ISSN(p): 2338-8323  | ISSN(e): 2459-9638
Juli 2021

## Konsep Transmisi Tidak Koheren menggunakan Differential Unitary Modulation pada OFDMA

## DHONI PUTRA SETIAWAN, HARFAN HIAN RYANU, VINSENSIUS SIGIT WIDHI PRABOWO
Teknik Telekomunikasi, Universitas Telkom, Indonesia Email: setiawandhoni@telkomuniversity.ac.id
Received 2 Maret 2021 | Revised 2 April 2021 | Accepted 7 April 2021

## ABSTRAK
Differential  modulation  adalah  sebuah  teknik  modulasi  yang  memungkinkan pengiriman informasi tanpa diperlukannya estimasi kondisi kanal di sisi penerima. Teknik ini biasa diimplementasikan pada kondisi dimana kanal transmisi berubah dengan  sangat  cepat,  seperti  ketika  pengguna  layanan  dalam  kondisi  mobilitas yang sangat cepat. Pada artikel ini, beberapa teknik differential modulation yang dikembangkan dari Space Time Block Code (STBC) diujicobakan pada Orthogonal Frequency  Division  Multiple  Access  (OFDMA) dengan  dua  skema  yang berbeda. Skema  pertama  menggunakan  konsep  sistem  antena  multiple-input  multiple- output (MIMO), dan skema kedua adalah skema single-input single-output (SISO). Hasil pengujian yang diperoleh, teknik differential modulation dengan skema yang ditawarkan pada artikel ini mampu memberikan kinerja yang lebih baik daripada teknik differential modulation yang konvensional. Hasil riset menunjukkan konsep transmisi tidak koheren dapat menjadi solusi potensial untuk sistem komunikasi nirkabel berkecepatan tinggi.
Kata  kunci :  transmisi  tidak  koheren,  differential  modulation,  mobilitas  tinggi, OFDMA, STBC

## ABSTRACT
Differential modulation is a modulation technique that can be used without the presence  of  channel  estimation  in  the  receiver.  This  technique  is  usually implemented when the channel condition changes rapidly, for example, when the user is in a high mobility condition. In this paper, several differential modulation techniques, which are modified from space-time block code (STBC) are tested for Orthogonal  Frequency  Division  Multiple  Access  (OFDMA)  using  two  different schemes. The first scheme uses multiple-input multiple-output (MIMO) antenna system, while the second scheme use single-input single-output (SISO). Based on our  results,  the  differential  modulation  techniques  proposed  in  this  paper  can overcome the conventional differential modulation technique. This research shows the  proposed  non-coherent  transmission  could  be  a  potential  scheme  for  high mobility wireless communications.
Keywords :  non-coherent  transmission,  differential  modulation,  high  mobility, OFDMA, STBC.

