32
BAB III MODEL SISTEM MIMO-OFDM PADA LTE DALAM ARAH
DOWNLINK
3.1 Umum
Pada Tugas Akhir ini akan disimulasikan sistem MIMO-OFDM pada LTE dalam arah
downlink
. Adapun sistem MIMO yang disimulasikan menggunakan teknik
transmit diversity
sehingga didapatkan perbandingan kinerjanya dilihat dari
bit error rate
. Selain itu pada simulasi ini juga akan digunakan teknik modulasi adaptif yang dapat memilih jenis modulasi sesuai dengan kondisi link radio. Adapun
tipe modulasi yang digunakan adalah QPSK, 16-QAM, dan 64-QAM. Kanal yang digunakan adalah kanal AWGN dan kanal MIMO berdistribusi
rayleigh
.
3.2 Model Sistem
Model sistem yang disimulasikan terdiri atas 3 model, yaitu MISO 2x1- OFDM, MIMO 2x2-OFDM dan MIMO 2x4-OFDM, dimana dilakukan penambahan
jumlah antenna di bagian pengirim. Ketiga model sistem yang disimulasikan ditunjukkan pada Gambar 3.1
a
b
Universitas Sumatera Utara
33
c
Gambar 3.1 Model sistem yang disimulasikan
a MISO 2x1-OFDM b MIMO 2x2-OFDM
c MIMO 2x4-OFDM
3.2.1 Bagian Pengirim
Adapun model bagian pengirim MIMO-OFDM pada LTE dalam arah downlink pada simulasi ini terdiri atas beberapa blok, yaitu
modulation mapper
,
layer mapper
,
precoding
, OFDM
modulator
, dan menggunakan dua antena pengirim seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1.
3.2.1.1 Modulation Mapper
Setiap data input biner
bi
akan dimodulasi oleh mode modulasi, yaitu QPSK,16-QAM, dan 64 QAM yang menghasilkan blok simbol bernilai kompleks
1 ,...,
q symb
M d
d
q q
.
Modulation mapper
mengubah digit biner 0 atau 1 mejadi simbol modulasi bernilai kompleks
X = I + jQ
[21]. Adapun pemetaan modulasi QPSK, 16-QAM,dan 64-QAM ditunjukkan pada Lampiran B. Pada
software
Matlab telah disediakan fungsi untuk melakukan proses modulasi QPSK, 16-QAM, dan 64-QAM. Hal ini dapat ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Universitas Sumatera Utara
34
Tabel 3.1 Sintaks fungsi modulasi QPSK,16-QAM, dan 64-QAM pada Matlab
Jenis Demodulasi Sintaks Fungsi
Keterangan
Demodulasi QPSK
Q= modem.pskmod M
, M; hmod1=modulateQ,y;
hmod=hmod1sqrt2 ;
M merupakan tingkat modulasi, misalnya
untuk modulasi
QPSK=4 , dan y adalah sinyal input
kompleks. Nilai
merupakan faktor skala untuk normalisasi.
Demodulasi QAM
Q= modem.qammod M
, M; hmod1=modulateQ,de ;
hmod=hmod1K;
M merupakan tingkat modulasi, M=16 untuk modulasi 16-QAM,
M=64 untuk modulasi 64-QAM dan y adalah sinyal input biner. K
merupakan faktro normalisasi. Untuk 16-QAM, nilai K=
dan 64-QAM memiliki K=
3.2.1.2 Layer Mapper
Simbol modulasi bernilai kompleks untuk masing-masing
input data
atau
codeword
yang ditransmisikan dipetakan pada satu atau beberapa
layer
seperti yang ditunjukkan
pada Gambar
3.2. Simbol
modulasi bernilai
kompleks
1 ,...,
q symb
M
d d
q q
untuk data
input
q
dipetakan ke
layer
T
i x
i x
i x
...
