ANTENA DAN PROPAGASI GELOMBANG Asynchronous Koperatif MIMO Komunikasi Komunikasi dan Analisis Kapasitas
KIKI RISKY J. EKI PRISTIYANTO A. AGUS FIRMAN VIVIT FEBRIAN D.P SI ELKOM 1
105514210 105514211 105514212 105514213
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA 2012
ANALISIS KINERJA KOMUNIKASI KOOPERATIF PENGGUNA PADA SISTEM KOMUNIKASI NIRKABEL ABSTRAK
Perkembangan sistem komunikasi nirkabel akan mengacu pada sistem komunikasi kooperatif pengguna dimana sumber dapat melakukan pengiriman data ke tujuan melalui perantara yang disebut relay. Hal ini dilakukan untuk mengurangi pengaruh fading pada kanal wireless yang merupakan masalah utama pada sistem komunikasi nirkabel khususnya pada komunikasi bergerak. Penelitian sebelumya telah memberi solusi untuk mengatasi masalah ini yaitu dengan menggunakan teknik Multi Input Multi Output (MIMO). Namun demikian, teknik MIMO memiliki keterbatasan dalam implementasi antena array karena membutuhkan biaya yang cukup besar disamping terbatasnya ruang dalam implementasi antena array tersebut. Sehingga sistem komunikasi kooperatif pengguna merupakan salah satu solusi yang tepat untuk mengatasi masalah tersebut. Penggunaan teknik spatial diversity pada sistem komunikasi kooperatif pengguna menawarkan kerjasama antar pengguna untuk menghasilkan antena jamak virtual yang dapat meningkatkan kapasitas kanal dan memberi pengaruh terhadap parameter- parameter kinerja dari sistem komunikasi kooperatif pengguna. Untuk itu, penelitian ini akan menganalisis kinerja berdasarkan parameter - parameter komunikasi kooperatif pengguna pada sistem komunikasi nirkabel. Adapun beberapa parameter kinerja tersebut adalah troughput, delay, Bit Error Rate (BER) dan kapasitas kanal/trafik. Kemudian, simulasi komputer dibuat dengan menggunakan program Matlab untuk menganalisis parameter kinerja. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pertambahan nilai kapasitas kanal dan throughput meningkat seiring dengan pertambahan nilai Signal to Noise Ratio (SNR) dan jumlah relay sehingga berdampak pada penurunan nilai Bit Error Rate (BER). Di sisi lain pertambahan jumlah relay juga ikut mempengaruhi waktu delay pada proses pentransmisian informasi dimana semakin banyak jumlah relay yang digunakan maka delay yang terjadi juga akan semakin besar. Kata Kunci: Komunikasi kooperatif pengguna, Sistem komunikasi nirkabel, relay, Spatial diversity
I. PENDAHULUAN Perkembangan teknologi komunikasi yang sangat pesat telah mendorong penggunaan media nirkabel dalam member layanan komunikasi kepada pengguna. Media nirkabel merupakan media komunikasi yang biasa digunakan pada sistem komunikasi wireless karena menggunakan gelombang radio ( microwave) sebagai jalur/media transmisinya. Gelombang radio yang ditransmisikan akan dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti kondisi alam, jarak antara antena pemancar dan penerima, pemilihan bandwidh serta efek fading yang menyebabkan pelemahan spektrum sinyal sehingga kondisi kanal menurun. Untuk mengurangi efek fading tersebut dapat digunakan teknik spatial diversity (Sendonaris, 2003). Komunikasi kooperatif pengguna merupakan suatu sistem komunikasi yang mengacu pada kerjasama antar pengguna dalam mentransmisikan informasi. Dalam hal ini, selain dapat berfungsi sebagai source, suatu user juga dapat berfungsi sebagai relay. Teknik spatial diversity pada sistem komunikasi kooperatif sangat berguna untuk diaplikasikan pada suatu sistem komunikasi