## 1. PENDAHULUAN
Telekomunikasi seluler (telekomunikasi bergerak) berkembang dengan sangat cepat sehingga saat ini telah mencapai generasi 5G yang merupakan generasi kelima dari komunikasi seluler. 5G  pertama  kali  diluncurkan  pada  bulan  Maret  2019  di  Korea  dan  Amerika  Serikat,  dan menurut laporan Global mobile Suplier Association pada Februari 2021 sudah ada 61 negara telah mengimplementasikan 5G (Hill, 2021) . Standar yang harus dipenuhi suatu teknologi telekomunikasi  untuk  dapat  mengimplementasikan  5G  disebut  dengan International  Mobile Telecommunications-2020  (IMT-2020).  Dalam  IMT-2020  disebutkan  bahwa  salah  satu persyaratan untuk teknologi yang memenuhi standar 5G adalah teknologi tersebut harus dapat digunakan  pada  kecepatan  mobilitas  mencapai  500  km/jam,  yang  merupakan  peningkatan dari 350 km/jam yang dipersyaratkan untuk standar 4G (ITU-R, 2017) (Tabbane, 2019) .
Tabel 1. Perbandingan 4G dan 5G (ITU-R, 2017) (Tabbane, 2019).
Parameter IMT-Advanced (4G) IMT-2020 (5G) Kecepatan Data Maksimal 1 Gbps 10 Gbps Latency 10 ms 1 ms Kepadatan Koneksi 100.000 perangkat/km 2 1.000.000  perangkat/km 2 Area Traffic Capacity 0.1 Mbps/m 2 10 Mbps/m 2 Network Energy Efficiency 1 10 kali lipat 4G Efisiensi Spektrum 1 3 kali lipat 4G Mobilitas Maksimum 350 km/jam 500 km/jam
Penggunaan  komunikasi  seluler  pada  kecepatan  tinggi  menjadi  salah  satu  komponen persyaratan utama seiring dengan berkembangnya transportasi berkecepatan tinggi seperti kereta  cepat.  Di  sisi  lain  persyaratan  penggunaan  pada  kecepatan  tinggi  memang  harus dibahas  secara  khusus  pada  komunikasi  seluler  karena  menimbulkan  masalah  baru  pada sistem komunikasi seluler, yaitu perubahan kanal komunikasi yang sangat cepat. Perubahan kanal  yang  sangat  cepat  ini  menjadi  masalah  karena  pada  komunikasi  koheren  yang mengandalkan  estimasi  kondisi  kanal,  perubahan  respon  kanal  yang  sangat  cepat  akan mempengaruhi akurasi dari estimasi kondisi kanal. Penambahan pilot untuk menambah akurasi dari kanal akan mengurangi efisiensi pengguna spektrum frekuensi yang digunakan. (Tran, dkk, 2013) (Althunibat, dkk, 2018) (Wen, dkk, 2019) .
Untuk mengatasi masalah ini, peneliti menawarkan teknik transmisi tidak koheren yang tidak memerlukan estimasi kondisi kanal, salah satunya adalah teknik differential modulation. Teknik differential  modulation  sendiri  saat  ini  telah  diteliti  dan  dikembangkan  seiring  dengan penggunaan multicarrier,  coding,  dan  sistem  antena  multiple-input  multiple-output  (MIMO) untuk  meningkatkan  kinerja  sistem  seperti  teknik Differential  Space  Time  Block  Code (Ganesan & Stoica, 2002) (Kumar, dkk, 2014) , Differential Unitary Modulation  , dan juga Differential Unitary Space Time Frequency (DUSTF) (Tran, dkk, 2013) (Setiawan & Zhao, 2019). Selain diterapkan pada komunikasi nirkabel, differential modulation juga diteliti penggunaannya untuk komunikasi menggunakan fiber optic (Sotiropoulos, dkk, 2013) .
Pada artikel ini, kami membahas penggunaan teknik differential modulation untuk digunakan pada  sistem Orthogonal  Frequency  Division  Multiple  Access  (OFDMA).  Kami  membahas  ini karena didasari fakta bahwa pada penelitian-penelitian yang telah ada sebelumnya, sebagian besar  sistem  transmisi  diasumsikan  sebagai  sistem  pengguna  tunggal,  sedangkan  pada kenyataannya  di  4G  ataupun  5G  sistem  yang  digunakan  adalah  sistem  pengguna  jamak menggunakan OFDMA (Tabbane, 2019) . Sebuah artikel oleh (Hofer, dkk, 2013) memang
membahas differential modulation dengan konsep OFDMA tetapi masih menggunakan konsep differential modulation yang masih konvensional. Pada artikel tersebut differential modulation konvensional  membutuhkan Signal  to  Noise  Ratio  (SNR)  2  dB  lebih  besar  untuk  mencapai throughput yang sama dengan transmisi koheren. Pada artikel oleh (Alsifiany, dkk, 2017) meskipun membahas differential modulation untuk pengguna jamak tetapi tidak menggunakan OFDMA. Pada artikel tersebut kinerja dari differential modulation juga membutuhkan SNR 2 dB lebih besar untuk mencapai Bit Error Rate (BER) yang sama dengan transmisi koheren. Pada  artikel  ini  kami  menyajikan  beberapa  teknik  penerapan differential  modulation  yang dipadukan dengan Space Time Block Code (STBC) pada OFDMA untuk meningkatkan kinerja dari teknik differential modulation meskipun sistem transmisi tidak menggunakan teknik MIMO.
Pada artikel ini kami menggunakan teknik Differential Unitary Modulation  yang menggunakan unitary  matrix  generator  yang  telah  dikembangkan  dalam  beberapa  peneltian  sebelumnya, seperti penggunaan STBC Alamouti pada (Tran, dkk, 2013) dan QO-STBC pada (Setiawan & Zhao, 2019). Kami juga memodifikasi Orthogonal STBC untuk empat antena pemancar pada artikel (Ganesan & Stoica, 2002) untuk dapat digunakan pada sistem multicarrier. Teknik-teknik  ini  kemudian  kami  bandingkan  dengan differential  modulation  yang konvensional.  Pada  artikel  ini  kami  mengasumsikan  bahwa transmitter  mampu  mengolah setiap simbol yang akan ditempatkan pada tiap-tiap resource block secara independent antara satu resource  block  dengan  resource  block  lain sehingga  memungkinkan  transmitter  untuk memberikan  perlakuan  berbeda  tergantung  kondisi  dari  penerima.  Hal  ini  memungkinkan dapat  diaplikasikan  pada  sistem  komunikasi  kini  dan  mendatang  karena  konsep virtual baseband  unit  (vBBU)  yang  mulai  banyak  diterapkan  saat  ini  memungkinkan  untuk memberikan baseband unit (BBU) lebih banyak fleksibilitas dalam mengolah informasi yang akan dikirimkan (Gavrilovska, dkk, 2017) (Checko, dkk, 2015).