1
,
1 ,...,
1 ,
layer symb
M i
dimana
v
adalah jumlah
layer
,
M
symb
adalah jumlah simbol dan
layer symb
M
merupakan jumlah simbol modulasi per
layer
.
Gambar 3.2 Layer mapping untuk dua layer
Universitas Sumatera Utara
35
Pada
transmit diversity
hanya digunakan satu
input data
atau
codeword
dan jumlah layer
v
sama dengan jumlah antena port
p
yang digunakan untuk transmisi. Untuk
layer mapping
untuk 2 antena pengirim memiliki satu
codeword
yang kemudian dipetakan ke dalam dua
layer
seperti yang ditunjukkan Gambar 3.2 . Adapun proses pemetaan data input ke dalam 2 layer ditunjukkan pada Tabel 3.2 [1]
[19].
Tabel 3.2 Layer mapping untuk dua layer
Jumlah Layer
Jumlah Data input
Data input to layer mapping
1 ,...,
1 ,
layer symb
M i
2 1
1 2
2
1
i
d i
x i
d i
x
2
symb layer
symb
M M
3.2.1.3 Precoder
Precoder
digunakan untuk memetakan setiap simbol yang ditransmikan ke antena
pengirim. Precoder
mengambil input
T
i x
i x
i x
...
1
,
1 ,...,
1 ,
layer symb
M i
dari
layer mapping
dan membangkitkan
blok vektor
T p
i y
i y
... ...
,
1 ,...,
1 ,
ap symb
M i
yang dipetakan langsung ke port antena dimana
i y
p
didefinisikan sebagai sinyal untuk port antena
p
dan
ap symb
M merupakan
jumlah simbol per port antena. Precoding untuk
transmit diversity
terdiri atas dua atau empat port antena.
Proses Precoding untuk dua antena pengirim menggunakan dua antena port. Pada
transmit diversity
dengan dua port antena menggunakan teknik
space frequency block coding
SFBC. Untuk transmisi pada dua port
1 ,
p
, output
T
i y
i y
i y
1
setelah operasi precoding seperti pada persamaan 3.1.[1] .
Universitas Sumatera Utara
36
Im Im
Re Re
1 1
1 1
2 1
1 2
1 2
2 2
1 1
1 1
i x
i x
i x
i x
j j
j j
i y
i y
i y
i y
3.1 Untuk
1 ,...,
1 ,
layer symb
M i
dengan
layer symb
ap symb
2M M
Misalkan, simbol yang yang dikirim adalah S dan S
1
, maka setelah melewati sinyal tersebut dapat dirumuskan ke dalam bentuk matriks seperti berikut ini :
Antena
frekuensi 3.2 Secara blok diagram proses
precoding transmit diversity
-SFBC untuk dua antena
port ditunjukkan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 SFBC Precoding untuk dua antena port
3.2.1.4 OFDM modulator
OFDM adalah teknologi dasar yang digunakan pada LTE dalam arah downlink. OFDM merupakan modulasi
multicarrier
yang membagi
bandwidth
sinyal yang besar menjadi
subcarrier
dengan
bandwidth
yang sempit. Bagian OFDM modulator pada bagian Pengirim, meliputi
serial to parallel converter
,
inverse Fourier transform
IFFT, dan penyisipan
guard interval
seperti pada Gambar 3.4.
Universitas Sumatera Utara
37
Gambar 3.4 Blok diagram OFDM modulator
Sinyal keluaran serial dari SFBC
precoding
dengan menggunakan dua antena diubah menjadi data paralel dengan menggunakan
serial to pa rallel converter
. Misalkan hasil keluaran dari SFBC
precoding
untuk MIMO 2x2 dapat diubah menjadi sederetan data paralel dengan sintaks sebagai berikut :
paradata1 =reshapeprecode1,para,nd ; paradata2 =reshapeprecode2,para,nd ;
dimana
precode1
dan
precode2
berturut-turut adalah sinyal hasil SFBC
precoding
untuk antena 1 dan antena 2,
para
menyatakan jumlah kanal paralel yang ditransmisikan dan
nd
menyatakan jumlah simbol OFDM.
