ANALISIS KINERJA SISTEM MIMO-OFDM PADA KANAL

RAYLEIGH DAN RICIAN DENGAN MODULASI M-PSK DAN M-QAM

Teguh Bayu PurwantoJurusan Teknik Elektro

Fakultas TeknikUniversitas Udayana

Kamous Bukit-Jimbaran, Badung, Baliteguhbayu46@rocketmail.com

Abstrak – Dewasa ini tuntutan akan layanan data berkeceparan tinggi secara realtime dengan kinerja dan kualitas yang baik memicu munculnya teknik baru dalam meningkatkan efisiensi spektrum dan perbaikan kualitas sinyal. Tuntutan tersebut dapat diatasi dengan penggabungan teknik modulasi multi-carrier Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) dan teknik Multiple Input Multiple Output (MIMO) yang disebut dengan MIMO-OFDM. MIMO-OFDM mampu memenuhi kebutuhan sistem komunikasi nirkabel dengan laju data yang sangat tinggi. Sistem MIMO-OFDM dapat membantu menghilangkan Inter Symbol Inteference (ISI) yang disebabkan oleh kanal multipath. Penelitian-penelitian yang telah dilakukan tentang kinerja dari sistem MIMO-OFDM ini membahas tentang kinerja dari penggabungan sistem MIMO dan OFDM pada kanal Rayleigh menggunakan teknik modulasi QPSK dan M-QAM. Hasil kinerja sistem MIMO-OFDM dari penelitian yang telah ditunjukkan dengan kurva nilai Bit Error Rate (BER) dibandingkan dengan nilai Signal to Noise Ratio (SNR) dan nilai BER dengan nilai Eb/No. Hasil yang diperoleh adalah sistem MIMO-OFDM memberikan kinerja yang lebih baik jika dibandingkan dengan sistem single-carrier. Penggunaan teknik Space Time Block Code (STBC) menghasilkan nilai BER yang lebih baik dari pada teknik Maximal Ratio Combining (MRC). Serta kinerja sistem MIMO dengan 4 antena pemancar menghasilkan nilai BER yang lebih baik dibandingkan dengan 3 sampai 1 antena pemancar.Kata kunci : MIMO, OFDM, Reyleigh, STBC, BER, QPSK, M-QAM

I. PENDAHULUANOFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing) adalah sebuah teknik transmisi yang menggunakan beberapa buah frekuensi (multicarrier) yang saling tegak lurus (orthogonal). Masing-masing sub-carriers tersebut dimodulasikan dengan teknik modulasi konvensional pada rasio simbol yang rendah. Satu prinsip kunci dari OFDM adalah skema modulasinya menggunakan rasio simbol yang rendah sehingga hanya mendapat sedikit pengaruh inter symbol interference (ISI )dari multipath fading maupun gangguan akibat noise. Oleh karena itu, maka dapat ditransmisikan sejumlah aliran low-rate dalam paralel, bukan aliran high-rate tunggal.

Masalah gangguan pada kanal atau multipath fading dapat diatasi dengan sistem MIMO (Multiple Input Multiple Output). Sistem ini menggunakan sejumlah antena pengirim dan sejumlah antena penerima. Hal tersebut bertujuan untuk menjadikan sinyal pantulan sebagai penguat sinyal utama sehingga saling mendukung atau tidak saling menggagalkan. Selain itu sistem ini juga secara signifikan mampu meningkatkan troughput data dan range (jangkauan) komunikasi tanpa lebar pita (bandwidth) frekuensi dan daya pancar tambahan.Teknik OFDM mengubah sebuah kanal MIMO frequency-selective menjadi sekumpulan kanal-kanal MIMO frequency-flat yang tersusun paralel. Sehingga teknik MIMO-OFDM telah diteliti untuk dijadikan infrastruktur jaringan nirkabel masa depan.

Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui kinerja sistem MIMO-OFDM dengan modulasi QPSK terhadap pengaruh jumlah subcarrier, teknik MIMO STBC dan MRC serta tingkat Eb/No pada kanal Rayleigh fading distribution dan Additive White Gaussian Noise (AWGN) terhadap Bit Error Rate (BER). Mengetahui dan menganalisa kinerja teknik MIMO-OFDM pada penggunaan estimasi

kanal melalui teknik LS dengan parameter jumlah antena pemancar dan penerima untuk m-QAM. Hasil analisa ditunjukkan oleh kurva Bit Error Rate (BER) sebagai fungsi Signal to Noise Ratio (SNR). Penggabungan sistem MIMO, OFDM dan teknik beamforming, kemudian sistem tersebut disimulasikan dan dianalisis kinerjanya pada kanal frequency selective fading yang berdistribusi Rayleigh.

