ANALISA KINERJA SISTEM TRANSMIT DIVERSITY DALAM MENTRANSMISIKAN DATA CITRA DIGITAL PADA KANAL RAYLEIGH DAN RICIAN FADING

Analisa Kinerja Sistem Transmit Diversity …

Diafari Djuni, Aswin Hendra

ANALISA KINERJA SISTEM TRANSMIT DIVERSITY DALAM MENTRANSMISIKAN DATA CITRA DIGITAL PADA KANAL RAYLEIGH DAN RICIAN FADING

I G. A. K. Diafari Djuni H., I Putu Gede Aswin Hendra S Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Udayana

Kampus Bukit Jimbaran, Bali, 80361 Email: igakdiafari@ee.unud.ac.id

Abstrak

Pengiriman data atau informasi saat ini tidak lagi hanya dalam bentuk teks, tetapi juga dapat berupa gambar (citra). Citra sebagai suatu komponen multimedia memegang peranan penting dalam sistem komunikasi khususnya informasi visual. Dalam proses pengiriman informasi sering mengalami gangguan salah satunya adalah fading. Untuk mengurangi efek dari fading dapat dilakukan dengan teknik diversitas atau sering disebut diversity. Analisa dilakukan dengan memperhatikan kinerja sistem transmit diversity dalam mentransmisikan data berupa citra digital pada kanal Rayleigh dan Rician fading . Selain itu juga dilakukan perbandingan kinerja sistem transmit diversity 2 pemancar dan 2 penerima dengan SISO, serta variasi antenna 1 pemancar 2 penerima dan 2 pemancar 1 penerima. Parameter jaringan yang diujikan adalah parameter SNR, BER, dan PSNR dimana dalam penelitian menggunakan perangkat lunak Matlab. Dari hasil analisa diperoleh bahwa jika di tinjau berdasarkan perbandingan nilai BER dan SNR maka sistem transmit diversity 2Tx 2Rx memiki kinerja yang lebih baik dibandingkan dengan teknik SISO maupun dengan sistem dengan 1Tx 2Rx dan 2Tx 1Rx. Sedangkan dari kondisi kanal yang digunakan, maka sistem transmit diversity 2Tx 2Rx pada kanal Rician dengan K=15 dB memiliki kinerja yang lebih baik dibandingkan Rayleigh dan Rician fading dengan K=-35dB. Untuk nilai PSNR, sistem transmit diversity 2Tx 2Rx menghasilkan citra digital yang terekonstruksi dengan kategori excellent saat SNR=15 dB

Kata Kunci : Citra Digital, Transmit Diversity,Rayleigh dan Rician Fading

• 1.    PENDAHULUAN

Keinginan untuk mendapatkan informasi bukan dalam bentuk teks saja, tetapi bentuk informasi yang lain seperti gambar (citra), suara(audio) dan video. Dengan perkembangan perangkat teknologi multimedia memungkinkan keempat bentuk informasi disajikan secara bersamaan. Citra merupakan informasi yang memegang peranan sangat penting dalam sistem komunikasi yang bersifat visual.

Dalam proses pengiriman suatu data atau informasi dapat terjadi gangguan yang berasal dari luar sistem salah satunya fading. Fading adalah gangguan yang disebabkan karena adanya pantulan, hamburan ataupun redaman sinyal yang dikirimkan akibat adanya benda-benda seperti rumah, gedung, pohon, kendaraan dan benda-benda lainnya antara pemancar dan penerima. Untuk menjelaskan bentuk selubung sinyal pada kanal fading digunakan Rayleigh Fading dan Rice Fading. Fading dapat menyebabkan adanya penurunan kualitas maupun kinerja dari suatu sistem komunikasi.

