digital_126630-R0308117-Spatial multiplexing-Metodologi.pdf

7/25/2019 digital_126630-R0308117-Spatial multiplexing-Metodologi.pdf

1/14

19

BAB III

MODEL SISTEM MIMO OFDM

DENGAN SPATIAL MULTIPLEXING

3.1 Sisi Transmitter(Pengirim)

Skema transmitter dari sistem yang disimulasikan dapat dilihat pada

gambar 3.1. Gambar 3.1 mengilustrasikan tahap-tahap pemrosesan sinyal yang

terjadi pada sisi transmitter mulai dari sumber data informasi, sampai pengiriman

oleh antena transmitter.

Data

Generator S/P

S/PInterleaver MODULATORChannel

Encoder

CP

insertion Upsample

ProjectiononV

IFFT Upconversion P/S


Encoder

CP

insertion UpsampleIFFT Upconversion P/S


Encoder

CP

insertion UpsampleIFFT Upconversion P/S

MIMO dan Channel Encoder OFDM Modulator Upconverter Pre-filter (SVD)

Tx1

Tx2

Txn

Gambar 3.1 Model transmitterdari sistem yang disimulasikan

3.1.1 Channel Encoder

Data inputan yang berupa random integerdibagi menjadi kumpulan data

yang lebih kecil setelah melalui algoritma Serial to Paralel . Kemudian data ini,

diencoding dengan code rate tertentu. Proses encoding ini disebut juga forward

error correction (FEC), dimana bertujuan untuk meningkatkan kapasitas dari

kanal dengan menambakan bit redundant pada data informasi yang

ditransmisikan. Proses penambahan bit redundant tersebut juga dinamakan

channel coding. Teknik channel coding yang dipakai pada simulasi ini adalah

Convolutional encoding.

Convolutional encoder berfungsi untuk menurunkan error rate selama

pentransmisian data, atau dengan kata lainberfungsi sebagai pendeteksi dan

sekaligus memperbaiki error selama pentransmisian data, tanpa harus meminta

Spatial multiplexing mimo..., I Gura Prabu Senky, FT UI, 2008


2/14

20

pengirim untuk mengirimkan kembali data yang sama. Prinsip kerja dari

convolutional encoder adalah dengan men-xor-kan beberapa bit masukan

sebelumnya dengan bit inputpada saat itu. Sistem xor ini mencakup bagaimana

alur operasixordan berapa lama suatu bitakan mempengaruhi keluaran bitlain.

Pada sistem MIMO OFDM yang disimulasikan, terdapat 3 pilihan nilai

code rate, yaitu: 3/2, 1/2 dan 1/3. Coding rate pada convolutional encoder

merupakan nilai perbandingan antara jumlah keluaran dengan jumlah masukan

pada satu waktu yang bersamaan. Besar nilai code rate akan menentukan

pemetaan output dari convolutional encoding. Sebagai contoh. Code rate 3/2

berarti, 3 bit masukan dipetakan menjadi 2 bit keluaran. Code rateyang bernilai

kecil, berarti jumlah bit kode lebih banyak dibanding jumlah bit informasi, begitu

juga sebalikya. Pemilihan nilai code ratesangat penting dalam menjaga performa

sistem. Disatu sisi, Jika nilai coding rate semakin besar, performanya dalam

mendeteksi dan memperbaiki error juga semakin baik tetapi sebagai

konsekuensinya encoder semakin tidak efisien. Karena jumlah bit yang akan

dikirimkan menjadi lebih banyak untuk jumlah bitinformasi yang sama.

Pada simulasi ini, teknik Convolutional encoder menggunakan algoritma

Trellis (Trellis diagram). Diagram dari algoritma Trellis dapat dilihat pada

gambar 3.2.

Gambar 3.2 Trellis Diagram



3/14

21

Gambar 3.2 diatas, merupakan contoh diagram Trellis dengan 2 shift

register . Terdapat 4 keadaan dari diagram Trellis tersebut, yaitu 00, 01, 10, 11.

Sebagai contoh, jika bit masukan adalah 1 1 0 0 , maka keluaran dari

convolutional encoder adalah 11, 10, 10, 11.

3.1.2 I nterleaver

Proses Interleaver berfungsi sebagai cara untuk meminimalisasi burst

error selama transmisi data.Interleaver akan menyusun kembali data dimana data

yang berurutan akan dibagi menjadi beberapa blok berbeda. Interleaver disini

berbentuk sebuah matriks. Aliran bit inputan akan mengisi matriks tersebut baris

demi baris. Keluaran dari interleaver merupakan bit bit yang tersusun secarakolom.

