i
LAPORAN AKHIR TAHUN
PENELITIAN TIM PASCASARJANA
GREEN COMMUNICATION PADA SISTEM KOMUNIKASI
KOOPERATIF NIRKABEL
Tahun ke 2 dari rencana 3 tahun
TIM PENGUSUL
Dr. Nasaruddin, S.T., M.Eng NIDN: 0002047402, Ketua Dr. Rusdha Muharar, S.T., M.Sc NIDN: 0018047804, Anggota 1 Dr. Ramzi Adriman, ST., M.Sc NIDN: 0012128003 Anggota 2
Dibiayai oleh:
Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat Direktorat Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan
Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi Sesuai dengan Kontrak Penelitian
Nomor: 105/SP2H/LT/DRPM/IV/2017, tanggal 3 April 2017
UNIVERSITAS SYIAH KUALA
Oktober 2017
(Dr NASARUDDIN, S.T, M.Eng) NIPINIK 197404021999031003
NANGGROE ACEH DARUSSALAM, 30 - 10 - 2017
Ketua, : Tahun ke 2 dari rencana 3 tahun : Rp 150,000,000
: Rp 406,500,000
:Dr RAMZI ADRIMAN S.T, M.Sc. : 0012128003
: Universitas Syiah Kuala
: Dr. RUSDHA MUHARAR ST, M.Sc : 0018047804
: Universitas Syiah Kuala
: Dr NASARUDDIN, S.T, M.Eng : Universitas Syiah Kuala
: 0002047402 : Lektor Kepala : Teknik Elektro : 085260162033 : nasaruddin@unsyiah.ac.id PenelitiIPelaksana Nama Lengkap Perguruan Tinggi NIDN Jabatan Fungsional Program Studi NomorHP
Alamat surel (e-mail)
Anggota (1) Nama Lengkap NIDN Perguruan Tinggi Anggota (2) Nama Lengkap NIDN Perguruan Tinggi
Institusi Mitra (jika ada)
Nama Institusi Mitra Alamat
Penanggung Jawab Tahun Pelaksanaan Biaya Tahun Berjalan Biaya Keseluruhan
: Green Communication Pada Sistem Komunikasi Kooperatif Nirkabel
Judul
iii
RINGKASAN
Sistem komunikasi kooperatif merupakan salah satu teknik yang efektif untuk mengurangi dampak
fading pada kanal nirkabel. Sistem ini akan memanfaatkan node lain antara sumber dan tujuan
sebagai relay untuk membentuk suatu antena jamak secara virtual tanpa dibatasi oleh ukuran dan biaya dari peralatan bergerak. Namun demikian, seperti sistem komunikasi nirkabel lainnya, transmisi layanan multimedia dan akses data dengan kecepatan tinggi pada sistem komunikasi kooperatif membutuhkan konsumsi energi yang besar, sehingga dapat mempercepat habisnya daya baterai pada perangkat relay dan perangkat bergerak pengguna. Disisi jaringan, base station (BS) mengkonsumsikan daya yang cukup besar dan jumlah BS akan terus bertambah dengan cepat. Hal ini juga diiringi dengan penambahan perangkat bergerak pengguna. Oleh karena itu, sistem komunikasi nirkabel mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap lingkungan dengan emisi karbon yang terus meningkat. Dengan demikian, green communication merupakan hal urgent yang perlu dilakukan dan menjadi area penelitian baru untuk mengurangi konsumsi energi dengan tetap mempertahankan kinerja terbaik sistem. Untuk itu, penelitian ini mengusulkan green
communication pada sistem komunikasi kooperatif nirkabel. Penelitian ini mempunyai beberapa
tujuan yaitu: optimalisasi daya untuk mengurangi konsumsi energi, efisiensi energi dan penerapan
energy harvesting (EH) pada sistem komunikasi kooperatif untuk mencapai green communication.
Pada komunikasi kooperatif, peran protokol relay transmisi sangat menentukan dalam pemrosesan informasi yang diterima dari sumber. Protokol amplify and forward (AF), quantize and forward (QF) dan amplify-quantize and forward (AQF) adalah protokol-protokol yang akan dieksplorasi dan dikaji secara mendalam. Kemudian, aspek-aspek green communication akan dipertimbangkan pada jaringan kooperatif dengan menggunakan kedua protokol tersebut. Adapun metode penelitian yang digunakan adalah simulasi komputer yang diawali dengan pemodelan sistem dan analisis matematis. Pada tahun kedua, penelitian ini telah menghasilkan beberapa kajian yaitu: kinerja AQF, kinerja orthogonal dan non-orthogonal AF, efisiensi daya QF, dan suboptimal EH pada sistem komunikasi kooperatif nirkabel. Hasil-hasil kajian yang telah dilakukan pada tahun kedua telah dipublikasikan pada jurnal internasional, jurnal akreditasi nasional dan seminar internasional. Disamping itu, output lain hingga tahun kedua adalah telah meluluskan 3 (tiga) mahasiswa magister dan 3 (tiga) penelitian tesis lainnya dengan status on-going dimana salah satunya pada tahap sidang akhir.
Keywords: sistem komunikasi kooperatif, green communication, optimasi daya, efisiensi energi,
iv
PRAKATA
Puji syukur kepada Allah SWT, yang telah memberikan kekuatan fisik dan intelektual kepada penulis dalam merampungkan laporan kemajuan penelitian dengan judul: GREEN
COMMUNICATION PADA SISTEM KOMUNIKASI KOOPERATIF NIRKABEL. Penelitian ini
dibiayai oleh Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat, Direktorat Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan; Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi Sesuai dengan Kontrak Penelitian Nomor: 105/SP2H/LT/DRPM/IV/2017, tanggal 3 April 2017.
Hasil penelitian yang dipaparkan dalam laporan ini adalah capaian penelitian yang sedang dilakukan dan tentu saja masih memerlukan tindak lanjut untuk menyempurnakan serta terbuka untuk pengembangan lanjutan. Untuk itu, penulis sangat mengharapkan masukan-masukan yang konstruktif, baik dari rekan sejawat maupun para pelaku dan praktisi Industri Telekomunikasi. Semoga hasil penelitian ini dapat memberikan kontribusi positif baik dalam pengembangan ilmu pengetahuan maupun pengayaan metode berbasis keilmuan dalam bidang Teknik Telekomunikasi khususnya Sistem Komunikasi Kooperatif yang ramah lingkungan dengan penghematan penggunaan daya dan energi.
Terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penyelesaian laporan penelitian ini.
Darussalam, 30 Oktober 2017
v DAFTAR ISI Hal. HALAMAN PENGESAHAN RINGKASAN ... iii PRAKATA... iv DAFTAR ISI ... v
DAFTAR LAMPIRAN ... viii
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1 Sistem Komunikasi Kooperatif Nirkabel ... 4
2.2 Protokol Transmisi Relay ... 6
A. Amplify and Forward (AF) ... 6
B. Quantize and Forward (QF) ... 8
2.3 Aspek Green Communication ... 9
BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN ... 11
3.1 Tujuan Penelitian ... 11
3.2 Manfaat Penelitian ... 11
BAB 4 METODE PENELITIAN ... 12
BAB 5 HASIL YANG DICAPAI ... 14
5.1 Evaluasi Kinerja Jaringan Multi-relay AQF ... 14
5.2 Efisiensi Daya Protokol Quantize and Forward Pada Sistem Komunikasi Kooperatif Multi-relay ... 14
5.3 Perbandingan Kinerja Non-orthogonal dan Orthogonal Amplify and Forward pada Two-Way Cooperative WLAN ... 15
5.4 Suboptimal Power Splitting dari Energy Harvesting pada Sistem Komunikasi Kooperatif ... ... 16
5.5 Kinerja dari Multi-relay Orthogonal and Non-orthogonal Amplify and Forward Protocol pada Two-way Cooperative WLANs ... 17
5.6 Penelitian Tesis Mahasiswa S2 ... 19
BAB 6 RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA ... 21
6.1 Penelitian Lanjutan oleh Tim Peneliti ... 21
vi
BAB 7 KESIMPULAN... 24
DAFTAR PUSTAKA ... 25
Lampiran 1 Published Jurnal Internasional ... 29
Lampiran 2 Published Jurnal Nasional Terakreditasi 1 ... 30
Lampiran 3 Published Jurnal Nasional Terakreditasi 2 ... 31
Lampiran 4 Published artikel seminar internasional ... 32
Lampiran 5 Pengesahan Buku Laporan Tesis 1 ... 33
vii
DAFTAR GAMBAR
Hal.
Gambar 2.1 Sistem komunikasi kooperatif sederhana ... 4
Gambar 2.2 Jaringan kooperatif multi-relay ... 5
Gambar 2.3 Jaringan kooperatif multi-hop relay ... 6
Gambar 2.4 Amplify and forward (AF) relay protocol. ... 7
Gambar 2.5 Quantize and forward (QF) Relay Protocol ... 9
Gambar 4.1 Diagram fishbone dari penelitian usulan ... 12
Gambar 5.1 Outage probability versus distance ratio untuk MR-OAF dan MR-NAF ... 17
viii
DAFTAR LAMPIRAN
Hal.