Meningkatkan kinerja maupun mengurangi efek fading pada sistem komunikasi merupakan suatu keharusan dalam pelayanan telekomunikasi, salah satunya dapat dilakukan dengan teknik diversitas atau sering disebut diversity. Prinsip kerja diversitas adalah menyediakan beberapa replika dari informasi yang sama melalui kanal fading yang berbeda

sehingga kemungkinan terjadinya fading dapat di minimalisasi. Dalam penerapannya teknik diversitas dapat dilakukan dengan dua teknik yaitu diversitas pemancar (transmit diversity) dan diversitas penerima (receive diversity). Kedua teknik tersebut dapat meningkatkan kinerja dari sistem komunikasi tetapi pada diversitas penerima memiliki beberapa kendala diantaranya dimana untuk downlink (dari base station ke user) sangat sulit untuk menempatkan lebih dari dua antena pada alat portabel user yang kecil. Sistem transmit diversity, dapat mennggunakan modulasi M-ary QAM dengan cara mengubah sinyal informasi yang berupa bit-bit dalam bentuk simbol. Jumlah bit dalam simbol tergantung M-ary yang digunakan. Semakin tinggi tingkatan QAM yang digunakan maka semakin banyak bit yang dapat dimuat dalam satu simbol. Dalam penelitian ini akan dianalisis mengenai pengaruh pengiriman informasi berupa citra digital dalam teknik transmit diversity pada sistem komunikasi nirkabel dengan karakteristik kanal fading yang terdistribusi secara Rayleigh.dan Rician dibandingkan dengan teknik yang konvensional (SISO).

• 2.    TINJAUAN PUSTAKA

  • 2.1    Sistem transmit diversity dua pemancar dengan dua penerima

Penggunaan antena jamak pada pemancar dan penerima digunakan untuk memperbaiki kualitas

sinyal yang diterima. Pada kasus tertentu, hal ini memungkinkan untuk menyediakan sebuah jenis diversitas 2M, dengan dua antenna pengirim dan dua M penerima. Sistem ini disebut juga STBC (Space Time Block Codes) karena mengkombinasikan diverisitas spasial dan temporal. Gambar di bawah memperlihatkan suatu ilustrasi sebuah kasus khusus

Gambar 1. Skema baru dengan dua antena pengirim dan dua antena penerima

Tabel 1. Notasi kanal

	rx antenna 0	rx antenna 1
tx antenna 1	h0	h2
tx antenna 2	h1	h3

Tabel 2. Notasi sinyal yang diterima

	rx antenna 0	rx antenna 1
Time t	r0	r2
Timr t + T	r1	r3

Tabel 1 memaparkan kanal diantara antena pengirim dan penerima., dan tabel 2 memaparkan notasi untuk sinyal yang diterima pada dua antena penerima. Pada sistem diversitas pemancar, sinyal yang diterima receiver merupakan penjumlahan dari sinyal yang diterima oleh masing-masing antena. Sinyal yang diterima dalam dua interval symbol yang berdekatan dengan notasi yang diperlihatkan dalam tabel 2.

ro = hoso + hi si + no

r₁ = -h₀ s₁ + h₁ s₀ + n₁

r2 = h2S0 + h3 si + n2

r3 = - h2S1 + h3S0 + n3                           (1)

dua antenna pengirim (transmit) dan dua antenna penerima (receive) [1].

Dimana n0, n1, n2, dan n3 adalah variabel acak kompleks yang memperlihatkan noise thermal dan interferens receiver.

Combiner pada gambar 1 dibuat mengikuti dua sinyal yang selanjutnya dikirim ke maximum likelihood detector. Aturan combiner adalah sebagai berikut: ~

s 0 = h ₀ r₀ + h₁ r₁ + h 2* r₂ + h 3 r₃*

~ *     ***

s 0 = h₁ r₀ - h₀ r₁ + h3 r₂ - h₂ r₃

Dengan mensubtitusi persamaan yang tepat maka:

2222  *   ***

s 0 = (α ₀ + α₁ + α ₂ + α ₃ )s ₀ + h ₀ n ₀ + h₁ n ₁ + h ₂ n ₂ + h ₃ n ₃

(.2. .2. .2. .2       *         *    **

α ₀ + α₁ + α ₂ + α ₃ )s ₁ + h₁ n ₀ - h ₀ n₁ + h ₃ n ₂ - h ₂ n ₃

(3)

Kombinasi sinyal dikirim ke Maximum Likelihood detector. Untuk sinyal s0 digunakan kriteria keputusan seperti persamaan dibawah ini:

(2 + 2 + 2 + 2 -¹)si+^d≈ [s>_i)≤(» + 2 + 2 + 2 -¹W+^d≈ (Xa)

Untuk sinyal s1, pilih si jika:

^{2       2       2       2           2       2} f v       I ^{2       2       2       2}            2       ²1 v v

∣wo + ^αι + α2  i α3    1 Si 1 d 1 s 1.Si 1 ≤ ια0  1 α 1 1 α2 + α3    1 Sk + d I s 1 ∙Sk

(4)

(5)

• 2.2    Kanal Fading

Kanal Fading dipengaruhi oleh dua karakterstik fading yaitu fading dalam skala luas dan skala kecil, Fading skala besar diasumsikan dalam proses yang lambat dan biasanya dimodelkan secara statisitik dengan log normal. Fading dalam skala kecil juga disebut sebagai Rayleigh dan Rician Fading, karena sebagian besar selubung sinyal yang diterima adalah lintasan pantul dan dapat digambarkan dengan fungsi kerapatan probabilitas (PDF) Rayleigh dan Rician.[2]

Amplitudo sinyal yang mengalami fading dapat dimodelkan dengan distribusi Rayleigh dan Rician tergantung dari ada atau tidak nya komponen sinyal specular. Fading bisa disebut Rayleigh,bila lintasan propagasi Line Of Sight (LOS) tidak dominan, sedangkan Rician, lintasan propagasi LOS nya lebih didominan. Amplitudo sinyal fadin pada waktu sesaat ke–i diinyatakan dengan:

(6)

Dimana β adalah amplitude komponen specular dan x_i , y_i adalah proses acak gausian dengan rata-rata 0 dan varian . Perbandingan antara komponen

specular dengan energi yang sebagai factor Rician,

Kondisi terbaik dan terburuk Rician dinyatakan dengan nilai

hilang dinyatakan

(7) dari kanal fading K = ∞ dan K = 0

yang dikatakan sebagai kanal Gausian dan Rayleigh Probability Density Function (PDF) Rice dinyatakan dengan persamaan:

• 2.3    Citra digital

Citra sebagai suatu fungsi real dan dapat diproses dengan komputerisasi, maka suatu citra harus direpresentasikan secara numerik kedalam nilai-nilai diskrit. Citra yang diperoleh dari hasil pengolahan ke dalam nilai-nilai diskrit yang disebut citra digital. Proses digitalisasi citra ada dua jenis yaitu :[5]

• a)    Digitalisasi spasial (x,y) yang sering disebut juga sebagai sampling.Sampling adalah proses untuk menentukan warna pada pixel tertentu pada citra. Pada proses sampling ditentukan warna rata-rata dari gambar analog yang kemudian dibulatkan kedalam bilangan bulat.

• b)    Digitalisasi intensitas f(x,y) sering disebut juga sebagai kuantisasi. Kuantisasi merupakan pengelompokan warna rata-rata yang dapat direlasikan dalam bentuk level warna tertentu.

• 2.4    PSNR

Kualitas citra dapat diukur dengan Peak Signal to Noise Rasio (PSNR). PSNR ditentukan dengan menentukan nilai rata-rata kuadrat dari kesalahan

(MSE – Mean Square Error) terlebih dahulu. MSE (Mean Square Error) merupakan kesalahan rata-rata dari 2 image (citra) yang dibandingkan. Persamaan MSE adalah sebagai berikut [6]

1

MSE =

3mn

3 m-1 n-1

Σ∑∑[I (i, j) i - K (i. J W ’ i=1 i=0 J=0

(10)

dimana :

MSE = Nilai Mean Square Error dari citra

m = panjang citra tersebut (piksel)

n = lebar citra tersebut (piksel)

f_rieffl = ⅛ exp [-(r^z + ^∕2σψo j

(i,j) = koordinat masing-masing piksel

r≥O

(8)

Dimana adalah fungsi Bessel orde ke nol dari

jenis pertama. Bila tidak ada lintasan propagasi yang dominan maka K = 0 dan = 1, sehingga menjadi

I = derajat keabuan citra asli pada koordinat i,j

K = nilai derajat keabuan citra rekonstruksi pada koordinat i,j

Nilai PSNR dihitung dari kuadrat nilai maksimum sinyal dibagi dengan MSE nilai PSNR dalam desibel dapat dihitung dengan persamaan [6]

Probabilitas Density Function Rayleigh dengan persamaan sebagai berikut:

PSNR

10

log ₁₀

A 2 T

MA

( MSE J

Wⁱ=7^eιfH^r^l ^r-°

(9)

dimana :

PSNR

MAX1 MSE

f MAX ₁ ■ ^20log∙0 (TMSEF (11)

= nilai PSNR citra (dB) = nilai maksimum piksel = nilai MSE citra

Citra digital dapat dibagi dalam 5 kategori seperti ditunjukkan dalam tabel 3 [6 ]

2. Serial to Paralel dan Paralel to Serial

Tabel 3. Kategori PSNR

No.	Nilai PSN R	Kategori
1	60	Excellent, no noise apparent
2	50	Good, a small amount of noise but picture quality good
3	40	Reasonable, fine grain or snow
4	30	Lost in the picture, some fine detail
5	20	Poor picture with a great deal of

• 3.    PEMODELAN SISTEM

Penelitian ini akan mensimulasikan sistem diversitas pemancar (transmit diversity) melalui kanal Fading, bentuk pemodelan sistem dapat dilihat pada gambar 2

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Analisa Kinerja sistem Diversitas Pemancar

sudah terkompresi JPEG dengan resolusi 120x120 pixel. Setelah Citra tersebut ditampilkan dalam bentuk matriks desimal, selanjutnya di konversi ke binary bit 1 dan 0.

Gambar 4. Evalusi BER Sistem Transmit Diversity dan SISO pada kanal Fading Rayleigh.

Gambar 3. Citra digital dengan resolusi 120x120

Mengubah deretan bit dalam bentuk parallel di sisi pemancar dan bentuk serial di sisi penerima.

• 3.    QAM mapper dan demapper

Modulasi QAM yang digunakan M-ary QAM dengan tingkat modulasi 4-QAM. Fungsi QAM adalah untuk mengubah deretan bit menjadi bentuk deretan symbol 1-i, 1+i,- 1+i dan -1-i

• 4.    Space Time Encoder

Deretan simbol yang akan dikirim, dikodekan terlebih dahulu berdasarkan waktu dan deretan antena yang ada di pemancar.

• 5.    Space Time Decoder

Terdiri dari bagian combiner dan maximum likehood detector

6.

Penghitung Bit Error Rate (BER)

Membandingkan kesalahan bit yang diterima dengan bit yang dikirim.

Dari gambar 4 dapat diamati bahwa untuk mencapai nilai BER = 10^-2 diperlukan nilai SNR (dB) pada sistem SISO adalah 14 dB, sedangkan pada sisten Diversitas Pemancar (2Tx, 2Rx) adalah sebesar 6 dB untuk setiap unsur warna citra. Hal ini menunjukkan bahwa dengan nilai error yang sama, teknik Diversitas Pemancar (2Tx, 2Rx) membutuhkan daya yang lebih kecil daripada system SISO, sedangkan untuk nilai SNR = 10 dB didapatkan nilai BER pada sistem SISO rata-rata sebesar 2x10^-2 ,untuk red, green, dan blue sedangkan pada sistem Diversitas Pemancar (2Tx, 2Rx) adalah sebesar 10^-3 untuk seluruh unsur warna. Hal ini

menunjukkan bahwa kinerja sistem Diversitas Pemancar dengan konfigurasi dua antenna pengirim dan dua antena penerima lebih baik daripada sistem SISO dimana dengan daya yang sama sistem Diversitas Pemancar menghasilkan error yang lebih kecil daripada sistem SISO

MIMO 2Tx; 2Rx

SNR=5dB, PSNR = 39.3103 dB

SNR=15 dB

PSNR=66.7624 dB

SISO 1Tx;1Rx SNR=5 dB,

SNR=15 dB

PSNR=42.4953 dB

Gambar 5. Citra digital di bagian penerima pada sistem transmit diversity dan SISO

Dari Gambar 5 dapat dilihat nilai PSNR untuk sistem transmit diversity 2Tx 2Rx sebesar 39.3103 dB dan SISO dengan nilai PSNR 34,0345 dB pada

saat nilai SNR nya 5 dB. Dengan penambahan nilai SNR 10 dB, nilai PSNR dari citra digital yang telah direkontruksi menjadi 66.7642 dB dan termasuk dalam katagori sangat baik bila dibandingkan dengan SISO dengan PSNR 42.4953 dB. Hal ini menunjukkan bahwa citra yang diterima melalui sistem transmit diversity memiliki kualitas yang baik.

