KINERJA SISTEM KOMUNIKASI KOOPERATIF PADA KANAL MOBILE-TO-MOBILE TWO-RING WIDEBAND MIMO
Bramantyo Tri Wicaksono - 2205 100 135
Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111, Email: kingkong@elect-eng.its.ac.id
Abstract - Sistem komunikasi nrirkabel merupakan suatu
sistem yang sangat rentan terhadap gangguan yang menurunkan kinerja sistem tersebut, salah satu gangguan dalam kanal adalah fading.Oleh karenanya digunakan sistem MIMO untuk mengurangi efek fading tersebut. Salah satu teknik lain yang sejalan dengan prinsip dasar sistem MIMO adalah sistem komunikasi kooperatif. Sistem ini memungkinkan suatu user dapat menggunakan user lain sebagai relay untuk mengirim sinyal informasi ke tujuan (Destination) sehingga sinyal informasi yang telah termodulasi secara BPSK akan dikirimkan melalui dua cara, yaitu secara langsung menuju ke Destination dan yang kedua dikirimkan ke Relay untuk selanjutnya diteruskan menuju Destination.
Pada tugas akhir ini sistem komunikasi koperaatif akan diterapkan pada kanal mobile-to-mobile MIMO, dengan model narrowband dan wideband. Model sistem komunikasi kooperatif yang digunakan adalah model relaying, dengan dua mobile station sebagai relay dan source dan satu fixed station sebagai Destination. hubungan antar mobile station digunakan model kanal two-ring scattering sedangkan untuk hubungan antara mobile station dan fixed station menggunakan model kanal one-ring scattering.
Dari hasil simulasi didapatkan bahwa kinerja dari sistem komunikasi kooperatif mobile-to-mobile MIMO dengan model kanal narrowband lebih baik jika dibandingkan dengan sistem komunikasi kooperatif mobile-to-mobile MIMO dengan model kanal wideband. Dari hasil simulasi juga dapat disimpulakan bahwa pada sistem komunikasi kooperatif mobile-to-mobile MIMO dengan model kanal wideband dipengaruhi oleh adanya perubahan kecepatan pada mobile station. Hubungan antara keduanya adalah berbanding terbalik sehingga apabila kecepatan mobile station meningkat maka kinerja sistem tersebut akan mengalami penurunan begitu pula sebaliknya
Keywords: Kooperati komunikasi, Mobile-to-Mobile,
Two-Ring narrowband, Two-Ring Wideband, One-Ring Wideband, One-One-Ring Narrowband
I. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi membawa dampak positif terhadap kemajuan system komunikasi. Pada dewasa ini, media nirkabel atau wireless merupakan media yang paling banyak digunakan. Dalam komunikasi wireless terdapat kelebihan yaitu mobilitias yang tinggi namun ganguan yang terjadi juga semakin banyak karena sinyal yang dikirimkan bukan sinyal guide atau terlindung.
Gangguan yang paling dominan adalah efek fading dimana efek ini menyebabkan pelemahan dan pelebaran spectrum sinyal. Salah satu cara mengurangi efek fading adalah menggunakan teknik diversity. Ada beberapa pendekatan yang digunakan untuk
menerapkan teknik diversity salah satunya adalah teknik antena jamak yang menggunakan space dan frekuensi diversity, atau yang biasa dikenal dengan sistem MIMO (Multi Input Multi Output). Namun beberapa perangkat nirkabel memiliki keterbatasan ukuran, biaya, dan kompleksitas perangkat keras sehingga tidak bisa menggunakan sistem MIMO. Oleh karena itu dikembangkan teknik baru untuk mengatasi keterbatasan tersebut, yaitu menggunakan sistem komunikasi kooperatif. Pada sistem komunikasi ini user lain dimanfaatkan sebagai relay atau antena virtual yang bisa mendukung sistem MIMO.
Untuk mendukung kebutuhan akan mobilitas tinggi maka digunakanlah kanal Mobile-to-Mobile Wideband Two-Ring MIMO pada sistem komunikasi kooperatif. Dengan adanya kanal ini, memungknkan adanya Source, Relay, dan destination yang bergerak atau bisa dianggap sebagai kendaraan (Vehicle).