Lampiran 1 Published Jurnal Internasional ... 29
Lampiran 2 Published Jurnal Nasional Terakreditasi 1 ... 30
Lampiran 3 Published Jurnal Nasional Terakreditasi 2 ... 31
Lampiran 4 Published artikel seminar internasional ... 32
Lampiran 5 Pengesahan Buku Laporan Tesis 1 ... 33
1
BAB 1 PENDAHULUAN
Sistem komunikasi nirkabel berkembang dengan pesat dan telah menjadi kebutuhan penting dalam kehidupan keseharian manusia di dunia khususnya komunikasi selular bergerak. Hal ini disebabkan komunikasi nirkabel lebih praktis dan mempunyai mobilitas yang tinggi. Teknologi komunikasi nirkabel juga harus mampu memenuhi kebutuhan pengguna yang tinggi akan teknologi informasi dan layanan multimedia (Nasaruddin, 2012), seperti video streaming, online games dan akses internet. Layanan-layanan tersebut cenderung mempercepat habis daya baterai pada perangkat bergerak pengguna. Pada sisi jaringan, base station (BS) mengkonsumsikan daya yang cukup besar dimana ada 4 juta BS melayani pengguna bergerak yang tersebar di seluruh dunia dengan konsumsi daya rata-rata per tahun adalah 25 MWh (Hasan, 2011). Jumlah BS akan terus bertambah di negara-negara berkembang sehingga komsumsi energi bisa dipastikan akan terus meningkat. Akibatnya, sistem komunikasi nirkabel mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap lingkungan dengan emisi karbon mencapai hingga 1% dari keseluruhan emisi dunia (He, 2011). Disamping itu, pengaruh fading dan interferensi pada kanal nirkabel juga akan menambahkan kebutuhan dan konsumsi energi pada perangkat bergerak dan BS. Permasalahan-permasalahan tersebut telah memberi motivasi pada area penelitian baru yaitu green communication.
Green communication merupakan sistem komunikasi yang dapat mengurangi konsumsi energi dengan mempertahankan kinerja sistem yang tinggi (Ismail, 2011). Tantangan utama dalam green communication adalah perancangan dan pengembangan sistem komunikasi yang efisien dalam penggunaan daya. Green communication mempunyai beberapa tujuan utama yaitu memperbaiki efisiensi energi, mengurangi konsumsi energi dan pengurangan emisi CO2 (Chuan, 2011). Dengan demikian, strategi penerapan green communication dapat memberi solusi antara kebutuhan akan berbagai layanan data dan koneksi yang tinggi dengan mempertimbangkan isu lingkungan seperti pemanasan global. Karena itu, penelitian tentang strategi penghematan energi pada sistem komunikasi nirkabel telah menjadi fokus utama para peneliti. Salah satu cara penghematan energi pada sistem komunikasi nirkabel yaitu sistem komunikasi kooperatif nirkabel yang dapat menyediakan penggunaan daya yang efisien (Laneman, 2004 dan Sendonaris, 2003).
Konsep dari sistem komunikasi kooperatif nirkabel adalah penerima dapat menerima beberapa replika sinyal informasi yang dikirimkan oleh sumber (transmitter) dengan menggunakan metode yang sesuai. Sinyal replika yang dikirim dari berbagai lintasan secara bersamaan ke penerima dapat mengurangi pengaruh fading, dan lebih kecil pengaruhnya jika dibandingkan dengan sinyal langsung (transmisi satu lintasan saja). Sistem kooperatif mengadopsi konsep sistem Multi-Input Multi-Output (MIMO) yang telah dibuktikan dapat memperbaiki kinerja yang
2
signifikan dalam peningkatan kapasitas dari sistem komunikasi nirkabel (Daniel, 2005; Molisch, 2002 dan Alamouti, 1998). Namun demikian, pemrosesan sinyal pada sistem MIMO membutuhkan banyak daya dan konsumsi energi (Gacham, 2012). Pada sistem komunikasi kooperatif, sebuah sistem antena jamak dapat dibangun tanpa dibatasi oleh ukuran, konsumsi energi dan biaya dari peralatan bergerak. Sehingga, sistem komunikasi kooperatif menjadi salah satu solusi untuk efisiensi energi dengan kinerja sistem yang tinggi.
Protokol pada sistem komunikasi kooperatif merupakan aspek penting dalam pemrosesan sinyal informasi yang dikirim oleh sumber pada node relay. Ada beberapa protokol utama yaitu: Amplify and Forward (AF) (Conne, 2010; Steiner, 2006; dan Nasaruddin, 2014), Decode and Forward (DF) (Avestimehr, 2007 dan Nasaruddin, 2012b), Quantize and Forward (QF) (Avram, 2010 dan Souryal, 2008), dan Compress and Forward (CF) (Laneman, 2004 dan Mohammed, 2013). Gabungan dari beberapa protokol utama di atas membentuk protokol relay hibrid, seperti gabungan protokol AF dan DF (Bao, 2007). Pemilihan protokol, topologi jaringan relay dan sumber energi akan mempengaruhi tingkat konsumsi dan efisiensi energi dari sistem secara keseluruhan.
Berdasarkan fakta-fakta diatas, penelitian ini mengkaji green communication pada sistem komunikasi kooperatif nirkabel. Usulan penelitian ini direncanakan untuk 3 tahun dan akan difokuskan pada 3 (tiga) aspek green communication yaitu: (i) Kinerja sistem dan efisiensi daya protokol transmisi relay AF, QF dan hibrid Amplify-Quantize and Forward (AQF), karena protokol-protokol ini masih sangat sedikit yang mengeksplorasi kelebihan dan kekurangannya untuk dapat diimplemetasikan (Steiner, 2006 dan Mohammed, 2013). Dengan strategi optimalisasi daya pada relay protokol tersebut, konsumsi daya pada sistem dapat diminimalkan; (ii) Efisiensi energi (EE) protokol QF pada jaringan relay dan metode penghematan energi yang berbeda. Pada model EE akan dipertimbangkan semua aspek kinerja (misalnya jarak relay optimal, energi transmisi, dan lain-lain) yang mempengaruhi konsumsi energi pada jaringan. Sehingga, sistem kooperatif dengan EE dan kinerja yang tinggi dapat ditentukan; dan (iii) Pemanfaatan sumber energy harvesting (EH) untuk relay kooperatif. EH adalah energi yang diperoleh dari alam seperti solar cell, piezoelectric, getaran, dan lain-lain, yang kemudian dikonversikan menjadi energi listrik (Krikidis, 2012). Dengan EH relay dapat mengisi kembali energi yang diperoleh dari sekeliling lingkungan dengan tanpa ada pengaruh negatif terhadapnya (Gurakan, 2013). Kemudian, sistem kooperatif juga akan mempunyai efisiensi energi yang lebih baik dalam mengatasi keterbatasan energi pada perangkat jaringan dan pengguna.
Hasil penelitian yang telah dicapai pada tahun kedua ini adalah pencapaian untuk aspek kinerja sistem dan efisiensi energi yaitu: analisis kinerja jaringan multi-relay AQF, kinerja orthogonal dan non-orthogonal AF pada jaringan kooperatif two-way WLAN, efisiensi daya pada
3
multi-relay QF dan suboptimal EH pada sistem kooperatif dan Multi-relay orthogonal. Sedangkan penelitian sedang dilakukan (on-progress) adalah Multi-relay orthogonal dan non-orthogonal two-way AF kooperatif WLAN, efisiensi energi dengan EH pada kanal rician, dan efisiensi energi dengan penggabungan teknik pemilihan relay dan EH. Hasil capai pada tahun kedua ini telah dipublikasikan pada jurnal internasional bereputasi, 2 (dua) jurnal nasional terakreditasi, 1 (satu) artikel pada seminar internasional dan 2 Tesis Magister Teknik Elektro Unsyiah (salah satunya masih draft tesis untuk sidang akhir).
4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Komunikasi Kooperatif Nirkabel
Sistem komunikasi kooperatif merupakan salah satu sistem yang dapat mengurangi dampak
fading pada kanal nirkabel. Komunikasi kooperatif nirkabel merupakan metode yang memanfaatkan node lain untuk mendapatkan suatu antena jamak virtual. Proses ini melibatkan pengiriman replika
sinyal terhadap ruang (spasial) sehingga peluang satu atau lebih sinyal yang berpropagasi melalui suatu jalur tidak akan mengalami fading yang lebih besar (Seddik, 2006). Sistem ini juga merupakan pengembangan dari komunikasi langsung atau direct link. Jaringan relay nirkabel memiliki node lebih dari dua, dimana setiap node saling membantu untuk membentuk diversitas spasial sehingga terbentuk jaringan relay (Mohammed, 2013).
