## Analisa Perbandingan BER dan PAPR dalam Transmisi Citra pada Sistem 4G LTE

## Deschie Tri Aksara
Deschie96@gmail.com
Universitas Jember Alfredo Bayu Satriya alfredobayu.te k ni k @unej.ac.id
Universitas Jember Dodi Setiabudi

## dodi@unej.ac.id
Universitas Jember Abstrak
Teknologi  telekomunikasi  saat  ini  menuntut  penggunaan data rate yang  tinggi  dalam  proses  pengiriman  data.  OFDM merupakan  teknologi multiplexing yang  didasarkan  pada penyebaran  data  yang  dimodulasikan  pada  kecepatan  data rendah.  OFDM  memiliki  keunggulan  tahan  terhadap multipath delay  spread , frequency  selective  fading ,  serta  modulasi  dan demodulasi  yang  efisien.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk mengetahui  karakteristik  BER  dan  PAPR  terhadap  SNR  dan mengetahui  perbandingan  kinerja  teknik  modulasi  QPSK,  16- QAM  dan  64-QAM.  Penelitian  dijalankan  dengan  melakukan simulasi  pengiriman  citra  melalui  kanal Rayleigh  Fading menggunakan  modulasi  QPSK,  16-QAM,  dan  64-QAM. Parameter  SNR  yang  diteliti  sebesar  0-16  dB.  Hasil  simulasi menunjukkan  bahwa  OFDM  memiliki  ketahanan noise yang lebih tinggi saat menggunakan modulasi 16-QAM dengan BER = 0  dB  saar  SNR  10  dB  dan  rata-rata  nilai  PAPR  yang  semakin meningkat dari SNR 0 dB hingga 16 dB.
Kata Kunci —  Transmisi Citra, OFDM, Rayleigh Fading, BER, dan PAPR
Abstract
Today's  telecommunications  technology  requires  a  higher  use  of data  rate  in  the  process  of  data  transmission.  OFDM  is  a multiplexing  technology  based  on  data  spreading  which  is modulated  at  low  data  rates.  OFDM  has  advantages  of  being resistant  to  multipath  delay  spread,  frequency  selective  fading, and  efficient  modulation  and  demodulation.  This  research  aims to  determine  the  characteristics  of  BER  and  PAPR  to  SNR  and determine  the  performance  comparison  of  QPSK,  16-QAM  and 64-QAM modulation techniques. The research was conducted by simulating  image  transmission  through  Rayleigh  Fading channels  using  QPSK,  16-QAM,  and 64-QAM modulation. SNR parameters  studied  were  0-16  dB.  The  simulation  results  show that  OFDM  has  a  higher  noise  resistance  when  using  16-QAM with  BER  =  0  dB  at  SNR  =  10  dB  and  an  average  PAPR  value increasing from SNR 0 dB to 16 dB.
Keywords — Image Transmission, OFDM, Rayleigh Fading, BER, and PAPR