Pada model sistem yang akan disimulasikan juga digunakan IFFT. IFFT mengubah sinyal dalam domain frekuensi ke dalam domain waktu. Hasil keluaran
setelah melalui IFFT secara matematis ditunjukkan oleh persamaan 3.3 .
dimana
Xk
sinyal diskrit dalam domain frekuensi,
xn
merupakan sinyal diskrit dalam domain waktu dan N adalah ukuran FFT. Pada Matlab telah disediakan fungsi
untuk melakukan proses IFFT dengan menggunakan fungsi
y = ifft x
, dimana
x
adalah sinyal input dan
y
adalah sinyal output . Dalam menghadapi lintasan jamak dan
intersymbol interference
ISI, maka
guard interval
disisipkan ke dalam sistem.
Gua rd interval
atau
cyclic prefix
ini adalah salinan dari simbol akhir yang ditambahkan pada awal simbol. Adapun
sintaks pada Matlab untuk melakukan penyisipan
gua rd interval
ini dapat dilihat pada kode program di Lampiran A.
Universitas Sumatera Utara
38
3.2.2 Kanal MIMO
Pada sistem antena MIMO, sinyal yang diterima oleh antena penerima adalah sinyal yang dikirimkan oleh antena pengirim setelah dikalikan dengan matriks kanal
H dan
noise
yang ada. Untuk sistem MIMO
MxN
, dimana
M
dan
N
berturut-turut menyatakan jumlah antena pengirim dan penerima, maka matriks kanalnya dapat
dinyatakan pada persamaan 3.4.
3.4
Sinyal yang di terima di antena penerima dinyatakan pada persamaan 3.5 . Y = HS + N
3.5 dimana :
Y = Sinyal yang diterima di masing-masing antena
H = Matriks kanal , H
ij
Lintasan dari antena pengirim
j
ke antena penerima
i
S = Sinyal hasil precoding atau sinyal yang ditransmisikan
N = Noise AWGN
3.2.2.1 Kanal MIMO 2x1
Untuk MIMO 2x1 terdapat dua lintasan kanal anatara antena pengirim dan penerima seperti pada Gambar 3.5, maka dapat ditentukan matriks kanalnya seperti
pada persamaan 3.6. H
M2x1
= [ H
11
H
12
] 3.6
Universitas Sumatera Utara
39
Gambar 3.5 Kanal MIMO 2x1
Misalkan pada Gambar 3.5, simbol yang akan dikirimkan adalah
S
dan
S
1
, serta dianggap kanal memiliki kanal noise
N
, maka sinyal yang diterima di receiver dinyatakan dengan persamaan 3.7.
Y = H
M2x1
S + N 3.7
[ Y Y
1
]= [ H
11
H
12
] 3.8
dimana
Y
dan
Y
1
merupakan sinyal yang diterima pada frekuensi yang berbeda dan dan
adalah noise pada masing-masing transmisi.
3.2.2.2 MIMO 2x2
Kanal Matriks untuk MIMO 2x2 ditunjukkan seperti pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Kanal MIMO 2x2
Pada Gambar 3.6 terdapat empat lintasan sinyal, maka kanal matriksnya dapat dinyatakan dalam bentuk matriks seperti pada persamaan 3.9.
Tx2
Tx1 Rx1
Rx2
H11
H22
H21
H12
Universitas Sumatera Utara
40
3.9 Misalkan pada Gambar 3.6, simbol yang akan dikirimkan adalah
S
dan
S
1
, serta dianggap kanal memiliki kanal noise
N
, maka sinyal yang diterima di receiver dinyatakan pada persamaan 3.10.
Y = H
M2x2
S + N 3.10
3.11
3.2.2.3 MIMO 2x4
Kanal MIMO 2x4 ditunjukkan seperti pada Gambar 3.7.
