18
KINERJA SISTEM OFDM PADA JARINGAN KOMUNIKASI KOOPERATIF
DENGAN KODE KONVOLUSI
Arifin1, Anang Budikarso2, Yoedy Moegiharto3
1,2,3 Prodi Teknik Telekomunikasi, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya 1
arifin@pens.ac.id
,
2anang_bk@pens.ac.id
,
3ymoegiharto@pens.ac.id
Abstrak
OFDM dengan segala keunggulannya telah digunakan pada sistem komuniasi moern seperti LTE, LTE A. Sedangkan sistem komunikasi kooperatif yang merupakan sebuah sistem virtual telah banyak diteliti dan memberi bukti mampu memberikan hasil seperti sistem MIMO konvensional. Pada sistem komunikasi kooperatif digunakan antena pengguna lain sebagai sebuah relay yang berpartisipasi untuk mengirimkan sinyal informasi ke tujuan. Sehingga menghasilkan kanal-kanal lain yang membentuk sebuah spatial diversity. Pada makalah ini diterapkan protokol decode and forward (DF) pada sistem komunikasi kooperatif dengan menerapkan kode konvolusi di sisi relay. Hasil simulasi menunjukkan bahwa kinerja BER sistem kooperatif lebih baik dibanding sistem tanpa atau non kooperatif. Untuk modulasi QPSK untuk nilai SNR = 30 dB, kinerja BER sistem kooperatif sebesar 10-4 sedang kinerja BER sistem non kooperatif sebesar 4 x 10-4,lebih besar dari kinerja sistem kooperatif.
Kata kunci : OFDM, komunikasi kooperatif, decode and forward, kode konvolusi.
I. PENDAHULUAN
OFDM adalah teknik transmisi berkecepatan tinggi yang menggunakan beberapa buah frekuensi (multicarrier) yang saling tegak lurus (orthogonal). Pada sistem OFDM, overlap antar frekuensi yang bersebelahan diperbolehkan sehingga dapat mengefisiensikan pemakaian bandwidth. Sistem OFDM sudah diterapkan pada banyak sistem komunikasi nirkabel, karena memiliki keunggulan lain seperti kebal terhadap intersymbol interferensi dampak dari kanal nirkabel. Muncul skema jaringan baru yang dikenal dengan komunikasi kooperatif [1][2][3]. Komunikasi kooperatif, dikenal juga dengan sebuah a virtual multi-(MIMO) channel, sangat efisien menghilangkan fading pada kanal multipath, menaikkan efisiensi daya atau energi sehingga ikut mendukung sistem green radio communications. Komunikasi kooperatif melibatkan pengguna-pengguna lain yang sedang dalam kondisi idle sebagai relaying node untuk mendukung proses komunikasi. Relay node mengirim sinyal yang diterima dari sumber asli ke tujuan. Sehingga penerima tujuan akan menerima dua sinyal dari relay node dan sumber asli, lalau menggabungkan keduanya dan mendeteksi untuk mendapatkan kualitas sinyal yang baik seperti sinyal yang dikirimkan oleh sumber asli. Komunikasi kooperatif memiliki dua protokol, amplify and
forward (AF) dan decode and forward (DF) [4][5]. Pada sistem OFDM pada jaringan komunikasi kooperatif dengan kode konvolusi, yang dinyatakan dalam bit error rates, block error rates, atau outage probability melalui skema kooperatif dapat dinaikkan kinerjanya. OFDM juga dapat diimplemetasikan pada sistem komunikasi kooperatif [6][7]. Sedangkan pengkodean kanal, seperti pengkodean konvolusi yang digunakan pada makalah ini dapat juga menaikkan kinerja BER sistem. Pada makalah ini diterapkan sistem OFDM pada komunikasi kooperatif dengan protokol DF dan mengevaluasi secara simulasi kinerja BERnya.
II. TEORI PENDUKUNG A. Sistem OFDM
Sistem OFDM merupakan sistem modulasi multicarrier, yang mengubah deretan input data kecepatan tinggi menjadi N buah deretan data kecepatan rendah, dengan N merupakan jumlah subcarrier yang digunakan. Sistem ini dapat mengubah transmisi pada model kanal frequency selective fading menjadi beberapa transmisi pada model kanal flat fading. Setiap deretan data kecepatan rendah akan memodulasi satu dari N subcarrier, kemudian
19 menjumlahkan semua hasil modulasi tersebut untuk menghasilkan sebuah simbol OFDM. Diagram blok sistem OFDM ditunjukkan pada gambar 1.
Pada pemancar, proses modulasi multicarrier dilakukan dengan transformasi inverse fast Fourier transform (IFFT), yang mentrasformasi sinyal dalam ranah frekwensi menjadi sinyal dalam ranah waktu. Di penerima proses demodulasi multicarrier dilakukan dengan transformasi fast Fourier transform (FFT), yang mentrasformasi sinyal dalam ranah waktu ke sinyal dalam ranah frekwensi.