II. TEORI PENUNJANG 2.1 Sistem Komunikasi Koperatif
Istilah cooperative communication mengacu pada suatu sistem dimana user akan saling berbagi dan mengkoordinasi kapasitas yang dimiliki untuk meningkatkan kualitas transmisi. Cooperative communication memungkinkan penggunaan antena tunggal pada sistem komunikasi bergerak untuk memperoleh diversity gain yang pada umumnya dapat diperoleh dengan penggunaan antena jamak dalam penerapan sistem multiple input multiple output (MIMO). Hal ini erat kaitannya dengan sistem komunikasi bergerak dimana pada sistem komunikasi bergerak keterbatasan ukuran, biaya dan kekompleksan daya transmisi harus dipertimbangkan dalam penggunaan antena jamak
2.1.1 Sistem Komunikasi Kooperatif Kanal Mobile-to-Mobile
Kemajuan teknologi memaksa adanya perkembangan sistem komunikasi, tak terkecuali untuk sistem komunikasi kooperatif sehingga akhirnya muncul teknologi mobile-to-mobile. kata mobile-to-mobile disini berarti sistem komunikasi ini diperuntukkan untuk komunikasi antar vehicle atau perangkat yang memiliki kecepatan
2.2 Metode Relaying
Merupakan metode kerja yang dilakukan di relay, dalam teknik komunikasi koperatif dikenal 2 macam yaitu Amplify and forward (AF) dan Decode
and forward (DF). Adapun penjeasan selengkapnya akan lebih mendetail pada sub bab berikutnya.
2.2.1 Amplify and Forward (AF)
Merupakan metode fixed protokol dimana sinyal yang diterima oleh relay akan dikuatkan terlebih dahulu sebelum dikirimkan kepenerima. Metode ini banyak digunakan untuk ketika relay hanya memilki waktu pemrosesan yang sedikit sedangakan daya yang tersedia banyak sehingga relay harus mengurangi proses decoder dan encoder dan diganti dengan penguatan.
2.2.2 Decode and Forward (DF)
Pada DF, relay menggunakan beberapa bentuk deteksi atau algoritma decoding untuk sistem penerimaannya. Hal ini dikarenakan relay harus mengodekan ulang sinyal yang diterima dari source untuk dikirimkan ke destination. Walaupun proses decoding pada relay mempunyai keuntungan untuk mengurangi pengaruh noise pada sinyal yang diterima, tetapi hal ini tidak dapat menjamin bahwa sinyal dapat dikembalikan secara sempurna ke bentuk awalnya, karena di kanal masih terapat gangguan lain berupa fading
2.3 Metode Combining
Pada sistem komunikasi kooperatif terdapat dua fase dalam proses pengiriman data yaitu direct phase dan cooperation phase. Karena ada dua fase transmisi, berarti ada dua data yang sampai pada penerima. Dua sinyal tersebut harus dikombinasi untuk kemudian dideteksi. Salah satu teknik combining yang biasa digunakan adalah Maximal Ratio Combining (MRC), Metode ini dilakukan dengan cara memanfaatkan semua replika yang diterima, kemudian memberikan bobot berdasarkan karakteristik masing – masing kanal yang dilalui oleh replika sinyal (konjugate). Setelah dikalikan dengan nilai pembobot (konjugate) pada masing-masing kanal, semua replika sinyal dijumlahkan baru dideteksi. Pada tugas akhir ini metode combining MRC inilah yang digunakan.
2.4 Modulasi BPSK
Teknik modulasi BPSK memiliki dua simbol yang saling antipodal sehingga data biner yang terdiri atas bit '0' setelah dimodulasi akan menjadi simbol '-1' dan bit '1' akan dimodulasi menjadi simbol '1', pemetaan tersebut dapat dilihat pada tabel 1. Modulasi BPSK memiliki frekuensi carrier yang sama dan terdapat perbedaan fase yaitu 0 derajat dan 180 derajat.