II. KAJIAN PUSTAKAII.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing)OFDM adalah sebuah teknik transmisi yang

menggunakan beberapa buah frekuensi yang saling tegak lurus (orthogonal). OFDM diterapkan kepada sinyal yang telah termodulasi, sebagai modulasi tingkat kedua. Caranya yaitu dengan membagi data secara paralel pada sejumlah subkanal pita sempit, lalu masing-masing data pada subkanal tersebut dimodulasikan dengan subfrekuensi pembawa yang saling orthogonal, selanjutnya ditransmisikan secara simultan. OFDM memungkinkan pengiriman aliran data kecepatan tinggi dengan membaginya ke dalam aliran-aliran berkecepatan rendah. Proses yang dilakukan sama dengan teknik modulasi multicarrier, yang membedakan adalah penggunaan subpembawa yang saling orthogonal pada masing-masing subkanal.

Gambar 1. Sistem OFDM Sederhana

II.2 MIMO (Multiple Input Multiple Output)MIMO merupakan salah satu teknik diversitas,

yaitu spatial diversity, dimana penggunaan teknik diversitas dapat mengurangi fading dan interferensi dari user lain, meningkatkan data rate serta meningkatkan link reliability tanpa mengorbankan bandwidth maupun daya transmit. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan multi antena pada sisi pengirim dan penerima. Prinsip kerja MIMO adalah memperbanyak sinyal informasi yang di pancarkan untuk meningkatkan kemampuan komunikasi dan mengurangi error yang dapat terjadi akibat kanal transmisi.

II.3 STBC (Space Time Block Code)Skema transmisi Space Time Block Code

(STBC) merupakan skema transmisi yang diperkenalkan oleh Alamouti pada tahun 1998. Space Time Block Code (STBC) adalah skema yang digunakan dalam teknik transmit diversity untuk mencapai diversity gain pada sistem MIMO.

Pada saat t, Tx1 memancarkan sinyal S0 dan Tx2 memancarkan sinyal S1, kemudian saat t+1, Tx1 memancarkan sinyal –S1* dan Tx1 memancarkan sinyal S0*. Tanda * merupakan operasi konjugat.

Gambar 2. Skema martix transmisi STBC

II.4 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)QPSK atau quadrature-PSK adalah bentuk lain

dari modulasi digital selubung konstan termodulasi sudut. QPSK adalah teknik pengkodean M-ary. Dalam QPSK ada empat phase keluaran yang berbeda, maka harus ada empat kondisi masukan yang berbeda. Karena masukan digital ke modulator QPSK adalah sinyal biner (dasar 2), maka untuk menghasilkan empat kondisi masukan yang berbeda harus dipakai bit masukan lebih dari satu bit tunggal. Menggunakan 2 bit, ada empat kondisi yang mungkin: 00, 01, 10 dan 11.

II.5 Kanal Reyleigh FadingDalam komunikasi seluler, tentunya jarang

sekali terjadi hubungan langsung saja. Sinyal banyak mengalami pantulan dimana-mana, sehingga terdapat berbagai macam jalur yang dilalui sinyal untuk sampai ke penerima (multipath). Antara sinyal yang pancarannya melalui multipath tersebut dapat berinterferensi positif maupun negatif sehingga pada penerima terlihat bahwa sinyal tersebut berfluktuasi. Efek fluktuasi sinyal ini biasa disebut dengan fading. Fading juga dapat terjadi karena efek

doppler, yang terjadi jika user bergerak dengan kecepatan relatif terhadap base station. Salah satu pemodelan kanal multipath adalah distribusi Rayleigh. Persamaan umum probability density function (pdf) distribusi Rayleigh adalah sebagai berikut :

r adalah magniitude dan σ adalah nilai rms dari level sinyal yang diterima sebelum detektor, dan σ2 adalah daya waktu rata-rata dari sinyal yang diterima. Pengaruh perpindahan pengguna dijabarkan oleh rumus:

dimana f adalah frekuensi carrier, v= kecepatan pengguna,c kecepatan cahaya, Ө sudut gelombang dan fd adalah frekuensi doppler.

