1

IMPLEMENTASI SISTEM KOMUNIKASI MIMO-OFDMSKEMA STBC ALAMOUTI BERBASIS WIRELESS OPEN

ACCESS RESEARCH PLATFORM (WARP)

Mahmud Idris 1, Titiek Suryani 2, Suwadi 3

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik IndustriInstitut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Surabaya, Indonesia 60111Email: 1) Mahmud13@mhs.ee.its.ac.id, 2) titiks@ee.its.ac.id, dan 3) suwadi@ee.its.ac.id

Abstrak- Pada sistem komunikasi wireless/ nirkabel pita lebar terdapatdua permasalahan yang harus diatasi yaitu kanal fading lintasan jamakdan efisiensi spektrum. Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) merupakan teknik transmisi multi-carrier yang dapatmengefisienkan bandwidth, dimana tiap frekuensi saling orthogonalsehingga memungkinkan overlapping antar spektrum sinyal pesan.Selain itu, OFDM dapat meminimalisasi bit error akibat kanal multipathfading frekuensi selekti. Sedangkan, teknik Multi-Input-Multi-Output(MIMO) memungkinkan terdapat kanal paralel independen dalamdomain spatial dengan menggunakan skema space-time block code(STBC) alamouti akan diperoleh transmisi yang hadal dengan kecepatandata yang tinggi. Pada penelitian ini dilakukan implementasi sistemMIMO-OFDM dengan skema STBC Alamouti 2x2 pada wireless openaccess research platform (WARP), WARP termasuk dalam perangkatSDR (Software Defined Radio). SDR merupakan sistem pemancar danpenerima yang menggunakan pemrosesan sinyal digital untuk coding,decoding, modulasi dan demodulasi data. Kinerja sistem di ukur padakondisi lingkungan indoor dan outdoor dengan menggunakan skemaline-of-sight (LOS). Hasil dari pengukuran menunjukkan nilai pada BER= 10-3 didapat penghematan daya dBm pada sistem MIMO-OFDM. Padalingkunagan indoor Sistem MIMO-OFDM memiliki keunggulan -8,5dBm dan pada saat outdoor sistem MIMO-OFDM memiliki keunggulan11,5 dBm dari teknik MISO-OFDM.

Kata Kunci: OFDM, MIMO, STBC, Transmit Diversity,Multicarrier, BER.

PENDAHULUANPada sistem komunikasi nirkabel (wireless), transmisi sinyal daripemancar ke penerima tidak bisa dihindarkan dari gangguan dannoise yang terdapat pada lingkungan sekitarnya atau dalamsistem komunikasi dinamakan adanya sinyal interferensi danfading. Salah satu tenik yang bisa digunakan untuk mengatasimultipath fading adalah OFDM. OFDM merupakan teknikmodulasi multicarrier, suatu teknik yang menggabungkanmodulasi dengan multiplexing dimana antara subcarrier yangsatu dengan yang lain saling tegak lurus (ortoghonal), Denganadanya sifat ortoghonal maka subcarrier yang berdekatan dapatdibuat tumpang tindih (overlapping) sehingga tidakmenimbulkan efek intercarrier interference (ICI). Penggunaanbandwidth akan menjadi lebih efisien. Kanal yang semulabersiafat frequency selective fading dengan penggunaan OFDMakan dirasakan seperti kanal flat fading oleh masing-masingsubcarrier, sehingga pengaruh kanal multipath fading yangmengakibatkan distorsi berkurang [1], Selain itu, system OFDMdapat dikombinasikan dengan antena jamak MIMO yang akanmeningkatan kualitas sinyal yang bagus dengan data rate yangtinggi dapat mengefisienkan daya dan bandwidth. MIMO

merupakan solusi dalam komunikasi nirkabel untukmengirim data secara paralel tanpa perlu menambahjumlah bandwidth, Yang prinsip kerjanya memperbanyaksinyal informasi yang di pancarkan untuk meningkatkankenerja sistem komunikasi dan mengurangi error yangdapat terjadi akibat kanal transmisi. Semakin banyakantena yang digunakan pada bagian pengirim danpenerima, maka SNR dapat diperoleh secara maksimalsehingga akan diperoleh nilai BER yang kecil [2], denganmenggunakan skema STBC Alamouti yaitu skemapengkodean spacetime menggunakan 2 antena pemancardan 2 antena penerima. STBC adalah teknik yangmengandalkan kode orthogonality, sehingga korelasiantara antena akan sangat kecil dan memiliki kualitasyang lebih baik dari pada sistem tanpa menggunakanSTBC maka dapat mengurangi error [3].