2.5 Kanal Transmisi
Kanal adalah lintasan antara pemancar dan penerima
Tabel 1. Pemetaan bit ke simbol BPSK
Bit I Q
0 -1 0
1 1 0
2.5.1 Additive White Gaussian Noise
Istilah noise mengacu pada sinyal elektronik yang tidak diinginkan yang selalu ada dalam sistem elektronik. Kehadiran noise berakibat sinyal menjadi tidak jelas dan membatasi kemampuan penerima dalam membuat simbol decision yang benar, sehingga membatasi rate transmisi informasi. Perancangan sistem yang baik dapat menghilangkan berbagai macam noise, tapi ada satu sumber macam noise yang tidak dapat dihilangkan , yakni thermal noise. Thermal noise disebabkan karena gerakan elektron dalam komponen elektronika yang menimbulkan panas
2.5.2 Kanal Narrowband
kanal narrowband merupakan kanal transmisi dengan bandwith rendah, berkisar 50-300 bps. Oleh karenanya Narrowband biasa disebut dengan pita saluran sempit.
2.5.2.1 Narrowband One-Ring Scattering
Kanal Narrowband Single-Ring Scattering digunakan untuk komunikasi antara mobile station (MS) dan base station (BS). Model Kanal ini berbentuk Lingkaran pada sisi Mobile Station. Model geometrik dari kanal ini dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1 Geometrik One-Ring Narrowband Model Dari gamabar 1 terlihat jelas bahwa scattering berbentuk lingkaran sempurna hanya ada pada mobile station (MS) karena diasumsikan bergerak sedangkan pada base station (BS) tidak memiliki scaterring karena diasumsikan diam atau tidak bergerak.
Secara matematis model kanal dari antena pemancar hingga antenna penerima dapat ditulis sebagai berikut : ∑ = + ∞ → = N n n t n f j e n b n a N 1 ) 2 ( N 1 lim (t) 11 h π θ
dimana, )] sin( ) sin( max ) [cos( MS n BS BS BS BS j e n a λ α φ α φ δ π + = ) [cos( MS MS n MS j e n b λ φ α δ π − =
)
cos(
max
v
MS
n
f
n
f
=
φ
−
α
2.5.2.2 Narrowband Two-Ring Scattering
Kanal Narrowband Two-Ring Scattering memiliki dua lingkaran scattering baik di pemancar (transceiver) maupun penerima (receiver). Olehkarena itu model kanal ini dapat digunakan untuk komunikasi antara dua mobile station (MS). Model geometrik dari kanal ini dapat dilihat pada gamabar 2.
Gambar 2 Geometrik Two-Ring Narrowband Model transformasi dari gambar 2 menjadi model matematis dapat dituliskan sebagai berikut:
∑ = + + ∞ → ∞ → = M N n m mn t n R f m T f j e mn g MN M N t kl g , 1 , ] ) ) ( ) ( ( 2 [ 1 lim ) ( π θ Dimana,
mn
c
n
b
m
a
mn
g
=
) ) ( cos( ) / ( ) 1 2 ( T m R T l T M j e m a = − +π
δ
λ
φ
−β
) ) ( cos( ) / ( ) 1 2 ( R n R R k R M j e n b = − +π
δ
λ
φ
−β
)
)
(
cos
)
(
cos
(
2
n
R
R
R
m
T
T
R
j
e
mn
C
φ
φ
λ
π
−
=
)
)
(
cos(
max
)
(
T
m
T
T
f
m
T
f
=
φ
−
α
)
)
(
cos(
max
)
(
R
n
R
R
f
n
R
f
=
φ
−
α
2.5.3 Kanal WidebandDari model kanal Narrowband dapat dikembangkan dengan menambahkan delay propagasi untuk mendapatkan model kanal wideband. Pada kanal ini penguatan gain yang terjadi sama dengan pada kanal Narrowband Two-Ring Scattering. Hanya saja pada kanal Wideband gain kanal dipengaruhi dengan adanya propagation delay. adapun model matematis dari sistem kanal wideband dapat dituliskan sebagai berikut ∑ = ∈∑ + + ∞ → ∞ → = M m m I n mn t n R f m T f j e mn g K M N t kl g 1 , ] ) ) ( ) ( ( 2 [ 1 lim ) ( , l l l θ π
)
'
'
(
1
)
(
,
)
,'
(
l
l
l
l
τ
τ
δ
τ
∑
−
=
=
L
t
kl
g
a
t
kl
h
L adalah elemen segmen dari scattering pada kanal Wideband, dengan kata lain scattering pada kanal Wideband dibagi menjadi beberapa elemen. Deskripsi dari elemen-elemen scattering pada kanal Wideband dapat dilihat pada gambar 3
Gambar 3 Local Scattering Wideband
Model matematis dari kanal Wideband terlihat jelas bahwa delay propagasi berbeda tiap satuan waktu, sehingga dapat dimodelkan sebagai tap-tap yang dapat kita perhatikan pada gambar 4.