## I. PENDAHULUAN
Teknologi  telekomunikasi  berbasis  wireless  saat  inikian lama semakin  berkembang baik dalam hal kecepatan maupun kualitas  data  yang  tinggi.  Perkembangan  teknologi  tersebut
merupakan  hal  yang  dibutuhkan  dalam  sistem  komunikasi digital  di  mana  mempunyai  efisiensi  yang  tinggi  dengan bandwidth  yang  terbatas,  namun  mampu  memberikan performansi  yang  baik.  Teknologi  4G  Long  Term  Evolution (LTE)  menawarkan  kecepatan  akses  data  yang  tinggi  dalam sistem komunikasi baik berupa pengiriman gambar, video, dan layanan internet [1].
OFDM  merupakan  sistem  yang  sesuai  untuk  diterapkan pada  transmisi  berbasis  wirelessberkecepatan  tinggi  karena dan propagation multipath ketahanannya melawan penggunaan  bandwidth  yang  efisien.  OFDM  ini  dapat mengurangi Inter-Symbol  Interference (ISI)  dan noise dalam kanal  komunikasi.  Meski  demikian,  sistem  OFDM  memiliki permasalahan,  yaitu  sensitif  terhadap frequency  offset dan besarnya  nilai Peak  to  Average  Power  Ratio (PAPR). Besarnya nilai PAPR menyebabkan daya pada amplifier tidak efisien  sehingga  perlu  dikurangi  dengan  tujuan  menghemat daya  ( power  saving ).  Adanya  distorsi  dalam  pentransmisian sinyal  melalui  kanal  membuat  OFDM  menghasilkan  nilai PAPR  yang  besar.  Mengatasi  permasalahan  tersebut, diperlukan  suatu  teknik  yang  dapat  menurunkan  level interferensi dan noise pada sisi uplink . Sementara itu, OFDM hanya dapat bekerja pada transmisi downlink [2].
Transmisi  citra  dalam  kecepatan  yang  tinggi  menjadi ketentuan  utama  yang  diharapkan  dalam  sistem  komunikasi 4G LTE. Umumnya, transmisi citra menggunakan transformasi FFT di mana masih memiliki kekurangan seperti banyaknya  jumlah  carrier,  meningkatnya  estimasi delay , tingginya  nilai  ISI  dan  ICI.  Untuk  mengatasi  permasalahan tersebut,  transmisi  citra  dalam  sistem  komunikasi  pada penelitian  ini  menggunakan  teknik  transformasi  DCT  dalam sistem  OFDM.  Teknik  ini  dapat  membuat  sistem  untuk mereduksi nilai PAPR.
Pada  [1],  dianalisis  kinerja  transmisi  citra  yang ditransmisikan  melalui  2  kanal  komunikiasi  yang  berbeda, yaitu kanal AWGN dan kanal Rayleigh fading dengan skema modulasi  16-QAM  dan  64-QAM  pada  OFDM.  Hasil penelitian menunjukkan 16-QAM  lebih  cepat mendekati nilai BER = 10 -3 dan menghasilkan nilai Eb/No yang kecil dengan selisih rata-rata ± 8 dB.
Berdasarkan [1], pemodelan transmisi citra yang dirancang menggunakan sumber masukan  berupa gambar dengan hanya mengevaluasi  variabel  BER  saja.  Untuk  menguji  kinerja transmisinya,  penulis  melakukan  penelitian  lebih  lanjut
dengan  membandingkan  kinerja  dari  OFDM  dengan menggunakan skema modulasi QPSK, 16-QAM dan 64-QAM pada  kanal Rayleigh  fading .  Sumber  masukan  berupa  citra warna yang telah dilakukan pengkompresian citra. Tujuan dari penelitian  ini  yaitu  membandingkan  kinerja  transmisi  citra pada  OFDM  menggunakan  skema  QPSK,  16-QAM,  dan  64- QAM dengan melihat hasil BER dan PAPR terhadap SNR.

## II. M ETODE P ENELITIAN

## A. Kompresi Citra
Kompresi citra terbagi menjadi dua teknik, yaitu lossy dan loseless .  Teknik  kompresi  citra loseless bekerja  dengan membuat  kapasitas file dari  citra  sekecil  mungkin  yaitu dengan  mengoptimalkan  teknik  pengkodean  data  redundan yang  terdapat  pada  citra  asli.  Dalam  hal  tersebut,  kompresi loseless terjadi  tanpa  ada  perubahan  data.  Salah  satu  metode yang  menerapkan  teknik  kompresi loseless yaitu  metode Huffman .  Teknik  kompresi  citra lossy bekerja  dengan mengurangi  jumlah  bit  pada  informasi  detil  citra  seperti luminance dan chrominance (warna). Salah satu metode yang menerapkan  teknik  kompresi lossy yaitu  DCT  dan Discrete Wavelet  Transform (DWT)  di  mana  bekerja  dalam  domain frekuensi [3].
Gambar Asli DCT Kuantisasi Pengkodean Huffman iDCT Hasil
Gambar
Gbr. 1 Diagram Blok Kompresi Citra

## B. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDM)
OFDM  merupakan  sistem multi-carrier seperti  pada Gambar  2  di  mana  periode  simbol  dan  spektrum  sinyal mempunyai bentuk sin(x)/x. Tiap kanal FDM dipisahkan dari kanal  lainnya  oleh frequency  guard  band untuk  mengurangi interferensi antar kanal yang berdekatan.
Gbr. 2 Sistem Modulasi Multi-Carrier
Gambar 2 mengilustrasikan konsep dari sinyal OFDM dan hubungan  antara  domain  frekuensi  dan  waktu.  Pada  domain frekuensi,  beberapa  sinyal  yang  berdekatan  ( subcarrier ) secara  independen  dimodulasikan  dengan  data  kompleks. Invers  transformasi  FFT  (IFFT)  digunakan  pada subcarrier domain  frekuensi  untuk  menghasilkan  simbol  OFDM  dalam domain  waktu.  Sementara  pada  domain  frekuensi, guard interval disisipkan  di  antara  tiap  simbol  untuk  mencegah timbulnya inter-symbol  interference (ISI)  pada receiver yang disebabkan oleh delay yang tersebar di kanal radio. Beberapa simbol  dapat  digabungkan  untuk  membentuk burst  signal OFDM.  Pada receiver ,  transformasi  FFT  digunakan  pada simbol OFDM untuk membentuk kembali bit data asli [4].

