ANALISIS PERFORMANSI MOBILE WIMAX ARAH DOWNLINK MENGGUNAKAN SKEMA MIMO-OFDM DAN ADAPTIVE MIMO SWITCHING PADA KANAL RAYLEIGH

(1)

ANALISIS PERFORMANSI MOBILE WIMAX ARAH DOWNLINK MENGGUNAKAN SKEMA MIMO-OFDM DAN ADAPTIVE MIMO SWITCHING PADA KANAL

RAYLEIGH

Adi Kurnia¹, Budi Prasetya², Uke Kurniawan Usman³

¹Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom

Abstrak

Perkembangan teknologi akses wireless berkembang secara pesat untuk memenuhi kebutuhan pengguna yang membutuhkan komunikasi kecepatan tinggi, kapasitas besar (broadband), serta mobilitas tinggi menuju broadband mobile communication. Salah satu teknologi yang dapat memenuhi kebutuhan tersebut adalah WiMAX (Worldwide Interoperability Microwave Access).

Teknologi MIMO-OFDM telah diterapkan dalam WiMAX, dan berbagai teknik dalam MIMO seperti space time block code dan spatial multiplexing tercakup didalamnya. Teknologi adaptif seperti Adaptive MIMO switching memiliki peran yang penting dalam pemindahan teknik MIMO yang akan digunakan. AMS diharapkan dapat meningkatkan performansi WiMAX mobile terhadap user yang bergerak menjauh dari transmitter. Kompromi dan trade-off antara diversity gain dan multiplexing gain dilakukan untuk mendapatkan kedua kelebihan masing-masing mode MIMO spatial multiplexing dan STBC pada MIMO adaptif.

Pada tugas akhir ini, dilakukan analisis perbandingan kinerja dari teknik-teknik MIMO diatas dan sistem adaptif MIMO pada perbandingan Eb/N0 dan BER yang dapat dicapai. Simulasi dilakukan dengan kondisi user yang berbeda yaitu pada kecepatan 0, 3, 30 dan 120 km/jam dan jumlah user yang berbeda, satu dan empat user. Hasil simulasi menunjukkan bahwa, MIMO adaptif untuk satu user dan empat berbagai kecepatan selalu mengarah ke mode MIMO STBC. Sistem untuk satu user, MIMO adaptif membutuhkan Eb/No 4.3 dB lebih besar rata-rata dari MIMO STBC. Untuk sistem dengan empat user, MIMO adaptif membutuhkan Eb/No lebih besar rata-rata 3.1 dB dari MIMO STBC.

Kata Kunci : WiMAX, MIMO-OFDM, Space Time Block Code, Spatial Multiplexing, Adaptive MIMO

Fakultas Teknik Elektro Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi

(2)

Abstract

The development of wireless access technology has rapidly evolved to meet the communications needs of users who require high speed, large capacity (broadband), and high mobility to the broadband mobile communication. One technology can meet these needs is WiMAX (Worldwide Interoperability Microwave Access).

MIMO-OFDM technology has been applied in WiMAX, and various techniques such as in MIMO space-time block code and spatial multiplexing is included therein. An adaptive technology like adaptive MIMO switching plays an important role in the transfer of MIMO techniques to be used.

AMS is expected to improve performance of mobile WiMAX to the user that moves away from the transmitter. Compromise and trade-off between diversity gain and multiplexing gain is performed to obtain both the advantages of each mode of MIMO spatial multiplexing and STBC in MIMO adaptive.

In this final assignment, we conducted a comparative analysis of the performance of MIMO techniques above and adaptive MIMO system when the ratio Eb/No and BER can be achieved.

Simulations performed with different user conditions i.e. at a speed of 0, 3, 30 and 120 km/h and the number of different users, one and four users. The simulation results show that, for a single user MIMO adaptive speed always leads to a variety of MIMO STBC mode, as well as to the

condition of four users. For a single user system, adaptive MIMO requires Eb/No 4.3 dB higher on average from the MIMO STBC. For a system with four users, require adaptive MIMO Eb/No larger on average 3.1 dB of MIMO STBC.

