ANALISIS PENERAPAN MIMO 2X2 PADA SISTEM UMTS ANALYSIS MIMO 2X2 APPLICATION FOR UMTS SYSTEM

(1)

ANALISIS PENERAPAN MIMO 2X2 PADA SISTEM UMTS ANALYSIS MIMO 2X2 APPLICATION FOR UMTS SYSTEM

Dwi Martin Nugroho¹, -²

¹Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom

Abstrak

Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) merupakan suatu evolusi dari GSM yang mendukung kemampuan generasi ketiga (3G). UMTS menggunakan teknologi akses WCDMA dengan sistem Direct Sequence Wideband CDMA (DSWCDMA). WCDMA mendukung layanan data dengan laju yang berubah-ubah, sehingga dapat mendukung layanan Bandwidth on Demand (BoD). Untuk memenuhi kebutuhan pelanggan tersebut, dikembangkan/diteliti teknologi yang mendukung, yaitu sistem MIMO (multiple input multiple output), sistem ini memungkinkan diperoleh penggunaan efisiensi bandwidth yang cukup besar, sehingga dapat memenuhi kebutuhan transmission bandwidth yang lebar.

MIMO yang digunakan pada Tugas Akhir ini terdiri dari 2 antena pengirim dan 2 antena penerima (2x2) menggunakan skema STBC (Space Time Block Code). STBC MIMO 2x2 tersebut dibandingkan dengan kinerja MISO 2x1, SIMO 1x2, dan SISO 1x1 pada pemodelan kanal AWGN dan kanal fading Rayleigh didalam sistem UMTS FDD release 99. Simulasi dilakukan dengan program Matlab 7.0.1.

Dari hasil simulasi didapatkan bahwa sistem STBC MIMO 2x2 mempunyai kinerja yang relatif lebih baik dibandingkan dengan sistem SIMO 1x2, MISO 2x1 dan SISO 1x1. Pada kecepatan 60 km/jam, selisih SNR yang terjadi bila digunakan STBC MIMO 2x2 dibandingkan dengan sistem tanpa diversitas adalah sebesar ± 19 dB. Selisih SNR yang diperoleh antara penggunaan SIMO 1x2 dengan penggunaan sistem tanpa diversitas adalah sebesar ± 16 dB. Dan penggunaan MISO 2x1 dengan pembanding sistem tanpa diversitas akan didapat selisih SNR sebesar ± 12 dB.

Kata Kunci :

Abstract

Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) is an evolution from GSM that supports third generation (3G) ability. UMTS uses WCDMA access technology with direct sequence wideband CDMA system. WCDMA supports data services with fluctuate speed, so that it can support Bandwidth on Demand (BoD) services. To fulfill customers need, there was developed a technology that support their needs, that is MIMO (Multiple Input Multiple Output) system. This system allowed us to obtain the use of high bandwidth efficiency. So it can be used to cover the wide of bandwidth transmission need.

In this Final Project, MIMO system contains of two transmitter antennas and two receiver antennas. The system uses STBC (Space Time Block Code) scheme. The STBC MIMO 2x2 scheme is compared with performance of MIMO 2x1, SIMO 1x2, and SISO 1x1 on the AWGN channel modeling and fading Rayleigh channel in UMTS FDD system release 99. System simulation was done using Matlab 7.0.1 program.

From the simulation result, STBC MIMO 2x2 system, relatively has good performance if compared with SIMO 1x2, MISO 2x1 dan SISO 1x1 systems. In velocity at 60 km/hour, the diference of SNR resulted from STBC MIMO 2x2 if compared with a system without diversity is aproximately 19 dB.

The diference of SNR obtained between using SIMO 1x2 and using system without diversity is aproximately 16 dB. And the use of MISO 2x1 that is compared with system without diversity will be achieved diference of SNR up to 12 dB.

Keywords :

(2)

1 BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Pada beberapa tahun yang akan datang, wireless systems di Indonesia diperkirakan akan membutuhkan sarana komunikasi yang lebih kompleks dari sekarang.