Gambar 2.1 Sistem komunikasi kooperatif sederhana
Gambar 2.1 menunjukkan sebuah sistem komunikasi kooperatif sederhana yang terdiri dari sebuah sumber (source), sebuah relay dan sebuah tujuan (destination). Komunikasi kooperatif ini dapat membangkitkan diversitas antara node-node yang ada, dimana dua node berkomunikasi dengan tujuan yang sama. Setiap node mempunyai antena tunggal dan tidak dapat menghasilkan diversitas spasial secara individual. Tetapi, karena kanal nirkabel mempunyai sifat broadcast alami, maka memungkinkan antara satu dengan yang lain bisa menerima beberapa versi informasi dengan/tanpa datanya sendiri. Karena lintasan fading yang independen, diversitas spasial dapat dihasilkan. Node-node kooperatif tersebut bisa merupakan peralatan pengguna atau relay yang fix dalam sebuah jaringan nirkabel. Kooperasi atau kerjasama antar peralatan pengguna dalam pentransmisian data satu sama lainnya disebut sistem komunikasi kooperatif pengguna (Nasaruddin, 2012), sedangkan kooperasi antara relay dengan pengguna dan meneruskan data ke tujuan disebut
5
sistem kooperatif relay. Kedua metode ini mempunyai potensi untuk menyediakan penguatan dalam jangkauan dan diversitas kooperatif. Namun demikian, sistem kooperatif relay lebih praktis untuk diimplementasikan karena relay yang tetap (tidak bergerak) mempunyai kondisi kanal yang lebih stabil dengan tujuan. Dari sisi topology jaringan, sistem kooperatif nirkabel dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
- Sistem kooperatif multi-relay
Topologi jaringan multi-relay terdiri dari satu sumber, beberapa node relay yang tersusun secara paralel dan satu tujuan seperti pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Jaringan kooperatif multi-relay
Jaringan relay terdiri dari dua bentuk yaitu bentuk random dan regular. Jaringan
multi-relay random hanya memilih node terbaik yang ada disekitarnya sebagai multi-relay. Sedangkan
jaringan multi-relay regular menggunakan semua node disekitarnya sebagai relay. Kelemahan bentuk multi-relay regular yaitu data rate akan berkurang apabila ada penambahan jumlah relay pada jaringan (Mohammed 2013).
- Sistem kooperatif multi-hop relay
Topologi jaringan multi-hop relay terdiri dari satu sumber, beberapa node relay yang tersusun secara seri dan satu tujuan seperti pada Gambar 2.3. Transmisi informasi dari sumber akan dibroadcast secara langsung dan melalui N relay dengan mode multi-hop. Sinyal informasi dipropagasikan melalui N+1 hop sebelum diterima oleh tujuan. Sedangkan sinyal pada relay perantara akan dikirimkan dari satu relay ke relay lainnya.
6
Gambar 2.3 Jaringan kooperatif multi-hop relay
2.2 Protokol Transmisi Relay
Sebuah protokol transmisi relay menjelaskan bagaimana sebuah relay dapat memproses sinyal yang diterima dari sumber. Dalam jaringan kooperatif relay, informasi yang diterima dari sumber akan diteruskan ke tujuan melalui relay perantara. Sehingga protokol pada sistem komunikasi kooperatif merupakan aspek penting dalam pemrosesan sinyal informasi yang dikirim oleh sumber pada node relay. Secara umum protokol relay terbagi dua yaitu: dynamic relaying dan fixed
relaying. Sub-bab ini hanya mereview protokol dynamic relaying terdiri dari metode Amplify and Forward (AF) dan Quantize and Forward (QF), karena menjadi fokus pada penelitian usulan ini.
Pengembangan protokol hibrid relay lainnya akan berdasarkan pada gabungan protokol AF, DF atau QF, termasuk yang diusulkan pada penelitian ini yaitu gabungan antara AF dan QF, kemudian disebut protokol AQF.
A. Amplify and Forward (AF)
Protokol AF merupakan metode relay secara sederhana melakukan pengiriman ulang sinyal yang diterima setelah dilakukan proses penguatan pada sinyal (Limpakom, 2009). Gambar 2.4 menunjukkan skema relay AF; tahap pertama sumber (S) mengirim sinyal informasi 𝑥𝑠 secara broadcast ke tujuan (D) dan relay (R). Selama proses transmisi, sinyal informasi akan mendapat gangguan fading dan noise, sehingga sinyal yang diterima tujuan (𝑦𝑠𝑑) dan relay (𝑦𝑠𝑟) secara
matematis dapat diekspresikan sebagai berikut (Limpakom, 2009):
𝑦𝑠𝑑 = ℎ𝑠𝑑𝑥𝑠 + 𝑛𝑑 (2.1)
𝑦𝑠𝑟 = ℎ𝑠𝑟𝑥𝑠+ 𝑛𝑠𝑟 (2.2)
dimana ℎ𝑠𝑑 dan ℎ𝑠𝑟 masing-masing adalah koefisien kanal fading pada link sumber ke tujuan dan
dari sumber ke relay, 𝑛𝑑 dan 𝑛𝑠𝑟 adalah Gaussian noise pada tujuan dan relay. Selanjutnya, relay akan menguatkan sinyal yang diterima dari sumber.
7
Gambar 2.4 Amplify and forward (AF) relay protocol.
Pada tahap kedua, setelah proses penguatan pada relay, sinyal 𝑥𝑟 dikirimkan ke tujuan dan sinyal yang diterima tujuan (𝑦𝑟𝑑) dapat dinyatakan sebagai berikut (Limpakom, 2009):
𝑦𝑟𝑑 = ℎ𝑟𝑑𝛽𝑥𝑟+ 𝑛𝑟𝑑 (2.3)
dimana ℎ𝑟𝑑, 𝛽 dan 𝑛𝑟𝑑 adalah koefisien kanal fading relay ke tujuan, koefisien penguatan dan Gaussian noise pada relay ke tujuan. Koefisien penguatan β yang memenuhi konstrain daya 𝐸[‖𝛽𝑥𝑟‖2] = 𝐸[‖𝛽𝑦𝑠𝑟‖2] = 𝑃𝑟] dapat ditulis sebagai berikut (Limpakom, 2009):
𝛽 = √|ℎ 𝑃𝑟
𝑠𝑟|2𝑃𝑠+𝑁0 (2.4)
dimana 𝑃𝑠 dan 𝑃𝑟 adalah daya rata-rata transmisi dari sumber dan relay. Proses penguatan pada
metode AF untuk mengimbangi dan memperbaiki sinyal yang terjadi pelemahan selama proses transmisi. Namun demikian, ketika proses penguatan dilakukan, noise yang terdapat pada sinyal tersebut juga akan mendapat penguatan yang dapat menyebabkan sinyal yang akan diteruskan akan menjadi kurang baik kualitasnya.
Sinyal yang diterima pada ke dua tahapan tersebut akan digabungkan menggunakan maximun
ratio combiner (MRC). Output sinyal dari MRC (Nasaruddin, 2014) adalah
𝑦𝑑 = 𝛼𝑠𝑑𝑦𝑠𝑑 + 𝛼𝑠𝑟𝑦𝑠𝑟+ 𝛼𝑟𝑑𝑦𝑟𝑑 (2.5)
dimana 𝛼𝑠𝑑, 𝛼𝑠𝑟 dan 𝛼𝑟𝑑 merupakan koefisien MRC untuk transmisi langsung ke tujuan, ke relay dan ke tujuan, yang dapat dihitung dengan persamaan berikut:
𝛼𝑠𝑑 = √𝑃𝑠 ℎ𝑠𝑑
𝑁0 (2.6)
dan
𝛼𝑠𝑟 = 𝛼𝑟𝑑 = √𝑃𝑠 𝛽ℎ𝑠𝑟ℎ𝑟𝑑
8 B. Quantize and Forward (QF)
Protokol quantize and forward (QF) merupakan metode relay yang melakukan proses kuantisasi terhadap sinyal informasi yang diterima oleh relay sebelum diteruskan ke tujuan. Pada protokol QF, relay tidak mendekodekan sinyal dari sumber tetapi menggunakan proses observasi. Sinyal yang diterima akan dikuantisasi dan kemudian diteruskan ke tujuan. Proses tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.5. Hal ini menjadikan protokol menjadi lebih efisien ketika kanal R dan S-D mempunyai kualitas yang sama dan kondisi link R-S-D baik. Sehingga protokol QF dapat diterapkan pada sistem komunikasi digital meskipun kondisi link S-R dalam kondisi outage, dimana kondisi ini tidak berlaku pada protokol DF. Kemudian pemrosesan analog tidak dibutuhkan pada protokol QF seperti pada protokol AF. Selanjutnya, Protokol QF menggunakan memori yang terbatas untuk data yang diterima pada relay dengan kuantisasi data yang diterima pada tempat penyimpan (storage).