## 2. MODEL SISTEM

## 2.1 Differential modulation
Differential modulation adalah sebuah teknik transmisi yang memanfaatkan simbol yang telah dikirimkan  sebelumnya  sebagai  simbol  referensi. Differential  modulation  biasanya menggunakan Phase Shift Keying (PSK) sebagai Modulator atau Mapper (pada multicarrier), meskipun saat ini beberapa konsep differential modulation yang menggunakan jenis modulasi lain  seperti Amplitude  and  Phase  Shift  Keying  (APSK),  Quadrature  Amplitude  Modulation (QAM), telah diteliti, meskipun dengan tingkat kompleksitas yang lebih tinggi dibandingkan menggunakan PSK (Martin, 2015) (Wei & Wang, 2018) (Kumar, dkk, 2014) . Gambaran proses pada sisi transmitter dari differential modulation dapat dilihat pada Gambar 1 berikut:
Encoding
PSK Modulator X Z -1 P t X t-1 X t Gambar 1. Blok diagram differential modulation konvensional.
Dari sistem pada Gambar 1 berlaku: 𝑋 =   𝑃  𝑋 , dimana 𝑃 adalah simbol keluaran dari PSK Modulator,  dan 𝑋 adalah  hasil  perkalian  antara 𝑃 dan 𝑋 yang  dikirimkan  pada  periode transmisi sebelumnya atau disebut dengan 𝑋 .

## 2.2 Differential Unitary Modulation
Untuk  sistem multicarrier  dan  MIMO,  differential  modulation  seperti  pada  sub-bab  2.1 dikembangkan dengan penggunaan unitary generator, sehingga simbol tidak lagi diproses satu persatu  tetapi diproses dalam satu  set  seperti yang telah  ditawarkan  konsepnya  oleh  Tran (Tran, dkk, 2013) (Setiawan & Zhao, 2019). Unitary  generator  pada  beberapa  artikel tersebut dibentuk dengan penggunaan Space Time Coding sehingga unitary generator tidak hanya berfungsi untuk mengefisienkan proses tetapi juga untuk mendapatkan space diversity dan time  diversity.  Bagan  proses  yang  terjadi  pada  transmitter  digambarkan  pada  gambar berikut ini:
Encoding PSK Modulator X Z -1 Unitary Matrix Generator
Gambar 2. Blok diagram Differential Unitary Modulation.
Pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa keluaran dari PSK modulator tidak langsung dilakukan proses perkalian, tetapi dikelompokkan terlebih dahulu oleh Unitary Matrix Generator. Setelah terbentuk satu kelompok simbol dalam sebuah Unitary Matrix, kelompok simbol ini lantas akan dikalikan dengan kelompok simbol yang sebelumnya ditransmisikan.