Pada paper ini akan dilakukan Implementasi sistemkomunikasi MOMO-OFDM STBC alamouti denganmodulasi QPSK yang perancangan sistem menggunakanmatlab dan di implementasikan pada SDR yaitu WARP,Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui danmeanalisis kinerja teknik MIMO-OFDM yang dibandingan dengan sistem MISO-OFDM Keluaran yangakan di teliti adalah perbandingan nilai bit error rate(BER) vs daya pancar dalam kedaan indoor.

1. DASAR TEORI

a. OFDMOFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)merupakan suatu teknik multiplexing yang membagi-bagibandwidth menjadi beberapa frekuensi sub-carrier.OFDM merupakan bentuk khusus dari multi-carriermodulation. Secara umum, diagram blok transmisisederhana OFDM adalah seperti ditunjukan pada gambar1 berikut:

AWGN

Bite Stream

Inpurdata

SimbolMapping(QPSK)

Serial toparalel

(s/p)IFFT

PrefixInsertion

Paralelto Serial

(p/s)DAC

RFTx

Inpurdata

SimbolMapping(QPSK)

Paralelto Serial

(s/p)IFFT

PrefixRemoval

Serial toParalel

(p/s)ADC

RFTx

WirelessChannel

+

Gambar 1. Blok diagram sistem OFDM

2

Pemancar dalam sistem OFDM terdiri dari masukan,pemetaan, serial-paralel, Inverse Fast Fourier Transform (IFFT),dan pengubah paralel to serial. Data masukan yang berupa dataserial akan dimodulasi menggunakan teknik modulasi M-PSK.Data yang telah dimodulasi kemudian diubah ke dalam bentukparalel pada blok serial to paralel dengan menghasilkan simbol-simbol secara paralel.

Simbol-simbol dalam bentuk paralel tersebut akandilewatkan ke blok IFFT untuk menghasilkan simbol-simbolOFDM yang saling orthogonal satu sama lain. Konseporthogonal adalah dengan membuat luas area positif samadengan area negatif atau hasil integral dari sinyal tersebut adalahnol[4]. = sin sin( )

Diturunkan menjadi:

= 12 ( − ) − 12 cos[( + ] }Dimana:

dan = kostanta sinyal yang saling tegak lurus= 2 ; f = frekuensi sinyal carrier (Hertz)

Luas daerah (LA) dinyatakan dengan persamaan :

= 12 {cos[( − ) } − 12 {cos[( + ) }Jika luas daerah adalah 0, maka sin ( ) dan sin ( )

saling orthogonal untuk nilai m dan n adalah integer. Kemudianpassband dan baseband sinyal OFDM data time domain dapatdinyatakan sebagai berikut:

= Re 1 Ψ , ( )= ( )

b. MIMO STBC AlamoutiMultiple Input Multiple Output (MIMO) merupakan carapengiriman data degan menggunakan antena jamak pada sisipengirim dan sisi penerima. Teknik MIMO dengan beberapaantena pemancar Txn dan antena penerima Rxm, serta matrikskanal hmn. Prinsip dari MIMO adalah memecah deretan simbolyang akan dikirimkan menjadi beberapa paralel deretan simbol,yang kemudian ditransmisikan secara bersamaan denganbandwidth yang sama untuk meningkatkan kemampuankomunikasi dan mengurangi error yang dapat terjadi akibatkanal transmisi [5].

Skema transmisi Space Time Block Code (STBC) merupakanskema transmisi yang diperkenalkan oleh Alamouti pada tahun1998. Space Time Block Code (STBC) adalah skema yangdigunakan dalam teknik transmit diversity untuk mencapaidiversity gain pada sistem MIMO.

Gambar 2. MIMO STBC Alamouti 2x2Pada saat t, Tx1 memancarkan sinyal S1 dan Tx2

memancarkan sinyal S2, kemudian saat t+1, Tx1memancarkan sinyal –S2* dan Tx1 memancarkan sinyalS1*. Tanda * merupakan operasi konjugat.