TX RX
T1
T2 H11
H21 H31
H41 H12
H22 H42
H32
Gambar 3.7 Kanal MIMO 2x4
Pada Gambar 3.7 dapat dilihat bahwa terdapat 8 lintasan sinyal dari antena pengirim ke antena penerima. Kanal tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk matriks seperti
pada persamaan 3.12.
3.12
Sinyal yang diterima pada masing-masing antena dapat dituliskan dalam bentuk matriks seperti pda persamaan 3.13.
Y = H
M2x4
S + N 3.13
Dalam bentuk matriks dapat dinyatakan seperti pada persamaan 3.14.
Universitas Sumatera Utara
41
= 3.14
3.2.2.4 Matriks Korelasi MIMO Pada LTE
Pada LTE terdapat model korelasi kanal yang ditetapkan, yaitu korelasi rendah, korelasi medium, dan korelasi tinggi dimana masing memiliki nilai α dan β
yang berbeda-beda seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.3.
Tabel 3.3 Jenis korelasi kanal MIMO pada LTE
Korelasi Rendah Korelasi Medium
Korelasi Tinggi
0.3
0.9 0.9
0.9
Pada Tabel 3.3 dapat dilihat terdapat tiga jenis nilai α dan β. Ketika α dan β
bernilai nol, kanal MIMO digambarkan seakan-akan kanal tersebut adalah kanal yang independen atau tidak berhubungan dengan kanal lainnya. Misalnya pada
sistem MIMO 1x2, ketika antena pemancar
Tx
1
memancarkan suatu sinyal, maka sinyal tersebut dimodelkan melalui kanal yang berbeda sekali karakteristiknya
sehingga sinyal yang diterima pada antena penerima
Rx
1
dan
Rx
2
juga berbeda sekali. Ketika α dan β bernilai mendekati nilai satu, maka kanal MIMO memiliki
karakteristik seperti kanal
single input single output
SISO, dimana sinyal yang dikirim dilewatkan pada kanal yang memiliki karakteristik yang sama dan sinyal
yang diterima pada antena penerima
Rx
1
dan
Rx
2
hampir sama [11]. Adapun matriks korelasi untuk masing-masing konfigurasi antena yang disimulasikan ditunjukkan
pada Tabel 3.4. Pada Tabel 3.4 dapat dilihat bahwa matriks korelasi merupakan perkalian
Kronecker
dinotasikan dengan “⊗“ antara matriks korelasi pemancar dan penerima. Pada simulasi kanal MIMO dimodelkan dengan korelasi medium, dimana
Universitas Sumatera Utara
42
=0.3 dan =0.9. Adapun pembangkitan matriks korelasi ini dapat dilihat pada Lampiran A.
Tabel 3.4 Matriks korelasi kanal MIMO [11]
Konfigurasi MIMO Matriks Korelasi
MISO 2x1-OFDM
MIMO 2x2-OFDM
MIMO 2x4-OFDM
1 1
1 1
9 1
9 4
9 1
9 1
9 4
9 4
9 1
9 1
9 4
9 1
3.2.3 Bagian Penerima
Pada simulasi ini terdapat 3 model penerima yang akan disimulasikan, yaitu penerima dengan 1, 2, dan 4 antena penerima. Adapun bagian penerima MIMO-
OFDM pada LTE dalam arah
downlink
pada simulasi ini terdiri atas beberapa blok, yaitu OFDM modulator, SFBC
deprecoding
and
combiner
,
layer demapper
, dan
demodulator
.
3.2.3.1 OFDM Demodulator
Pada bagian penerima OFDM
demodulato
r terdiri atas pemisahan
guard interval
, FFT, dan
paralel to serial converter
seperti pada Gambar 3.9.