## 2.3 Differential Unitary Modulation untuk OFDMA
OFDMA adalah sebuah teknik pengguna jamak yang membagi-bagi alokasi subcarrier kepada pengguna.  Pada  LTE, subcarrier  atau  juga  disebut  juga  resource  element,  dikelompokkan menjadi  sebuah resource  block,  dengan  komposisi  sebuah  resource  block  berisi  12  buah subcarrier.  Artikel-artikel  yang  sebelumnya  membahas  mengenai  differential  modulation biasanya hanya membahas mengenai penggunaan pada OFDM atau teknik modulasi subcarrier lain, sangat sedikit ke arah multiple access tertentu. Hal ini wajar mengingat di masa lampau blok  yang  bertugas  mengolah  sinyal  yang  akan  ditransmisikan  ke  antena,  yang  pada  4G dinamakan  dengan baseband  unit  (BBU)  biasanya  hanya  mampu  melakukan  satu  macam signal processing saja untuk sinyal yang dikirimkan ke seluruh pengguna. Akan tetapi, dengan teknologi yang ada saat ini, yang ditunjang dengan virtualisasi pada BBU perbedaan signal processing  antara  satu  pengguna  dan  pengguna  yang  lain  sangat  mungkin  untuk diimplementasikan.

## 2.3.1 Skema 1
Pada  penelitian  ini  dibahas  dua  buah  skema differential  modulation,  dimana  skema  yang pertama dapat dilihat pada Gambar 3.
PSK Modulator X Z -1 Unitary Generator Space Time Frequency Mapper IFFT IFFT . . . Tx m Tx 1
Gambar 3. Blok diagram Differential Unitary Modulation dengan Skema 1.
Skema yang pertama ini, menyerupai skema DUSTF pada pengguna tunggal biasa, tetapi kami mengasumsikan bahwa pengguna hanya mendapatkan satu buah resource block saja untuk setiap antena pemancar yang dimiliki oleh transmitter. Apabila antena yang dimiliki transmitter adalah dua buah antena maka total setiap pengguna akan mendapatkan slot dua resource block,  dan  apabila  antena  yang  dimiliki  transmitter  adalah  empat  buah  antena  maka  total setiap pengguna akan mendapatkan slot empat buah resource block.
Unitary  matrix  generator  yang  digunakan  untuk  transmitter  yang  memiliki  dua  antena pemancar adalah sebagai berikut:
𝑆 = √ 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(−𝑠 , ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , ∗ ) . (1)
Formula ini dimodifikasi dari STBC Alamouti, dimana 𝑆 adalah unitary matrix yang merupakan keluaran dari unitary matrix generator, dan 𝑠 , adalah sebuah column matrix berukuran (12 x 1), dimana komponen dari 𝑠 , keluaran dari PSK modulator yang disusun ke dalam 𝑠 , seperti  berikut 𝐬 , = [𝑠 , , 𝑠 , , … 𝑠 , , ] .  Angka  12  pada  ukuran  column  matrix didapatkan dari jumlah subcarrier yang ada di dalam satu resource block. Proses diagonalisasi matrix 𝑠 , dilakukan agar matrix 𝑆 menjadi square matrix. Formula ini telah digunakan pada artikel (Tran, dkk, 2013) , tetapi dengan asumsi bahwa ukuran matrixnya sama dengan total jumlah subcarrier.  Teknik  Differential  modulation  ini  pada  artikel  ini  kami  sebut  dengan Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti.
Untuk unitary matrix generator yang digunakan pada transmitter yang memiliki empat buah antena pemancar kami meneliti dua macam matrix generator, yang pertama adalah sebagai berikut:
𝑆 = 1/√3 ⎣ ⎢ ⎢ ⎡ 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 . ) 0 0 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 . ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 . ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(−𝑠 . ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(  𝑠 . ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 . ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔( −𝑠 . ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(−𝑠 . ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 . ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(−𝑠 . ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 . ∗ ) 0 0 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 . ∗ ) ⎦ ⎥ ⎥ ⎤ . (2)