Sinyal OFDM output dapat dituliskan seperti, 𝑥(𝑡) = 1 √𝑁) 𝑋+𝑒 -./+∆12 345 +67 , 0 ≤ 𝑡 ≤ 𝑁𝑇 (1)
dengan Δf =1/NT adalah jarak antar subcarrier, 𝑗 = √−1 , dan NT imenyatakan periode simbol OFDM. Dan Xn adalah simbol kompleks ke n, untuk input IFFT. Di sisi penerima output dari FFT berupa simbol-simbol kompleks yang dituliskan seperti, 𝑌+= 1 √𝑁) 𝑦(𝑡)𝑒 4-./+∆12 345 +67 (2) dengan y(t) adalah sinyal OFDM yang diterima setelah mengalami gangguna kanal dan derau.
B. Komunikasi kooperatif
Komunikasi kooperatif merupakan sebuah teknik jaringan
multi antena virtual atau sistem MIMO virtual. Teknik jaringan Komunikasi kooperatif memiliki dua keunggulan utama, daya pancar yang dibutuhkan rendah dan mampu menghilangkan fading dengan sifat spatial diversitynya. Ide dasar dari komunikasi kooperatif adalah diantara pemancar sumber dan penerima tujuan terdapat satu atau lebih titik penerima lain atau penerima relay, sehingga membentuk sebuah sistem multi antenna virtual. Penerima relay ikut berpartisipasi mengirim sinyal yang dierima dari pemancar sumber ke penerima tujuan. Diagram blok sederhana sebuah sistem komunikasi kooperative ditunjukkan seperti gambar 2.
mapper S/P .... . IFFT ... P/S input Kanal nirkabel demapper FFT ..... output P/S .... . S/P
Gambar 1.Diagram blok sistem OFDM.
BS, tujuan
Lintasan kanal yang tidak saling terkait.
Sumber Relay
20 Pada sistem komunikasi kooperatif memiliki dua protokol, amplify and forward (AF) dan decode and forward (DF). Diagram blok komunikasi kooperatif protokol decode and forward (DF) ditunjukkan seperti gambar 3.
Pada protokol DF sinyal yang diterima oleh relay di estimasi kanal lalu dikirimkan ke tujuan. Kemudian di tujuan kedua sinyal digabung melalui skema maximal ratio combining (MRC) untuk menaikkan kualitasnya (nilai SNR), kemudian dideteksi untuk mendapatkan sinyal seperti aslinya. C. Kode konvolusi
Sebuah pengkodean konvolusional berisi beberapa shift register dan modul0 2 adders.
Umumnya dinyatakan dengan tiga parameter; (n,k,m), dengan n adalah jumlah bit output, k menyatakan jumlah bit input, dan m menyatakan jumlah memory register. Laju pengkodean (coding rate), R = k/n. Struktur encoder konvolusi adalah (2,1,2) dengan matriks generator [1 1 1;1 0 1] yang
digunakan pada makalah ini ditunjukkan seperti gambar 4. Deretan input u diubah menjadi
deretan input c yang berisi susunan output v1 dan v2 secara bergantian sehingga bit rate output menjadi 2 x bit rate input, atau dengan laju pengkodean atau coding rate sebesar 2.
III. MODEL SISTEM YANG DIEVALUASI Model sistem berupa sebuah sumber (S) yang mengirimkan sinyal ke tujuan (D) dengan penambahan sebuah relay (R) yang memiliki satu antena. Sinyal yang dikirimkan berupa sinyal OFDM dengan modulasi MPSK dan pengkodean konvolusi. Sinyal OFDM dari sumber dan relay yang diterima di tujuan dianggap sinkron. Vektor respon impuls kanal (CIR) untuk jalur S à R, R à D dan S à D dinyatakan seperti hSR = [hSR(1), hSR(2),…, hSR(L),)], hRD= [hRD(1), hRD(2),…, hRD(L),)] dan hSD= [hSD(1), hSD(2),…, hSD(L),)], dengan L banyaknya multipath pada kanal nirkabel. hSR, hRD,dan hSD saling bebas atau tidak saling berpengaruh. Nilai CIR konstan sepanjang satu blok transmisi. Bila sinyal OFDM dari sumber secara vektor dinyatakan dengan xs, maka dalam
BS, tujuan
Sumber Relay
Gambar 3. Komunikasi kooperatif dengan protokol DF.
Data input, u output, v1 data output, c
+
+
output, v221 bentuk vektor sinyal yang diterima oleh relay (R) dan tujuan atau destinasi (D) dituliskan seperti :
𝒚𝑺𝑹= 𝒉𝑺𝑹𝒙𝒔+ 𝒏𝑺𝑹 (3)
𝒚𝑺𝑫= 𝒉𝑺𝑫𝒙𝒔+ 𝒏𝑺𝑫 (4)
dengan nSR dan nSD adalah vektor noise Gaussian di penerima
relay dan penerima destinasi.