Gambar 3.3 Aliran bit yang melalui interleaver

3.1.3 Modulasi

Data hasil keluaran dari Interleaver dipetakan menjadi simbol-simbol

melalui proses modulasi. Dalam sistem ini, jenis modulasi yang digunakan ada

tiga jenis, yaitu QPSK, 16 QAM dan 64 QAM. Kemudian dari hasil stream serial

data, dibagi menjadi paralel sesuai dengan jumlah subkanal pada OFDM.

3.1.3.1 Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)

QPSK memetakan bit bit informasi menjadi simbol, dimana setiap

simbolnya memiliki 2 bit informasi. QPSK dapat diperoleh dengan penggabungan

2 modulasi BPSK. Bit stream yang masuk pada modulator p(t), dibagi menjadi 2

stream yaitu pt(t) dan pq(t). Bit stream pt(t) akan dimodulasikan dengan cos (0t,)



4/14

22

dan pq(t) akan dikalikan dengan sin (0t,) seperti yang terlihat pada gambar 3.4

berikut:

Gambar 3.4 Modulator QPSK

Dua bit stream diatas digabungkan kembali menjadi stream QPSK dengan

kondisi seperti yang ditampilkan table 3.1 berikut:

pt(t) pq(t) QPSK

1 1 Cos(0t)sin(0t) = 2cos(0t + 45o)

1 -1 Cos(0t) + sin(0t) = 2cos(0t - 45o)

-1 1 -Cos(0t)sin(0t) = 2cos(0t + 135o)

-1 -1 -Cos(0t )+ sin(0t) = 2cos(0t - 135o)

Tabel 3.1 Tabel keadaan sinyal QPSK

Kata Quardrature mengacu kepada empat kemungkinan keadaan fasa

carrier(4-PSK) pada satu waktu. Empat fasa tersebut mengacu kepada sudut dari

bit yang dimodulasikan, yaitu 0o

, 90o

, 180o

, 270o

. Hal ini terlihat pada gambar3.5 berikut.



5/14

23

Gambar 3.5 Diagram fasa modulasi QPSK

3.1.3.2

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

QAM merupakan modulasi dengan kombinasi fasa dan amplitude. Teknik

ini mengirim sinyal dengan empat fase berbeda. Pada simulasi ini, jenis modulasi

QAM yang digunakan adalah 16 QAM dan 64 QAM.

Modulasi 16 QAM memiliki 4 bit informasi untuk setiap simbolnya,

sehingga memiliki 24 keadaan fasa. Disisi lain, 64 QAM memiliki 26 keadaan

fasa, karena tiap simbolnya terdiri dari 6 bit informasi.

Modulasi QAM membagi sinyal yang ditransmisikan menjadi dua bagian/

bit stream, yaituIn-phasedan Quardrature phase. Kedua bagian ini berbeda fasa

90 derajat, karena bit streamIn-phasedikalikan dengan sinyal kosinus, sedangkan

bagian quardrature dikalikan dengan sinyal sinus. Dalam pentransmisian data,

kedua bagian tersebut digabungkan, menurut persamaan 3.1 berikut:

.....................(3.1)

Berikut merupakan blok diagram modulasi dari QAM dengan frekuensi

carrierf0dan Htrespon frekuensi dari filter transmisi.

Gambar 3.6 Modulator QAM

Modulasi QAM memiliki keuntungan dari segi kecepatan dalam transmisi

data dan efisien dalam penggunaan bandwidth. Hal ini dikarenakan banyaknya



6/14

24

jumlah bit informasi yang diwakilkan oleh satu simbol. Makin tinggi orde

modulasinya, makin cepat transmisi datanya. Namun, seiring dengan makin

tingginya orde modulasi, modulasi ini makin sensitif terhadap noise.

3.1.4 IFFT

Parameter subkanal OFDM menggunakan parameter pada mobile wimax.

Lebar masing-masing kanal bandwidth adalah 10 MHz. Dengan terdiri dari 256

subcarrier yang akan menjadi subkanal dengan frekuensi carrier antara 3400-

3600 MHz atau terletak pada band frekuensi 3.5 GHz. Setiap subkanal,

dimodulasi dengan IFFT sehingga data sekarang direpresentasikan dalam time

domain. IFFT dan juga FFT pada receiver merupakan komponen utama dalam

sistem OFDM. Operasi pemetaan linier antara data simbol kompleks dan simbol

OFDM komlpleks akan menghasilkan sebuah ketahanan terhadap kanal multipath

Fading. Simbol kompleks OFDM hasil IFFT ini kemudian digabungkan kembali

menjadi serial.

