MODULASI ADAPTIF PADA SISTEM IEEE 802.16E DENGAN METODE MMSE UNTUK MEMPREDIKSI KANAL SUI DI SISI DOWNLINK
Rosita Nasution¹, Miftadi Sudjai², Iwan Iwut Tirtoasmoro³
¹Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom
Abstrak
Dalam penelitian tugas akhir ini, dimodelkan, dan disimulasikan estimasi kanal pada VoIP melalui wireless LAN(Local Area Network). Awalnya dibuat suatu arsitektur WLAN sederhana dengan menggunakan sebuah access point dan 3 buah endpoint, kemudian membuat emulasi dan simulasi model VoIP pada jaringan wireless LAN yang ada dengan dua kondisi LOS dan non LOS, tapi penekanan lebih banyak ke kondis LOS. Data dari hasil penelitian nantinya diolah sesuai dengan penentuan parameter QoS dalam VoIP seperti throughput, delay, jitter, packet loss, dan MOS. Nilai estimasi kapasitas kanal VoIP akan di dapat dengan membandingkan antara jumlah endpoint dengan nilai MOS pada saat call attemp.
Pada tugas akhir ini, dilakukakan penelitian dan analisa modulasi adaptif pada kondisi kanal SUI (Stanford university Interim) tipe 1 untuk wilayah rural,tipe 3 untuk wilayah sub urban dan tipe 6 untuk wilayah urban. Nilai range SNR modulasi adaptif yang digunakan diambil dari nilai range SNR pada modulasi tetap. Selain itu pengaruh pergerakan user juga mempengaruhi performansi modulasi tetap dan modulasi adaptif. Simulasi ini mengacu pada standar 802.16e. Parameter penting transmisi yang didapat dari hasil prediksi yaitu SNR dengan melihat juga performansi BER.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa penggunaan modulasi adaptif untuk target BER 10-3 memberikan performansi yang lebih baik dibandingkan dengan modulasi tetap, pada kecepatan 30 km/jam untuk kanal SUI 1 membaik sebesar 0.35 dB, SUI 3 sebesar 1.95 dB sedangkan SUI 6 memburuk 3.22 dB. Sedangkan SNR sesuai target BER untuk modulasi adaptif pada SUI 1 yaitu 11.55 dB, SUI 3 yaitu 15.875 dB, dan SUI 6 27.1 dB.
Kata Kunci :
-Abstract
WiMAX standard is a technology which is able to carry NLOS (Non-Line of Sight) condition. One of privilege WiMAX is adaptive modulation system that can be integrated on its. Adaptive modulation is a technique to change modulation format base on instant variant in channel condition. Adaptive modulation can increase adaptation of bad channel condition and the system will get near to good channel condition with received SNR (Signal to Noise Ratio). Adaptive modulation use QPSK with code rate ½ and ¾, 16 QAM with code rate ½ and ¾, and 64 QAM with code rate 2/3 and ¾. Channel condition can be estimated in receiver by feedback and next step will be done prediction. One of way to predict next modulation is Prediction Linier Method using MMSE (Minimum Mean Square Error) base on received SNR (Signal to Noise).
In this final project, adaptive modulation research and analysis is done in SUI (Stanford University Interim) channel, type 1 for rulral areas, type 3 for sub urban areas and type 6 for urban areas. Adaptive modulations SNR range values are taken from fixed modulation range value. Beside that, user mobility speed will affect fixed modulation and adaptive modulation performance. Simulation is done according to 802.16e standard. The important prediction output of transmission parameter is SNR with BER performance.
Simulation result show that using adaptive modulation for BER 10-3 target gives better
performance than fixed modulation, in SUI 1 is 0.35 dB well enough and also SUI 3 is 1.95 dB but SUI 6 get worse 3.22 dB. Although SNR is match within BER target values for adaptive
modulation in SUI 1 is 11.55 dB, SUI 3 is 15.875 dB and SUI 6 is 27.1 dB. Keywords :
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Standar IEEE 802.16 merupakan standar dari IEEE untuk teknologi WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), digunakan untuk komunikasi Wireless MAN (Metropolitan Area Network ) yang sangat cocok untuk aplikasi BWA (Broadband Wireless Access). WiMAX distandarkan untuk mendukung kecepatan data sampai 75 Mbps dan mencapai jarak maksimal sampai 50 km. Sejak akhir 2004, mulai dikembangkan standar IEEE 802.16e yang sering disebut mobile WiMAX untuk mendukung mobilitas (seperti : sistem seluler). Standar ini dapat digunakan untuk kondisi NLOS (Non – Line Of Sight).