Pada relay, dilakukan proses decoding and forward (DAF) untuk memperbaiki sinyal OFDM yang berasal dari sumber, kemudian dilakukan re-encoding atau pengkodean ulang dan akhirnya dikirimkan menuju antena tujuan, Di titik destinasi atau tujuan dua sinyal OFDM dari sumber 𝒚𝑺𝑹 dan dari
relay 𝒚𝑹𝑫 dijumlahkan melalui proses maximal ratio
combining (MRC),
𝒚𝑫= 𝒚𝑺𝑹+ 𝒚𝑹𝑫 (5)
dengan
𝒚𝑹𝑫= 𝒉𝑹𝑫𝒙𝒓+ 𝒏𝑹𝑫 (6)
Setelah proses maximal ratio combining (MRC) deretan data diproses FFT, deteksi dan di demapper serta di dekonvolusi untuk mendapatkan data aslinya.
𝑌P[𝑘] = ) 𝑦T[𝑛] 345 +67 𝑒4-./V+3 = 1 √𝑁) W) 𝑋P[𝑘] 345 V67 𝑒-./V+3 X 345 +67 𝑒4-./V+3 (7)
Diagram blok sistem OFDM pada komunikasi kooperatif dengan kode konvolusi ditunjukkan seperti gambar 5.
Gambar 5. Diagram blok sistem OFDM pada komunikasi kooperatif.
Relay, R Pemancar OFDM Mod. Enkode ulang Demod. Penerima OFDM Dekode hSR hRD hSD Data output Tujuan/Destinasi, D Penerima OFDM Demod. Dekode Detektor Sumber, S Data input Pemancar OFDM Mod. Enkode
22 IV. HASIL SIMULASI
Hasil simulasi kinerja sistem komunikasi kooperatif untuk tiga level modulasi PSK ditunjukkan pada gambar 6.
Gambar 6. Kinerja sistem OFDM kooperatif dengan kode konvolusi.
Hasil simulasi kinerja sistem komunikasi kooperatif dan non kooperatif ditunjukkan pada gambar 7. Untuk modulasi QPSK pada nilai SNR = 30 dB, kinerja sistem kooperatif dapat menghasilkan nilai BER = 10-4 sedang sistem non kooperatif menghasilkan nilai BER = 4 x 10-4,lebih besar dari kinerja sistem kooperatif.
V. KESIMPULAN
Dari hasil simulasi dapat ditunjukkan bahwa kinerja BER sistem komunikasi kooperatif lebih baik dibanding sistem non kooperatif, untuk beberapa level modulasi MPSK.
REFERENSI
[1] Ahmadreza Hedayat and Aria Nosratinia, “Cooperative
Communication in Wireless Networks” Dallas: IEEE Communication
Magazine, 2004.
[2] Laneman, J. N., Tse, D. N. C., and Wornell, G. W., “Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage
behavior,” IEEE Trans. Inform.
Theory, vol. 50, pp. 3062–3080, Dec. 2004.
[3] Laneman, J. N., Wornell, G., and Tse, D. N. C., “An efficient protocol for realizing cooperative diversity in wireless networks,” in Proc.
IEEE Int. Symp. Information
Theory (ISIT), (Washington D.C.), p. 294, June 2001.
[4] Dereje H, “network-Coding-based Adaptive Decode and Forward Cooperative Transmission in a Wireless Network: Outage Analysis”, Germany: University of Paderborn, April 2007.
[5] Tairan Wang, Alfonso Cano, Georgios B. Giannakis and J. Nicholas Laneman, “High-Performance Cooperative Demodulation with
Decode-and-Forward Relays”, Washington: IEEE Transaction on
communication, 2006.
[6] H. Lu1, H. Nikookar1 and T. Xu2, “OFDM
Communications with Cooperative Relays”, Netherlands: International Research Centre for Telecommunications and Radar (IRCTR) , 2010.
[7] Y. Ding and M. Uysal, “Amplify and forward cooperative OFDM with multiple relays : performance analysis and relay selection methods, IEEE Trans. WirelessCommun., vol. 8, no. 10, pp. 4963-4968, Oct. 2009
Gambar 7. Kinerja sistem OFDM kooperatif dan non kooperatif
0 5 10 15 20 25 30 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Eb/No, dB Bi t Er ro r R a te
Kinerja Sistem OFDM kooperatif dengan kode konvolusi Modulasi QPSK Modulasi 8-PSK Modulasi 16-PSK 0 5 10 15 20 25 30 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Eb/No, dB Bi t Er ro r R a te
Kinerja Sistem OFDM kooperatif dan non kooeratif
OFDM-Kooperatif QPSK OFDM-non kooperatof QPSK OFDM-Kooperatif 8PSK OFDM-non kooperatof 8PSK