nirkabel karena menggunakan satu atau lebih relay yang berfungsi sebagai antena jamak virtual (virtual multiple antennas ) dalam mentransmisikan datanya agar sampai ke tujuan. Penelitian ini akan menganalisis kinerja sistem dengan mempertimbangkan beberapa parameter yaitu delay, Bit Error Rate (BER), througput dan kapasitas kanal/trafik. Kemudian, simulasi komputer dibuat dengan menggunakan pemrogram Matlab untuk menganalisis kinerja dari beberapa parameter tersebut pada sistem komunikasi kooperatif pengguna. Hasil simulasi menunjukkan bahwa beberapa parameter tersebut mempunyai pengaruh terhadap kinerja sistem. II . DASAR TEORI 2.1 Sistem Komunikasi Nirkabel Pada sistem komunikasi nirkabel, ada 2 (dua) jenis transmisi sinyal dalam perambatan gelombangnya yaitu Line of Sight (LoS) dan Non Line of Sight (NLoS) (Tse, 2005). Line of Sight (LoS) merupakan perambatan gelombang radio dari antena pemancar ke antena penerima ta npa adanya halanga n (obstacle ) karena proses perambatan sinyalnya terjadi secara langsung (direct path) dan satu lintasan ( single path) . Sedangkan Non Line of Sig ht (NLoS) adalah perambatan gelombang radio merambat dari antenna pemancar ke antena penerima melaui banyak jalur ( multipath ). Hal ini dikarenakan sinyal radio tersebut melewati free space (atmosfir) ataupun penghalang lain seperti pohon, gedung, dan gunung sehingga mengalami refleksi, refraksi dan scattering saat terjadinya proses propagasi sehingga dapat m enyebabkan fading .
2.2 Fading Fading merupakan gangguan pada sinyal yang m enyebabkan penurunan daya sinyal yang diterima sehingga kondisi sinyal tidak dapat dikenali lagi (error). Dalam hal ini, rayleigh fading dimodelkan bila sinyal yamg diterima tidak ada unsur s inyal langsung dari pemancar ke penerima atau dengan kata lain sinyal yang dikirimkan bersifa t Non Line of Sight (NLoS). Disa mping itu, jenis fading lain adalah rician fading yang dapat dimodelkan bila sinyal yamg diterima merupak an sinyal langsung dari pemancar atau dengan kata lain sinyal yang dikirimkan bersifat Line of Sight (LoS) (Rappaport, 2002). 2.3 Additive White Gaussian Noise (AWGN) AWGN merupakan thermal noise yang disebabkan oleh pergerakan elektron di dalam konduktor yang ada pada sistem telekomunikasi seperti pada perangkat penerima yang bersifat m enambahkan pada sinyal. Thermal noise a tau yang bia sa disebut AWGN merupakan noise pada kanal yang dapat merusak sinyal karena dapat menyebabkan sinyal yang diterima tidak lagi sama dengan sinyal yang dikirimkan (sklar , 2000). 2.4 Pengkodean Kanal Salah satu tujuan dari pengkodean kanal pada suatu data adalah mengirimkan data secara utuh dari sumber ke tujuan. Namun demikian, suatu data dapat mengalami perubahan dan menjadi suatu kes ala han selam a proses pengiriman data baik berupa sinyal digital maupun dalam bentuk sinyal analog. Kesalahan (error) pada suatu data dapat disebabkan oleh adanya gangguan pada kanal seperti noise, interferensi, crosstalk dan fading. Salah satu met ode yang digunakan untuk melakukan deteksi dan koreksi kesalahan dalam transmisi adalah dengan m enggunakan Cyclic Redundancy Check (CRC) (Hoffman, 1991). 2.4.1 Convolutional Code Convolutional code didefinisikan sebagai sistem kode yang m emiliki informasi bit masukan yang akan dikodekan men jadi beberapa bit terkode dengan syarat bit masukan harus lebih kecil daripada bit keluaran. Rasio antara bit masukan dengan bit keluaran memiliki persamaan sebagai berikut (Essa, 2010).