II.6 BER (Bit Error Rate)Rasio error adalah rasio jumlah bit, elemen,

karakter, atau blok yang diterima dengan salah dibanding jumlah total bit, elemen, karakter, ataupun blok yang dikirim sepanjang interval waktu tertentu. Rasio yang paling sering ditemui adalah bit error ratio (BER). Contoh BER adalah jumlah

kesalahan bit yang diterima dibagi dengan jumlah total bit yang dikirimkan. Biasanya kurva BER digambarkan dalam hubungan BER (dB) dengan SNR (dB) atau BER (dB) dengan Eb/N0 (dB).

III. METODEPemodelan sistem MIMO-OFDM dengan

menggunakan MATLAB bertujuan agar parameter dalam sistem dapat divariasi dan dites. Tujuan dari simulasi ini adalah untuk mengukur kinerja MIMO-OFDM apabila diberikan modulasi quadrature phase shift keying (Q-PSK) yang berbeda ke dalam sistem.

Parameter yang diukur adalah Bit Error Rate (BER) dalam hubungannya dengan energy per bit to noise power spectral density ratio (Eb/No).

Tampilan program MATLAB ini dibuat dengan menggunakan fasilitas GUI (Graphical User Interface) dengan tampilan grafis agar memudahkan pemakaian. Blok pemodelan sistem MIMO-OFDM terdiri dari 3 bagian penting yaitu: 1. Blok pengirim MIMO-OFDM 2. Blok kanal Rayleigh dan AWGN 3. Blok penerima MIMO-OFDM

Blok perancangan simulasi sistem OFDM untuk kanal AWGN dan Rayleigh dapat dilihat pada gambar 3 berikut:

Gambar 3 Blok Pemodelan Simulasi MIMO-OFDM

Parameter simulasi yang digunakan adalahTabel 1 Parameter Simulasi

Parameter Spesifikasi

FFT Size 64, 256, 512, 1024

Jumlah data subcarrier 32, 64, 128, 256

Jumlah pilot subcarrier 32, 64, 128, 256

ModulasiQPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM

Model KanalAWGN, Reyleigh Fading

MIMO 2x2, 4x4

IV. HASIL DAN ANALISISIV.1 Pengaruh Jumlah Subcarrier terhadap

sistem STBC-OFDMPada percobaan ini akan dianalisa pengaruh

jumlah subcarrier terhadap sistem STBC-OFDM. Jumlah subcarrier divariasi dengan nilai 32, 64, 128 dan 256 dengan modulasi QPSK. Sedangkan parameter lainnya dibuat tetap.

Tabel 2 Nilai perbandingan BER terhadap Eb/No variasi jumlah subcarrier pada STBC-OFDM

Gambar 4 Grafik perbandingan nilai BER terhadap Eb/No dengan variasi jumlah Subcarrier pada

STBC-OFDMGambar 4 memperlihatkan bahwa nilai BER menurun seiring dengan membesarnya nilai Eb/No. Karena semakin besar nilai Eb/No maka level derau yang mempengaruhi sinyal data semakin kecil sehingga kesalahan yang terjadi karena derau juga semakin kecil. Kinerja keempat sistem hampir sama yaitu target BER 10-5 tercapai saat nilai Eb/No sekitar 5 dB. Hal ini disebabkan karena parameter yang digunakan untuk melihat unjuk kerja sistem adalah Eb/No bukan SNR sistem, sehingga berapapun jumlah subcarrier yang digunakan nilai BER pada Eb/No tertentu akan memiliki nilai yang hampir sama. Parameter Eb/No biasa digunakan untuk melihat unjuk kerja sistem digital tanpa menyertakan parameter pita frekuensi, sehingga dengan parameter Eb/No panjang pita frekuensi yang berubah-ubah karena variasi jumlah subcarrier tidak berpengaruh pada sistem. BER menurun seiring dengan meningkatnya nilai Eb/No walaupun terjadi fluktuasi sehingga terdapat laju penurunan BER yang tidak linear dan signifikan. Hal ini terjadi karena kecepatan pengguna yang berubah secara random sehingga mengakibatkan kondisi

kanal yang berbeda-beda pada setiap nilai Eb/No yang disimulasikan.IV.2 Pengaruh Jumlah Subcarrier terhadap

sistem MRC-OFDMPada percobaan ini akan dianalisa pengaruh

jumlah subcarrier terhadap sistem MRC-OFDM. Jumlah subcarrier divariasi dengan nilai 32, 64, 128 dan 256 dengan modulasi QPSK sedangkan parameter lainnya dibuat tetap.Tabel 3 Nilai perbandingan BER terhadap Eb/No variasi jumlah subcarrier pada MRC-OFDM.