Keywords : WiMAX, MIMO-OFDM, Space Time Block Code, Spatial Multiplexing, Adaptive MIMO

(3)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Penelitian

Teknologi yang digunakan dalam dunia telekomunikasi cenderung dinamis menuju ke arah konvergensi. Pengiriman suara, video, dan multimedia pada awalnya hanya dapat dilakukan terpisah. Layanan suara dilewatkan melalui jalur PSTN, sedangkan layanan data seperti e-mail dan video dilewatkan melalui jalur internet. Akan tetapi sekarang telah dapat dilewatkan dalam satu jalur seiring dengan tersedianya bandwidth yang lebar dan bit rate yang tinggi.

Bandwidth lebar dan bit rate tinggi dahulu hanya dapat dicapai pada komunikasi dengan kabel. Teknologi dengan spesifikasi bandwidth dan bit rate seperti itu belum dapat dicapai pada teknologi wireless. Akan tetapi adanya teknologi WiMAX mobile, dapat menyediakan bandwidth lebar dan bit rate yang tinggi pada user yang bergerak. Dengan hadirnya teknologi WiMAX diaharapkan dapat menjadikan kehandalan teknologi wired mirip dengan teknologi wireless.

WiMAX menggunakan teknik MIMO-OFDM dalam pemancarnya. Yaitu MIMO dengan antena pemancar dan pengirim yang lebih dari satu dan teknologi multi-carrier OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing. Sub-aliran data dapat diarahkan melalui mode-mode ortogonal. Pada OFDM, tiap satu simbol OFDM diberi guard interval, hal ini berguna untuk mengatasi multipath fading. Kombinasi dari MIMO-OFDM memungkinkan kanal MIMO yang frequency selective menjadi terpisah dalam sejumlah kanal flat fading.

Mobile WiMAX mendukung berbagai teknik MIMO dengan smart antena seperti space time block code dan spatial multiplexing. MIMO STBC memanfaatkan space time diversity. Sehingga dapat melawan multipath fading. Sedangkan spatial multiplexing menggunakan pemanfaatan M-buah antena untuk mengirimkan aliran data serial menjadi paralel. Teknik ini dapat meningkatkan data rate dan efisiensi spektral. Selain teknik MIMO tersebut, terdapat tipe MIMO adaptif.

Adaptive MIMO switching atau MIMO adaptive merupakan suatu metode MIMO yang dapat melakukan penyesuaian tipe MIMO yang digunakan saat proses transmisi terjadi. Proses penyesuaian tipe MIMO ini terjadi sesuai dengan kondisi kanal transmisi.

(4)

Tipe MIMO yang digunakan dalam tugas akhir ini ada dua, yaitu MIMO STBC, dan spatial multiplexing.

Dalam tugas akhir ini, diselidiki kinerja sistem mobile WiMAX arah downlink pada daerah urban, terutama penggunaan STBC, SM dan MIMO adaptif untuk mengatasi BER yang meningkat oleh user yang bergerak. MIMO adaptif dirancang untuk mengkompromikan trade off dari diversity gain dan multiplexing gain. Penyesuaian antara STBC dan spatial multiplexing dilakukan untuk mendapatkan performansi BER yang rendah. Parameter kinerja dari masing-masing MIMO yaitu berupa perbandingan Eb/N

₀

dan bit error rate (BER). Adaptive MIMO switching digunakan untuk mengetahui teknik MIMO yang paling cocok sebagai fungsi dari Eb/N

0

dan BER.

1.2 Rumusan Masalah

Dalam Tugas Akhir ini akan membahas beberapa permasalahan antara lain:

1. Pendefinisian model sistem MIMO-OFDM dalam WiMAX.

2. Pendefinisian model sistem MIMO-OFDM dalam WiMAX dengan menerapkan beberapa model MIMO.

3. Terjadi peningkatan BER pada user yang bergerak.

4. Bagaimana cara kerja dari teknik-teknik MIMO smart antena seperti space time block code dan spatial multiplexing.

5. Bagaimana kinerja sistem Adaptive MIMO switching (AMS) dalam penyesuaian teknik MIMO sebagai fungsi dari Eb/N

₀

dan BER.