dimana,R merupakan Laju kode konvolusi (coding rate) k adalah jumlah bit masukan convolutional code n adalah jumlah bit keluaran convolutional code Pada convolutional code terdapat constraint length (L) dapat diartikan sebagai panjang kode dari convolutional code yang berkaitan dengan jumlah shift register atau jumlah elemen memori. 2.4.2 Algoritma Viterbi Algoritma Viterbi decoding merupakan metode decoding p ada sisi penerima dan binary convolutional code merupakan metode encoding pada sisi pengirim. Prinsip kerja dari algoritma viterbi adalah mengkodekan kembali bit – bit data yang telah dikodekan oleh convolutional code dengan menggunakan prinsip maximum likelihood detector yakni mencari kemungkinan bit – bit yang paling mirip antara bit yang diterima pada sisi decoder dengan bit yang dikirimkan melalui
proses encoder sesuai dengan proses convolutional code pada tiap – tiap percabangan trellis sehingga dapat dilakukan proses pengambilan kep utusan (Hard Decision Decoding) terhadap data atau informasi yang diterima (Purser,1995). 2.5 Jaringan Relay Konsep dari jaringan relay adalah suatu use r yang berperan sebagai source mengirimkan informasi (voice) ke destination melalui user lain yang berfungsi sebagai relay (Chakrabarti, 2006). Komunikasi kanal dua hop merupakan jaringan relay sederhana yang terdiri terdiri dari soure (S), relay (R) dan destination (D). Dalam hal ini, informasi dikirimkan oleh source (S) menuju relay (R)
b. Jaringan Kooperatif Jaringan kooperatif merupakan suatu jaringan yang berpusat pada pengguna yang mampu menyediakan operasional jaringan yang lebih fleksibel dan terskala. Pada komunikasi kooperatif, kerjasama antar beberapa user yang dapat juga berfungsi sebagai relay, dan juga dapat disusun menjadi suatu jaringan kooperatif seperti yang diperlihatkan Gambar 2
2.6 Komunikasi Kooperatif Pengguna Komunikasi kooperatif pengguna mengacu pada kerjasama antar user (pengguna) dalam mentrasmisikan informasi ke tujuan dimana dalam proses pentransmisian tersebut user juga dapat berfungsi sebagai relay. Sistem pengolahan informasi pada relay dapat menggunakan protokol untuk metode pensinyalannya seperti estimate and forward, amplify and forward, decode and forward (Chakrabarti, 2006). Pada penelitian ini protokol yang digunakan adalah decode and forward.
II. METODE PENELITIAN Proses penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahap seperti diagram alir pada Gambar 3
Berdasarkan diagram alir di atas, metode penelitian dimulai dengan mempelajari konsep dan teori terkait dengan komunikasi kooperatif pengguna dari jurnal dan referensi lainnya. Kemudian dilanjutkan dengan mengidentifikasi parameter kinerja komunik asi kooperatif pengguna. Selanjutnya membuat pemodelan dan simulasi komputer dan numerik dengan menggunakan pemrograman Matlab. Pada tahapan proses simulasi
VI. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pemodelan Jaringan Kooperatif Pengguna Model jaringan kooperatif yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari 1 (satu) source, 2 (dua) relay dan 1 ( satu) destination. Bentuk kooperatif antar source, relay dan
destination dapat diilustrasikan sebagai suatu model jaringan kooperatif pengguna seperti pada Gambar 4.