4.2 Analisa Kinerja sistem Diversitas Pemancar Pada Kanal Rayleigh dan Rician Fading

Gambar 6 menunjukkan kinerja sistem Diversitas Pemancar dengan dua antenna pemancar dan dua antenna penerima pada kanal Rayleigh dan Rician Fading.

Dari gambar 6 dapat diamati bahwa untuk mendapatkan nilai BER yang sama yaitu sebesar 10^-2 diperlukan nilai SNR Diversitas Pemancar pada kanal Rician dengan faktor K = 15 dB sebesar 4 dB, kemudian pada kanal Rician dengan faktor K = -35 dB dengan nilai 6 dB, dan kanal Rayleigh dengan nilai SNR 6 dB. Sedangkan pada SNR 10 dB, nilai BER yang terjadi pada kanal Riciandengan K=15 dB sebesar 10^-5, Rician dengan nilai K = -35dB dan Rayleigh Fading mendekati nilai BER 10^-3 pada semua warna red, green dan blue. Ini menunjukkan bahwa kanal Rician dipengaruhi oleh faktor K, semakin besar faktor K maka komponen Line-Of-Sight (LOS) semakin kuat. Untuk kanal Rician Fading dengan nilai K =-35 dB memiliki kondisi yang hampir sama dengan kanal Rayleigh Fading, hal ini terlihat dalam gambar grafik yang berimpit untuk semua nila SNR serta semua komponen warna dari citra digital.

Gambar 6. Evalusi BER Sistem Transmit Diversity pada kanal Rayleigh dan Rician Fading

Untuk SNR 5 dB nilai PSNR dalam sistem transmit diversity pada kanal Rayleigh sebesar 39.2471 dB, Rician Fading dengan K = 15 dB nilainya 43.3964 dB , dan Rician Fading dengan K = -35 dB nilainya 39.2663 dB saat nilai SNR nya 5 dB yang ditunjukkan dalam Gambar 7. Dengan penambahan nilai SNR 10 dB, nilai PSNR dari citra digital yang telah direkontruksi menjadi berturut-turut menjadi 66.7771 dB ,60 dB, dan 65.3001 dB yang termasuk dalam katagori sangat baik. Ini menunjukkan bahwa citra yang diterima melalui kanal Rayleigh dan Rician dengan K=15 dB serta Rician dengan K=-35 dB pada sistem transmit

diversity tidak memiliki pengaruh yang signifikan dalam pengiriman citra digital.

• 4.3 Analisa Kinerja sistem Diversitas Pemancar Pada Kanal Rayleigh Fading

Kinerja sistem Diversitas Pemancar dengan dua antena pemancar dan dua antena penerima, dua antena pemancar dan satu antena penerima, serta satu antena pemancar dan dua antena penerima pada kanal Rayleigh Fading dapat dilihat dalam gambar 8.

Rayleigh Fading

SNR = 5 dB

PSNR =39.2471 dB

Rician Fading K= 15 dB

SNR = 5 dB

PSNR =43.3964 dB

Rician Fading K= -35 dB

SNR = 5 dB

PSNR =39.2663 dB

SNR =1 5 dB

PSNR =66.7771 dB

SNR = 15 dB

PSNR =60 dB

SNR = 15 dB

PSNR =65.3001 dB

Gambar 7. Citra digital di bagian penerima dari sistem transmit diversity pada kanal Rayleigh dan Rician Fading

Gambar 8. Evalusi BER Sistem Transmit Diversity pada kanal Rayleigh Fading

Dari Gambar 8 menunjukkan perbandingan kinerja Sistem Diversitas Pemancar dengan variasi antena pemancar dan penerima (2Tx 2Rx, 2Tx 1Rx, 1Tx 2Rx) melalui kanal Rayleigh dengan menggunakan mapping 4-QAM dilihat dari hubungan antara Bit Error Rate dengan Signal to Noise Ratio. Berdasarkan variasi antenna pemancar dan penerima maka kinerja BER terbaik dicapai pada saat

menggunakan konfigurasi antenna 2 pemancar dan 2 penerima (2Tx, 2Rx) dengan kondisi SNR yang sama yaitu 10 dB. Nilai SNR untuk mencapai BER = 10^-2 diperlukan nilai SNR yang berbeda. Untuk konfigurasi 2Tx 2Rx diperlukan nilai 6 dB, sedangkan untuk konfigurasi 2Tx 1Rx memerlukan lebih dari nilai 20 dB, dan untuk konfigurasi 1Tx 2RX memerlukan nilai diatas 14 dB.

