FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS INDONESIA

WIDER BAND “SINGLE CARRIER” TRANSMISSION

Tugas Tugas KelompokKelompok

Presented by : 1. Andar Jan Pieter2. Desy Yusianor3. Fidia Triani4. Hari Purwanto5. Nurina Febryanti

1. Mengapa dibutuhkan wider band “single-carrier” transmission?

2. Bandingkan single-carrier dengan multi-carrier transmission

3. Jelaskan cara kerja DFTS-OFDM

• OFDM Keuntungan :

Dapat mentrasmisikan sinyal dengan bandwidth yang sangat tinggi Tahan terhadap pengurangan/ kerusakan sinyal yang diakibatkan oleh radio

channel frequency selectivity Mampu mengatasi Intersimbol Interference (ISI) melalui penggunaan cyclic prefix

Kekurangan :• Variasi power transmitter (instantaneous power) yang cukup besar, akibatnya: Mengurangi efisiensi power amplifier High power amplifier cost Kritikal untuk sinyal uplink sangat penting bagi mobile-terminal

menggunakan power yang rendah Sensitif terhadap noise phase dan frequency offset

• PAPR tinggi => perangkat dipaksa untuk berjalan dengan amplifikasi rendah => semakin jauh amplifier dioperasikan dari puncak => efisiensi daya perangkat menjadi berkurang => peningkatan konsumsi daya => tidak penting bagi base station, namun akan menguras perangkat mobile lebih cepat.

• Oleh karena itu penting untuk menjaga PAPR rendah pada uplink.

Beberapa metode telah diusulkan tentang bagaimana mengurangi variasi daya, namun : memiliki keterbatasan dalam hal sejauh mana variasi

daya dapat dikurangi. Beberapa metode berdampak pada kompleksitas

perhitungan yang signifikan dan/ atau pengurangan kualitas/ performansi link

• Wider-band single carrier transmission (transmisi single-carrier pita lebar) sebagai alternatif untuk transmisi multi-carrier, terutama untuk Uplink, yaitu untuk transmisi mobile-terminal.

• Penelitian menunjukkan bahwa penerapan transmisi single-carrier pada uplink di LTE adalah pilihan yang lebih baik, karena memiliki efisiensi yang lebih tinggi dikarenakan PAPR rendah, sensitivitas lebih rendah

• Sistem transmitter single carrier adalah sistem dimana blok data dikirimkan menggunakan satu carrier dan dimodulasikan dengan simbol rate yang tinggi. Akibat bandwidth info yang digunakan lebih besar dari bandwidth coherent maka kanal akan mengalami frekuensi selective fading. Untuk mengatasi frekuensi selective fading digunakan teknik equalisasi pada receiver.

• Sistem transmisi multicarrier pada dasarnya adalah mentransmisikan banyak aliran data paralel secara bersamaan melalui kanal transmisi, masing-masing mentransmisikan hanya sebagian dari keseluruhan laju data. Dengan prinsip ini laju data yang tinggi bisa dikirimkan dengan menurunkan aliran kecepatan data tersebut.

• Gambar menunjukkan perbandingan skema transmisi single carrier dan multicarrier, dimana BSCM adalah bandwith dari single carrier dan BMCM bandwith dari multicarrier, NSC adalah total subcarrier

Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) adalah suatu teknik multiple access baru yang akan digunakan untuk uplink pada LTE. SC-FDMA merupakan versi pengguna jamak dari modulasi Single Carrier dengan Frequency Domain Equalization (SC/FDE). Teknik ini dapat pula dikatakan sebagai pengembangan dari OFDMA yang telah ada sebelumnya.

SC-FDMA mempunyai struktur dan performa yang mirip dengan OFDM, hanya saja pada teknik ini terdapat penambahan proses DFT (Discrete Fourier Transform) pada transmitter. Berbeda dengan OFDM, pada SC-FDMA ini setiap simbol data disebar di beberapa subcarrier, sehingga disebut juga DFT-spread OFDM.