Untuk memenuhi kebutuhan pelanggan tersebut, dikembangkan/diteliti teknologi yang mendukung, dimana sejak tahun 1990-an telah mulai diteliti sistem MIMO (multiple input multiple output), sistem ini memungkinkan diperoleh penggunaan efisiensi bandwidth yang cukup besar, sehingga dapat memenuhi kebutuhan transmission bandwidth yang lebar.

Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) merupakan suatu evolusi dari GSM yang mendukung kemampuan generasi ketiga (3G). UMTS menggunakan teknologi akses WCDMA dengan sistem direct sequence wideband CDMA (DS- WCDMA), baik untuk FDD maupun TDD. Pada WCDMA FDD, digunakan sepasang frekuensi pembawa 5 Mhz pada uplink dan downlink, dengan alokasi frekuensi uplink 1920 Mhz – 1980 Mhz dan downlink 2110 Mhz – 2170 Mhz. WCDMA mendukung layanan data dengan laju yang berubah-ubah, sehingga dapat mendukung layanan Bandwidth on Demand(BoD)

Beranjak dari hal tersebut dalam tugas akhir ini akan dibahas analisis mengenai penerapan MIMO 2x2 pada sistem Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). Dengan menggunakan skema Space Time Block Code (STBC) pada kanal Rayleigh fading berderau AWGN.

1.2 Perumusan Masalah

Permasalahan yang akan dirumuskan pada Tugas Akhir ini adalah menganalisa penerapan MIMO 2x2 sebagai salah satu teknik untuk mengatasi atau meminimalisasi efek multipath fading yang terjadi pada UMTS FDD release 99. Beberapa permasalahan yang diangkat pada Tugas Akhir ini adalah :

1. Pemodelan teknik MIMO 2x2 yang diimplementasikan pada UMTS FDD release 99.

Fakultas Teknik Elektro Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi

(3)

BAB I PENDAHULUAN 2

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI TELKOM 111 02 0075

2. Pemodelan kanal multipath fading Rayleigh berderau Gaussian dengan parameter-parameter yang mempengaruhinya.

3. Melakukan simulasi terhadap sistem tersebut, serta menganalisa hasil-hasil yang diperoleh.

1.3 Ruang Lingkup dan Batasan Masalah

Untuk lebih memfokuskan persepsi dalam pembahasan Tugas Akhir ini, maka digunakan pembatasan masalah sebagai berikut :

1. Skema diversitas adalah sesuai dengan standard 3GPP Release 99 (FDD) yaitu menggunakan Skema STBC Alamouti^[6].

2. Kanal diasumsikan mengalami indepedensi fading untuk setiap diversitas.

3. Jumlah antena yang digunakan adalah 2x2, 2x1, 1x2, dan 1x1.

4. Model kanal untuk simulasi adalah kanal fading Rayleigh berderau Gaussian.

5. Simulasi dilaksanakan pada tingkat baseband.

6. Akan dianalisa pada arah downlink dan menggunakan mode open loop.

7. Model sistem disimulasikan dengan M-File MATLAB 7.0.1.

8. Sistem yang diamati adalah untuk single user.

9. Tidak membahas masalah sinkronisasi maupun cell search procedure.

10. Tidak membahas power control.

1.4 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penyusunan Tugas Akhir ini adalah :

1. Merancang dan menganalisa kinerja teknik MIMO 2x2 pada UMTS dengan skema Space Time Block Code (STBC) di kanal multipath fading Rayleigh berderau Gaussian.

2. Menganalisa besarnya faktor perbaikan diversitas (diversity gain) yang didapat.

1.5 Metodologi Penelitian

Langkah yang akan ditempuh dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini diantaranya adalah :

1. Studi Literatur

(4)

a) Pencarian dan pengumpulan literatur-literatur dan kajian-kajian yang berkaitan dengan masalah-masalah yang ada pada Tugas Akhir ini, baik berupa artikel, buku referensi, internet, dan sumber-sumber lain yang berhubungan dengan masalah Tugas Akhir.

b) Pengumpulan data-data dan spesifikasi sistem yang diperlukan untuk meningkatkan performansi sistem.

2. Desain dan Perancangan Sistem

Yaitu membuat rancangan-rancangan dan prediksi-prediksi berdasarkan hasil sistem yang ada serta dapat mensimulasikan sistem tersebut secara keseluruhan.