## Input Data
Serial to Parallel Converter Modulator IFFT Parallel to Serial Converter Output Data Parallel to Serial Converter Demodulator FFT Serial to Parallel Converter Channel
Gbr. 3 Diagram Blok Sistem OFDM

## C. Modulasi
Modulasi  merupakan  proses  mevariasikan  satu  atau  lebih sifat/  karakteristik  (ampltudo,  fasa,  dan  frekuensi)  dari gelombang  periodik  yang  disebut  sinyal  pembawa,  dengan sinyal modulasi yang khususnya mengandung informasi untuk ditransmisikan. The  3rd  Generation  Partnership  Project (3GPP)  telah  menetapkan  standar  modulasi  yang  dapat digunakan  dalam  LTE  dalam  arah uplink maupun downlink yaitu  modulasi Quadrature  Phase  Shift  Keying (QPSK), 16- level  Quadrature  Amplitude  Modulation (16-QAM),  dan 64- level Quadrature Amplitude Modulation (64-QAM). Pada saat daya  transmisi  penuh,  modulasi  QPSK  memungkinkan efisiensi  daya transmitter lebih  baik  daripada  QAM.  Pada sistem  4G,  masing-masing subcarrier dapat  menggunakan skema  modulasi  sesuai  dengan  kualitas  kanal  atau  biasa disebut dengan modulasi adaptif [5].

## D. Kanal Rayleigh Fading
Rayleigh  fading  terjadi  apabila  sinyal  yang  tiba  pada penerima  berasal  dari  pantulan.  Fungsi  densitas  probabilitas ( probability  density  function, pdf)  dari  kanal Rayleigh  fading dirumuskan dalam persamaan (1) berikut.
(1)
dengan r merupakan amplitudo selubung sinyal yang diterima, merupakan  rms  tegangan  sinyal  keluaran  sebelum  deteksi selubung,  dan merupakan  daya  rata-rata  sinyal  keluaran sebelum deteksi selubung. Besarnya yaitu sebagai berikut.
(2)
dengan merupakan variasi sinyal yang diterima.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  kinerja  sistem OFDM dengan menghitung  nilai BER dan PAPR. Penelitian ini  menggunakan  MATLAB R2019a.  Berikut  ini  merupakan variabel pengujian data yang digunakan:
1. Bit Error Rate (BER)
Bit  Error  Rate merupakan  parameter  untuk  mengevaluasi transmisi  data  dari  suatu  sistem  dengan  melihat  jumlah  bit yang  salah  pada  penerima  dengan  membandingkan  bit  yang dikirim.  BER  dihitung  dengan  membandingkan  deretan  bit yang  ditransmisikan  terhadap  bit  yang  diterima  dan menhgitung banyaknya error [6].
Sementara itu, perhitungan BER secara diagram alir dapat diilustrasikan sebagai berikut.
Pembangkit nomor bit
Pemetaan bit ke simbol Rayleigh fading Detektor Perbandingan Rayleigh fading BER

## Gbr. 4 Diagram Perhitungan BER
Adapun nilai bit error rate dapat menggunakan persamaan (3) yang dirumuskan sebagai berikut.
(3)
2. Signal to Noise Ratio (SNR)
Signal  to  Noise  Ratio (SNR,  S/N)  membandingkan  level daya  sinyal  terhadap  level  daya noise dengan  satuan decibels (dB).  Nilai  SNR  yang  besar  mengindikasikan  bahwa  kualitas sinyal  yang  ditransmisikan  baik  yang  artinya  lebih  banyak informasi  (sinyal)  yang  berguna  daripada  data  yang  tak diinginkan ( noise ).
3. Peak to Average Power Ratio (PAPR)
Peak-to-Average  Power  Ratio (PAPR)  merupakan  suatu parameter untuk mengevaluasi efisiensi dari sutau transmitter . Secara  definisi,  PAPR  merupakan  rasio  perbandingan  antara daya puncak sintal pada waktu t dan daya rata-rata pada waktu t, yang dapat dirumuskan sebagai berikut.
(4)
dengan x(t) merupakan  sinyal  domain  waktu  yang  telah ditransmisikan, w c merupakan frekuensi carrier , N merupakan jumlah  simbol, T merupakan  durasi  simbol, p(t) merupakan pulsa baseband ,  dan nT merupakan  durasi  sinyal.  Sementara x(t) yaitu sebagai berikut.
(5)
Nilai PAPR yang positif  dalam dB berarti kita membutuhkan backoff daya dalam daerah linier dari power amplifier . Backoff daya berarti reduksi dari daya output ketika menurunkan daya input [5].