Matrix Generator ini dimodifikasi dari orthogonal STBC (OSTBC) untuk empat antena pemancar yang  ditawarkan  oleh  ( Ganesan  &  Stoica,  2002) pada  konsep Differential  Unitary Modulation    dengan  empat  antena  pemancar  yang  mereka  tawarkan,  sehingga  konsep  ini dapat  cocok  digunakan  pada  transmisi multicarrier.  Pada  artikel  ini,  teknik  differential modulation ini kami sebut dengan Differential Unitary Modulation dengan OSTBC. Konsep ini akan  tetapi  memiliki  kelemahan  yaitu  bukan  merupakan full  rate  STBC,  tidak  seperti  STBC Alamouti. Kondisi ini akan mengurangi efisiensi spektrum frekuensi dari sistem transmisi ini.
Oleh karena itu disini kami turut meneliti penggunaan modifikasi Quasi-Orthogonal STBC (QO- OSTBC)  sebagai unitary  matrix  generator  seperti  yang  pernah  ditawarkan  pada  artikel (Setiawan & Zhao, 2019) .
𝐒 = 1/√8 ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , + 𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , + 𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , − 𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , − 𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(−𝑠 , ∗ − 𝑠 , ∗ )𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , ∗ + 𝑠 , ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , ∗ − 𝑠 , ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , ∗ − 𝑠 , ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , − 𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , − 𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , + 𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , + 𝑠 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , ∗ − 𝑠 , ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , ∗ − 𝑠 , ∗ )𝑑𝑖𝑎𝑔(−𝑠 , ∗ − 𝑠 , ∗ )𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑠 , ∗ + 𝑠 , ∗ )⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ . (3)
Menurut (Setiawan  &  Zhao,  2019) penggunaan unitary  matrix  dari  QO-STBC  tersebut mampu memberikan efisiensi spektrum frekuensi yang lebih baik dan juga total kompleksitas sistem  yang  lebih  rendah  karena  bisa  memproses  lebih  banyak  simbol  dalam  satu  kali transmisi,  meskipun  kinerjanya  sedikit  lebih  buruk  daripada  OSTBC  untuk  empat  antena pemancar. Pada artikel ini, teknik differential modulation ini kami sebut dengan Differential Unitary Modulation dengan QO-STBC.
Keluaran dari unitary matrix yang sudah disusun kemudian dikalikan dengan kelompok unitary matrix yang telah dikirimkan sebelumnya sehingga membentuk hubungan:
𝑈 =   𝑆  𝑈 , (4)
dimana 𝑈 adalah  keluaran  dari  perkalian  antara 𝑆 dengan 𝑈 pada  periode  sebelumnya ( 𝑈 ).  Proses  perkalian  inilah  yang  disebut  dengan  proses  diferensiasi  pada  konsep differential modulation. Berikutnya komponen dari 𝑈 akan dipetakan ke dalam resource block yang berada pada masing-masing sistem transmisi antena. Contohnya pada sistem Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti, Matriks 𝑈 dapat dijabarkan sebagai berikut:
𝑈 = 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑢 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑢 , ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(−𝑢 , ∗ ) 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑢 , ∗ ) . (5)
Komponen dari 𝑈 yaitu 𝑢 , akan dipetakan untuk ditransmisikan pada dua antena berbeda dan  dua timeslot  berbeda.  Pada  differential  modulation  dengan  empat  antena  transmisi komponen  matriks  akan  dikirimkan  pada  empat  antena  berbeda  dan  pada  empat timeslot berbeda.

