desain dan analisis kinerja penggabungan … filedesain dan analisis kinerja penggabungan modulasi...

DESAIN DAN ANALISIS KINERJA PENGGABUNGAN MODULASI ADAPTIF DANALGORITMA ADAPTIF BEAMFORMING UNTUK SISTEM IEEE 802.16E (DESIGN AND PERFORMANCE ANALYSIS FOR COMBINING ADAPTIVE

MODULATION AND ADAPTIVE BEAMFORMING ALGORITHM FOR IEEE802.16E SYSTEM )

Lidya Indriani¹, -²

¹Magister Elektro Komunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom

AbstrakModulasi adaptif merupakan salah satu metode yang diusulkan oleh Hanzo dan Torrance yangdapat meningkatkan kinerja sistem yaitu dengan melakukan penyesuaian skema modulasiterhadap perubahan kondisi kanal [2]. Parameter penting yang mempengaruhi performansimodulasi adaptif adalah Signal to Noise Ratio (SNR). Agar pemilihan skema modulasi menjadiefisien, maka sangat penting untuk mengetahui SNR estimasi.Selain menggunakan modulasi adaptif, pada penelitian ini akan diajukan teknik adaptifbeamforming dengan menggunakan antena susunan pada sisi penerima sehingga efek fadingdapat dikurangi yang pada akhirnya kinerja sistem dapat meningkat. Penelitian tentang adaptifbeamforming telah dilakukan oleh Kim dan Lee yang menerapkan teknik beamforming padakanal AWGN untuk sistem OFDM [14]. Kinerja algoritma adaptif beamforming tergantung padateknik pembobotan antena yang akan digunakan.Hasil penelitian yang dilakukan pada pengamatan kecepatan user 30 km/jam denganpenggabungan sistem adaptif beamforming (jumlah elemen antena 8) dan adaptif modulasiterjadi perbaikan kinerja sebesar ± 10 dB terhadap 1 elemen antena (tanpa beamforming) saatBER 10.

Kata Kunci : Modulasi adaptif, Algoritma adaptif beamforming

AbstractAn adaptive modulation is one of methods that can increase the performance system proposed byHanzo and Torrance, which the method works by adapting scheme of modulation toward channelcondition change [2]. The important parameter that influence performance of adaptivemodulation in Signal to Noise Ratio (SNR). To make scheme of modulation choice becameefficient, it is very important to understand the SNR estimation.Besides using adaptive modulation, within this Thesis will also be proposed beamformingadaptive technique by using array antenna on receiver then fading effect can be reduced that inthe end the performance system will increase eventually. Research over beamforming adaptivehas done by Kim and Lee that has applied beamforming technique on AWGN channel for theOFDM system [14]. Beamforming adaptive algorithm work depends on weight antenna techniquethat will be applied.Result of Thesis that will be conducted on user velocity observation if 30 km/h by means of fusionof beamforming adaptive system (element numbers of antenna 8) and adaptive modulationhappen work’s betterment with number of ± 10 dB towards 1 antenna element (withoutbeamforming) at BER 10 .

Keywords : Adaptive modulation, adaptive beamforming algorithm

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Tugas Akhir - 2006

Fakultas Teknik Elektro Program Studi S2 Magister Elektro Komunikasi

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Teknologi jaringan tanpa kabel terus dikembangkan, dan

hasilnya yang terbaru adalah Worldwide Interoperability for

Microwave Access (WiMax) untuk wireless Metropolitan Area

Networks (MANs) yang didasarkan pada standar IEEE 802.16

yang menawarkan jaringan telekomunikasi broadband kecepatan

tinggi. Penelitian pada Tesis ini akan difokuskan pada WiMax

IEEE 802.16e yang didukung oleh berbagai teknologi seperti :

teknologi OFDM, sub-channelization, adaptive antenna system,

adaptive modulation, error correction techniques, dan power

control [15]. Penelitian ini akan difokuskan untuk merancang

sistem dengan menggabungkan teknik OFDM dengan modulasi

adaptif serta algoritma adaptif beamforming yang mengacu pada

standar IEEE 802.16e.