1.3 Tujuan Penelitian

1. Menganalisis prinsip kerja dari MIMO-OFDM dalam hal ini MIMO 2x2.

2. Merancang dan menganalisis sistem MIMO-OFDM pada kanal fading Rayleigh dan AWGN pada WiMAX.

3. Menganalisis diversity gain dan multiplexing gain untuk mendapatkan MIMO yang tepat dengan BER minimum.

4. Merancang skema MIMO-OFDM pada WiMAX dengan model MIMO space time block code (STBC), spatial multiplexing (SM) dan MIMO adaptif.

5. Menganalisis kinerja dari sistem Adaptive MIMO switching dalam pemilihan

teknik MIMO yang digunakan untuk mengatasi peningkatan BER terhadap user

yang bergerak.

(5)

1.4 Batasan Masalah

Dalam tugas akhir ini dilakukan beberapa pembatasan, yaitu:

1. Simulasi tugas akhir menggunakan software Matlab R2009a.

2. Kondisi feedback dianggap ideal, diasumsikan tidak ada error.

3. Model kanal transmisi adalah AWGN dan Rayleigh untuk menggambarkan keadaan kanal yang sesungguhnya dalam jaringan WiMAX.

4. Sistem OFDM terdiri dari pengirim dan penerima untuk menganalisa kemampuan dan kehandalan transfer data.

5. Tidak menggunakan multiple akses OFDMA.

6. Tidak membahas tentang subkanalisasi.

7. Estimasi kanal dianggap sempurna.

8. Teknik MIMO yang digunakan hanya space time block code dan spatial multiplexing.

9. Jumlah elemen antena di skema sisi pengirim sebanyak 2 elemen dan di penerima 2 elemen.

10. Penyisipan pilot tidak dilakukan dalam simulasi.

11. Channel coding yang digunakan adalah convolutional code

½

, 12. Jumlah user 1 dan 4 buah.

13. Jarak antara transmitter dan user diabaikan dalam simulasi ini.

14. Menggunakan teknik modulasi (Sinyal Mapping) QPSK.

1.5 Metode Penelitian

Tugas Akhir ini menggunakan metode penelitian sebagai berikut:

1. Studi Literatur

Pembahasan teoritis melalui studi literatur dari buku-buku atau jurnal ilmiah yang berkaitan dengan sistem komunikasi pada WIMAX, adaptive

MIMO switching, teknik MIMO STBC dan MIMO SM pada kondisi kanal AWGN dan Rayleigh.

2. Simulasi

Dilakukan untuk merepresentasikan kinerja mobile WIMAX arah downlink, terutama penggunaan STBC dan SM. Parameter berupa Eb/N

0

dan bit error rate (BER). Adaptive MIMO switching (AMS) digunakan untuk mengetahui teknik yang paling cocok sebagai fungsi dari Eb/N

0

dan BER. Kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik sesuai dengan parameter yang telah disebutkan.

(6)

3. Pengujian MIMO adaptif, MIMO spatial multiplexing, MIMO space time block code dengan kondisi user yang berbeda-beda, dan jumlah user yang berbeda.

4. Melakukan analisis hasil simulasi MIMO spatial multiplexing, MIMO space time block code dengan MIMO adaptif.

5. Penyusunan laporan tugas akhir.

1.6 Sistematika Penulisan

Penulisan tugas akhir ini terbagi menjadi lima bab. Secara garis besar masing- masing bab akan membahas hal-hal sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Memberikan penjelasan mengenai Latar belakang, Tujuan, Perumusan dan Batasan masalah serta Sistematika penulisan yang digunakan dalam tugas akhir ini.

BAB II DASAR TEORI

Membahas teori-teori yang mendukung dan melandasi penulisan tugas akhir ini, yaitu beberapa standar WIMAX dan tentang konsep dasar sistem komunikasi wireless WIMAX. Terdiri dari OFDM, prinsip dasar mimo, teknik MIMO STBC, MIMO spatial multiplexing dengan, parameter multipath fading, pemodelan kanal AWGN dan Rayleigh, serta modulasi QPSK.

BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI SISTEM

Membahas tentang pemodelan dan simulasi MIMO-OFDM 2x2 pada WIMAX dengan adaptive MIMO switching serta alur simulasi dari sistem tersebut.