Pada tahap pertama, sumber mengirimkan sinyal informasi, 𝑥𝑠, secara broadcast ke relay dan tujuan. Pada saat proses transmisi sinyal informasi akan dipengaruhi oleh fading dan noise. Sehingga sinyal yang diterima oleh tujuan (𝑦𝑠𝑑) dan sinyal terkuantisasi pada relay (𝑦̂𝑠𝑟) adalah sebagai berikut (Steiner, 2006):
𝑦𝑠𝑑 = ℎ𝑠𝑑𝑥𝑠 + 𝑛𝑑 (2.8)
𝑦𝑠𝑟 = ℎ𝑠𝑟𝑥𝑠+ 𝑛𝑟𝑠 (2.9)
𝑦̂𝑠𝑟 = 𝒬ℎ𝑠𝑟𝑥𝑠+ 𝒬𝑛𝑟𝑠+ 𝑛̂𝑟𝑠 (2.10)
dimana ℎ𝑠𝑑 dan ℎ𝑠𝑟 adalah koefisien kanal fading dari sumber ke tujuan dan dari sumber ke relay,
𝑛𝑑, 𝑛𝑟𝑠dan 𝑛̂𝑟𝑠 merupakan Gaussian noise pada link sumber ke tujuan, dari sumber ke relay dan noise terkuantisasi serta 𝒬 adalah level kuantisasi, dengan
𝒬 = 1 − 𝐷
1+𝑣𝑠𝑃𝑠 (2.11)
dimana 𝐷, 𝑣𝑠 dan 𝑃𝑠 adalah rata-rata distorsi, kecepatan transmisi dan daya sumber (Steiner, 2006). Sebagai catatan, dalam melakukan kuantisasi, relay menganggap sinyal yang diterima terdistribusi secara Gaussian (Gaussian source), lihat (Steiner, 2006).
Pada tahap kedua, sinyal yang diterima oleh relay setelah proses kuantisasi akan menghasilkan sinyal informasi, 𝑥𝑟. Selanjutnya sinyal kuantisasi tersebut diteruskan ke tujuan. Pada link relay ke tujuan juga akan mendapatkan gangguan fading dan noise. Sehingga sinyal yang diterima oleh tujuan dapat dinyatakan sebagai berikut:
𝑦𝑟𝑑 = ℎ𝑟𝑑𝑥𝑟+ 𝑛𝑟𝑑 (2.12)
dimana 𝑥𝑟, ℎ𝑟𝑑 dan 𝑛𝑟𝑑 adalah sinyal terkuantisasi, koefisien kanal fading dan noise dari relay ke tujuan.
9
Gambar 2.5 Quantize and forward (QF) Relay Protocol
2.3 Aspek Green Communication
Ada beberapa aspek yang dipertimbangkan dalam mengkaji green communication pada sistem komunikasi kooperatif nirkabel adalah sebagai berikut:
a. Konsumsi Daya
Konsumsi daya mempunyai pengaruh langsung terhadap konsumsi energi. Pengukuran konsumsi energi dari perangkat nirkabel secara praktis belum mempunyai standar yang baku. Namun demikian, konsumsi energi dapat dihitung dengan pendekatan berikut (Tauber, 2011 dan Nasaruddin, 2013):
𝐸𝐴 = 𝑃𝐴−𝑃𝐼
𝑇𝐴 (2.13)
dimana EA sebagai konsumsi energi dalam satuan J/Mb, PA sebagai konsumsi daya rata-rata
selama aliran transmisi dalam W, PI sebagai konsumsi daya untuk idle node dalam satuan W,
dan TA sebagai rata-rata throughput yang terjadi selama aliran transmisi. b. Efisiensi Energi
Efisiensi energi merupakan isu penting pada komunikasi nirkabel dimana berbagai mekanisme dan protokol dikembangkan untuk menekan konsumsi energi. Disamping itu, optimasi konsumsi energi pada peralatan nirkabel juga berdampak signifikan terhadap emisi karbon yang dihasilkan. Maka efisiensi energi baik pada BS maupun relay sangat dibutuhkan untuk mengurangi emisi karbon dan menciptakan komunikasi ramah lingkungan. Cara yang paling mudah untuk mengukur efisiensi dari sebuah link komunikasi adalah konsumsi energi untuk jumlah bit informasi, dapat dihitung sebagai berikut (Nasaruddin, 2013):
𝐸𝑏 = 𝑃
10
dimana Eb sebagai bit energi dalam Joule/bit, R sebagai kecepatan bit dalam bit/s dan P sebagai
power level dalam W. Kemudian, Efisiensi energi rata-rata dapat dihitung sebagai berikut
(Gavrilovska, 2011 dan Nasaruddin, 2013): 𝜂 = 𝑃
𝑇.(1−𝜀) (2.15)
dimana 𝜂 adalah efisiensi energi (J/b), P adalah daya (Watts), T adalah kecepatan trafik (b/s) dan 𝜀 adalah probalitas kesalahan pesan yang diterima oleh tujuan.
c. Energy Harvesting
Salah satu tujuan dari green communication adalah untuk mengurangi emisi karbon. Solusi yang paling tepat adalah menggunakan sumber energi terbaharukan yang berada pada lingkungan sekitarnya. Sistem kooperatif yang menggunakan EH sebagai protokolnya telah diperkenalkan pada (Chen, 2015), dimana sumber dan relay menggunakan EH dari akses poin downlink dan bekerja secara kooperatif uplink untuk transmisi informasi. Transmisi daya dari akses poin selama proses downlink dinotasikan 𝑃𝐴 dan diasumsikan cukup besar sehingga EH dari noise
dapat diabaikan. Maka, jumlah EH oleh sumber dan relay dapat dinyatakan sebagai (Chen, 2015):
𝐸𝑠 = 𝜂𝜏𝑇𝑃𝐴ℎ𝑠 (2.16)
dan
𝐸𝑅 = 𝜂𝜏𝑇𝑃𝐴ℎ𝑅 (2.17)
dimana 𝜂 merupakan efisiensi EH, 0 < 𝜂 < 1, 𝑇 adalah periode waktu transmisi setiap blok informasi dengan 0 < 𝜏 < 1 , ℎ𝑠 adalah koefiesien fading pada link sumber dan ℎ𝑅 merupakan koefiesien fading pada link relay.
Kemudian, daya kirim dari sumber dan relay selama proses uplink (Chen, 2015):
𝑃𝑠 = 2𝜂𝜏𝑇𝑃𝐴ℎ𝑠/(1 − 𝜏) (2.18)
dan
𝑃𝑅 = 2𝜂𝜏𝑇𝑃𝐴ℎ𝑅/(1 − 𝜏) (2.19)
Selanjutnya, SNR setelah sumber melakukan transmisi dapat ditulis (chen, 2015):
𝛾𝑆 = 𝑃𝑆ℎ𝑆/𝑁0 (2.20)
dimana 𝑁0 merupakan daya noise. Sedangkan SNR pada relay adalah
𝛾𝑅 = 𝑃𝑅ℎ𝑅/𝑁0 (2.21)
Maka, SNR output untuk sistem kooperatif dengan protokol EH adalah
11
BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN
3.1 Tujuan Penelitian
Pada tahap pertama, tujuan khusus dari penelitian ini adalah:
a. Menganalisis kinerja dan konsumsi daya pada sistem komunikasi kooperatif nirkabel dengan protokol QF dan AQF.
b. Menganalisis kinerja orthogonal dan non-orthogonal two-way kooperatif pada WLAN. c. Menganalisis throughput pada suboptimal EH pada sistem kooperatif nirkabel.
d. Menganalisis penghematan daya pada sistem kooperatif dengan pengaturan daya.
e. Menerapkan teknik pemilihan relay dan energy harvesting pada sistem komunikasi kooperatif nirkabel dengan protokol QF dan AQF.
3.2 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat khusus pada penelitian ini adalah:
a. Mendapatkan protokol transmisi yang efisien, teknik optimalisasi daya, model efisiensi energi dan energy harvesting untuk green communication dalam implementasi sistem komunikasi kooperatif nirkabel.
b. Menghasilkan lulusan program pascasarjana dengan penyelesaian penelitian (laporan) tesis mahasiswa bimbingan.
c. Publikasi ilmiah: jurnal internasional bereputasi, jurnal nasional terakreditasi dan seminar internasional dan nasional.
12
BAB 4 METODE PENELITIAN
Aspek-aspek penting dari penelitian usulan adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1 dalam diagram fishbone yang meliputi: peneliti, tempat penelitian, peralatan, metode, luaran dan indikator capaian.
Gambar 4.1 Diagram fishbone dari penelitian usulan
Metode penelitian yang terdapat pada diagram fishbone merupakan tahapan yang sama untuk setiap tahun usulan dan dapat dijelaskan sebagai berikut:
- Studi literatur
Pada tahap awal, review kajian dan penelitian-penelitian sebelumnya yang relevan terhadap penelitian yang diusulkan seperti sistem kooperatif, protokol transmisi kooperatif, topologi jaringan kooperatif (paralel/multi relay dan multi-hop relay), konsumsi energi, efisiensi energi,
energy harvesting dan lain-lain. Kemudian, hasil dari studi ini akan dijadikan sebuah analisis gap
antara penelitian sebelumnya dan yang diusulkan, sehingga dapat menjawab permasalahan dari penelitian yang akan dilakukan.
- Pemodelan sistem
Pada tahun kedua akan dikaji model penghematan daya dan efisiensi energi untuk sistem komunikasi kooperatif nirkabel. Sedangkan model energy harvesting (EH) pada sistem
13
komunikasi kooperatif nirkabel akan dibuat pada tahun ketiga. Ketiga model tersebut akan menggunakan protokol transmisi QF dan AQF. Disamping itu, pada model tersebut juga akan dipertimbangkan aspek-aspek yang mempengaruhi kinerja dan tingkat penggunaan energi pada sistem termasuk topologi jaringan, jarak relay optimal, parameter penguatan daya, level kuantisasi dan lain-lain.