3. Simulasi Sistem

Setelah tahap perancangan berdasarkan standard yang ada, tahap selanjutnya adalah melakukan simulasi sistem untuk melihat kerja sistem tersebut.

4. Analisa Hasil Penelitian

Yaitu menganalisa dari hasil simulasi yang pada akhirnya akan didapatkan sebuah kesimpulan.

1.6 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini membahas latar belakang masalah, maksud dan tujuan, batasan masalah, metoda penyelesaian masalah, dan sistematika penulisan yang digunakan dalam pembuatan Tugas Akhir.

BAB II : LANDASAN TEORI

Bab ini membahas teori dasar : arsitektur jaringan, fungsi layer- layer pada UMTS, Air interface UMTS pada arah downlink, propagasi pada sistem komunikasi bergerak dan konsep dasar teknik diversitas.

BAB III : PEMODELAN DAN SIMULASI SISTEM

(5)

BAB I PENDAHULUAN 4

Bab ini membahas tentang pemodelan dan simulasi MIMO 2x2 pada sistem UMTS dengan menggunakan Space Time Block Code (STBC).

BAB IV : HASIL SIMULASI DAN ANALISA HASIL SIMULASI

Bab ini menampilkan hasil simulasi yang telah dilakukan sehingga dapat dianalisa mengenai penerapan MIMO 2x2 pada sistem UMTS.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini membahas kesimpulan akhir tentang perancangan, hasil simulasi sistem dan saran untuk pengembangan lebih lanjut.

(6)

49

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1) Teknik diversitas pada sistem UMTS mampu meningkatkan performansi sistem. Terdapat diversity gain yang berbeda-beda untuk berbagai kondisi kanal.

2) Performansi diversitas antena makin terdegradasi akibat kondisi kanal yang semakin buruk.

3) Pengaruh pergerakan user menimbulkan pelebaran spektrum yang disebabkan oleh laju perubahan waktu terhadap kanal (time varying) sehingga semakin cepat pergerakan user maka performansi semakin buruk.

4) SIMO 1x2 menghasilkan kinerja yang lebih baik dibandingkan dengan metode MISO 2x1 pada tiap-tiap kondisi kanal yang berbeda.

5) Secara umum metode STBC MIMO 2x2 memiliki kinerja yang lebih baik dari metode SIMO 1x2, MISO 2x1 dan dengan tanpa diversitas (SISO 1x1) baik pada kanal AWGN maupun kanal multipath fading terutama pada kecepatan user yang semakin meningkat.

6) Pada teknik diversitas MISO 2x1, kanal multipath invariant akan memberikan diversity gain sebesar 0 dB sampai 2 dB. Pada kanal multipath fading time variant (doppler spread 9,2 Hz) memberikan diversity gain sebesar 3 dB sampai 8 dB. Pada kanal multipath fading time variant (doppler spread 111,1 Hz) memberikan diversity gain sebesar 4 dB sampai 12 dB.

7) Pada kanal AWGN, teknik diversitas SIMO 1x2 memberikan diversity gain sebesar 0 dB sampai 3,5 dB. Pada kanal multipath invariant akan memberikan diversity gain sebesar 0 dB sampai 4 dB. Pada kanal multipath fading time variant (doppler spread 9,2 Hz) memberikan diversity gain sebesar 1 dB sampai 10 dB. Pada kanal multipath fading time variant (doppler spread 111,1 Hz) memberikan diversity gain sebesar 3 dB sampai 16 dB.

(7)

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI TELKOM 111 02 0075 50

8) Pada kanal AWGN, teknik diversitas STBC MIMO 2x2 memberikan diversity gain sebesar 0 dB sampai 3,5 dB Pada kanal multipath invariant akan memberikan diversity gain sebesar 0 dB sampai 4 dB. Pada kanal multipath fading time variant (doppler spread 9,2 Hz) memberikan diversity gain sebesar 3 dB sampai 14,5 dB. Pada kanal multipath fading time variant (doppler spread 111,1 Hz) memberikan diversity gain sebesar 5 dB samapi 19 dB.

9) Pada perbedaan rate dari 1/2 menjadi 1/3 memberikan hasil yang lebih baik dan cukup signifikan pada kanal Multipath Fading Rayleigh.