MIMO (2Tx;2Rx)

SIMO (1Tx;2Rx)

MISO (2Tx;1Rx)

SNR=5dB, PSNR = 39.3103

SNR = 5 dB

PSNR = 31.5075

SNR = 5 dB

PSNR = 28.8436

SNR=15 dB PSNR=66.7624

SNR = 15 dB

PSNR = 33.2684

SNR = 15 dB

PSNR = 29.0098

Gambar 9. Citra digital di bagian penerima dari sistem transmit diversity pada kanal Rayleigh Fading

Gambar 9 menunjukkan nilai PSNR untuk sistem transmit diversity dengan variasi antenna 2 pemancar dan 2 penerima adalah 39.3103dB, untuk variasi antenna 1 pemancar 2 penerima adalah 31.5075dB dan untuk variasi antenna 2 pemancar 1 penerima memiliki nilai PSNR sebesar 28.8436 dB saat nilai SNR yang digunakan 5 dB. Dengan kenaikan SNR menjadi 15 dB , nilai PSNR nya berubah secara berturut-turut, menjadi 66.7624 dB, 33.2684 dB, dan 29.0098 dB . Hal ini menunjukkan bahwa hasil rekontruksi citra yang melewati sistem transmit diversity dengan variasi antenna 2 pemancar dan 2 penerima memiliki kualitas yang lebih baik.

• 5.    SIMPULAN

Dari hasil analisis yang telah dilakukan, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :

• 1.    Berdasarkan perbandingan nilai BER dengan SNR, kinerja transmit diversity 2Tx 2Rx pada kanal fading Rayleigh untuk input berupa citra digital dengan resolusi 120x120, kinerjanya lebih baik dari sistem SISO, SIMO serta MISO untuk setiap unsur warna citra digital.

• 2.    Untuk kinerja system transmit diversity 2Tx 2 Rx pada Rayeligh dan Rician Fading lebih baik pada saat kondisi kanal Rician Fading K =15 dB dibandingkan dengan kanal Rayleigh dan Rician K=-35 dB

• 3.    Nilai PSNR terbaik didapatkan pada saat menggunakan konfigurasi 2 pemancar dan 2 penerima (2Tx 2Rx) pada kanal Rayleigh Fading,

• 4.    Kanal Rician dengan K=5dB memiliki PSNR paling baik dibandingkan dengan kanal Rayleigh dan Rician dengan K=-35 dB, pada sistem transmit diversity 2Tx 2 Rx untuk SNR = 5 dB

• 6.    DAFTAR PUSTAKA

• [1]    Alamouti, S., A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications, IEEE journal on selected areas in communications, vol. 16, no. 8, pp. 1451-1458, USA, 1998.

• [2]    Kostov, N.. Mobile Radio Channel Modeling in Matlab. Department of Radio Engineering, Technical University of Varna, Bulgaria, 2003.

• [3]    Proakis, John G. and Salehi, Masoud.. Contemporary Communication system Using MATLAB, PWS, Northeastern University, 2000.

• [4]    Rappaport, T. S.. Wireless Communication: Principles and Practice, Pearson Education, Inc, Singapore, 2002.

• [5]    Anggaraini, R., Baharuddin.,Analisa Unjuk Kerja Quadrature Amplitude Modulation Pada Kanal Fading Untuk Citra Digital . Nov. 2007, Volume 1, No.28, Padang, 2007.

• [6]    Priyoyudo, A., Teknik Pembuktian Kepemilikan Citra Digital Dengan Watermarking Pada Domain Wavelet. Semarang: Universitas Diponegoro,2006

Teknologi Elektro

2012

22

Vol. 11 No. 1 Januari - Juni