- Analisis matematis
Setelah menentukan model dan komponen-komponen yang dibutuhkan pada sistem komunikasi kooperatif nirkabel, maka model sistem tersebut akan dianalisis secara matematis untuk mendapatkan hasil tingkat konsumsi daya, efisiensi energi, kinerja EH dan trade-off kinerja terhadap parameter energi pada sistem komunikasi kooperatif. Analisis matematis tersebut akan dibuktikan dengan teori yang ada dan menjadi acuan dalam pembuatan simulasi komputer. - Simulasi komputer
Berdasarkan model matematis, simulasi komputer akan dilakukan dengan menggunakan Bahasa Pemrograman Matlab untuk mendapatkan hasil konsumsi energi, efisiensi energi, kinerja EH dan parameter-parameter kinerja lainya pada sistem komunikasi kooperatif nirkabel.
- Analisis Hasil Simulasi
Hasil simulasi komputer dari masing-masing model yang diusulkan akan dianalisis dengan membandingkan hasil secara teoritis, hasil penelitian yang relevan sebelumnya, protokol transmisi yang berbeda, topologi jaringan yang berbeda, parameter energi dan kinerja sistem yang berbeda. Perbandingan tersebut dilakukan untuk menguji tingkat validitas model sistem dan matematis yang didapatkan pada penelitian ini dengan teori-teori yang telah teruji sebelumnya dari jurnal-jurnal bereputasi.
- Penulisan laporan dan publikasi
Tahap akhir dari metode penelitian ini untuk tiap tahun usulan adalah penulisan laporan kemajuan dan laporan akhir dari penelitian, penulisan laporan tesis mahasiswa, penulisan karya ilmiah mahasiswa, dan penulisan artikel publikasi pada jurnal dan seminar ilmiah dengan target luaran seperti yang telah dicantumkan dalam diagram fishbone pada Gambar 4.1.
14
BAB 5 HASIL YANG DICAPAI
5.1 Evaluasi Kinerja Jaringan Multi-relay AQF
Kajian pertama yang dilakukan untuk mendapatkan sistem komunikasi kooperatif nirkabel yang ramah lingkungan yaitu mengevaluasi kinerja jaringan multi-relay AQF, dimana fading yang terjadi selama proses transmisi informasi dapat menurunkan kinerja sistem secara signifikan. Sistem komunikasi kooperatif yang dikenal sebagai teknik diversitas mampu mengurangi pengaruh dari fading. Protokol relay merupakan bagian utama dari sistem. Kajian ini mengevaluasi kinerja dari amplify-quantize and forward (AQF) relays yang merupakan metode hybrid dari dua protokol: amplify-and-forward (AF) dan quantize-and-forward (QF). The outage probability dan throughput dari jaringan kooperatif multi-relay telah dianalisis, dan simulasi komputer digunakan untuk mengevaluasi pengaruh sejumlah parameter kinerja relay AQF untuk jaringan kooperatif multi-relay. Kemudian kinerja AQF dibandingkan dengan kinerja AF, QF dan jaringan link langsung. Kinerja probabilitas outage dari AQF berkurang ketika jumlah relay dalam bertambah, sedangkan throughput bertambah. Selanjutnya, nilai penguatan dan level kuantisasi mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kinerja jaringan multi-relay AQF. Secara keseluruhan, kinerja jaringan multi-relay AQF lebih baik dibandingkan dengan AF dan QF. Sebagai tambahan, kapasitas kanal dari AQF lebih tinggi dibandingkan dengan kapasitas AF dan QF.
Hasil penelitian ini telah dipublikasikan pada journal ECTI Transactions on Electrical
Engineering, Electronics, and Communications, Volume 15, No. 1, 2017. Artikel jurnal ini
dapat dilihat pada Lampiran 1.
5.2 Efisiensi Daya Protokol Quantize and Forward Pada Sistem Komunikasi Kooperatif Multi-relay
Salah satu teknik diversitas yang efektif untuk mengatasi fading pada kanal nirkabel adalah sistem komunikasi kooperatif, dimana sumber mengirim informasi melalui beberapa relay untuk diteruskan ke tujuan. Sistem komunikasi kooperatif telah menunjukkan dapat meningkatkan kinerja sistem dan menurunkan tingkat konsumsi energi. Tetapi sistem komunikasi kooperatif sangat tergantung pada mekanisme relay yang digunakan yaitu protokol relay diantaranya quantize and forward (QF) dan amplify and forward (AF). Penelitian sebelumnya, efisiensi energi pada protokol AF telah dikaji pada sistem kooperatif
15
single-relay, tetapi multi-relay lebih praktis. Oleh karena itu, penelitian ini difokuskan pada efisiensi daya pada sistem komunikasi kooperatif multi-relay menggunakan protokol QF. Metode penelitian yang digunakan adalah analisis matematis dan simulasi komputer untuk outage probability dan efisiensi daya pada jaringan multi-relay QF. Hasil simulasi didapatkan bahwa sistem multi-relay QF dapat menyediakan efisiensi daya yang tinggi, tetapi efisiensi tersebut berkurang ketika rasio jarak bertambah. Efisiensi daya dapat ditingkatkan dengan menambah jumlah relay yang digunakan pada sistem. Perbandingan efisiensi daya pada protokol QF dan AF juga telah disimulasikan, dimana efisiensi daya multi-relay QF lebih tinggi dibandingkan dengan protokol AF pada rasio jarak dan daya transmit. Dengan demikian, sistem multi-relay QF dapat menyediakan kinerja dan tingkat efisiensi yang tinggi pada sistem komunikasi kooperatif.
Hasil kajian dengan topik ini telah dipublikasikan pada jurnal terakreditasi Dikti yaitu pada
Jurnal Rekayasa Elektrika, Volume 13, No. 1, 2017. Untuk lebih detil, artikel tersebut
dapat dilihat pada Lampiran 2.
5.3 Perbandingan Kinerja Non-orthogonal dan Orthogonal Amplify and Forward pada Two-Way Cooperative WLAN
Pada era sekarang, kemajuan teknologi Wireless Local Area Network (WLAN) mengalami perkembangan yang sangat pesat karena sangat praktis dan mempunyai tingkat mobilitas efektif. Dalam penerapannya, ada masalah utama dalam sistem komunikasi nirkabel yaitu fading yang dapat menyebabkan daya sinyal informasi melemah. Fading dapat diatasi dengan menggunakan sistem komunikasi kooperatif yang merupakan suatu metode yang memanfaatkan antenna dari pengguna lain sebagai relay dengan prinsip diversity, sehingga dapat meningkatkan kinerja sistem komunikasi nirkabel. Relay memiliki beberapa protokol pada sistem komunikasi kooperatif seperti yaitu Amplify and Forward (AF), Decode and Forward (DF), dan Compress and Forward (CF). Protokol AF dibagi dalam dua jenis yaitu Non-Orthogonal Amplify and Forward (NAF) dan Orthogonal Amplify and Forward (OAF). Pada penelitian ini, kami mengkaji perbandingan kinerja NAF dan OAF dalam hal outage probability, throughput dan efisiensi spektral. Metode penelitian yang digunakan adalah simulasi komputer dengan pemodelan sistem dan analisis kinerja. Hasil simulasi menunjukkan bahwa protokol OAF dapat meminimalkan outage probability dan meningkatkan throughput serta efisiensi spektral dibandingkan protokol NAF pada jaringan kooperatif WLAN.
16
Hasil kajian dengan topik ini telah dipublikasikan pada jurnal terakreditasi Dikti yaitu pada
Jurnal Nasional Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, Volume 6, No. 3, 2017. Untuk
lebih detil, artikel tersebut dapat dilihat pada Lampiran 3.
5.4 Suboptimal Power Splitting dari Energy Harvesting pada Sistem Komunikasi Kooperatif
Topik ini merupakan bagian tesis mahasiswa MTE yang sedang menyelesaikan penelitiannya. Adapun penjelasan ringkasnya adalah sebagai berikut:
Penerapan energy harvesting pada sistem komunikasi kooperatif sudah banyak dilakukan untuk penghematan energi yang dibutuhkan oleh sistem. Isu ini masih menjadi topik penelitian yang hangat diantara para peneliti. Pada prinsipnya, energy harvesting mempunyai 2 (dua) protokol yaitu: power splitting dan time switching untuk pemrosesan informasi dan
energy harvesting secara bersamaan pada relay. Namun demikian, optimasi power splitting
atau time switching dari energy harvesting (EH) masih sedikit penelitian yang telah dilakukan. Sehingga, topik ini mejadi salah satu isu dalam penelitian sebagai upaya penerapan
green cooperative communications. Saat ini, topik ini dikembangkan untuk mendapatkan
suboptimal rasio power splitting dari EH melalui kanal Rician dan Rayleigh pada sistem komunikasi kooperatif. Suboptimal rasio power splitting dilakukan dalam two skenario dari kanal fading yaitu: link dari sumber ke relay dan link relay ke tujuan dengan asumsi model fading yang sama dan atau model berbeda pada suatu sistem. Sebagai contoh untuk model fading yang sama, link sumber ke relay dan link relay ke tujuan, kedua link menggunakan model fading Rician atau Rayleigh. Sebaliknya, untuk model fading yang berbeda adalah link sumber ke relay menggunakan Rician dan sedangkan link relay ke tujuan menggunakan model Rayleigh. Kemudian, rasio suboptimal ditentukan dengan menghitung nilai ekspektasi dari fading Rayleigh dan Rician. Berdasarkan analisis matematis dari rasio suboptimal, simulasi komputer dilakukan untuk mendapat nilai rata-rata throughput dari masing-masing skenario. Hasil simulasi didapatkan bahwa rata-rata throughput melalui kanal Rician lebih tinggi dibandingkan melalui fading Rayleigh. Faktor K pada kanal Rician turut mempengaruhi rata-rata throughput dari sistem.