BAB IV ANALISA KINERJA SISTEM

Berisikan hasil simulasi dan analisa hasil simulasi dari penggunaan MIMO adaptif yang diterapkan dalam sistem mobile WiMAX.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Berisi kesimpulan dari analisa yang telah dilakukan, serta rekomendasi

atau saran untuk perbaikan dan pengembangan lebih lanjut.

(7)

BAB V PENUTUP

7.6 Kesimpulan

Berikut adalah beberapa kesimpulan dari hasil penelitian dalam Tugas Akhir ini:

1. Untuk user dengan kondisi diam (0 km/jam) proses penyesuaian tipe MIMO dilakukan pada threshold sebesar 0,6018 dB, user dengan kondisi pedestrian (3 km/jam) threshold berada pada 1,1104 dB, user dengan low speed move (30 km/jam) threshold berada pada 3,2748 dB, sedangkan untuk high speed move user (120 km/jam) titik threshold di 2,3238 dB.

2. MIMO space time block code pada kanal AWGN membutuhkan 5,1 dB dan pada kanal Rayleigh membutuhkan Eb/No sebesar 7,8 dB untuk mencapai target BER sebesar 10

^-3

.

3. Sistem mobile WiMAX dengan mode MIMO STBC pada kanal Rayleigh untuk user dengan mobilitas tinggi (120 km/jam) membutuhkan Eb/No sebesar 19,79 dB.

Sedangkan untuk kondisi mobilitas rendah Hanya membutuhkan Eb/No sebesar 8,83 dB.

4. MIMO spatial multiplexing pada kanal AWGN membutuhkan Eb/No sebesar 14,9 dB sedangkan pada kanal Rayleigh membutuhkan 22,3 dB untuk mencapai target BER 10

^-3

.

5. Sistem mobile WiMAX dengan mode MIMO spatial multiplexing pada kanal Rayleigh untuk mencapai target BER, membutuhkan Eb/No yang besar, untuk user mobilitas rendah (3 km/jam) 19,5 dB. Sistem ini tidak disarankan untuk WiMAX.

6. Kinerja dari sistem MIMO adaptif untuk single user mendekati kinerja dari sistem dengan MIMO STBC. Untuk user kondisi diam, MIMO adaptif membutuhkan Eb/No sebesar 5.1 dB sedangkan MIMO STBC hanya membutuhkan 4.9 dB. Untuk user kondisi bergerak dengan kecepatan 3, 30, dan 120 km/jam, MIMO adaptif membutuhkan Eb/No yang lebih besar dari MIMO STBC yaitu rata-rata 4.3 dB.

MIMO adaptif jika dibandingkan dengan MIMO spatial multiplexing, MIMO

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

(8)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Andrews, Jeffrey G (et.al.). 2007. “Fundamental WiMAX: Understanding Broadband Wireless Networking” Massachusetts: Prentice-Hall, Inc.

[2] Chae, Chan-Byoung (et.al.). “Adaptive Spatial Multiplexing for MIMO-OFDM”

Samsung Electronics, Suwon, Korea: IEEE 2004

[3] Chan, Tsz Ho. (et.al). 2007. “A Link Adaptation Algorithm in MIMO-based WiMAX Systems” Journal of Communication. Vol. 2, No. 5, August

[4] Glisic, Savo G. 2004. “Advanced Wireless Communications 4G Technologies” West Sussex: John Wiley & Sons, Ltd.

[5] Gunawan Wibisono dan Gunadi Dwi Hantoro. 2006. “WiMAX: Teknologi Broadband Wireless Access (BWA) Kini dan Masa Depan”. Bandung:

Informatika.

[6] Jung, Ho-Chul (et.al.). “A Comparative Performance Analysis of STBC-OFDM Systems Under Rayleigh Fading Environments”. Daeduck science town, Republik of Korea: Hankuk Aviation University.

[7] Nurohim, Muh. Nurohman. 2006. “Perancangan Algoritma Modulasi Adaptif pada Standar IEEE 802.16e (Mobile WiMAX)”. Bandung: Sekolah Tinggi Teknologi Telkom.