Seperti halnya pada kanal Narrowband, kanal Widenband juga memiliki dua macam scattering yaitu One-Ring dan Two-Ring Scattering.
Gambar 4 Skema Pengiriman bit pada kanal
Wideband
2.5.4 Kanal SUI
Pada sistem komunikasi kooperatif dengan model kanal wideband, delay propagasi menjadi satu hal yang sangat penting. untuk mendapatkan delay propagasi diperlukan beberapa percobaan dan
penelitian. salah satu model kanal yang telah memiliki standarasisai dari delay propagasi adalah model Kanal SUI. kanal SUI memiliki 3 Tap yang telah diteliti dan memiliki standarisasi. terdapat 6 jenis kanal SUI yang memiliki karakteristik yang berbeda-beda
Pada simulasi ini digunakan model SUI 5 untuk delay propagasi pada kanal wideband two-ring. 2.5.5 AWGN (Additive White Gaussian Noise)
Noise dapat berasal dari berbagai sumber, baik buatan manusia maupun natural. Noise buatan manusia termasuk spark plug ignition noise. Noise natural termasuk komponen noise, ganguan pada atmosfer dan lainya. Perancangan sistem yang baik dapat menghilangkan berbagai macam noise, tapi ada satu sumber macam noise yang tidak dapat dihilangkan , yakni thermal noise.
Thermal noise disebabkan karena gerakan elektron dalam komponen elektronika yang menimbulkan panas. Thermal noise dapat digambarkan sebagai proses acak zero mean Gaussian. Sebuah proses Gaussian, n(t), merupakan fungsi acak yang nilai n-nya pada setiap waktu, t, dikarakteristikan oleh Gaussian probability density function, p(n): ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = 2 2 1 exp 2 1 ) ( σ π σ n n P
dimana σ2 merupakan variant dari n. Normalisasi Gaussian density function dari proses zero mean didapatkan dengan mengasumsikan σ = 1. 2.6 Ekualiser
Ekualiser merupakan suatu teknik yang digunakan untuk mengurangi dan menghilangkan ISI (intersimbol interference) yang disebabkan oleh kanal. Pada ekualiser dengan filter transversal, pembobotan tap saluran terdelay yang menurunkan efek ISI dengan pengaturan tepat dari tap-tap filter. Dari gambar 5 dapat diperoleh persamaan dibawah ini sehingga terlihat hasil dari ekualiser transversal
)
(
)
(
N
x
t
n
τ
N
n
n
C
t
z
∑
−
−
=
=
(2.24)Gambar 5. Skema tap ekualiser dengan filter t
ransversal
Seperti yang telah dijelaskan diatas, pada ekualiser dengan filter transversal terdapat 2 teknik yang biasa diguanakan yaitu Zero-forcing dan MSE. Pada ekualiser Zero-forcing, tap-tap filter diatur sedemikian hingga output ekualisser ditekan menjadi nol pada N-titik sampel pada di tiap sisi. Sedangkan pada ekualiser Mean Square Error (MSE), tap-tap filter diatur sedemikian hingga MSE dari intersimbol intersymbol interference (ISI) dan daya noise pada output ekualiser diminimisasi.
III. PERANCANGAN SIMULASI
Pada sistem sistem komunikasi kooperatif menggunakan Kanal Narrowband Two Ring Scattering, data yang telah dibangkitkan secara acak pada sumber pemancar atau Source terlebih dahulu dimodulasi secara BPSK (Binary Phase Shift Keying) sebelum ditransmisikan. Selanjutnya hasil bit informasi yang telah dimodulasi tersebut ditransmisikan ke-dua tujuan yaitu Destination dan Relay untuk selanjutnya diteruskan menuju Destination.