Hasil penelitian dengan topik ini telah dipublikasikan pada seminar internasional 2017
International Conference on Electrical Engineering and Informatics (ICELTICs 2017)
yang telah dilaksanakan pada Tanggal 18-20 Oktober 2017 di Banda Aceh. Artikel ini akan dimasukkan ke IEEExplorer dan terindeks Scopus. Untuk lebih detil, artikel tersebut dapat dilihat pada Lampiran 4.
17
5.5 Kinerja dari Multi-relay Orthogonal and Non-orthogonal Amplify and Forward Protocol pada Two-way Cooperative WLANs
Kajian dengan topik ini merupakan lanjutan atau pengembangan penelitian yang telah dilakukan oleh mahasiswa S2 pada sub-bab 5.3. Wireless local area network (WLAN) merupakan suatu teknologi komunikasi nirkabel yang umum digunakan pada lingkungan indoor karena fleksibel dan bersifat mobilitas yang memberi kemudahan dan efisiensi buat pengguna. WLAN diharapkan dapat menyediakan layanan multi-media pada kecepatan tinggi. Tetapi, kanal nirkabel mempunyai beberapa permasalahan yaitu interferensi dan multipath fading. Untuk mengatasi masalah tersebut, teknik-teknik diversitas dapat diterapkan yang dikenal dengan sistem komunikassi kooperatif, dimana sumber mengirim informasi ke tujuan melalui beberapa node lain yang disebut relay. Pada sistem ini, mekanisme relay, salah satunya adalah AF, merupakan aturan yang penting dalam meneruskan informasi ke tujuan. Untuk itu, kajian topik ini akan mengevaluasi kinerja dari orthogonal multi-relay AF (MR-OAF) dan non-orthogonal AF (MR-NAF) in two-way cooperative WLANs. Kemudian, setiap jaringan (baik MR-OAF maupun MR-NAF) disimulasikan untuk mendapatkan kinerja dalam bentuk outage probability dan throughput. Berikut adalah beberapa hasil simulasi yang telah didapatkan:
18
Secara umum, nilai outage dari MR-OAF dan MR-NAF akan bertambah ketika rasio jarak sumber ke relay bertambah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.1. Kemudian, outage probability dapat dikurangi pada jaringan kooperatif dengan menambah jumlah relay dalam jaringan. Outage probability dari OAF lebih baik dibandingkan dengan jaringan MR-NAF.
Gambar 5.2 Throughput versus distance ratio untuk MR-OAF dan MR-NAF
Gambar 5.2 adalah hasil simulasi throughput terhadap jarak untuk jaringan MR-OAF dan MR-NAF. Pertambahan jarak rasio sumber ke relay mempengaruhi nilai throughput jaringan, throughput akan menurun ketika rasio jarak bertambah. Untuk mendapat nilai throughput maksimum, maka jumlah relay pada jaringan harus ditambah. Dari hasil simulasi, throughput dari jaringan MR-OAF lebih tinggi dibandingkan dengan MR-NAF.
Kesimpulan awal yang didapatkan bahwa nilai outage probability dan throughput dari sistem relay orthogonal AF (MR-OAF) adalah lebih baik dibandingkan dengan sistem multi-relay non-ortoghonal AF (MR-NAF) pada two-way kooperatif WLAN. Sehingga, konsumsi energi pada OAF lebih kecil dibandingkan dengan protokol NAF. Kemudian, hasil ini akan dikembangkan lebih lanjut dan akan ditulis dalam bentuk publikasi baik pada artikel seminar atau jurnal internasional.
19
5.6 Penelitian Tesis Mahasiswa S2
Pada tahun kedua, penelitian ini menargetkan 2 tesis mahasiswa selesai untuk mahasiswa Magister Teknik Elektro, Universitas Syiah Kuala. Pada tahapan kemajuan penelitian dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Perbandingan Performansi Two-way Cooperative WLAN Menggunakan Non-orthogonal dan Orthogonal Amplify and Forward
Topik tesis ini telah selesai dilaksanakan dan sudah dinyatakan lulus sidang tesis dimana ringkasan penelitian adalah sebagai berikut;
Kemajuan teknologi Wireless Local Area Network (WLAN) mengalami perkembangan yang sangat pesat karena sangat praktis dan mempunyai tingkat mobilitas efektif. Tetapi dalam penerapan sistem komunikasi, WLAN mengalami masalah yang harus dihadapi yaitu fading. Fading dapat menyebabkan terganggunya pengiriman data dari source ke destination. Pengaruh dari fading tersebut dapat diatasi dengan menggunakan sistem komunikasi kooperatif, yaitu suatu metode yang memanfaatkan antenna dari pengguna lain dengan prinsip transmit diversity untuk mendapatkan suatu antenna virtual yang dapat meningkatkan kinerja pada WLAN. Penelitian ini menganalisis dan membandingkan outage probability, throughput, dan efisiensi spektral pada sistem komunikasi two-way cooperative full duplex menggunakan protokol Non-Orthogonal Amplify and Forward (NAF) dengan protokol Orthogonal Amplify and Forward (OAF) pada jaringan WLAN. Metode penelitian yang digunakan pada penelitian ini adalah simulasi komputer yang terdiri dari yaitu pemodelan sistem dan analisis kinerja. Hasil penelitian menunjukkan bahwa protokol OAF dapat meminimalkan outage probability, meningkatkan throughput dan efisiensi spektral dibandingkan protokol NAF pada jaringan kooperatif WLAN.
Adapun hasil dari topik penilitian ini telah dipublikasikan pada jurnal terakreditasi nasional seperti pada Lampiran 3. Sedangkan bukti pengesahan buku tesis dapat dilihat pada Lampiran 5.
2. Penghematan Daya Pada Sistem Komunikasi Two-way Relay Dengan Metode Power Control
Tahapan penelitian untuk topik tesis ini telah selesai dilakukan dan sedang menunggu seminar hasil/sidang tesis. Tesis secara ringkas adalah sebagai berikut;
20
Seiring berkembangnya teknologi komunikasi banyak peralatan komunikasi yang menggunakan media nirkabel karena memiliki banyak keunggulan, antara lain kemampuannya untuk menyediakan konektivitas tanpa batas dan access yang mobile. Tetapi dalam implementasi sistem komunikasi nirkabel ada tantangan yang harus dihadapi salah satunya adalah fading. Fading merupakan salah satu gangguan utama pada sistem komunikasi nirkabel terhadap sinyal informasi yang dikirimkan oleh sumber ke tujuan, sehingga dapat menyebabkan penurunan kinerja sistem. Pengaruh fading dan interferensi pada kanal nirkabel juga akan menambahkan konsumsi energi pada perangkat bergerak dan base station. Salah satu solusi dari permasalahan komunikasi nirkabel ini adalah teknik diversitas. Teknik diversitas memiliki prinsip bahwa sinyal-sinyal yang dikirim dari berbagai transmiter dan/atau diterima dari berbagai penerima yang terpisah secara geografis akan mengalami fading dijalurnya masing-masing. Oleh sebab itu dengan teknik diversitas memungkinkan adanya penggunaan antena jamak virtual baik pada sisi relay maupun pada sisi pengirim dan/atau penerima yang digunakan pada sistem komunikasi kooperatif. Konsumsi daya yang dibutuhkan pada sistem komunikasi kooperatif lebih kecil dari pada konsumsi daya pada sistem komunikai konvensional, sehingga sistem komunikasi kooperatif menjadi salah satu solusi untuk efisiensi energi dengan kinerja sistem yang tinggi. Penelitian ini mengusulkan penghematan daya pada sistem komunikasi kooperatif two-way dengan menggunakan metode power control. Pada metode ini, alokasi daya dilakukan pada relay quantize and forward (QF) berdasarkan kondisi koefisien channel fading pada sistem komunikasi two-way full-duplex. Adapun metode penelitian yang digunakan adalah simulasi komputer yang diawali dengan pemodelan sistem dan analisis matematis. Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah dapat meningkatkan penghematkan daya pada sistem komunikasi kooperatif yang akhirnya bisa meningkatkan efisiensi energy dan menciptakan komunikasi ramah lingkungan.