Prinsip dari OFDM adalah membagi bit rate sinyal

informasi wideband menjadi deretan data paralel dengan bit rate

yang lebih rendah sehingga akan didapatkan deretan paralel

sinyal bit rate rendah narrowband. Selanjutnya data-data paralel

tersebut dimodulasi dengan subcarrier yang saling orthogonal

yang memungkinkan masing-masing subcarrier saling overlap

sehingga bandwidth yang digunakan lebih efisien. Dengan teknik

Tugas Akhir - 2006


2

seperti ini, kanal yang semula bersifat frequency selective fading

akan dirasakan seperti kanal flat fading oleh masing-masing

subcarrier.

Modulasi adaptif merupakan salah satu metode yang

diusulkan oleh Hanzo dan Torrance yang dapat meningkatkan

kinerja sistem yaitu dengan melakukan penyesuaian skema

modulasi terhadap perubahan kondisi kanal [2]. Untuk

menyesuaikan skema modulasi, modulasi adaptif memanfaatkan

sifat kanal wireless yang berubah-ubah terhadap waktu. Modulasi

adaptif cenderung bekerja lebih efektif pada kanal fading lambat,

karena keadaan kanal tidak berubah secara drastis dari waktu ke

waktu.

Teknik adaptif beamforming dengan menggunakan

antena susunan adaptif pada sisi penerima akan dapat mengurangi

efek fading dan interferensi. Penelitian tentang adaptif

beamforming telah dilakukan oleh Kim dan Lee yang

menerapkan teknik beamforming pada kanal AWGN untuk

sistem OFDM [14]. Masalah yang timbul pada teknik adaptif

beamforming adalah bagaimana mendapatkan pembobotan antena

yang optimum yang akan menentukan kinerja sistem secara

keseluruhan. Oleh karena itu performansi adaptif beamforming

tergantung pada algoritma adaptif yang akan digunakan untuk

mendapatkan pembobotan antena yang optimum. Nilai

Tugas Akhir - 2006


3

pembobotan optimum akan dapat diperoleh berdasarkan kriteria

Minimum Mean Square Error (MMSE).

Penelitian pada Tesis pada ini menggabungkan antara

skema modulasi adaptif dan algoritma adaptif beamforming yang

mengacu pada sistem IEEE 802.16e. Diharapkan dengan desain

penggabungan teknik yang diajukan ini mampu memberikan

kontribusi serta analisis hasil kinerja sistem yang sesuai dengan

standar IEEE 802.16e. Parameter yang diukur adalah Bit Error

Rate (BER) dan SNR. Selain itu akan dibahas mengenai

pembobotan antena optimum pada antena susunan adaptif,

jumlah elemen antena yang digunakan dengan konfigurasi antena

susunan yang dipakai adalah konfigurasi Uniform Linier Array

(ULA).

1.2 Tujuan

Tujuan dari Tesis ini adalah sebagai berikut :

1. Merancang suatu sistem dengan menggabungkan antara

skema modulasi adaptif, algoritma adaptif beamforming

dan teknik OFDM yang mengacu pada standar IEEE

802.16e.

2. Menganalisis kinerja modulasi adaptif hasil

perancangan.

3. Menganalisis kinerja algoritma adaptif beamforming

yang digunakan.

Tugas Akhir - 2006


4

4. Menganalisis kinerja sistem setelah diterapkannya

modulasi adaptif dan algoritma adaptif beamforming.

1.3 Rumusan Masalah

Beberapa permasalahan pada Tesis ini dapat dirumuskan

sebagai berikut :

1. Pendefinisian model sistem sesuai standar IEEE

802.16e beserta parameter-parameter kerjanya.

2. Bagaimana kinerja sistem dengan menerapkan skema

modulasi adaptif.

3. Bagaimana kinerja sistem dengan menerapkan

algoritma adaptif beamforming di sisi penerima.

4. Bagaimana kinerja sistem hasil penggabungan teknologi

yang digunakan secara keseluruhan.