Transmitter Constellation Mapper : mengubah aliran input bit menjadi simbol single carrier

(modulasi BPSK, QPSK, atau 16-QAM berdasarkan keadaan kanal). S/P Convert : mengelompokan simbol-simbol single carrier (time domain) ke

dalam sebuah blok berisi M simbol untuk dijadikan input DFT. M-point DFT : mengubah blok simbol single carrier (time domain) menjadi tone

diskrit (domain frekuensi). Sub-carrier Mapping : memetakan output tone ke dalam N-subcarrier, dimana

N>M N-Point IDFT : mengubah kembali ke domain waktu. Cyclic Prefix & Pulse Shaping : penyisipan cyclic prefix melindungi terhadap

multipath fading, Pulse Shaping mencegah pertambahan spectrum. RFE (Receiver Front-End.) / DAC : mengubah sinyal digital menjadi sinyal analog

untuk ditransmisikan.

Receiver Menghilangkan CP, mengubah kembali ke domain frekuensi dengan N-point DFT. Dilakukan equalization untuk mengatasi ISI maupun error. Sinyal tone diskrit ditransformasi menjadi blok simbol single carrier dalam

domain waktu menggunakan M-point IDFT. Dilakukan deteksi dan decoding hingga menjadi aliran bit informasi kembali.

Pada sisi pengirim, setelah dilakukan proses DFT dihasilkan sinyal tone diskrit dalam domain frekuensi. Setelah itu sinyal tersebut dipetakan dengan teknik tertentu. Ada 2 tipe pemetaan subcarrier yaitu Localized SC-FDMA and Distributed SC-FDMA (Interleaved).

Localized SC-FDMA Pada jenis mapping ini, sinyal sample dalam domain frekuensi

dipetakan kedalam beberapa subcarrier secara mengelompok atau terlokalisasi.

Distributed SC-FDMA / Interleaved SC-FDMA Pada jenis mapping ini, sinyal sample dalam domain frekuensi

dipetakan kedalam beberapa subcarrier secara terdistribusi atau menyebar. Jenis ini menawarkan peningkatan frequency diversity seperti halnya OFDM, sehingga jenis ini memiliki keunggulan tahan terhadap frequency selective fading. Selain itu, distributed SC-FDMA juga mengurangi PAPR lebih besar dibanding tipe localized.

Namun demikian, dalam teknologi LTE ini lebih disukai menggunakan tipe localized SC-FDMA karena lebih sederhana dan terhindar dari ISI maupun frekuensi offset.

Gambar pertama menunjukan proses mapping subcarrier SC-FDMA dimana misal terdapat 3 pengguna berbagi dalam 12 subcarrier dengan masing-masing memiliki 4 blok data simbol yang akan ditransmisikan pada saat

Keluaran dari proses DFT dari data blok adalah 4 sample dalam domain frekuensi yang akan dipetakan ke dalam 12 subcarrier. Jika menggunakan localized SC-FDMA, keempat sample tersebut dipetakan mengelompok pada f1, f2, f3 dan f4. Sedangkan pada pemetaan distributed SC-FDMA, sampel-sampel tersebut disebar ke ke-12 subcarrier tersebut, yaitu pada f1, f4, f7 dan f10.

Jadi gambaran mapping untuk ketiga pengguna dapat dilihat pada gambar kedua

Dengan metode SC-FDMA ini masalah tingginya PAPR yang dialami oleh OFDMA dapat diatasi. Dengan adanya proses DFT pada transmitter SC-FDMA maka data symbol yang akan dikirm disebar di beberapa subcarrier, sehingga dapat kita pandang sebagai single carrier. PAPR berbanding lurus dengan banyaknya jumlah subcarrier, semakin besar jumlah subcarrier maka semakin besar pula PAPR. Itulah sebabnya dengan SC-FDMA ini nilai PAPR dapat direduksi.

Alasan mengapa pada transmisi uplink sangat disyaratkan PAPR yang rendah, karena jika pada transmisi uplink sinyal yang ditransmisikan PAPR-nya tinggi akan mengakibatkan borosnya baterai pada pengguna (UE). Hal itu perlu dihindari supaya tidak merugikan pengguna. Konsumsi daya besar pada transmitter untuk downlink, yaitu jaringan LTE sendiri tidak terlalu dipermasalahkan, sebab jaringan mendapat catu daya dari PLN dan sifatnya tetap atau tidak mobile. Sedangkan pengguna umumnya mobile atau bergerak sehingga konsumsi daya yang besar akan merugikan.