Sistem komunikasi digital wireless dituntut untuk dapat memberikan layanan data berkecepatan tinggi (High Data rate), dan memiliki performansi yang handal pada kondisi kanal yang selalu berubah-ubah karena adanya fenomena multipath fading, terutama pada kondisi NLOS. Hal ini juga berpengaruh dalam hal kualitas dan kapasitas. Demikian pula untuk standar IEEE 802.16e (mobile WiMAX) dituntut untuk memiliki performansi yang handal dikondisi tersebut. Pada teknologi WiMAX, ada banyak cara untuk mengatasi kondisi NLOS antara lain : teknologi OFDM, sub-channelization, antenna direksional, transmit and receive diversity, teknik modulasi adaptif, teknik error correction, power control. Pada tugas akhir ini dibahas sistem WiMAX yang menggabungkan antara teknik OFDM dan modulasi adaptif.
Modulasi adaptif pada dasarnya merupakan salah satu metode yang dapat meningkatkan efisiensi penggunaan bandwidth dengan melakukan penyesuaian skema modulasi terhadap perubahan kondisi kanal. Teknik ini menjadikan sistem WiMAX untuk mengatur skema modulasi sinyalnya sesuai dengan kondisi SNR (Signal to Noise Ratio) dari kanal radionya. Jika kondisi kanal bagus (SNR tinggi) maka skema modulasi tertinggi digunakan sehingga memberikan kapasitas lebih pada sistem. Sejalan dengan kondisi kanal yang berubah-ubah, maka sistem WiMAX dapat bergeser menggunakan skema modulasi yang lebih rendah untuk menjaga kualitas dan keseimbangan sistem. Kondisi kanal dapat diestimasi di
BAB I PENDAHULUAN
Modulasi Adaptif Pada Sistem IEEE 802.16e Dengan Metode MMSE Untuk Memprediksi Kanal SUI di Sisi Downlink
2
penerima dengan cara umpan-balik, dan diprediksi di pemancar/penerima sehingga dapat dilakukan proses modulasi adaptif.
Pada penelitian Tugas Akhir ini mencoba menggabungkan antara teknik OFDM dan skema modulasi adaptif untuk mengakomodasi standar IEEE 802.16e serta dengan metode prediksi MMSE (Minimum Mean Square Error) pada kanal SUI (Stanford University Interim) agar dihasilkan suatu sistem yang bertujuan untuk meningkatkan kinerja sistem pada lingkungan jaringan wideband mobile. Kanal SUI merupakan suatu kanal yang dikembangkan oleh AT&T Wireless and Erceg et al karena ingin mengkategorikan kondisi lingkungan yang real pada geografis yang ada di bumi. Mengadopsi sistem seluler GSM yang membagi kategori wilayah cakupan menjadi 3 bagian yaitu Urban, SubUrban dan Rural. Hal inilah yang mendasari mengapa dikembangkannya kanal SUI.
1.2 Tujuan
Tujuan dalam penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Merancang suatu sistem yang dapat mengakomodasi standar IEEE 802.16e dengan menggabungkan antara teknik OFDM dan skema modulasi adaptif. 2. Membuat model dan simulasi modulasi adaptif untuk standar IEEE
802.16e yang diharapkan dapat meningkatkan kualitas sistem.
3. Meninjau performansi prediksi kanal dengan metode prediksi MMSE yang digunakan pada modulasi adaptif sistem 802.16e dengan kanal SUI.
1.3 Perumusan Masalah
Masalah-masalah yang dihadapi pada penyusunan tugas akhir ini didefinisikan sebagai berikut ini :
1. Memodelkan sistem IEEE 802.16e menggunakan modulasi adaptif menggunakan metode prediksi MMSE.
2. Mensimulasikan model sistem IEEE 802.16e menggunakan modulasi adaptif dan metode prediksi MMSE agar didapatkan parameter - parameter transmisi berupa BER (Bit Error Rate) dan SNR (Signal to Noise Ratio) sebagai indikator kondisi kanal.
3. Pendefinisian parameter-parameter kanal SUI.
Modulasi Adaptif Pada Sistem IEEE 802.16e Dengan Metode MMSE Untuk Memprediksi Kanal SUI di Sisi Downlink
1.4 Batasan Masalah
Batasan yang digunakan dalam analisa dan simulasi Tugas Akhir ini antara lain :
1. Membahas proses modulasi adaptif pada sistem disisi downlink dengan kanal yang digunakan adalah SUI.
2. Menggunakan Kanal SUI tipe 1, 3 dan 6.
3. Modulasi yang dipergunakan adalah QPSK, 16-QAM, dan 64-QAM. 4. Sinkronisasi antara pemancar dan penerima dianggap sempurna/ideal. 5. Power Control dianggap ideal.