3.1.5 Cyclic Prefix

Tujuan utama penambahan cyclic prefix pada data adalah untuk

mempertahankan properties ortogonalitas sinyal selama durasi waktu tertentu.

Selain itu, Inter Simbol Interference (ISI) dan Inter channel interference (ICI)

dapat dicegah dengan menambahkanguard intervalpada awal frame.

Gambar 3.7 Penambahan Cyclic prefixpada frame

Gambar 3.7 memperlihatkan struktur frame setelah ditambahkan Cyclic

prefix. Cyclic prefix ditambahkan pada awal frame dan diperoleh dari beberapa

sampel simbol OFDM.



7/14

25

3.1.6 Upsampling

Upsampling merupakan proses peningkatan sampling rate dari sebuah

sinyal. Up-sampling pada sistem MIMO OFDM diperlukan untuk meningkatkan

akurasi sinkronisasi dan estimasi kanal. Berbeda dengan proses upsampling pada

umumnya yang menyisipkan zeros diantara bit informasi, pada simulasi ini,

upsampling yang digunakan adalah dengan mengulang masing-masing simbol

sebanyak n kali, dimana n adalah faktor upsampling nya.

3.1.7 Upconversion

Up-conversionbertujuan untuk memudahkan transmisi simbol kompleks.

Bagian real dan imajiner di-up-conversi menggunakan dua carrier yang saling

ortogonal (sinus dan cosinus). Sinyal hasil up-conversi terbagi menjadi bagian

sinyal inphase (I) dan quardrature (Q). Kedua sinyal ini kemudian dijumlahkan

untuk dikirim melalui transmitter. Up-conversion disini menggunakan

intermediate frekuensi Fi= 10 KHz.

Selanjutnya, sebelum sinyal dikirim melalui antena transmitter, sinyal

dikalikan dengan matriks V sebagaimana terlihat pada gambar 3.8, dimana

matriks ini berfungsi sebagaiprefilterbagi sinyal informasi. Hal ini dimaksudkan

untuk mendapatkan simbol-simbol yang akan dipancarkan melalui masing-masing

antena transmitter.Penggunaan prefilter dengan matriks V ini berkaitan dengan

penggunaan Singular Value Decomposition pada kanal MIMO. Matriks V juga

sering disebut sebagai vektor singular kanan dari matriks respon kanal H. Idenya

adalah agar masing-masing kanal dapat memaksimalkan kapasitas kanal secara

independen terhadap kanal yang lainnya. Selain itu kanal juga dapat digunakan

pada rate yang optimum, independen terhadap kanal spasial yang lain sehinggadapat meningkatkan throughput keseluruhan sistem.



8/14

26

Gambar 3.8. PrefilterV transmitterMIMO berbasis SVD

3.2 Kanal Transmisi

3.2.1. SVD

SVD (Singular Value Decomposition) merupakan suatu metoda untuk

mendiagonalisasi suatu matriks dan mendapatkan nilai eigennya. Jika kolom dan

baris dari matriks Hadalah independen satu terhadap yang lainnya, maka dengan

menggunakan metode faktorisasi SVD, matriks kanalnya dapat didekomposisi ke

dalam bentuk perkalian dari tiga matriks berikut

H = U Vh

..(3.2)

U dan V adalah matriks unitaris non singular ortogonal dengan nilai absolut 1,

dimana transposenya merupakan invers dari matriks itu sendiri. Vh

adalahhermit

atau transposisi kompleks konjugasi matriks unitaris V. Umemiliki dimensi R x R

dan dibentuk oleh vektor eigen ortonormal matriks korelasihHH , vektor kolom

ortogonalnya memuat vektor kiri singular matriks H. Vmemiliki dimensi T x T

dibentuk oleh vektor eigen orthonormal matriks korelasi HHh , vektor kolom

ortogonalnya memuat vektor singular kanan matriks H. adalah matriks

diagonal berdimensi R x T yang entri-entrinya adalah nilai singular matriks H

pada diagonal utama, dimana elemennya bernilai positif atau nol.