Universitas Sumatera Utara
43
Gambar 3.9 OFDM demodulator
Untuk pemisahan
guard interval
dapat dilihat pada kode program di Lampiran A. Pada program di atas dilakukan proses pemisahan
gua rd interval
gilen dari total
simbol OFDM fftlen2 sehingga sinyal OFDM kembali memiliki panjang simbol
sebesar
fftlen
. Setelah melakukan proses pemisahan
gua rd interval
, kemudian sinyal memasuki blok FFT. FFT mengubah sinyal dalam domain waktu kembali menjadi
domain frekuensi. Adapun sinyal keluaran setelah melalui FFT dinyatakan pada persamaan 3.15.
3.15 dimana
N
adalah panjang FFT, n= 0,……, N-1. Pada Matlab untuk melakukan proses
IFFT dapat dilakukan dengan perintah
y= fftx,
dimana x adalah sinyal input dan y adalah sinyal hasil FFT.
3.2.3.2 SFBC Deprecoder dan Combiner
SFBC
deprecode
r dan
combiner
melakukan penggabungan dari sinyal-sinyal yang diterima oleh antena penerima dan memilih sinyal asli dengan level daya
terbaik. Skema SFBC pada simulasi ini didasarkan pada skema Alamouti. Ketika pengirim mengirimkan simbol
S
dan
S
1
, maka sinyal keluaran
combiner
dapat dinyatakan sebagai berikut [10] :
3.16
3.17
Universitas Sumatera Utara
44
3.18
dimana : S
0r
= Simbol pertama hasil combiner S
1r =
Simbol kedua hasil combiner H
ij =
Lintasan dari antena pengirim
j
ke antena penerima
i
Y
n
= Sinyal yang diterima di setiap antena penerima
3.2.3.3 Layer Demapper
Layer demapper
menggabungkan sinyal dari beberapa
layer
ke dalam satu atau dua data
input
. Pada
transmit diversity
hanya digunakan satu data
input
sehingga setiap sinyal dari beberapa
layer
digabungkan menjadi satu data
input
. Untuk sistem dengan dua antena penerima, maka sinyal dari 2
layer
yang berbeda digabungkan menjadi satu
input data
. Adapun proses
layer demapping
untuk dua antena penerima ditunjukkan pada Tabel 3.5 .
Tabel 3.5 Layer demapping untuk dua antena penerima
Jumlah Layer
Jumlah Data Input
Layer Demapping
1 ,...,
1 ,
layer symb
M i
2 1
for i=1:MsymLay decoder_xi = K4i-3 +
sqrt-1K4i-1;
decoder_yi = K4i-2 + sqrt-1K4i ;
end dimana K adalah hasil deprecoding
Universitas Sumatera Utara
45
Kemudian kedua sinyal tersebut digabungkan untuk membentuk data input. Pada Matlab dapat dituliskan sebagai berikut :
gabungdemapping = [decoder_x ;decoder_y]; hasildemapping= reshapegabungdemapping,Msym,1;
3.2.3.4 Demodulator
Demodulasi merupakan proses pengembalian sinyal asli dari sinyal termodulasi. Pada
receiver
juga digunakan jenis modulasi yang sama sesuai dengan yang dilakukan pada
transmiter
, yaitu demodulasi QPSK,16-QAM,dan 64-QAM. Hasil keluaran
demodulator
ini adalah sinyal biner. Pada matlab fungsi untuk melakukan proses demodulasi ditunjukkan pada Tabel 3.6. Pada kode program dapat
dilihat bahwa faktor normalisasi digunakan kembali.
Tabel 3.6 Sintaks fungsi demodulasi pada Matlab
Jenis Demodulasi
Sintaks Fungsi Keterangan
Demodulasi QPSK
Q= modem.pskdemod M
, 4; Denormalisasi=hasildemapping
sqrtK; HasilDemodulasi=demodulateQ,
hasildemapping;
M merupakan
tingkat modulasi, misalnya untuk
QPSK = 4, K adalah faktor normalisasi, dan y
adalah sinyal
input kompleks.