∗ ∗Sinyal yang diterima antena :saat : = ℎ + ℎ +saat + : = ℎ ∗ + ℎ ∗ +Sinyal yang diterima antena :saat : = ℎ + ℎ +saat + : = ℎ ∗ + ℎ ∗ +

Sinyal-sinyal yang diterima pada saat t dan t+T,setelah dilakukan estimasi kanal, akan dikombinasikanuntuk mendapatkan data yang sesuai dengan dataterkirim. Untuk mendapatkan simbol s0 dilakukan prosesterhadap sinyal-sinyal terima sesuai dengan persamaanberikut:= ℎ∗ − ℎ∗ ∗ = + + ℎ∗ + ℎ∗ ∗= ℎ∗ − ℎ∗ ∗ = + + ℎ∗ ∗ + ℎ∗

2. METODE PENELITIAN

a. MIMO-OFDM SKEMA STBC ALAMOUTIPADA WARP

Untuk blok diagram sistem MIMO-OFDM STBCalamouti pada WARP dapat diperlihatkan pada Gambar 5,data masukan berupa deretan digit bit acak yaitu satu (1)dan nol (0). Bit-bit kemudian di memodulasikan menjadisatu simbol M-ary, Modulasi yang digunakan quadraturephase shift keying (QPSK) setiap dua bit informasi dimapping menjadi satu simbol. Mapping bit informasidapat dilihat pada gambar 3 dan tabel 1 dimana ketentuanurutan bit left-MSB, modulasi menghasilkan deretansimbol dalam bentuk serial yang kemudian diparalelkansebanyak N buah subcarrier.

Gambar 3. Blok modulator QPSK

Tabel 1.Mapping modulasi QPSK

Bit Info(left-msb)

SimbolNilai

Simbol1+j0 00 1+j00+j1 01 0+j1-1+j0 11 -1+j0

3

1-j1 10 1-j1

Simbol yang telah di modulasi di encoder menggunakanencoder space time block code (STBC) Alamouti sebelumdikirim melalui dua antena bersamaan, hasil encoder STBCseperti pada gambar 3, simbol-simbol yang telah di modulasidisisipi pilot pada semua subcarrier-nya sepanjang satu simbol,pilot disisipkan pada time-slot pertama pada masing-masingantena.

Gambar 3. Simbol encoder STBC dua antena

Kemudian data disisipi pilot, dimna Satu pilot mengetimasinilai respon kanal dari semua simbol yang dikirim. Simbol-simbol yang telah disisipkan pilot akan di proses oleh IFFTsebanyak M buah subcsrrier (sesuai dengan size FFT sebanyakM buah subcarrier sehingga dihasilkan simbol-simbol OFDMdalam domain waktu dengan ukuran 64 yang berisi 48 data, 4pilot dan yang lainnya kosong. Setelah proses IFFT selanjutnyadisisipkan cyclic prefix (CP) dengan ukuran ¼ dari satu simbolOFDM dimana satu simbol berukura 16, kemudian di tambahkanpreamble pada deretan simbol untuk masing-masing spacedomain di setiap masing-masing antenna. Penambahan preambledapat di lihat pada gambar 5. Simbol yang telah di tambahpreamble kemudian di upsample di setiap simbol kemudain difilter menggunkan filter square root raised cosine (SRRC), hasildari SRRC di upconvert ke frekuensi 5 MHz. kemudian sinyaldinormalisasi untuk mengoktimalkan Digital to AnalogConverter (DAC) yang terdapat pada test-bed WARP sehinggasinyal sinyal menjadi sinyal analog dengan range +1 dan -1.Sinyal kemudian di kirim ke buffer WARP. WARPmentransmisikan sinyal menggunakan kanal real dari nodetransmitter ke node receiver.

Pilot Insertion

Serial toparalel

(s/p)

AlamoutiA

Modulation(QPSK)

Modulation(QPSK)

IFFT-A

AlamoutiB

IFFT-B

Add CPParalel

to Serial(s/p)

PreambleInsertion

InterpolateWARPNode 1

Laptop dengan WARPlabv.7.1.0

Pilot

Phase errorEstimation

AlamoutiA

Demoodulation(QPSK)

Sink data

IFFT-A

AlamoutiB

IFFT-B

RemoveCycliePrefix

RemovePreamble& Serial

to Paralel(s/p)

LTSCorrelation

DecimateWARPNode 2

Laptop dengan WARPlabv.7.1.0

ChannelEstimation

Gambar 4. sistem MIMO-OFDM STBC alamouti 2x2 padaWARP

Proses pada penerima adalah kebalikan dari proses yangdilakukan pada pemancar, sinyak yang diterima diubah ke digitalmenggunakan ADC kemudian di teruskan ke buffer kemudiansinyal di matched filter untuk mengembalikan sinyal ke bentukpulsa raised cosine seperti pada transmitter, kemudian sinyaldilakukan sinkronisasi preamble dengan memilih nilai korelasitertinggi antara sample preamble yang di pemancar dengansample sinyal keluaran matched filter di penerima. Dimana nilaikorelasi tertinggi menunjukan posisi awal dari preamble.