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah yang digunakan dalam Tesis ini

adalah:

1. Parameter-parameter sistem diambil dari standar IEEE

802.16e.

2. Modulasi yang digunakan untuk membangun skema

modulasi adaptif adalah QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

3. Daya pancar dari pengirim konstan.

4. Kanal feedback yang digunakan bebas dari error.

Tugas Akhir - 2006


5

5. Unjuk kerja sistem yang diamati adalah Bit Error Rate

(BER), dan SNR (Signal to Noise Ratio).

6. Sinkronisasi sempurna antara pemancar dan penerima.

7. Sistem yang dianalisis adalah menggabungkan modulasi

adaptif di sisi pengirim dan algoritma adaptif

beamforming di sisi penerima ( uplink ).

8. Antena yang digunakan adalah antena dipole dengan

jumlah elemen antena adalah 1, 2, 4 dan 8 elemen serta

spasi antar elemen sebesar gelλ /2.

9. Tidak memperhitungkan coupling antar elemen antena.

10. Menggunakan full sub carriers (tidak menggunakan sub

channelization).

11. Spesifikasi beamsteering : Directions of Arrival (DoA)

diasumsikan tetap.

12. Menggunakan Recursive Least Squares Algorithm

(RLS) sebagai algoritma adaptif beamforming untuk

mendapatkan nilai pembobotan antena yang optimum.

1.5 Hipotesis

Rumusan hipotesis awal pada Tesis ini adalah:

1. Dengan menggabungkan antara sistem OFDM dengan

adaptif modulasi yang mengacu pada IEEE 802.16e akan

memberikan perbaikan kinerja sistem.

Tugas Akhir - 2006


6

2. Dengan menggunakan algoritma adaptif beamforming

akan memberikan perbaikan kinerja karena mampu

menempatkan sinyal yang diinginkan pada mainlobe dan

menempatkan sinyal yang tidak diinginkan pada null lobe.

1.6 Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan beberapa metode yaitu :

1. Melakukan studi literature dengan mempelajari

permasalahan yang berkaitan dengan sistem modulasi

adaptif dan algoritma adaptif beamforming. Proses

pembelajaran materi penelitian melalui pustaka -

pustaka yang berkaitan dengan penelitian, baik berupa

buku, maupun jurnal ilmiah.

2. Diskusi dan konsultasi dengan pembimbing.

3. Penelitian dilakukan dengan bentuk perancangan dan

pemodelan sistem serta simulasi dengan menggunakan

software Matlab untuk mendapatkan data-data yang

berguna bagi penelitian.

1.7 Sistematika Penulisan

Tesis ini dibagi dalam beberapa topik bahasan yang

disusun secara sistematis sebagai berikut :

Tugas Akhir - 2006


7

Bab I Pendahuluan

Bab ini membahas mengenai latar belakang, tujuan,

rumusan masalah, batasan masalah, hipotesis awal, dan

metode penelitian serta sistematika penulisan.

Bab II Dasar Teori

Bab ini membahas tentang konsep teknologi WiMax

IEEE 802.16e, prinsip dasar OFDM, prinsip

orthogonalitas, modulasi digital, konsep dasar antena

susunan serta kanal yang digunakan.

Bab III Desain dan Perancangan Sistem

Bab ini memberikan proses desain simulasi dari diagram

blok sistem OFDM dengan menggabungkan modulasi

adaptif dan algoritma adaptif beamforming pada sistem

IEEE 802.16e.

Bab IV Analisis Kinerja Sistem

Bab ini membahas analisis hasil simulasi secara kuantitif

dan kualitatif. Analisis dilakukan terhadap parameter-

parameter kerja sistem yang diamati.

Bab V Penutup

Memberikan kesimpulan hasil penelitian dan saran-saran

pengembangan untuk penelitian ke depan.