Gambar 5 Grafik perbandingan nilai BER terhadap Eb/No dengan variasi jumlah Subcarrier pada MRC-

OFDMGambar 5 memperlihatkan bahwa nilai BER menurun seiring dengan membesarnya nilai Eb/No. Karena semakin besar nilai Eb/No maka level derau yang mempengaruhi sinyal data semakin kecil sehingga kesalahan yang terjadi karena derau juga semakin kecil. Kinerja keempat sistem hampir sama yaitu target BER 10-5 tercapai saat nilai Eb/No sekitar 5 dB. Hal ini disebabkan karena parameter yang digunakan untuk melihat unjuk kerja sistem adalah Eb/No bukan SNR sistem, sehingga berapapun jumlah subcarrier yang digunakan nilai BER pada Eb/No tertentu akan memiliki nilai yang

hampir sama. Parameter Eb/No biasa digunakan untuk melihat unjuk kerja sistem digital tanpa menyertakan parameter pita frekuensi, sehingga dengan parameter Eb/No panjang pita frekuensi yang berubah-ubah karena variasi jumlah subcarrier tidak berpengaruh pada sistem. BER menurun seiring dengan meningkatnya nilai Eb/No walaupun terjadi fluktuasi sehingga terdapat laju penurunan BER yang tidak linear dan signifikan. Hal ini terjadi karena kecepatan pengguna yang berubah secara random sehingga mengakibatkan kondisi kanal yang berbeda-beda pada setiap nilai Eb/No yang disimulasikan.

IV.3 Analisis Kinerja Variasi Teknik MIMO Terhadap Sistem MIMO-OFDMPada percobaan ini akan dianalisa pengaruh

modulasi terhadap sistem MIMO-OFDM. Teknik MIMO yang digunakan adalah STBC dan MRC sedangkan parameter lainnya dibuat tetap.Tabel 4 Nilai perbandingan BER terhadap Eb/No dengan variasi teknik MIMO STBC dan MRC

Gambar 6 Kinerja sistem OFDM variasi teknik MIMO STBC dan MRC

Gambar 6 menunjukkan perbedaan kinerja sistem OFDM dengan variasi teknik MIMO STBC dan MRC yang tidak terlalu jauh. Pada teknik MIMO STBC BER=10-5 membutuhkan nilai Eb/No sekitar 5 dB dan akan menuju nilai BER=0 saat Eb/No lebih besar dari 5 dB. Nilai BER lebih baik pada MIMO STBC terhadap MIMO MRC terdapat pada hampir semua nilai Eb/No. Pada nilai 0 dB terdapat selisih nilai BER 0.003882, dan seterusnya pada nilai 1-6 dB = 0.0000305, 0.0022552, 0.00003662, 0.00021057, 5.7983e-5 dan 9.1553e-6. Pada teknik MRC menunjukkan kinerja lebih rendah sekitar 1 dB daripada teknik STBC untuk mendapatkan nilai BER=0.

IV.4 Analisis Perbandingan Jumlah Antena PemancarPada simulasi ini dilakukan pengamatan

terhadap kinerjasistem yang menggunakan 2 antena penerima dengan 1 sampai4 antena pemancar untuk mengetahui bagaimana pengaruhjumlah antena pemancar terhadap kinerja sistem. Simulasi inidilakukan dengan 3 modulasi yang berbeda yaitu 4-QAM, 16-QAM dan 64. Rasio pilot yang adalah 1/11. Kanal yangdigunakan adalah kanal Rayleighfading.Hasil simulasi dariketiga modulasi tersebut seperti ditunjukkan gambar 6 sampai gambar 8.

Gambar 6 Kinerja sistem dengan perbandingan jumlah antena pemancarmenggunakan modulasi 4-

QAMPada modulasi 4-QAM, Kinerja sistem MIMO-OFDM denganteknik estimasi kanal saat kondisi BER=10-5 dicapai oleh 4 antena pemancar ketika SNR=2,43 dB, oleh 3 antenapemancar ketika SNR=4 dB, oleh 2 antena pemancar ketika SNR=9,22 dB dan oleh 1 antena pemancar ketika SNR=13,77dB.

Gambar 7 Kinerja sistem dengan perbandingan jumlah antena pemancar menggunakan modulasi 16-

QAMPada modulasi 16-QAM, Kinerja sistem MIMO-OFDM dengan teknik estimasi kanal saat kondisi BER=10-5 dicapai oleh 4 antena pemancar ketika SNR=9,95 dB, oleh 3 antena pemancar ketika SNR=11,57 dB, oleh 2 antena pemancar ketika SNR=16,71 dB dan oleh 1 antena pemancar ketika SNR=21,55 dB.