Kemudian awal preamble di tambah dengan panjangsample preamble untuk mengetahui posisi awal deretandata (pilot dan simbol). Deretan data yang telah diketahuidi down-sample, kemudian dilakukan estimasi kanal danmenetukan awal dari frame OFDM yang pertama didapatpada penerima dengan melakukan cross correlationantara preamble yang di penerima dengan LTS padapemancar [6]. Rumus untuk persamaan cross correlation:

= ( ∗ + + ) ∗( ∗ + )Dimana adalah keseluruhan preamble pada

penerima, merupakan satu buah LTS, merupakanpanjang data OFDM dan merupakan jumlah dari LTSyang di cross correlation. Setelah itu dilakukan prosesmenghapus nilai CP sebelum diubah menjadi bentukserial dan selanjutnya Sampel yang diterima dalamdomain waktu didemodulasi oleh FFT sehinggadihasilkan simbol-simbol OFDM dalam domain frekuensiSetelah proses FFT dilakukan maka langkah selanjutnyayaitu proses equalizer dimana proses ini bertujuan untukmengatasi nilai magnitudo dan respon fasa yang rusak[7]. Untuk mengatasi nilai magnitude menggunakanhasil dari cross-corelation sementara untuk mengatasirespon fasa menggunakan pilot. Setelah proses equalizer,maka data informasi akan melalui proses demodulasisehinggga didapatkan kembali deretan bit yangdikirimkan oleh pemancar.

b. Estimasi KanalProses estimasi kanal ini dilakukan dengan menyisipkanpilot pada data yang ditransmisikan. Penyusunan letakpilot yang digunakan untuk melakukan estimasi kanal adadua tipe, yaitu susunan tipe blok dan susunan tipe comb.Pada penelitian ini hanya digunakan penyusunan pilot tipecomb dengan metode cross correlation bertujuan untukmelakukan estimasi kanal dan juga menetukkan awaldari frame OFDM yang pertama. Setiap symbol OFDMmemiliki symbol pilot pada subcarrier-subcarrier yangditempatkan secara periodic, yang mana digunakan

untuk interpolasi dalam domain frekuensi untuk estimasikanal sepanjang sumbu frekuensi. Tipe susunan Pilot inicocok untuk kanal fast fading tetapi tidak untuk kanalfrequency selective. Susunan pilot tipe comb digambarkanseperti gambar 5.

Gambar 5. Susunan simbol (a) sebelum disisipi simbolpilot (b) setelah disisipi simbol pilot tipe comb

c. Parameter PengukuranDalam sistem MIMO-OFDM STBC alamouti digunakanbeberapa parameter untuk dapat menjalankan sistem

S0 -S1* S2 -S3

* . . . S(n-1) -S1*

S1 S0* S3 S2

* . . . Sn -S(n-1)*

4

tersebut pada WARP Parameter yang digunakan seperti padaTabel 2.

Tabel 2.Parameter pengukuran

Parameter Nilai

Bit rate 24 MbpsQPSK Symbol rateper carrier (baudrate)

12 MBd

Jumlah subcarrier 64 (48 data + 4 p ilot)OFDM symbol rate 250 kBdRatio cyclic prefix 25 %Bit Terkirim 16384 bitJarak node Tx dan Rx BervariasiSetting Gain padaWARP:- Tx Baseband:- Tx RF:

- Rx Baseband:- Rx RF:

30- 60 ( -35 d Bm s/d -4.7 d Bm)222

Jenis Obstacle Jaring - jaring kawat

3. Hasil PengukuranPengukuran kenerja sistem dibandingkan dalam dua kondisi

pengukuran yang berbeda yaitu pada kondisi indoor dan outdoordengan skema line-of-sight. Hasil pengukuran-pengukuran yangdilakukan bertujuan untuk menganalisis performance dari sistemMIMO-OFDM STBC alamouti yang dibandingkan dengansistem MISO-OFDM STBC alamouti. Parameter yangdigunakan dapat dilihat pada tabel 2.