Tugas Akhir - 2006


BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian tentang adaptif modulasi dan

adaptif beamforming untuk sistem IEEE 802.16e serta analisa

yang telah dilakukan maka dapat diambil beberapa kesimpulan

sebagai berikut :

113

310 −

3−

1. Secara umum kinerja sistem adaptif beamforming pada

masing-masing jumlah elemen antena (1, 2, 4 dan 8)

berpengaruh pada faktor orde modulasi, hal ini

ditunjukkan penurunan performansi dari 64 QAM

terhadap QPSK untuk set 1 sebesar ± 12 dB dan 16

QAM terhadap QPSK untuk set 1 sebesar ± 4 dB pada

BER . Jadi semakin besar orde modulasi maka

kinerja sistem akan menurun tetapi efisiensi bandwidth

akan semakin besar.

2. Faktor jumlah elemen antena berpengaruh terhadap

kinerja sistem adaptif beamforming, hal ditunjukkan

pada pengamatan BER 10 untuk modulasi QPSK set

2, terjadi perbaikan kinerja jumlah elemen antena 8

terhadap kondisi tanpa beamforming (1 antena Rx)

sebesar ± 9 dB, antena 8 terhadap 4 dan 2 elemen antena

terjadi perbaikan kinerja sebesar ± 3 dB dan ± 6 dB. Jadi

Tugas Akhir - 2006


114

semakin besar jumlah elemen antena yang digunakan

maka kinerja sistem akan semakin baik tetapi

kompleksitas pada implementasi memperhatikan

dimensi yang semakin kompleks.

3. Sistem WiMax IEEE 802.16e ditujukan untuk user yang

bergerak sehingga kecepatan user berpengaruh terhadap

kinerja sistem. Hal ini ditunjukkan pada modulasi QPSK

set 2 saat BER 10 adaptif beamforming 8 elemen

antena terjadi penurunan kinerja dari kecepatan 120

km/jam terhadap kecepatan 3 km/jam sebesar ± 6 dB

dan dari kecepatan 30 km/jam terhadap kecepatam 3

km/jam sebesar ± 0.5 dB. Jadi semakin cepat user

bergerak maka kinerja sistem akan menurun tetapi untuk

perkembangan teknologi kedepan membutuhkan kondisi

user yang sangat mobile.

2−

3−

4. Kinerja adaptif modulasi tanpa beamforming

dipengaruhi juga oleh faktor kecepatan user. Sistem

dengan adaptif modulasi terjadi perbaikan kinerja jika

dibandingkan dengan sistem fixed modulasi (misal

dengan modulasi 16 QAM), hal ini terlihat pada

kecepatan user 3 km/jam pada BER 10 terjadi

perbaikan kinerja sebesar ± 7 dB. Jadi dengan sistem

adaptif modulasi dapat memperbaiki kinerja sistem dan

mendukung akan kebutuhan mobility user.

Tugas Akhir - 2006


115

5. Kinerja penggabungan sistem adaptif beamforming

dengan adaptif modulasi dipengaruhi oleh jumlah

elemen antena dan faktor pergerakan user. Hal ini

terlihat pada kecepatan user 30 km/jam terjadi perbaikan

kinerja dari 8 elemen antena terhadap 1 elemen antena

(tanpa beamforming) sebesar ± 10 dB saat BER 10 . 3−

5.2 Saran

1. Pada penelitian selanjutnya disarankan untuk

menggunakan teknik coding yang lain pada Blok FEC

dari sistem yang dirancang seperi turbo code, LDPC,

dan lain-lain.

2. Disarankan untuk menggunakan algoritma adaptasi yang

lain pada adptif beamforming, seperti algoritma LMS,

algoritma SMI, dan lain-lain.

3. Untuk kedepannya diharapkan dapat menggabungkan

semua teknik yang mendukung sistem standar IEEE

802.16e seperti teknik sub-channelization, error

correction techniques, dan power control.


Tugas Akhir - 2006


DAFTAR PUSTAKA

[1] Theodore S. Rappaport, “Wireless Communications”,

Prentice Hall, 2002

[2] Le Minh Tuan, Pham Van Su, Jewoo Kim, dan Giwan

Yoon, “A New RLS-based Adaptive Beamforming

Algorithm for Smart Antennas Applied to an OFDM

System”, International Conference on Microwave and

Milimeter wave Technology Proceedings. 2002.