## III. H ASIL DAN PE MBAHASAN

## A. Masukan Citra
Penelitian  ini  menggunakan  masukan  berupa  citra grayscale dan  warna  RGB  dengan  format  JPEG  (jpg)  dan dimensi citra yang berbeda yang tertera pada Tabel 1.
Pada  pengujian  pertama,  program  transmisi  citra  pada sistem OFDM dijalankan dengan menggunakan teknik QPSK terlebih dahulu, kemudian dengan 16-QAM dan 64-QAM.
TABEL I C ITRA S EBAGAI D ATA M ASUKKAN Data ke- Nama Citra Asli Jenis Warna Dimensi Citra (pixel) 1 cameraman.jpg Grayscale 256 x 256 2 pool.jpg RGB 510 x 383 3 lena.jpg RGB 512 x 512
B. Hasil Pengujian Kinerja pada OFDM (a) (b)

## (c)
Gbr. 5 Output Transmisi Citra pada OFDM saat (a) SNR = 0 dB, (b) SNR = 8, dan (c) SNR = 16 dB.
Gambar  5  menjukkan  citra  yang  dikirim  dan  citra  yang diterima  ketika  SNR  =  0-16  dB.  Dengan  meningkatnya  nilai SNR, tingkat noise selama proses transmisi semakin mengecil. Ketika SNR = 0 dB, citra yang diterima terlihat sangat buram, kemudian citra yang diterima terlihat membaik ketika SNR = 8 dB hingga SNR = 16 dB.  Berkurangnya noise menjelaskan bahwa nilai error bit yang didapat juga berkurang. Penurunan nilai error bit mengakibatkan nilai Bit Error Rate (BER) yang didapat menjadi kecil

## C. Analisa Perbandingan Kinerja pada Modulasi QPSK, 16- QAM dan 64-QAM.
Berdasarkan  Tabel  2,  hasil  BER  saat  SNR  sebesar  0  dB dengan moduasi QPSK, 16-QAM, dan 64-QAM berturut-turut sebesar  0,37629,  0,17077,  dan  0,64975.  Nilai  BER  terendah yaitu 16-QAM di mana ketika SNR = 11 dB, nilai BER sudah mencapai  0  dan  nilai  BER  tertinggi  yaitu  64-QAM.  Semakin kecil orde modulasi, semakin baik kinerja jaringan dari sistem. Artinya,  16-QAM  yang  memiliki  orde  modulasi  lebih  kecil daripada  64-QAM  memiliki  kinerja  jaringan  yang  baik  di mana error bit yang didapat semakin kecil.
TABEL II N ILAI BER DENGAN LENA . JPG
SNR Bit Error Rate QPSK 16-QAM  64-QAM 0 0,37629  0,17077 0,64975 1 0,34682  0,13248 0,60936
2 0,30971  0,09630 0,55853 3 0,26636  0,06408 0,49303 4 0,21631  0,03675 0,41398 5 0,16306  0,01693 0,32119 6 0,10928  0,00578 0,22235 7 0,06228  0,00134 0,13095 8 0,02834  0,00020 0,06082 9 0,00962  0,00001 0,02127 10 0,00228  0 0,00507 11 0,00033  0 0,00070 12 0,00002  0 0,00004 13 0 0 0 14 0 0 0 15 0 0 0
16 0 0 0
Gbr.  6  Grafik  BER  terhadap  SNR  dari  QPSK,  16-QAM,  dan  64-QAM  pada sistem OFDM dengan lena.jpg
Sementara  itu,  nilai  PAPR  yang  didapatkan  saat  SNR  =  0 dB  dengan  QPSK,  16-QAM,  dan  64-QAM  masing-masing yaitu  0,74040  dB,  -0,44460  dB,  dan  -1,57150  dB.  Dapat diketahui  bahwa  nilai  PAPR  tertinggi  pada  OFDM  saat menggunakan  QPSK  dan  terendah  saat  menggunakan modulasi 64-QAM.
TABEL III N ILAI PAPR DENGAN LENA . JPG SNR Peak to Average Power Ratio (dB) QPSK 16-QAM 64-QAM 0 0,74040 -0,44460 -1,57150 1 0,75984 -0,27307 -1,12580 2 0,77497 -0,20490 -0,87887 3 0,80586 -0,12641 -0,79675 4 0,80353 -0,07356 -0,72395 5 0,81321 -0,02261 -0,66822 6 0,80671 0,01242 -0,65541 7 0,79908 0,01468 -0,60673 8 0,81171 0,04667 -0,59225 9 0,81895 0,05839 -0,58972 10 0,81905 0,06427 -0,56813
11 0,81676 0,07713 -0,56103 12 0,82450 0,08283 -0,55936 13 0,82798 0,08368 -0,55503 14 0,82763 0,08995 -0,55081 15 0,83037 0,09250 -0,55110 16 0,83063 0,09463 -0,54757 Rata-rata  0,80587 -0,02840 -0,71480
Gbr. 7 Grafik PAPR terhadap SNR dari QPSK, 16-QAM, dan 64-QAM pada sistem OFDM dengan lena.jpg