Hasil pengukuran indoor dan outdoor pada jarak 4 meterdalam kondisi LOS. Pada kondisi indoor diperlihatkan padagambar 6. Dapat dilihat. Pada gambar tersebut terlihat denganjelas bahwa kenerja sistem MIMO-OFDM lebih baik jika dibandingkan dengan MISO-OFDM karena saat daya pancar -22.9375 dBm nilai BER untuk sistem MIMO-OFDM sudah 0sedangkan sistem MISO-OFDM bernilai 2.8x10-2. pada saatoutdoor tidak jauh berbeda dengan kondisi indoor. Kondisioutdoor dapat dilihat pada gambar 7.

Gambar 6. Pada kondisi Indoor

Gambar 7. Pada kondisi outdoor

Sementara untuk perbandingan kondisi indoor danoutdoor untuk sistem MIMO-OFDM tidak jauh berbedameskipun untuk daya pancar -27.5 dBm nilai BER untukindoor 5.21x10-3 dan pada saat outdoor bernilai 1.146x10-

2. Hal ini terjadi bisa dikarenakan pada saat indoorterdapat obstacle yang ada dalam ruangan.

4. KESIMPULANPada sistem MIMO-OFDM STBC alamouti yang

diimplementasikan pada WARP sangat di butuhkanproses estimasi kanal pada penerima untuk mengatasierror pada kanal real. Kenerja MIMO-OFDM dan MISO-OFDM untuk kondisi indoor dan outdoor tidak jauhberbeda. Sementara perbandingan kenerja MIMO-OFDMdengan MISO-OFDM pada saat kondisi indoor danoutdoor tampak jelas perbandingannya contoh saat indoorsistem MIMO-OFDM lebih baik jika di bandingkandengan MISO-OFDM karena saat daya pancar -22.9375dBm nilai BER untuk sistem MIMO-OFDM sudah 0sedangkan sistem MISO-OFDM bernilai 2.8x10-3, danoutdoor sistem MIMO-OFDM daya pancar -14.5 dBmnilai BER bernilai 0 untuk sistem MISO-OFDM bernilai5.21x10-3. Dari pengukuran tersebut teknik MIMO-OFDM dapat dikatakan memiliki kenerja yang baik untukditerapkan.

DAFTAR PUSTAKA

[1]Uma Shanker Jha and Ramjee Prasad. OFDM TowardsFixed and Mobile Broadband Wireless Access. ArtechHouse. London. 2007.

[2] Gesbert, David et al. From Theory to Practice: AnOverview of MIMO Space-Time Coded WirelessSystems. Tutorial Paper. IEEE Journal On SelectedAreas In Communication. Oslo University. Norway.21:p. 3. 2003.

[3] SM, Alamouti. A simple transmit diversity techniquefor wireless communications. IEEE Journal onSelected Areas in Communications. 16:p. 1451-1458.1998.

[4] Hwang, Taewon., Chenyang Yang., Gang Wu.,Shaoqian Li., Geoffrey Ye Li., “OFDM and ItsWireless Applications: A Survey”, IEEE TransactionsOn Vehicular Technology, vol. 58, no. 4, Mei 2009

-35 -30 -25 -20 -15 -1010-4

10-3

10-2

10-1Kurva Implementasi Sistem Komunikasi MIMO-OFDM STBC Alamouti

TX RF output(dBm)

BE

R

MIMO-OFDM 01:00 s/d 07:00MIMO-OFDM 01:00 s/d 07:00MISO-OFDM 01:00 s/d 07:00

-35 -30 -25 -20 -15 -1010-4

10-3

10-2Kurva implementasi Sistem Komunikasi MIMO-OFDM STBC Alamouti

TX RF output(dBm)

BE

R

MIMO-OFDM 01:00 s/d 07:00MIMO-OFDM 01:00 s/d 07:00MISO-OFDM 01:00 s/d 07:00

5

[5] Ezio Biglieri, et al, “MIMO WirelessCommunications,” Cambridge University Press,New York, 2007.

[6] Hwang, Taewon., Chenyang Yang., Gang Wu., ShaoqianLi., Geoffrey Ye Li., “OFDM and Its WirelessApplications: A Survey”, IEEE Transactions On VehicularTechnology, vol. 58, no. 4, Mei 2009

[7] Vercimak, Luke., Karl Weyeneth., “Software DefinedRadio”, Bradley University.