## 2.3.2 Skema 2
Blok diagram dari skema kedua dapat dilihat pada Gambar 4 berikut ini:
PSK Modulator X Z -1 Unitary Generator Mapper RB ke-1 RB ke-m . . . IFFT
Tx
Gambar 4. Blok diagram Differential Unitary Modulation dengan Skema 2.
Skema 2 pada dasarnya menggunakan teknik differential modulation  yang sama dengan yang digunakan  pada  skema  1  yaitu Differential  Unitary  Modulation  dengan  STBC  Alamouti, Differential  Unitary  Modulation  dengan  OSTBC,  dan  Differential  Unitary  Modulation  dengan QO-STBC. Pada skema 2 ini diasumsikan semua sistem hanya memiliki satu buah transmitter saja, tetapi meskipun hanya memiliki 1 transmitter, unitary matrix generator yang digunakan pada skema 1 (formula (1), (2), dan (3)) dapat diimplementasikan pada skema 2. Caranya yang dilakukan adalah dengan mengubah pemetaan simbol yang pada skema 1 ditransmisikan ke  beberapa  antena  berbeda,  menjadi  ditransmisikan  ke  beberapa resource  block  berbeda yang masih dalam satu unit antena pemancar. Skema ini memungkinkan perbaikan kinerja karena efek diversity, meskipun kemiripan kanal transmisi antar resource block yang ada pada skema dua akan memberikan hasil kinerja yang lebih buruk dibandingkan dengan skema 1 yang antara antena satu dan lainnya memiliki jalur transmisi tersendiri sehingga nilai diversity yang  bisa  didapat  lebih  maksimal.  Meskipun  demikian,  skema  2  memiliki  kelebihan,  yaitu skema  ini  dapat  diimplementasikan meskipun transmitter  hanya  memiliki satu  buah antena pemancar saja.

## 2.3.3 Proses Decoding
Simbol yang diterima oleh receiver setelah proses FFT (demodulasi OFDM) dapat dituliskan sebagai berikut:
𝑌 = 𝑈 ∘ 𝐻 + 𝑁 , (6)
dimana 𝑌 adalah set matrix yang diterima, 𝐻 adalah respon kanal transmisi, dan 𝑁 adalah Noise.  Untuk  mendapatkan  nilai 𝑈 kembali,  yang  merupakan 𝑈 hasil  decoding  pada  sisi receiver maka digunakan formula berikut:
𝑈 = 𝑌  𝑌 , (7)
dimana 𝑌 adalah nilai transpose conjugate dari 𝑌 .

## 3. PENGUJIAN

## 3.1 Skenario Pengujian
Pengujian sistem menggunakan perangkat lunak Matlab R2018a dengan parameter pengujian yang tertera pada tabel berikut ini:
Tabel 2. Parameter Pengujian Parameter Nilai Jumlah Bit yang dikirim  5.000.000 bit Frekuensi 2,3 GHz Cyclic Prefix 25% Mapper BPSK Modulator OFDM Kecepatan 350 km/jam Model Kanal Rayleigh
Frekuensi  pembawa yang  kami pilih  disini adalah  2,3  GHz  yang merupakan  frekuensi yang digunakan baik pada LTE dan juga telah distandarisasi oleh 3GPP untuk 5G New Radio (5G- NR). Kinerja yang diukur pada penelitian ini adalah nilai BER yang dibandingkan dengan nilai Signal to Noise Ratio (SNR).