Teknik modulasi yang digunakan pada simulasi omputer untuk model jaringan ini adalah Binary Phase Shift Keying (BPSK), dimana pada sisi destination, sinyal yang diterima digabungkan dengan menggunakan metode Maximum Ratio Receiver Combining (MRRC). 4.2 Model Simulasi Sistem Komunikasi Kooperatif Pengguna Dari model sistem komunikasi kooperatif pengguna, maka model simulasi komputer dan numerik dari sistem komunikasi kooperatif pengguna pada penelitian ini seperti pada Gambar 5. Adapun parameter yang dipertimbangkan untuk menganalisa kinerja komunikasi kooperatif pengguna pada sistem komunikasi nirkabel adalah Bit Error Rate (BER), delay, throughput, dan kapasitas kanal. Kesemua parameter tersebut perlu dipertimbangkan untuk melihat kualitas atau kinerja dari suatu sistem komunikasi kooperatif pengguna. Adapun parameter simulasi komunikasi kooperatif pengguna yang digunakan untuk simulasi dapat dilihat pada Table 1.
4.3 Hasil Simulasi A. Kapasitas Kanal
Gambar 6. Perbandingan Kinerja Kapasitas kanal Dengan Relay dan Tanpa Relay Gambar 6 menunjukkan perbandingan kinerja kapasitas kanal baik dengan menggunakan relay maupun yang tanpa relay. Untuk nilai SNR 10 dB, kapasitas kanal untuk grafik tanpa relay bernilai 0,8 bit/sec/Hz dan untuk 1 (satu) relay kapasitas kanalnya bernilai 1,7 bit/sec/Hz. Sedangkan untuk yang 2 (dua) relay, kapasitas kanalnya bernilai 2,1 bit/sec/Hz. Pada nilai SNR 20 dB, kapasitas kanal untuk grafik tanpa relay bernilai 2,25 bit/sec/Hz dan untuk 1 (satu) relay kapasitas kanal nya bernilai 3,25 bit/sec/Hz sedangkan untuk yang 2 (dua) relay, kapasitas kanalnya bernilai 3,75 bit/sec/Hz. Untuk nilai SNR 30 dB, kapasitas kanal untuk grafik tanpa relay bernilai 3,9 bit/sec/Hz dan untuk 1 (satu) relay kapasitas kanalnya bernilai 5 bit/sec/Hz sedangkan untuk yang 2 (dua) relay, kapasitas kanalnya bernilai 5,4 bit/sec/Hz. Dari hasil ini menunjukkan bahwa kapasitas kanal meningkat seiring dengan bertambahnya nilai SNR dan jumlah relay. B. Bit Error Rate (BER) Hasil simulasi terkait dengan BER dapat diamati perbedaan kinerja BER antara komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dengan komunikasi kooperatif pengguna
Hasil ini memperlihatkan terdapat selisih 10 dB antara SNR ko munikasi non kooperatif (tanpa relay) dengan SNR sistem komunikasi kooperatif dengan 1 (satu) relay. Untuk komunikasi kooperatif dengan 2 (dua) relay, nilai SNRnya sekitar 12 dB yang berarti terdapat selisih 12dB antara SNR komunikasi non koperatif (tanpa relay) dengan komunikasi yang menggunakan 2 relaydan selisih 2 dB antara komunikasi koperatif 1 relay dengan komunikasi 2 relay.