1 k 21 n 2 ..(3.3)

1 k 2



9/14

27

1 n 2 (3.4)

....................................(3.5)

Melalui SVD ini, suatu matriks didiagonalisasi, dimana hal ini berarti

tercipta sub kanal spasial MIMO 2x2 secara terpisah dan independent [9]. Nilai

singular pada matriks diagonal merupakan akar pangkat dua dari nilai eigen

matriks:

D = H*H

H,1 dan H,2merupakan nilai eigen dari matriks D, yang menggambarkan channel

gain.Vektor Vi dari matriks VH merupakan transmit weight factor untuk

eksitasi dari nilai singular i dan receive weight factor adalah matriks Ui* pada

matriks UH. Dengan demikian, kanal independent menjadi:

....(3.6)

....(3.7)

Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, bahwa data informasi (x)

dipremultiplikasi dengan prefilter V dan nantinya, pada receiver akan terjadi

perkalian sinyal yang diterima (y) denganpostfilterUh

. Dengan demikian, secara

umum, prinsip kerja MIMO OFDM berbasiskan SVD dapat dituliskan sebagai

berikut:

HVxy .............................................(3.8)

yUy h~ ....................................................(3.9)

Dengan demikian, sinyal yang diterima setelahpostfilter, adalah:

HVxUy h~

))(( VxVUU hh

UVxVUU hhh

~~

xy ...(3.10)

Selanjutnya, dengan membagi persamaan diatas dengan nilai eigen matriks

, pada sisi akhir receiver, didapatkan kembali sinyal informasi yang dikirimkan.



10/14

28

3.2.2 AWGN dan Fading

Fadingmerupakan karakterisktik utama dalam propagasi radio bergerak.

Fadingdapat didefinisikan sebagai perubahan fase, polarisasi dan atau level dari

suatu sinyal terhadap waktu. Definisi dasar dari fadingyang paling umum adalah

yang berkaitan dengan mekanisme propagasi yang melibatkan refraksi, refleksi,

difraksi, hamburan dan redaman dari gelombang radio.

Fenomenafading yang terjadi dapat dimodelkan secara matematis menurut

distibusi Rayleigh, dan lebih dikenal dengan Rayleigh Fading Model. Pemodelan

dengan Rayleigh Fadingsering dipakai bila lingkungan dari propagasi yang ada

memiliki banyak objek sehingga akan menghamburkan sinyal sebelum sampai di

penerima. Pada simulasi ini, Rayleigh Fading Model digunakan untuk

menjelaskan perubahan waktu dari selubung sinyalfadingdatar (flat Fading) yang

diterima, atau selubung dari satu komponen multipath. Telah diketahui bahwa

selubung dari jumlah antara dua sinyal derau gaussian membentuk distribusi

Rayleigh.

Distribusi Rayleigh mempunyai fungsi kerapatan probabilitas (probability

density function- pdf) diberikan oleh persamaan 3.11 berikut [10][11]:

. ( 2.8)

...............................(3.11)

dengan 2

merupakan daya rata-rata sinyal yang diterima terhadap waktu sebelum

deteksi tegangan (envelope) dan r nilai mean

Pada simulasi ini, juga digunakan kanal Gaussian, yaitu kanal yang

dipengaruhi oleh Additive White Gaussian Noise(AWGN). AWGN adalah suatu

derau thermal yang merusak sinyal dalam bentuk aditif. Artinya, derau ini

ditambahkan ke dalam sinyal utama yang memiliki kepadatan spektrum daya yang

sama untuk semua daerah frekuensi. Kanal ini tidak memperhitungkan faktor-

faktor perusak sepertifading, sehingga bisa disebut kanal ideal [10][11] .

AWGN dan rayleighFading digunakan untuk merepresentasikan kanal

transmisi yang sesuai dengan kanal transmisi sebenanrnya. Gangguan AWGN

divariasikan dengan parameter Signal to Noise Ratio (SNR) dan gangguan

rayleigh fading divariasikan dengan parameter kecepatan gerak relatif mobile



11/14

29

stationdengan base station (v). Variasi kecepatan gerak juga merupakan variasi

pergeseran maksimum frekuensi Doppler (Doppler shift). Nilai realistik untuk

DopplerShiftadalah antara 4 Hz untuk gerak lambat (pedestrian) hingga 80 Hz

untuk gerak sangat cepat (fullmobility). Keadaan multipathjuga direpresentasikan

oleh gangguan rayleighFading. Keadaan multipath ini digambarkan memiliki 3

path yang datang dengan waktu tunda yang berbeda-beda. Delayspread untuk

keadaan multipath ini adalah 4.10-8 detik dan termasuk delayspread untuk

keadaan indooryang bernilai antara 1. 10-7detik hingga 1. 10-9detik. Gainuntuk

setiappathyang datang biasanya bernilai antara -20 dB hingga 0 dB.[12]

3.2.3 Least Square

Least squaredigunakan untuk mengestimasi respon kanal sistem. Estimasi

kanal digunakan untuk mendapatkan nilai matriks respon kanal H. Estimasi kanal

dilakukan pada frame pertama yang berisikan training sequence. Pada

transmitter, dilakukan frame packing dimana frame pertama akan berisikan

training sequence, sedangkan frame selanjutnya berisikan data informasi beserta

guard interval (Cyclic prefix). Penyusunan ini akan mempermudah pemrosesan

data, dimana sebelum memroses data informasi, dilakukan estimasi kanal terlebih

dahulu.