Pada OFDM, setiap data simbol dibawa oleh 1 subcarrier, sedangkan pada SC-FDMA beberapa subcarrier membawa tiap data simbol.

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa pada SC-FDMA setiap data simbol disebar ke banyak subcarrier dan ditransmisikan secara berurutan. Selain itu perbedaan mendasar antara OFDM dan SC-FDMA adalah adanya proses DFT pada transmitter SC-FDMA. oleh karena itu , SC-FDMA sering disebut juga DFT-spread- OFDM.

Dari gambar dapat dilihat, dengan modulasi QPSK maka setiap data simbol diwakili 2 bit (00, 01, 10, 11). Pada OFDMA terlihat bahwa aliran data dibagi ke dalam empat buah subcarrier dengan menempati bandwidth selebar 15 KHz untuk satu periode simbol, kemudian ditransmisikan secara paralel dalam satu waktu. Sedangkan pada SC-FDMA data dikirimkan dalam empat buah subcarrier juga, hanya saja ditransmisikan secara sekuensial, dengan menempati bandwidth 60 KHz untuk N periode simbol SC-FDMA, dimana N di sini adalah 4.

Equalization against radio-channel frequency selectivity

General Time domain linear equalizationGeneral Time domain linear equalization

Time domain linear equalization

MMSE Equalization

Time domain linear equalization

Time domain linear equalization

Frequency domain equalization

Frequency domain equalization

Frequency domain equalization

Frequency domain equalization

Other equalizer strategies

Uplink FDMA with flexible bandwidth assignment

Kelebihan dan Kekurangan OFDM

• Utilisasi spektrum yang tinggi (keuntungan dari teknik overlapping sinyal)

• Mudah beradaptasi dengan beberapa kondisi channel tanpa menggunakan filter time-domain equalization yang kompleks

• Mengurangi Intersimbol Interference (ISI) dan IFI melalui penggunaan cyclic prefix

• Mengurangi fading yang disebabkan oleh multipath propagation

• Dapat merecover lost symbol dengan menggunakan channel coding dan interleaving yang mencukupi

• Channel equalization dapat dibuat lebih simple dengan single carrier systems (dibandingkan dengan penggunaan teknik adaptive equalization)

• Tidak terlalu sensitive terhadap sample timing offset (dibandingkan dengan single carrier systems)

• Tahan terhadap narrow-band co-channel interference

• OFDM tidak memerlukan tuned sub-channel receiver filter (kecuali pada FDM konvensional)

• Membutuhkan RF power amplifier dengan peak to average power ratio (PAPR) yang tinggi (High Peak to Average Power Ratio)

• Sensitif terhadap small carrier frequency offset and high frquency phase noise due to leakage of the DFT

• Sensitif terhadap Sampling Clock Offsets• Sensitif terhadap Doppler shift• Membutuhkan rangkaian linier

transmitter, sbg dampak dari efisiensi power yang kurang baik

• Cyclic prefix mengakibatkan loss of efficiency

Kelebihan OFDMKekurangan OFDM

DFTs OFDM atau yang biasa dikenal SC-FDM (Single-Carrier FDM) merupakan variasi dari OFDM, skema modulasi yang berisi semua blok yang sama, namun memindahkan proses IFFT dari transmitter ke receiver, dimana simbol data dalam domain waktu ditransformasi ke domain frekuensi dengan menggunakan operasi DFT. Karena transmisi sinyal secara keseluruhan merupakan single carrier signal, PAPR lebih rendah jika dibandingkan dengan OFDM yang menghasilkan sinyal muticarrier.

Perbedaan dari SC-FDM dan OFDM adalah pemetaan konstelasi berlangsung dalam domain waktu, dan cyclic prefix adalah sampel waktu terakhir ditambahkan ke awal sinyal

DFT pada transmitter SC-FDM memiliki 2 fungsi yaitu : mengubah sinyal dalam domain waktu menjadi domain frekuensi. Selain itu juga berfungsi untuk membuat frekuensi multiplexing atau multiple access

walaupun menggunakan transmisi single carrier. Perbandingan SC-FDM dan OFDM :

• PAPR pada SC-FDM rata-rata mencapai nilai yang lebih rendah => efisiensi daya yang lebih baik

• SC-FDM memetakan bit input ke simbol waktu, sedangkan pada OFDM memetakan langsung ke simbol frekuensi

• OFDM sensitif terhadap frekuensi offset, menyebabkan ia mencapai kapasitas yang lebih rendah untuk SNR tinggi.

