semakin sedikit jumlah yang mengalami delay, maka kinerja dari sistem komunikasi kooperatif - akan jauh lebih baik dibandingkan dengan yang terpengaruh delay.. Perbandingan Kinerja Sistem Komunikasi Kooperatif -Alamouti dan - Terhadap Pengaruh Delay Asynchronus Perbandingan kinerja dari sistem komunikasi kooperatif baik dengan -Alamouti dan - dapat dilihat pada gambar.6,.7,.8,.9 dan.0. Gambar.9 Perbandingan sistem komunikasi kooperatif -Alamouti dengan - dengan delay 8,75% Ts Gambar.6 Perbandingan sistem komunikasi kooperatif -Alamouti dengan - tanpa delay Gambar.0 Perbandingan sistem komunikasi kooperatif -Alamouti dengan - dengan delay 5% Ts Gambar.7 Perbandingan sistem komunikasi kooperatif -Alamouti dengan - dengan delay 6,5% Ts Berdasarkan gambar grafik grafik diatas, perbandingan antara sistem komunikasi kooperatif dengan memberikan kinerja lebih baik dibandingkan dengan Alamouti. Hal tersebut dapat dilihat misalkan pada saat BER 0 - dengan sinyal tanpa delay, -Alamouti mempunyai nilai Eb/No sebesar 9 db, sedangkan - Eb/No bernilai 5,8 db. Sehingga sistem komunikasi kooperatif - mempunyai kinerja yang lebih baik sebesar, db. Halaman 6 dari 7
5 KESIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi dan analisa, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :. Kinerja dari sistem komunikasi kooperatif dengan -Alamouti dan - dipengaruhi oleh kondisi kanal AWGN noise dan rayleigh fading.. Pengaruh dari delay transmisi menyebabkan terjadinya intersymbol interference (ISI), sehingga mengakibatkan kinerja dari sistem komunikasi menurun.. Kinerja sistem komunikasi kooperatif dengan - Alamouti dan - memiliki kinerja lebih baik 5 db dan 8, db, bila dibandingkan dengan sistem komunikasi non kooperatif.. Pengaruh banyaknya jumlah pemancar yang mengalami delay juga mengakibatkan kinerja sistem komunikasi kooperatif menurun. 5. Kinerja BER pada sistem komunikasi kooperatif dengan lebih baik dibandingkan dengan Alamouti, terlihat pada saat sinyal tanpa delay untuk nilai BER 0 - yang sama Alamouti mempunyai Eb/No = 9 db sedangkan - mempunyai Eb/No = 5,8 db, sehingga terjadi penghematan daya, db. RIWAYAT PENULIS Yuwanto Dwi Saputro dilahirkan di Gresik pada tanggal 7 Juni 988. Putra kedua dari tiga bersaudara pasangan H. Sudarijanto dan Hj. Sutartiningsih. Memulai pendidikan di SDN Randuagung III pada tahun 99. Setelah itu melanjutkan ke SMP Negeri Gresik pada tahun 000. Pada tahun 00 melanjutkan pendidikan di SMA Negeri Gresik. Kemudian pada tahun 006 diterima di Jurusan Teknik Elektro ITS dengan mengambil konsentrasi bidang studi Telekomunikasi Multimedia. Pada bulan Januari 0, penulis melaksanakan seminar dan sidang tugas akhir di bidang studi Telekomunikasi Multimedia sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana S- Teknik Elektro. DAFTAR PUSTAKA [] K.J. Ray Liu, S. Ahmed K., K. Andreas and S. Weifeng, Cooperative Communications and Networking, United States of America: Cambridge University Press, 009. [] T. Nguyen, O. Berder, and O. Sentieys, Cooperative MIMO schemes optimal selection for wireless sensor networks, IEEE 65th Vehicular Technology Conference, VTC-Spring, pp. 85 89, 007. [] S. M. Alamouti, A simple diversity technique for wireless communications, IEEE Jour. on Selected Areas in Communications, vol. 6, no. 8, pp. 5 58, 998. [] V., H. Jafarkhani, and A. R. Calderbank, Space-time block codes from orthogonal designs, IEEE Transactions on Information Theory, vol. 5, no. 5, pp. 56 67, July 999 [5] Xiong, Fuqin, Digital Modulation Techniques, Boston:Artech House Telecommunications Library, 000. [6] Uke Kurniawan Usman, Modul: Pengenalan Sistem Cellular, STT Telkom, <URL: www.stttelkom.ac.id/staf/uku /Handout TE0- SISKOMBER (S)/Modul -part.ppt>. [7] Meier, Andreas., Cooperative Diversity in Wireless Networks. University of Edinburgh, 00. Halaman 7 dari 7