Gambar 8 Kinerja sistem dengan perbandingan jumlah antena pemancar menggunakan modulasi 64-

QAMPada modulasi 64-QAM, kinerja sistem MIMO-OFDM dengan teknik estimasi kanal saat kondisi BER=10-5 dicapai oleh 4 antena pemancar ketika SNR=17,1 dB, oleh 3 antena pemancar ketika SNR=18,1 dB, oleh 2 antena pemancar ketika SNR=23,44 dB dan oleh 1 antena pemancar ketika SNR=28,69 dB.

IV.5 Analisis Perbandingan Jumlah Antena PenerimaPada simulasi ini dilakukan pengamatan

terhadap kinerja sistem yang menggunakan 4 antena pemancar dengan 1 sampai 4 antena penerima untuk mengetahui bagaimana pengaruh jumlah antena

penerima terhadap kinerja sistem. Simulasi ini dilakukan dengan 3 modulasi yang berbeda yaitu 4-QAM, 16-QAM dan 64. Rasio pilot yang digunakan adalah 1/11. Kanal yang digunakan adalah kanal Rayleigh fading. Hasil simulasi dari ketiga modulasi tersebut seperti ditunjukkan gambar 8 sampai gambar 10.

Gambar 8 Kinerja sistem dengan perbandingan jumlah antena penerima menggunakan modulasi 4-

QAMPada modulasi 4-QAM, kinerja sistem MIMO-OFDM dengan teknik estimasi kanal saat kondisi BER=10-5 dicapai oleh 4 antena penerima ketika SNR=0 dB, oleh 3 antena penerima ketika SNR=0,28 dB, oleh 2 antena penerima ketika SNR=2,16 dB dan oleh 1 antena penerima ketika SNR=6,41 dB.

Gambar 9 Kinerja sistem dengan perbandingan jumlah antena penerima menggunakan modulasi 16-

QAMPada modulasi 16-QAM, kinerja sistem MIMO-OFDM dengan teknik estimasi kanal saat kondisi BER=10-5 dicapai oleh 4 antena penerima ketika SNR=6,7 dB, oleh 3 antena penerima ketika SNR=8,31 dB, oleh 2 antena penerima ketika

SNR=10,21 dB dan oleh 1 antena penerima ketika SNR=14,03 dB.

Gambar 10 Kinerja sistem dengan perbandingan jumlah antena penerima menggunakan modulasi 64-

QAMPada modulasi 64-QAM, kinerja sistem MIMO-OFDM dengannteknik estimasi kanal saat kondisi BER=10-5 dicapai oleh 4 antena penerima ketika SNR=13,56 dB, oleh 3 antena penerima ketika SNR=15,17 dB, oleh 2 antena penerima ketika SNR=16,77 dB dan oleh 1 antena penerima ketika SNR=20,67 dB.

V. SIMPULANSimpulan yang dapat diambil dari hasil

pengujian dan analisis pada sistem MIMO CDMA-OFDM adalah sebagai berikut : 1. Pada variasi jumlah subcarrier 32, 64, 128, dan

256 pada sistem MRC-OFDM dan STBC-OFDM untuk mencapai target BER=10-5 dibutuhkan nilai Eb/No sekitar 4-5 dB.

2. Kinerja sistem MRC-OFDM dan STBC-OFDM menunjukkan perbedaan yang tidak signifikan pada variasi jumlah subcarrier.

3. Pada sistem MIMO-OFDM nilai BER teknik STBC lebih baik dari MRC yang terdapat pada hampir semua nilai Eb/No.

4. Pada teknik MRC menunjukkan kinerja lebih rendah sekitar 1 dB daripada teknik STBC untuk mendapatkan nilai BER=0.

Berdasarkan hasil simulasi pada sistem MIMO-OFDM dengan teknik estimasi kanal modulasi M-QAM pada kanal Rayleigh fading dapat disimpulkan seperti berikut dengan pengamatan dilakukan pada saat kondisi BER=10-5 :1. Kinerja sistem MIMO-OFDM telah didapat

dengan baik untuk pemakaian kanal estimasi teknik LS.

2. Kinerja sistem dengan 4 antena pemancar lebih baik ±1 dB dari 3 antena pemancar, lebih baik ±6 dB dari 2 antena pemancar dan lebih baik ±11 dB dari 1 antena pemancar.

3. Kinerja sistem dengan 4 antena penerima lebih baik ±1 dB dari 3 antena penerima, lebih baik ±2 dB dari 2 antena penerima dan lebih baik ±6 dB dari 1 antena penerima.