Gambar 8 yang menunjukkan kinerja BER antara komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dengan komunikasi kooperatif pengguna yang menggunakan rate 1/3 Convolutional Encoder untuk L = 3. Pada target BER 10-3, besarnya SNR untuk komunikasi non kooperatif sekitar 24 dB sedangkan pada komunikasi kooperatif dengan 1 (satu) relay sekitar 11 dB. Ini berarti terdapat selisih 13 dB antara SNR komunikasi k ooperatif (tanpa relay) dengan SNR sistem komunikasi kooperatif 1 (satu) relay. Untuk komunikasi kooperatif dengan 2 (dua) relay, nilai SNRnya sekitar 10 dB yang berarti terdapat selisih 14 dB antara SNR komunikasi non kooperatif (tanpa relay) dengan sistem komunikasi kooperatif 2 (dua) rela y dan selisih 2 dB antara komunikasi kooperatif 1 (satu) relay dengan k omunikasi kooperatif 2 (dua) relay. C. Delay Gambar 9 menunjukkan hubungan antara delay dengan jumlah relay. Dalam hal ini jumlah relay divariasikan antara 1 (satu) sampai 10 (sepuluh) relay, dimana p ertambahan jumlah relay juga ikut mempengaruhi delay yang terjadi dalam suatu pengiriman paket informasi. Dari gambar tersebut juga dapat disimpulkan bahwa semakin bertambahnya jumlah relay maka waktu pengaruh pertambahan relay terhadap waktu delay
D. Throughput Hubungan antara throughput dan nilai SNR terhadap pertambahan relay dapat dilihat pada Gambar 10
Pada nilai SNR=1 5 dB, nilai throughput yang diperoleh untuk sistem komunikasi kooperatif dengan 1 (satu) relay sekitar 2 bit/s dan pada sistem komunikasi kooperatif 2 (dua) relay sekitar 3 bit/s. Hasil ini menunjukkan bahwa terdapat selisih 1 bit/s antara kedua sistem. Sedangkan untuk nilai SNR=30 dB, nilai throughput untuk sistem komunikasi kooperatif 1 (satu) relay sekitar 2.5 bit/s dan pada sistem komunikasi koop eratif 2 (dua) relay sekitar 3.5 bit/s. Hasil ini menunjukkan bahwa terdapat selisih 1 bit/s antara kedua V. KESIMPULAN Penelitian ini telah melakukan analisis terhadap kinerja sistem kooperatif pengguna pada sistem komunikasi nirkabel. Simulasi komputer dan numeric telah dilakukan untuk mengevaluasi beberapa parameter yang mempengaruhi kinerja dari sistem kooperatif pengguna. Pada sistem komunikasi kooperatif pengguna, nilai kapasitas kanal meningkat seiring dengan pertambahan nilai SNR dan jumlah relay. Sistem komunikasi kooperatif pengguna yang menggunakan 1/2 convolutional code memiliki kinerja yang lebih baik karena menghasilkan nilai BER yang lebih rendah daripada sistem yang menggunakan convolutional code. Kemudian, pertambahan jumlah relay ikut mempengaruhi waktu delay yang terjadi pada suatu sistem komunikasi kooperatif dalam mentransmisikan informasi. Semakin banyak jumlah relay yang digunakan maka akan semakin besar pula waktu delay n ya. Terakhir, nilai throughput dari sistem komunikasi kooperatif pengguna meningkat seiring dengan pertambahan nilai SNR dan jumlah relay.
DAFTAR PUSTAKA
Andrew, Sendonaris. Erkip, Elza. Aazhang, Behnaam (2003). “User Cooperation Diversity Part 1 (System Description)” IEEE Transsaction On Communication Vol 51 No 11. Chakrabarti, Arnab . Sabharwal, Ashutosh. Aazhang, Behnaam (2006). “Cooperative Communication”. Rice University. Essa A., Suad. Khalil F, Eman. Jasim Sh,Najat (2010). “ The Effect Of Constraint Length And Interleaver On The Performance Of Turbo Code”. Eng and Tech Journal Vol 28 No 4. Electromechanical Engineeering Department University of Baghdad. Hoffman,DG. Leonard DA. Lindner CC (1991). “Coding Theory” . Marcel Dekker, INC, New York. Laneman, J.N (2006).”Cooperative Diversity Model, Algorithms and Architecture”. Department of Electrical Engineering University Of Notre Dame. Purser, Michael (1995).” Introduction to Error Correcting Codes”. Artech House,Inc. Boston. London. Rappaport, Theodore S (2002). “Wireless Communications Principles and Practice” Second edition. Prentice Hall, Inc, Upper Sadley River. New Jersey. Sklar, Bernard (2000) .” Digital Communications Fundamental and Application”. 2nd Edition. Prentice