6. Tidak terjadi kesalahan feedback information untuk proses adaptasi modulasinya.
7. Unjuk kerja sistem yang diamati adalah BER (Bit Error Rate) dan SNR (Signal to Noise Ratio).
8. Menggunakan antena SISO.
9. Perancangan system tidak termasuk perancangan antenna dan link budget.
10.Kecepatan user rata-rata adalah 3, 30 dan 120 km/jam. 11.Parameter lain mengikuti standar IEEE 802.16e
1.5 Metodologi Penelitian
Metode penelitian yang digunakan dalam memecahkan masalah tugas akhir ini dibagi dalam 5 tahap, sebagai berikut :
1. Tahap Studi Literatur
Pada tahap ini dilakukan pemahaman secara mendalam konsep WiMAX terutama tentang mobile WiMAX, OFDM, skema modulasi adaptif yang terdiri dari QPSK, 16-QAM dan 64-QAM, kanal AWGN dan SUI, Metode MMSE, serta tool simulasi Matlab.
2. Tahap Perancangan Simulasi
Pada tahap ini dilakukan transformasi dari teori yang sudah ada ke bentuk model simulasi serta persamaan matematis untuk membangkitkan data-data yang diperlukan guna pemecahan permasalahan.
BAB I PENDAHULUAN
Modulasi Adaptif Pada Sistem IEEE 802.16e Dengan Metode MMSE Untuk Memprediksi Kanal SUI di Sisi Downlink
4
3. Tahap Analisis
Pada tahap ini dilakukan analisis parameter-parameter untuk kerja sistem untuk berbagai kondisi yang disimulasikan. Analisis dilakukan secara kualitatif maupun kuantitatif.
4. Tahap Penyelesaian Akhir
Pada tahap ini dilakukan verifikasi terhadap proses-proses sebelumnya, untuk menguji kelayakan data dan analisis yang dilakukan.
5. Penarikan Kesimpulan
Mengambil kesimpulan dari hasil analisis.
1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan tugas akhir ini dibagi dalam beberapa topik bahasan yang disusun secara sistematis dan prosedural, yaitu sebagai berikut :
Bab I Pendahuluan
Bagian ini memberikan penjelasan mengenai Latar Belakang, Tujuan, Perumusan dan Batasan Masalah, Metodologi Penelitian serta Sistematika Penulisan.
Bab II Dasar Teori
Bab ini berisi tentang teori-teori sebagai tinjauan pustaka yang digunakan dalam mengerjakan tugas akhir ini. Teori-teori yang berkaitan antara lain teori tentang IEEE 802.16e, OFDM, Modulasi Adaptif yang terdiri dari QPSK, 16-QAM dan 64-QAM, tentang kondisi kanal SUI dan AWGN, pengukuran kualitas kanal dengan menggunakan Prediktor MMSE.
Bab III Perancangan Model dan Simulasi
Bab ini memberikan proses desain simulasi dari diagram blok sistem. Bab IV Analisis Hasil Simulasi
Bab ini ini berisi tentang analisa hasil simulasi dari perancangan yang diterapkan pada IEEE 802.16e (mobile WiMAX).
Bab V Kesimpulan dan Saran
Berisikan kesimpulan hasil penelitian dan saran pengembangan penelitian ke depan.
56
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Performansi modulasi adaptif lebih baik dibandingkan modulasi tetap. Salah satu contoh pada kecepatan 30 km/jam, kanal SUI 1 terjadi faktor perbaikan sebesar 0.35 dB sampai dengan 15.8 dB. Kanal SUI 3 terjadi faktor perbaikan sebesar 1.95 dB sampai dengan 15.55 dB. Kanal SUI 6 terjadi faktor perbaikan sebesar 4.4 dB sampai dengan 16.15 dB. Kanal SUI 6 ini menunjukkan performansi modulasi adaptif lebih baik daripada skema modulasi tetap 16 QAM dan 64 QAM namun cenderung lebih buruk daripada skema modulasi QPSK.
2. Performansi modulasi adaptif pada kanal SUI 1 lebih baik dibandingkan pada kanal SUI 3 dan kanal SUI 6. Hal ini dapat terjadi dikarenakan kanal SUI 1 mendekati kanal ideal AWGN. Hasil pada SUI 1 didapatkan SNR sebesar 11.5 dB, pada SUI 3 sebesar 15.875 dB dan pada SUI 6 sebesar 27.1 dB untuk target BER 10-3.