Untuk transmisi menuju Destination digunakan model kanal Narrowband One Ring Scattering dan selanjutkan ditambahkan Noise berupa AWGN. Sedangkan untuk transmisi menuju Relay digunakan model kanal Narrowband Two Ring Scattering dan selanjutkan ditambahkan Noise berupa AWGN. kemudian di teruskan menuju ke Destination melewati model kanal Narrowband One Ring Scattering dan selanjutkan ditambahkan Noise berupa AWGN kembali.
Pada Destination kedua bit informasi yang telah sampai, baik itu dari Source maupun yang melewati Destination terlebih dahulu disatukan oleh kombiner untuk kemudian didemodulasi secara BPSK kembali. Sedangkan untuk sistem komunikasi kooperatif pada model Kanal Narrowband Two Ring Scattering maupun model Kanal WidebandTwo Ring Scattering Secara garis besar memiliki beberapa kesamaan. Perbedaan antara keduanya hanya terletak dari model kanal yang digunakan untuk pentransmisian dan penggunaan ekualiser pada sistem Wideband.
BAB IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisa sistem komunikasi kooperatif
menggunakan model kanal two ring wideband
Data bit informasi yang diterima oleh antenna destination didapatkan dengan menambahkan bit informasi yang ditransmisikan dari relay kemudian di kombinerkan dengan bit informasi yang ditransmisikan dari source.
Terlihat bahwa kinerja system komunikasi kooperatif mobile-to-mobile two ring wideband semakin baik jika bekerja pada SNR yang semakin besar. Sehingga ada korelasi dimana semakin besar nilai BER maka semakin baik kinerja system tersebut. Ini dapat dibuktikan dengan bila SNR bernilai 0 maka
didapatkan nilai BER sebesar 0.1364 sedangkan untuk SNR bernilai 27 didapatkan nilai BER sebesar 1e-05.
Gambar 6 BER system komunikasi kooperatif mobile-to-mobile two ring wideband
4.2 Perbandingan sistem komunikasi kooperatif menggunakan model kanal two ring narrowband dan Model Kanal two ring wideband
Pada sub-bab ini, akan dilakukan analisa terhadap Sistem komunikasi kooperatif menggunakan model kanal two ring narrowband dan Model Kanal two ring wideband dengan nilai SNR bervariasi antara 0 hingga 31 dB. Karena system komunikasi ini menggunakan system komunikasi kooperatif mobile-to-mbile, maka source dan relay memiliki kecepatan. Pada simulasi ini kecepatannya dari keduanya di asumsikan sebesar 40 km/jam. Hasil dari simulasi system ini ditunjukkan pada gambar 7.
Dari hasil simulasi ini terlihat dengan sangat jelas bahwa nilai BER Sistem komunikasi kooperatif menggunakan model kanal two ring wideband lebih besar daripada Sistem komunikasi kooperatif menggunakan model kanal two ring narrowband. Ini terjadi untuk semua nilai SNR, pada simulasi ini yaitu senilai 0 dB hingga 30 dB.
Ini menunjukkan bahwa kinerja dari Sistem komunikasi kooperatif menggunakan model kanal two ring narrowband lebih baik jika dibandingkan dengan Sistem komunikasi kooperatif menggunakan model kanal two ring narrowband pada nilai SNR 0 dB hingga 31 dB.
4.6 Perbandingan sistem komunikasi kooperatif menggunakan model kanal two ring wideband dengan kecepatan yang berbeda
Pada system komunikasi kooperatif yang menggunakan kanal mobile-to-mobile, kecepatan dari mobile station merupakan komponen yang penting dikarenakan perbedaan kecepatan dapat menyebabkan efek Doppler sehingga berpengaruh terhadap kinerja dari system tersebut
Dari hasil simulasi yang ditunjukkan pada gambar 8 terlihat bahwa Sistem komunikasi kooperatif menggunakan model kanal two ring wideband dengan kecepatan mobile station 40 km/jam memiliki kinerja yang lebih baik dengan Sistem komunikasi kooperatif menggunakan model kanal two ring wideband dengan kecepatan mobile station sebesar 100 km/jam.