Demodulasi QAM
Q = modem.qamdemod M
, 16; Denormalisasi=
hasildemappingsqrtK; HasilDemodulasi=demodulateQ,
hasildemapping;
M merupakan tingkat modulasi dan K adalah
faktor normalisasi. M=16 dan
K=10 untuk
demodulasi 16-QAM,
M=64 dan K=42 untuk demodulasi 64-QAM .
Universitas Sumatera Utara
46
3.3 Modulasi Adaptif
Dalam simulasi ini digunakan tiga mode modulasi, yaitu QPSK,16-QAM,dan 64-QAM. Seperti yang disebutkan sebelumnya bahwa dalam modulasi adaptif
digunakan mode modulasi sesuai dengan kondisi SNR yang diterima di penerima. Apabila kondisi SNR semakin tinggi, maka digunakan mode modulasi dengan level
paling tinggi. Jadi pada simulasi ini akan diberikan batas
treshold
dari SNR untuk melakukan pergantian jenis modulasi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.7.
Tabel 3.7 Batas treshold nilai SNR untuk pemilihan jenis modulasi
Konfigurasi MIMO Jenis modulasi
Level treshold SNR
MISO 2x1-OFDM
QPSK 0 dB≤ SNR 15 dB
16-QAM 15 dB ≤ SNR 20 dB
64-QAM SNR ≥ 20 dB
MIMO 2x2-OFDM
QPSK 0 dB≤ SNR 8 dB
16-QAM 8 dB ≤ SNR 15 dB
64-QAM SNR ≥ 15 dB
MIMO 2x4-OFDM
QPSK 0 dB≤ SNR 5 dB
16-QAM 5dB ≤ SNR 10 dB
64-QAM SNR ≥ 10 dB
3.4 Perhitungan BER
Pada tugas akhir ini perhitungan BER dilakukan menggunakan sistem perbandingan antara bit yang diterima dengan yang dikirimkan dengan menggunakan
logika XOR seperti pada Tabel 3.9. Kemudiaan hasil dari XOR akan dibagikan dengan jumlah seluruh bit data yang dikirimkan.
Universitas Sumatera Utara
47
Tabel 3.8 Logika XOR untuk mendeteksi bit error
Bit Kirim Bit Terima
Hasil XOR
1 1
1 1
1 1
Universitas Sumatera Utara
48
BAB IV HASIL SIMULASI DAN ANALISIS
4.1 Parameter Simulasi
Pada Tugas akhir ini akan dievaluasi kinerja MIMO-OFDM dengan modulasi adaptif pada teknologi
Long Term Evolution
LTE dalam arah
downlink
. Parameter unjuk kerja simulasi ini didasarkan pada
bit error rate
BER. Simulasi ini menggunakan software Matlab R2010a. Program simulasi dapat dilihat pada
Lampiran A. Sistem pada simulasi ini memiliki parameter-parameter seperti yang diperlihatkan pada Tabel 4.1 .
Tabel 4.1 Parameter sistem yang disimulasikan
Parameter Sistem Nilai Parameter
Modulasi QPSK, 16-QAM, 64-QAM, dan
modulasi adaptif
Antena MIMO MISO 2x1-OFDM, MIMO 2x2-
OFDM, dan MIMO 2x4-OFDM
Jumlah user 1
Ukuran FFT 256 Poin
Mode MIMO Skema Alamouti SFBC
Kanal Transmisi AWGN
Bandwidth Transmisi 5 Mhz
Jumlah simbol OFDM 6 Simbol
Panjang guard interval 66 μs
Tabel 4.1 menunjukkan pada simulasi ini digunakan tiga model, yaitu MISO 2x1-OFDM, MIMO 2x2-OFDM, dan MIMO 2x4-OFDM yang menggunakan tiga
jenis modulasi, yaitu QPSK, 16-QAM, dan 64-QAM. Pada simulasi ini juga akan
Universitas Sumatera Utara
Kategori