3. Penggunaan range SNR modulasi adaptif diambil dari nilai range SNR modulasi tetap. Salah satu contoh pada kecepatan 30 km/jam di kanal SUI 1. Berdasarkan hasil simulasi modulasi tetap: modulasi QPSK 1 diperoleh 11.9 dB, modulasi QPSK 2 diperoleh 12.6 dB dan seterusnya sesuai hasil di tabel 4.5 untuk target BER 10-3. Penentuan range SNR modulasi adaptif sebagai berikut: apabila SNR dibawah 11.9 dB maka modulasi terbaik yang dipilih adalah QPSK 1, apabila SNR diantara 11.9 dB dan 12.6 dB maka modulasi terbaik yang dipilh adalah QPSK 2, begitu seterusnya. 4. Sistem modulasi adaptif yang diterapkan pada standar IEEE 802.16e akan
memberikan kombinasi yang handal antara konsumsi daya dan efisiensi
bandwidth, efisiensi bandwidth akan meningkat tanpa mengurangi performansi. Jika menggunakan modulasi tetap hanya dapat mencapai
BAB V PENUTUP
Modulasi Adaptif Pada Sistem IEEE 802.16e Dengan Metode MMSE Untuk Memprediksi Kanal SUI di Sisi Downlink
57
salah satu dari efisiensi bandwidth yang tinggi atau kebutuhan daya yang rendah tetapi tidak dapat mencapai keduanya secara bersamaan.
5. Sistem modulasi adaptif pada dasarnya bekerja jika kondisi lingkungan berubah untuk menjaga kualitas layanannya. Ketika kondisi lingkungan buruk dengan SNR yang rendah, maka user akan menggunakan skema modulasi yang rendah. Demikian sebaliknya, ketika kondisi lingkungan semakin baik, dalam artian SNR yang diterima di user cukup besar, maka skema modulasi yang digunakan adalah skema modulasi yang lebih tinggi, karena bisa mengirimkan data lebih banyak untuk menjaga kualitas layanan. Semakin tinggi kecepatan, maka semakin tinggi pula frekuensi
doppler yang dihasilkan, sehingga performansi sistem modulasi adaptif juga akan semakin buruk.
6. Linier prediksi menggunakan metode MMSE (Minimum Mean Square Error) memberikan pengaruh yang signifikan terhadap hasil modulasi yang digunakan untuk modulasi selanjutnya yang dibuktikan dengan didapatkan hasil rata-rata error yang minimal sehingga hasil optimal diperoleh.
5.2 Saran
1. Pada tugas akhir ini menggunakan 3 tipe kanal SUI, karena itu perlu dilakukan penelitian selanjutnya menggunakan seluruh tipe kanal SUI agar mengetahui secara pasti sejauh mana perbedaannya.
2. Pada tugas akhir ini, penerima mengetahui kecepatan yang digunakan
user, karena itu perlu penelitian dengan melakukan estimasi kecepatan
user.
3. Perlunya pengembangan lebih lanjut untuk penggunaan model kanal SUI secara adaptif.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Chan, Raymond, “ Channel Prediction For Adaptive Modulation in Wireless Communication ”. Faculty of Virginia Polytechnic. Blackburg, Virginia. 2003.
[2] Golshan, Reza, “ Fixed and Mobile WiMAX Overview “, Fujitsu. 2005 [3] MAIS (Multichannel Adaptive Information System), “ Performance
evolution of the adaptive modulation, channel coding, space-time coding and equalization techniques”, 2004.
[4] IEEE standart for Local and Metropolitan Area Network, “Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems”, 2005.
[5] Fili, Senza, “ Fixed, nomadic, portable and mobile applications for 802.16-2004 and 802.16e WiMAX networks “, WiMAX forum, 2005. [6] Cheng, ying-ying, “OFDM Sysytem and Pilot Arrangements”, 2003.
[7] Klein,Jay,” Proposal for the modulation accuracy In IEEE 802.16”,
Wiley, IEEE, 2001.
[8] Munster and L. Hanzo, “ MMSE Channel Prediction Assisted Symbol-by-symbol Adaptive OFDM”, Univ. of Southampton, 2002.
[9] Sam.W.Ho, “Adaptive modulation (QPSK,QAM)”, intel in communication, http://developer.intel.com.
[10] WiMAX forum, “ Mobile WiMAX- Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation”, 2006.
[11] Svensson,arne, “An OFDM downlink with adaptive modulation and scheduling for high mobility 4G systems”, Uppsala Universitet, http://www.s2.chalmer.se/~arnes.
[12] Rappaport, Theodore S, “ Wireless Communication, Principles & Practice
”, Prentice Hall, inc. upper Saddle River, New Jersey.
[13] WiMAX forum, “WiMAX technology for LOS and NLOS environment”, http://www.wimaxforum.org
[14] Setyawan, Andy. “ Analisa Kinerja Modulasi Adaptif dengan Menggunakan Prediksi kanal Pada Kanal Fading Rayleigh”. Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, STT Telkom Bandung. 2004.
[15] Wahyudi, Ratma. “Design And Performance Analysis og Algorithm to Combine Sub-Channelization and Adaptive Modulation Technique for Broadband Wireless Access IEEE 802.16e”, Thesis. STT Telkom, Bandung.2006.
[16] Nurohim, M. Nurohman, “ Perancangan Algoritma Modulasi Adaptif Pada Standar IEEE 802.16e (Mobile WiMAX)”, Tugas akhir, STT Telkom. 2006