21
BAB 6 RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
6.1 Penelitian Lanjutan oleh Tim Peneliti
Hasil penelitian pada tahun pertama akan dikaji lebih lanjut pada tahun kedua oleh ketua dan tim peneliti, hingga menghasilkan model efisiensi energi yang lebih baik dan publikasi ilmiah. Adapun topik-topik penelitian yang akan diselesaikan pada tahun kedua adalah
A. Device to Device (D2D) Cooperative Untuk Sistem Komunikasi Kooperatif Hemat Energi
Perkembangan teknologi 5G telah mendorong munculnya teknik komunikasi yang lebih efisien. Salah satu focus dalam teknologi 5G adalah penghematan daya. Pada teknologi ini, komunikasi antar perangkat akan dimungkinkan. Untuk itu, penelitian ini pada tahun berikutnya juga akan mengembangkan metode ini pada sistem komunikasi kooperatif yang hemat pemakaian daya dengan menjaga kinerja sistem yang diinginkan.
B. Trade off kinerja terhadap Energi Efisiensi pada Sistem Komunikasi Kooperatif
Topik ini merupakan topik baru yang akan dilakukan pada tahun ketiga. Tetapi topik ini sangat didukung oleh hasil penelitian pada tahun pertama dan kedua yaitu kinerja sistem dengan berbagai protokol relay dan model jaringan yang berbeda. Kemudian, efisiensi energi dengan strategi pemilihan relay, model jaringan multi-relay dan penerapan EH pada sistem komunikasi kooperatif telah juga dilakukan pada penelitian tahun pertama dan kedua. Maka, penelitian ini untuk tahap berikutnya adalah mendapatkan trade off kinerja sistem yang telah didapatkan terhadap efisiensi energi dengan beberapa metode yang dilakukan. Sehingga, green cooperative communications dari berbagai faktor bisa dianalisis untuk mendapatkan suatu pengembangan baru atau model konsumsi energi yang lebih efisien.
6.2 Penelitian Tesis Lanjutan oleh Mahasiswa S2
Sesuai dengan target dari penelitian ini pada tahun kedua, 2 (dua) tesis mahasiswa selesai pada akhir Tahun 2017, dimana salah satunya sudah selesai penelitian dan telah dinyatakan lulus pada sidang tesis. Kemudian, 1 (satu) penelitian tesis lagi akan dilaksanakan seminar hasil dan ditargetkan selesai sidang pada akhir tahun 2017. Disamping itu, 2 (dua) penelitian
22
tesis lainnya yang sedang berjalan ditargetkan akan melaksanakan seminar progress dan hasil akhir.
A. Sistem Komunikasi Kooperatif Dengan Energy Harvesting Pada Kanal Rician Fading
Perkembangan sistem komunikasi nirkabel terus meningkat, seperti halnya pada sistem komunikasi generasi ke lima (5G), layanan yang diberikan berupa kapasitas jaringan yang tinggi, mengurangi delay sistem, dan mengurangi konsumsi energi. Sistem komunikasi kooperatif memberikan kontribusi dalam memenuhi kebutuhan akan perkembangan 5G dengan meningkatkan kapasitas dan luas cakupan jaringan. Pada perkembangannya, relay pada jaringan komunikasi kooperatif memerlukan ketersedian daya sendiri sebagai proses dalam melakukan komunikasi antara sumber dengan tujuan. Pemakaian daya sendiri pada relay dapat dikurangi dengan melakukan teknik energy harvesting (EH) yaitu men-harvest energi dari radio frekuensi yang di transmisikan oleh sumber pada waktu yang sama dinamakan dengan Power Splitting-Based Relaying (PSR) dan pada waktu yang berbeda dengan power transfer dan wireless information dinamakan Time Switching-Based Relaying (TSR).
Penelitian tesis ini mengkaji efisiensi energi pada sistem komunikasi kooperatif dengan menggunakan power splitting sebagai protokol energy harvesting pada kanal fading Rician. Protokol DF juga dianalisis tingkat konsumsi energi dengan energy harvesting pada sistem komunikasi kooperatif. Tahapan awal dari penelitian ini telah dilakukan dengan hasilnya adalah sub-optimal EH pada sistem komunikasi kooperatif. Hasil ini sudah dipublikasikan pada seminar internasional 2017 International Conference on Electrical Engineering and Informatics (ICELTICs 2017) yang telah dilaksanakan pada Tanggal 18-20 Oktober 2017 di Banda Aceh. Artikel ini akan dimasukkan ke IEEExplorer dan terindeks Scopus. Untuk lebih detil, artikel tersebut dapat dilihat pada Lampiran 4. Laporan kemajuan sebagai salah satu tahapan tesis akan dilakukan pada bulan Nopember 2017.
B. Penggabungan Pemilihan Relay dan Energy Harvesting Teknik Untuk Meningkatkan Efisiensi Energy Pada Sistem Komunikasi Kooperatif Nirkabel
Topik penelitian ini fokus tentang penggabungan pemilihan relay dengan Energy Harvesting (EH) untuk meningkatkan efisiensi energi pada sistem komunikasi kooperatif nirkabel. Penelitian terdahulu hanya mengkaji mengenai peningkatan efisiensi energi dengan teknik pemilihan relay tetapi belum digabungkan dengan EH. Pemilihan relay
23
digabungkan dengan EH juga telah dilakukan tetapi membahas kinerja dan throughput sistem. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan efisiensi energi pada relay dengan teknik pemilihan relay tetapi menerapkan EH pada sistem. Metode penelitian yang digunakan adalah analisis matematika dan simulasi komputer. Setelah menurunkan model matematika dari penelitian yang akan dilakukan, efisiensi energi dihitung berdasarkan selisih antara besar konsumsi energi yang diperoleh dari sistem pemilihan relay dengan EH dibandingkan dengan pemilihan relay tanpa EH atau EH tanpa pemilihan relay dengan menetapkan throughput yang diinginkan. Hasil dari penelitian yang diharapkan adalah mendapatkan peningkatan efisiensi energi ketika menggunakan teknik pemilihan relay digabungkan dengan EH melebihi sistem pemilihan relay tanpa menerapkan EH.
Penelitian tesis ini sedang dilakukan dan sudah mendapatkan hasil awal yang akan diseminarkan sebagai salah satu tahapan dari pelaksanaan tesis.
24
BAB 7 KESIMPULAN
Beberapa kesimpulan dari penelitian ini untuk tahun kedua adalah:
1. Evaluasi kinerja jaringan multi-relay AQF telah dilakukan dan hasil penelitian telah dituangkan dalam publikasi ilmiah pada jurnal internasional.
2. Kinerja protokol orthogonal dan non-orthogonal AF pada two-way kooperatif WLAN telah dikaji dan hasil penelitian ini telah menyelesaikan 1 (satu) laporan tesis serta publikasi pada jurnal terakreditasi nasional.
3. Efisiensi daya pada multi-relay QF telah diinvestigasi, dimana hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan daya pada multi-relay QF lebih kecil dibandingkan dengan sistem AF. Hasil ini telah dipublikasikan pada jurnal nasional terakreditasi.
4. Efisiensi energi dengan suboptimal EH pada sistem komunikasi kooperatif telah dikaji dan hasilnya sudah diseminarkan pada seminar internasional yang akan terindeks scopus.
5. Kinerja multi-relay OAF dan NAF turut dikaji dalam penelitian dan hasil awal menunjukkan bahwa outage probability dan throughput dari MR-OAF lebih baik dibandingkan dengan MR-NAF.
6. Penelitian tahun kedua ini telah menghasilkan 2 (dua) tesis (1 telah lulus dan 1 sedang menunggu sidang akhir) dan 2 (dua) penelitian tesis juga dalam status on-progress.
25
DAFTAR PUSTAKA
Alamouti, S. M. 1998. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications. IEEE J. Sel. Areas Commun., 16( 8), 1451–1458.
Avram, I., Aerts, N., Moeneclaey, M. 2010. A Novel Quantize-and-Forward Cooperative System: Channel Parameter Estimation Techniques. Proceedings of Future Network and Mobile Summit 2010 Conference.
Avestimehr, A.S. and Tse, D. N. C. 2007. Outage Capacity of the Fading Relay Channel in the Low SNR Regime. IEEE Transaction on Information Theory, 53(4), 1401-1415.
Bao, X. and Li, J. 2007. Efficient Message Relaying for Wireless User Cooperation: Decode-Amplify-Forward (DAF) and Hybrid DAF and Coded-Cooperation. IEEE Trans. Wireless Commun, 6(11), 3975–3984.
Conne, C. and Kim, I. 2010. Outage Probability of Multi-Hop Amplify-and-Forward Relay Systems. IEEE Trans. on Wireless Comm., 9(3), 1139-1149.
Chen, H., Li, Y., Luiz, J., Uchoa-Filho, B.F., Vucetic, B. 2015. Harvest-Then-Cooperate: Wireless-Powered Cooperative Communications. IEEE Transactions on Signal Processing, 63(7), 1700-1711.
Chuan, F and Liu, A. 2011. Key techniques in green communication. Proceedings of Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet), 1360-1363.
Daniel, W. B., Keith, W. F., Amanda, M. C. 2005. MIMO Wireless Communication. Lincoln Laboratory Journal, 15(1), 97-126.
Ghacham, S., Aniba, G., Guennoun, Z., Chafnaji, H. 2012. Cooperative networks: Overview of State-of-the-art and Trends Toward Green Cooperative Networks. Proceedings of International Conference on Multimedia Computing and Systems (ICMCS), 997-1001.