Perbaikan terjadi pada masing-masing kecepatan, pada user kecepatan 0 km/jam rate 1/3 sudah tidak terjadi kesalahan pendeteksian bit yang diterima pada SNR -2 dB sedangkan rate 1/2 pada SNR 2 dB. Pada user kecepatan 5 km/jam rate 1/3 sudah tidak terjadi kesalahan pendeteksian bit yang diterima pada SNR 0 dB sedangkan rate 1/2 pada SNR 4 dB. Pada level SNR 18 dB menunjukkan BER sebesar 10^-5 sedangkan rate 1/2 menunjukkan BER sebesar 10^-4.

5.2 Saran

1) Diperlukan kajian lebih lanjutkan pada masalah layer dan kanal UMTS, 2) Pada penelitian selanjutnaya perlu dikaji mengenai masalah cell search

procedure dan sinkronisasi pada UMTS.

3) Variabel kanal perlu ditambah dengan memasukkan parameter lain seperti interferensi dari user lain, dengan kata lain disimulasikan sistem multiuser sehingga akan diketahui efektivitas teknik diversitas mengatasi interferensi user lain.

4) Perlu dikaji lebih lanjut dengan penggunaan antenna beamforming.

5) Perlu dikaji lebih lanjut penggunaan teknik channel estimator yang optimal pada teknik diversitas antenna.

6) Perlu diadakan penelitian mengenai perancangan beserta jenis antena yang sesuai sehingga menghasilkan kinerja yang optimal pada teknik diversitas antena.

(8)

DAFTAR PUSTAKA

[1]. 3GPP. (2002). Technical Spesification 25.211 V3.12.0 Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD) (Release 1999).France: 3GPP.

[2]. 3GPP. (2002) Technical Spesification 25.212 V3.12.0) Multiplexing and Channel Coding (FDD) (Release 1999). France: 3GPP.

[3]. 3GPP. (2002). Technical Spesification 25.213 V3.8.0 Spreading and modulation (FDD) (Release 1999). France: 3GPP.

[4]. Adriansyah, Nachwan Mufti, (2003). Diktat Kuliah Sistem Komunikasi Bergerak.

Bandung: STT Telkom.

[5]. Alamouti, S M. (1998). A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications, IEEE Journal on Select Areas in Communications, Vol.16, No.8, October.

[6]. Gesbert, David, et. Al. (2003). From Theory to Practice: An Overview of MIMO Space Time Coded Wireless System. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.21, pp. 281-301, Oslo University, Norway.

[7]. Harri Holma and Antti Tos. (2001). WCDMA for UMTS Radio Access For Third Generation Mobile Communications. England: John Wiley & Sons Ltd.

[8]. Muhammad, Firman H S. (2006). Analisis Penerapan Transmit Diversity pada Sistem UMTS. Bandung : STT Telkom.

[9]. Mulyawan, Andika. (2005). Kinerja Space Time Block Code pada Sistem MIMO 2x2 (Multiple Input Multiple Output) melalui Kanal Fading Rayleigh.

Bandung : STT Telkom.

[10]. NN. (2000). Third Generation (3G) Wireless White Paper. Los Angeles: Trilium Digital Systems, Inc.

[11]. Ojanpera, T and Prasad, R.. (1998).Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communication. Artech House.

[12]. Proakis, John G. (1995). Digital Communications. New York : McGraw-Hill.

[13]. Rappaport, Theodore S. (1996) Wireless Communication. New York : Prentice Hall.

(9)

[14]. Suprihatin. (2004). Performance Comparison Analysis of Antenna Diversity (Two Branch MRRC & Two Branch Transmit Diversity with One Receiver) Using QPSK Modulation Technique Over AWGN and Rayleigh Fading Channels Modeling, STT Telkom, Bandung.

[15]. Tarokh, V., Seshadri, N., and Calderbank, A. R.. (1998). Space-time coding for high data rate wireless communication : performance criteria and code construction. IEEE Trans, Inform, Theory.

[16]. Winter, J. H.. (1998). The diversity gain of transmit diversity in wireless systems with Rayleigh fading. IEEE Trans. On Vehicular technology, Vol. 47, No 1, pp. 119-123.