DFT Spread OFDM atau yang lebih dikenal dengan SC-FDMA merupakan skema transmisi yang dapat menggabungkan sifat yang diinginkan untuk transmisi uplink yaitu : Variasi kecil dalam daya sesaat dari sinyal yang

ditransmisikan (single-carrier property) Kemungkinan untuk komplesitas rendah dan

pemerataan kualitas tinggi dalam domain frekuensi Kemungkinan untuk FDMA dengan tugas bandwith

yang fleksibel Karena sifat diatas, DFTs-OFDM telah dipilih sebagai

skema transmisi uplink untuk LTE.

• Block M modulation symbols (mis: QPSK, 16 QAM) dilewatkan melalui Size M DFT• Output dari DFT ini menjadi masukan OFDM modulator, dimana modulator OFDM

diimplementasikan sebagai N inverse DFT (IDFT), dengan N > M dan input yang tidak terpakai dari IDFT diset ke nol.

• Mirip dengan OFDM, cyclic prefix disisipkan di setiap blok yang ditransmisikan CP allows for straightforward low complexity frequency domain equalizer at receiver side

• Jika size M = N, maka proses DFT/IDFT akan dicancel• Jika M < N, maka output IDFT adalah sinyal dengan “single carrier properties :

• Low power variations• Bandwidth depend on M (BW = M/N . fs)

• Variasi blok size-M variasi bandwidth sinyal transmisi flexible bandwidth assignment

Manfaat utama dari DFTs-OFDM dibandingkan dengan OFDM :• Mengurangi variasi daya transmisi sesaat => meningkatkan efisiensi daya

amplifier• Dalam kasus OFDM, distribusi PAPR bergantung pada skema modulasi

sinyal OFDM yang terkirim merupakan penjumlahan dari sejumlah besar subcarrier independen => daya sesaat memiliki distribusi sekitar eksponensial, terlepas dari skema modulasi yang diterapkan pada setiap subcarrier

• Cubic metric : ukuran dari jumlah tambahan back-off yang diperlukan untuk gelombang sinyal tertentu, relatif terhadap back-off yang diperlukan untuk beberapa bentuk gelombang referensi

Pengukur yang lebih baik terhadap dampak pada kebutuhan daya-amplifier back off dan dampak yang sesuai pada efisiensi daya amplifier

Dalam kasus waktu saluran sebar (time-dispersive channel) , sinyal DFTS-OFDM akan mengalami kerusakan

Jika saluran frekuensi selektif atas rentang DFT, IDFT pada penerima tidak akan dapat dengan benar merekonstruksi blok asli dari simbol yang ditransmisi.

Dengan demikian, dalam kasus DFTs-OFDM, equalizer dibutuhkan untuk mengimbangi selektivitas frekuensi saluran radio.

Penyesuaian dinamis ukuran pemancar DFT dan ukuran blok simbol modulasi, jumlah bandwith dari sinyal DFTs-OFDM juga dapat disesuaikan secara dinamis.

Dengan menggeser inputan IDFT ke output DFT yang dipetakan, posisi domain frekuensi yang tepat dari sinyal yang akan ditransmisikan dapat disesuaikan.

Allows for uplink FDMA with flexible bandwith assignments.

Gambar diatas menggambarkan kasus transmisi multiplexing dari dua terminal yang ukuran bandwithnya sama sebesar ukuran DFT, dan yang berbeda ukuran.

Localized DFTs-OFDM Output dari DFT secara berturut-

turut dipetakan sebagai input dari modulator OFDM.

Distributed DFTS-OFDM Output dari DFT dipetakan

dengan jarak yang sama, dengan menyisipkan nol diantaranya.

Keuntungan : kemungkinan penambahan keragaman frekuensi yang dapat berpotensi tersebar di keseluruhan bandwith transmisi yang cukup besar.

Kemungkinan user multiplexing dalam domain frekuensi serta alokasi bandwith yang fleksibel

Lebih sensitif terhadap kesalahan frekuensi dan memiliki persyaratan yang lebih tinggi pada kontrol daya