Gambar 7 BER system komunikasi kooperatif mobile-to-mobile two ring wideband dan narrowband
Gambar 8 BER system komunikasi kooperatif mobile-to-mobile two ring wideband dengan kecepatan berbeda
V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi dan analisa, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Besarnya nilai BER pada sistem komunikasi kooperatif mobile-to-mobile MIMO dengan model kanal wideband ataupun pada sistem komunikasi kooperatif mobile-to-mobile MIMO dengan model kanal narrowband mengalami penurunan terhadap peningkatan nilai SNR. Hasil penurunan yang lebih signifikan terjadi pada pada sistem komunikasi kooperatif
mobile-to-mobile MIMO dengan model kanal narrowband
2. Performansi kinerja dari sistem komunikasi kooperatif mobile-to-mobile MIMO pada model kanal wideband dipengaruhi oleh kecepatan mobile station. Dengan semakin meningkat kecepatan mobile station maka kinerja sistem tersebut akan mengalami penurunan begitu pula sebaliknya.
3. Sistem komunikasi kooperatif mobile-to-mobile MIMO pada model kanal narrowband memiliki kinerja yang lebih baik dibandingkan dengan sistem komunikasi kooperatif mobile-to-mobile MIMO pada model kanal wideband
5.2 Saran
Berikut ini beberapa hal yang dapat dilakukan untuk pengembangan topik yang dibahas dalam tugas akhir ini.
1. Sudut yang ditimbulkan akibat arah pergerakan dari mobile station (AlphaT maupun AlphaR) dapat diubah-ubah sehingga dapat diketahui pengaruhnya terhadap kinerja sistem komunikasi kooperatif mobile-to-mobile MIMO pada model kanal narrowband maupun wideband.
2. Skenario pengiriman model komunikasi kooperatif dapat diubah menjadi model Symmetrical
DAFTAR PUSTAKA
[1] Freeman, Roger L. 2005. Fundamentals of Telecommunications. John Wiley & Sons. New Jersey.
[2] Glover, Ian and Grant Peter. 1998. Digital Communication. Prentice Hall.
[3] Jeruchim, Michel C., Philip Balaban, and K. Sam
Shanmugan. 2002. Simulation of
Communication Systems. 2nd Edition. Kluwer Academic Publisher.
[4] Meier, Andreas. 2004. Cooperative Diversity in Wireless Networks. University of Edinburgh. [5] Proakis, John G. 2001. Digital Communications.
4th Edition. McGraw-Hill, (international). [6] Sklar, Bernard. 2001. Digital Communications :
Fundamentals and Aplications. 2nd Edition. Prentice Hall International Inc.
[7] Yuanyuan Ma and Matthias Patzold, “Wideband Two-Ring MIMO Channel Models for Mobile-to-Mobile Communications” Faculty of Engineering and Scince Agder University College, Norway
[8] Matthias Patzold and Bjorn Olav Hogstad, “AWideband Space-Time MIMO on the Geometrical One-Ring Model” Faculty of Engineering and Scince Agder University College, Norway
RIWAYAT PENULIS
Bramantyo Tri Wicaksono, lahir di Surabaya, 24 April 1987. Merupakan anak pertama dari pasangan Drs. Sugeng Wibowo dan Endang Widayati.
Lulus dari SDN Banjarsugihan V Surabaya tahun 1999 kemudian melanjutkan ke SMPN 26 Surabaya dan lulus pada tahun 2002. Kemudian melanjutkan ke SMUN 11 Surabaya dan lulus pada tahun 2005. Setelah menamatkan SMU, penulis melanjutkan studinya di Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya melalui jalur SPMB pada tahun 2005. Selama kuliah penulis aktif dalam kegiatan kemahasiswaan dan ikut dalam kepengurusan HIMATEKTRO periode 2006-2007 sebagai staff departemen Umum di HIMATEKTRO dan staff departement Pengabdian Masyarakat BEM ITS, pada periode 2007-2008 sebagai Kepala departemen Lingkar Kampus di HIMATEKTRO.