Sebelum diestimasi, sistem menggunakan suatu matriks kanal H yang

sudah didefinisikan, namun nilai dari matriks kanal tersebut tidak diketahui.

Disini, least square bertujuan untuk mendapatkan nilai matriks respon kanal

tersebut.

3.3

ReceiverBlok diagram dari sisi receiver diilustrasikan pada gambar 3.8. Pada

gambar 3.8 tersebut, terlihat tahap-tahap permrosesan sinyal, mulai dari

penerimaan sinyal oleh antena penerima, sampai diperolehnya kembali data

informasi.



12/14

30

Data Sink P/S

P/SDeinterleaver DemodulatorChannel

Decoder

CP

Deletion

Down

sample

ProjectiononUh

FFT Down

conversion S/P

P/SDeinterleaver Demodulator

Channel

Decoder

CP

Deletion

Down

sampleFFT

Down

conversion S/P

P/SDeinterleaver DemodulatorChannelDecoder

CPDeletion

Downsample

FFT Down

conversion S/P

MIMO dan Channel Decoder OFDM Demodulator Downconverter Post-filter (SVD)

Rx1

Rx2

Rxn

Gambar 3.9 Model receiversistem yang disimulasikan

Pada receiver, sinyal yang diterima melakukan perlakuan yang merupakan

kebalikan dari proses pada transmitter. Karena menggunakan operasi SVD, maka

simbol yang diterima oleh antena penerima akan diteruskan terlebih dahulu ke

postfilter untuk dikalikan dengan vektor kolom ortogonal matriks demultipleks

hU , yang juga sering disebut sebagai vektor singular kiri dari matriks respon

kanal H. Hal ini diilustrasikan pada gambar 3.10.

Gambar 3.10. PostfilterU receiverMIMO berbasis SVD

3.3.1. Down-Conversion

Sinyal dari antena penerima merupakan sinyal passband. Untuk

pemrosesan pada sisi penerima, maka sinyal ini dikonversi menjadi sinyal

baseband.



13/14

31

3.3.2 Down sampling

Selanjutnya, sinyal di-down sample dengan rate yang merupakan

kebalikan dari rate upsampling pada transmitter. Dengan demikian, rate untuk

down samplingadalah 1/L (1/4), karena pada sisi transiter ratedari upsampling

adalah 4.

3.3.3. Penghapusan cyclic prefix

Proses merupakan penghapusan cyclic prefix yang sebelumnya

ditambahkan pada sisi transmitter.

3.3.4 FFT

Data ditransmformasikan kembali ke frekuensi domain menggunakan

fungsiFast Fourir Transform(FFT) yang merupakan kebalikan dari fungsi IFFT.

3.3.5 Demodulasi

Dengan demodulasi, simbol ditransformasikan kembali ke dalam bentuk

bits, tergantung jenis modulasi yang digunakan pada sisi transmitter. Sebelum

didemodulasi, terlebih dahulu dilihat konstelasi dari sinyal yang diterima.

3.3.5.1 Demodulasi QPSK

Proses demodulasi ini merupakan kebalikan dari proses modulasi pada sisi

transmitter. Setiap simbol dipetakan kembali menjadi bit bit informasi, seperti

terlihat pada gambar 3.9 berikut:

Gambar 3.11 Demodulator QPSK



14/14

32

3.3.5.2 Demodulasi QAM

Demodulasi dilakukan dengan konsep demodulator ASK yang kemudian

masing masing bit stream digabung kembali menjadi satu bit stream sinyal

informasi. Pada praktiknya, terdapat phase delay antara transmitterdan receiver

yang nantinya dapat diatasi dengan menggunakan synchronization pada bagian

receiver. Pada aplikasi mobile, terdapat efek Doppler shiftyang menggeser nilai

frekuensi asli pada transmitter, sehingga diperlukan adanya tuning pada

komponen kosinus dan sinus yang memerlukan phase reference dengan

menggunakanphase lock loop.

Gambar 3.12 Demodulator QAM

3.3.6. Deinterleaver

Merupakan proses yang berkebalikan dengan interleaver, dimana bits akan

mengisi matriks kolom per kolom. Output dari deinterleavermerupakan matriks

baris.

3.3.7 Convolutional decoder

Decoderakan membentuk algoritma Viterbi decodinguntuk menghasilkan

bit data informasi dari bit yang dikodekan.


Documents

digital_126630-R0308117-Spatial multiplexing-Metodologi.pdf