[3] Le Minh tuan, Pham Van Su, Jewoo Kim, Giwan Yoon,

“An MMSE- Based Beamforming Algorithm For Smart

Antenna Apllied to An MC-CDMA System With Co-

channel Interference”, Information and Communication

University, USA, 2002.

[4] Falahati S., Svensson A., “Adaptive Modulation Systems

For Predicted Wireless Channels”, IEEE Transactions

on Communications, 2001

[5] Balanis, Constantine., “Antenna Theory, Analysis and

Design”, Arizona State University, Harper & Row,

Publishers, New York, 1982.

[6] Chan Raymon, “Channel Prediction For Adaptive

Modulation In Wireless Communications”, July 2003

Tugas Akhir - 2006


[7] Sigen Ye, Rick S. Blum, Leonard J, “Adaptive

Modulation for Variable-Rate OFDM Systems with

Imperfect Channel Information”, 1998

[8] Keller T, Hanzo L,“Adaptive Modulation Techniques for

Duplex OFDM Transmission”, IEEE Transactions on

Vehicular Technology, vol. 49, no.5, September 2000

[9] Bingham, J.A.C, “Multicarrier modulation for Data

transmission: an idea whose time has come”. IEEE

Communication magazine, Volume:28 Issue: 5, May

1990.

[10] Giordano, Arthur. HSU, Frank, “Least Square

Estimation With Applications to Digital Signal

Processing”, Wiley Interscience Publication, 1985.

[11] Odile Macchi, “Adaptive Processing the Least Mean

Squares Approach With Application in Transmission”,

John Wiley & Sons Inc, 1996.

[12] Hara, Shinsuke. Prasad, Ramjee, “Multicarrier

Techniques for 4G Mobile Communications”, Artech

House, London, 2003.

[13] Bing Leung Patrick Cheung, “Simulation of Adaptive

array Algorithms for OFDM and Adaptive Vector

OFDM System”, Bradley Department of Electrical

Engineering.

Tugas Akhir - 2006


[14] C. Y. Kim, K. Lee, and Y. S. Cho, “Adaptive

Beamforming Algorithm for

OFDM Systems with Antenna Arrays,” IEEE

Transactions on Consumer Electronics, vol. 46, No. 4,

November 2000.

[15] WiMAX Forum, “WiMAX’s Technology for LOS and

NLOS Environments”, White Paper.

[16] Yaghoobi, hasan, “802.16*.Broadband Wireless Access:

the nex big thing in wireless”, Intel Broadband Wireless

division Wireless Networking group, 2003.

[17] Coleri S, Ergwn M, Puri A, Bahai A, “Channel

Estimation Techniques Based on Pilot Arrangement in

OFDM Systems”, IEEE Transactions on Broadcasting,

vol. 48, no.3, September 2002

[18] Ramasamy Venkatasubramanian, “Beamforming for

MC-CDMA”, Virginia, Januari.2003.

[19] Richard van Nee, Ramjee Prasad, “OFDM For Wireless

Multimedia Communications”. Boston : Artech House,

2000

[20] J. Proakis, “Digital Communications”, McGraw Hill,

3rd., 1995.

[21] P. Jain “On the Impact of Channel and Channel Quality

Estimation on Adaptive Modulation”, December 2002

Tugas Akhir - 2006


[22] Klein,Jay,” Proposal for the modulation accuracy In

IEEE 802.16”, Wiley, IEEE, 2001.

[23] Tektronik,” Signal To Noise Ratio relationship in 8-

VSB”, IEEE copyright, 1999.

[24] Charan Lengton, “Orthogonal Frequency Division

Multiplex (OFDM) Tutorial”, www.complextoreal.com

, 2004.

[25] Suhartono Tjondronegoro, “Pengolahan Sinyal Digital

Lanjut & Aplikasi”, Diktat Kuliah, 2005.

[26] Functional specifications of the adaptive modem. Fondo investimenti per la Ricerca di Base (FIRB)


Tugas Akhir - 2006


desain dan analisis kinerja penggabungan … filedesain dan analisis kinerja penggabungan modulasi...

Documents