26
Gurakan, B., Ozel, O., Yang, J., Ulukus, S. 2013. Energy Cooperation in Energy Harvesting Communications. IEEE Transactions on Communications, 61(12), 4884-4898.
Gavrilovska, L., Rakovic, V., Atanasovski. 2011. Energy Efficiency of Resource Management Architectures in Heterogeneous Wireless Network. Journal of Green Engineering, 241-254.
Hasan, Z., Boostanimehr, H., Bhargava, V.K. 2011. Green Cellular Networks: A Survey, Some Research Issues and Challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 13(4), 524-540.
He, A., Amanna, A., Tsou, T., Chen, X., Datla, D., Gaeddert, J., Newman, T.R., Hasan, S., Volos, H., Reed, J.H and Bose, T. 2011. Green Communications: A Call for Power Efficient Wireless System. Journal of Communications, 6(4), 340-351.
Ismail, M and Zhuang, W. 2011. Network cooperation for energy saving in green radio communications. IEEE Wireless Communications, 18(5), 76–81.
Krikidis, I., Charalambous, T. and Thompson, J. S. 2012. Stability Analysis And Power Optimazation For Energy Harvesting Cooperative Networks. IEEE Signal Processing Letters, 19(1), xx-yy.
Laneman, J. N., Tse, C., Wornell, G.W. 2004. Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior. IEEE Trans. Inform. Theory, 50(12), 3062-3080.
Limpakom, W. Yao, Y. Man, H. 2009. Outage Probability Analysis of Wireless Relay and Cooperative Networks in Rician Fading Channels with Different K-Factors. Proceedings of Vehicular Technology Conference, 2009. VTC Spring 2009, 1-5.
Mohammed, A. H., Dai, B., Huang, B., Azhar, M. 2013. A Survey and Tutorial of Wireless Relay Network Protokols based on Network Coding. Elsevier Journal Network and Computer Applications, 36(2), 593-610.
Molisch, A. F., Steinbaeru, M., Toeltsch, M., Bonek, E., Thoma, R. S. 2002. Capacity of MIMO Systems based on Measured Wireless Channels. IEEE J. Select. Areas Commun, 20(3), 561-569.
27
Nasaruddin, Melinda, Ellsa Fitria Sari. 2012. A Model to Investigate Performance of Orthogonal Frequency Code Division Multiplexing. Jurnal Telkomnika, 10(3), 579-585.
Nasaruddin, Mayliana, Roslidar. 2012b. Performance of Multi-Relay Cooperative Communication Using Decode and Forward Protocol. Proceedings of AIC 2012, Banda Aceh, 165-172.
Nasaruddin, Andriani, M., Melinda, Irhamsyah, M. 2013. Analysis of Energy Efficiency for Wi-Fi 802.11b Multi-hop Networks. Proceedings of IEEE International Conference on Communication, Networks and Satellite (COMNETSAT), 64-68.
Nasaruddin, Melinda, Elizar. 2014. Optimized Power Allocation for Cooperative Amplify-and-Forward with Convolutional Codes. TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering, 12(8), 6243-6253.
Seddik, K.G., Sadek, A.K., Su, W., Liu, K.J.R. 2006. Outage Analysis of Multi-node Amplify-and-Forward Relay Networks. Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference, 1184-1188.
Sendonaris, A., Erkip, E., Aazhang, B. 2003. User Cooperation Diversity. Part I. System Description. IEEE Transactions on Communications, 51(11), 1927-1938.
Souryal, M. R. and You, H. 2008. Quantized-and-Forward Relaying with M-ary Phase Shift Keying. Proceedings of IEEE WCNC, Maryland, USA.
Steiner, A and Shamai, S. 2006. Single-User Broadcasting Protokols over a Two-Hop Relay Fading Channel. IEEE Transactions on Information Theory, 52(11), 4821-4838.
Tauber, M., Bhatti, N.S., Yu, Y. 2011. Application Level Energy and Performance Measurments in a Wireless LAN. Proceedings of IEEE/ACM International Conference on Green Computing and Communication.
28
Wang, S. and Nie, J. 2010. Energy Efficiency Optimization of Cooperation Communication in Wireless Sensor Networks. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 1-8.
Wei, Yi., Song, M., Liu, B., Wang, X., Li, Y. 2011. Energy Efficient Cooperative Relaying and Cognitive Radio Technologies to Deliver Green Communication. Proceedings of International Conference on Pervasive Computing and Applications (ICPCA). 105-109.
29
Performan e Evaluation of Amplify-Quantize
and Forward Proto ol for Multi-relay
Cooperative Networks Nasaruddin ∗1 ,Yusnidar ∗∗2 ,andElizar ∗3 , Non-members ABSTRACT
Fading whi h o urs during the pro ess of infor-mationtransmission ansigni antlydegradesystem performan e. The ooperative ommuni ation sys-tem is a well-known diversity te hnique that is able to mitigate the impa t of fading. The relay proto- ol isthe oreof su hsystems. In thisresear h, we evaluated the performan e of amplify-quantize and forward (AQF) relays using a hybrid of two proto- ols: amplify-and-forward (AF) and quantize-and-forward(QF). Theoutage probability and through-putofmulti-relay ooperativenetworkswerederived, and omputersimulationwasusedtoevaluatethe im-pa t of anumberof parametersonthe performan e of the AQF relay for multi-relay ooperative net-works. Wealso omparedtheoutageprobabilityand throughputofAF,QF,anddire tlinknetworks. The outage probabilityof AQF de reasedasthenumber ofrelaysin reased,whereasthethroughputin reased. Wedemonstratedthatampli ationvaluesand quan-tizationlevelshaveasigni antimpa tonthe perfor-man e of AQF multi-relay networks. Overall,AQF performedbetterin termsof outage probabilityand throughputthanAFandQF,formulti-relay ooper-ativenetworks.Inaddition, hannel apa ityofAQF wassimulated, that is higherthan those of AF and QF relays.
Keywords: Performan e, Outage probability, Amplify-quantize and forward, Multi-relay, Cooper-ativenetwork.
1. INTRODUCTION
Rapid developments in wireless ommuni ations haveenhan edtheirreliability,throughput,datarate, and system apa ity. Wireless ommuni ationsfa e many hallengesinthepro essofsendingdata. Fad-ing is a hara teristi wireless ommuni ations is-sue, aused by obsta les in the transmission path. Fading auses re e tion, refra tion, and s attering Manus riptre eivedonAugust22,2016;revisedon Septem-ber19,2016.
∗
The authors are with Department of Ele tri- al Engineering, Syiah Kuala University, Indone-sia, E-mail : nasaruddinunsyiah.a .id
1
, E-mail : elizar.mustafaunsyiah.a .id
3 ∗∗
The authors are with (Department of Ele troni s and Communi ation Eng., Istanbul Teknik Universitesi, Turkey, E-mail: Turkey,Email:yusnidaritu.edu.tr
2
of the information sent by the sender, as well as hangesthephase,polarization, andlevelof the sig-nal. This redu essignalqualityand in reaseserrors inthedatare eivedbythere eiver[1℄,[2℄. In previ-ouswork,diversityte hniques formulti-input multi-output(MIMO)te hnologywereshowtomitigatethe impa tof fading, bytheuse ofmultiple antennas in thetransmitter and re eiver[2℄. Diversity improved thereliability ofthesystemthrough ombining sim-ilar independent signals in the re eiver. However, MIMO te hnology isinee tivein mobile ommuni- ationdevi essu hasmobilephonesandtablets, be- auseof fa torssu h assize,therelativelyhigh ost of omponents,andlimitationsinthehardware spe -i ation. Cooperative ommuni ation systemshave therefore been introdu ed to over ome these prob-lems withMIMO te hnology. Ina ooperative om-muni ations system, the sour e sends data through oneormorerelaynodes,whi hform avirtual multi-antennasystem fortransmitting data[3℄. A key fo- usof ooperative ommuni ationsystemshas been the issue of the relay. Conventional relay proto ols in lude amplify-and-forward(AF) [4-6℄, de ode-and-forward (DF) [7-9℄, and quantize-and-forward (QF) [10-12℄.
TheAF proto ol isthe simplest proto ol used in ooperative ommuni ation. Inthisproto ol,arelay node simply ampli es the signal re eived from the sour ebefore forwardingit to thedestination. Am-pli ationofthesignalin theAFproto ol isableto balan etheweakeningofthesignalduring transmis-sion. However,whileamplifyingthesignal,thenoise in the signal is also ampli ed, de reasing the signal quality. IntheDFproto ol,there eivedsignalinthe relay node is de oded again before being forwarded to the destination. This approa h is more ompli- atedthanAF andmoreover,therelay node annot de ode the signal if the signal-to-noise ratio (SNR) valueispoor. IntheQFproto ol,there eivedsignal intherelaynodeisquantizedbeforebeingforwarded. TheQF systemhasnode oding,andsoitissimpler than the DF proto ol. The quantization pro ess is able to redu e the noisein the signal, but the per-forman eunder theQF proto olis lowerthanunder AFor DFproto ol [13℄. It istherefore ne essaryto ombine the AF, DF, and QF proto ols to get the fullbene ts. Hybridproto olsarebeingintrodu ed, su h as the DAF proto ol, whi h ombines the DF