## IV. KESIMPULAN (PENUTUP)
Berdasarkan hasil dan analisis yang telah dibahas,  terdapat beberapa kesimpulan yaitu semakin besar orde modulasi, nilai BER yang didapatkan semakin besar sehingga rentan terhadap noise .  Pada  simulasi  ini,  OFDM  memiliki  ketahanan noise yang tinggi saat menggunakan 16-QAM di mana
menghasilkan nilai BER terbaik sebesar 0 ketika nilai SNR = 10  dB,  dilanjutkan  dengan  QPSK  dan  64-QAM  yang menghasilkan nilai BER terbaik sebesar 0 ketika nilai SNR = 13  dB.  Sementara  itu,  nilai  PAPR  terbaik  terdapat  pada  64- QAM dengan nilai PAPR rata-rata terendah yaitu -0,71480 dB.
Penelitian  selanjutnya  sebaiknya  membandingkan  sistem dengan  OFDM  konvensional  sehingga  pengaruh  kompresi JPG  dengan  metode Discrete  Cosine  Transform (DCT)  dan Huffman  Encoding serta  pengaruh subcarrier mapping dapat diketahui.  Selain  itu,  pengujian  PAPR  pada  sistem  OFDM dapat  dilakukan  dengan  menggunakan  teknik  reduksi  PAPR, seperti tone  reservation (TR), selective  mapping (SM), clipping  and  filtering , partial  transmit  sequence (PTS),  atau teknik reduksi PAPR lainnya.

## R EFERENSI
[1] Amilia,  F.  dan  Mulyono,  M.,  “Analisis  Kinerja  Transmisi  Citra Menggunakan  Teknik  Modulasi  QAM  pada  Sistem  Orthogonal Frequency  Division  Multiplexing,” Seminar  Nasional  Teknologi Informasi Komunikasi dan Industri , 2017, pp. 368-374.
[2] Juwono,  F.  H.,  R.  S.  Putra  dan  D.  Gunawan,  “A  Study  on  Peak-To- Average  Power  Ratio  in  DWT-OFDM  Systems,” TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering , vol. 12, pp. 3955 – 3961.
[3] Margiutomo,  S.A.S,  “Algoritma  Huffman  Coding  untuk  Optimalisasi untuk  Meningkatkan  Rasio  Kompresi  Citra,” Jurnal  Teknologi Informasi , 2012, vol. 3, pp. 93-202.
[4] Myung,  H.  G.  dan  D.  J.  Goodman, Single  Carrier  FDMA:  a  new  air interface  for  long  term  evolution .  USA:  Wiley  Series  on  Wireless Communication and Mobile Computing, 2008.
[5] Sari,  I.  V,  Analisis  Peak  to  Average  Power  Ratio  (PAPR)  Single Carrier  Frequency  Division  Multiple  Access  (SC-FDMA)  pada  Long Term  Evolution  (LTE),  Malang:  Jurusan  Teknik  Elektro  Universitas Brawijaya, 2013.
[6] Isnawati,  A.  F.,  W.  Pamungkas  dan  A.  Fitri, Simulasi  Modulasi Berbasis  PSK  dan  QAM  pada  Kanal  Rayleigh  Fading  Menggunakan Matlab . Purwokerto: STT Telemetika Telkom, 2016.