## 3.2 Hasil Pengujian

## 3.2.1 Hasil Pengujian Skema 1
Pada  pengujian  yang  pertama,  kami  membandingkan  kinerja  dari Differential  Unitary Modulation  dengan  STBC  Alamouti,  Differential  Unitary  Modulation  dengan  OSTBC,  dan Differential Unitary Modulation dengan QO-STBC Matrix dengan menggunakan skema 1. Ketiga teknik ini kami bandingkan kinerjanya dengan differential modulation yang konvensional yang pada artikel ini disebut dengan Conventional Differential Modulation untuk mengetahui berapa banyak gain  yang  bisa  didapatkan  skema  yang  kami  teliti  dibandingkan  dengan  skema Conventional Differential Modulation. Hasil dari pengujian dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Hasil Pengujian dengan Skema 1.
Secara umum dari Gambar 5 bisa dilihat bahwa Differential Unitary Modulation dengan OSTBC memiliki  kinerja  paling  baik  diantara  seluruh  skema  yang  diuji.  Hal  ini  bisa  terlihat  dari kebutuhan nilai SNR yang paling rendah untuk mencapai nilai BER yang sama dengan teknik differential modulation yang lain. Kinerja dari Differential Unitary Modulation dengan OSTBC Matrix dapat didekati oleh Differential Unitary Modulation  dengan QO-STBC Matrix, dengan perbedaan nilai SNR kurang lebih hanya 1,3 dB pada saat nilai BER adalah 10 -3 . Pada grafik ini dapat dilihat juga bahwa seluruh teknik differential modulation  yang diteliti di artikel ini
memiliki  kinerja  lebih  baik  daripada Conventional  Differential  Modulation.  Conventional Differential Modulation membutuhkan nilai SNR lebih dari 25 dB untuk mendapatkan BER 10 -3 dibandingkan dengan 15,5 dB yang dibutuhkan oleh Differential Unitary Modulation dengan STBC  Alamouti,  14,3  dB  yang  dibutuhkan  oleh Differential  Unitary  Modulation  dengan  QO- STBC, dan 13 dB yang dibutuhkan oleh Differential Unitary Modulation dengan OSTBC Matrix. Secara umum dari hasil simulasi pengujian ini dapat kita lihat bahwa pengaruh sistem antena MIMO memang berdampak besar pada kinerja dari sistem, kedua teknik yang menggunakan sistem MIMO 4x4 memiliki kinerja paling baik, dibandingkan MIMO 2x2 dan SISO, sedangkan sistem  yang  menggunakan  MIMO  2x2  memiliki  kinerja  yang  lebih  baik  daripada  SISO. Meskipun Differential Unitary Modulation dengan QO-STBC disini memiliki kinerja yang lebih buruk dibandingkan dengan OSTBC, tetapi ada dua hal yang menjadi kelebihan teknik ini yaitu: QO-STBC memiliki efisiensi spektrum yang lebih tinggi 0,25 bits/Hz berbanding 0,1875 bits/Hz dan juga memiliki waktu running program yang lebih singkat 890 detik berbanding 1.165 detik, yang menandakan nilai kompleksitas yang lebih rendah.

## 3.2.2 Hasil Pengujian Skema Dua
Pada skema dua, Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti, Differential Unitary Modulation  dengan  OSTBC,  dan  Differential  Unitary  Modulation  dengan  QO-STBC  diuji kinerjanya dengan dibandingkan dengan Conventional Differential Modulation.
Gambar 6. Hasil pengujian dengan Skema 2.
Sesuai hasil pengujian pada Gambar 6, secara umum urutan hasil kinerja dari teknik-teknik differential modulation yang diuji pada pengujian kedua ini memiliki persamaan dengan skema
1. Differential  Unitary  Modulation  dengan  OSTBC  masih  merupakan  teknik  differential modulation dengan kinerja paling baik, disusul secara berturut-turut oleh Differential Unitary Modulation dengan QO-STBC, Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti, dan yang paling buruk kinerjanya adalah Conventional Differential Modulation. Meskipun memiliki urutan kinerja yang sama, secara umum perbedaan kinerja antara satu teknik dengan yang lainnya tidaklah  memilki  perbedaan  yang  besar,  seperti  perbedaan  antara Differential  Unitary Modulation dengan OSTBC dan dengan QO-STBC hanya memiliki selisih kurang dari 1 dB pada nilai BER berapapun. Perbedaan kinerja yang semakin kecil ini pada dasarnya didasari oleh penurunan  kinerja  dari  seluruh  teknik differential  modulation  pada  skema  dua  ini,  yang detailnya bisa dilihat pada sub-bab 3.2.3.

## 3.2.3 Perbandingan Skema 1 dan Skema 2
Pada  Sub-bab  ini  hasil  yang  diperoleh  pada  skema  1  dan  skema  2  dibandingkan  untuk mengetahui perbandingan nilai kinerja antara kedua skema yang kami tawarkan pada artikel ini.
Gambar 7. Perbandingan hasil Skema 1 dan Skema 2.
Dari Gambar 7, dapat disimpulkan bahwa kinerja teknik-teknik differential modulation yang diaplikasikan pada skema 1 lebih unggul daripada differential modulation yang diaplikasikan pada skema 2. Hal ini dapat terjadi karena penggunaan sistem MIMO pada antena 1 dimana setiap kanal diatur independen terhadap kanal lain, menjadikan nilai diversity gain dari skema 1  menjadi  lebih  optimal  daripada  pada  skema  2  yang  hanya  menggunakan  skema  SISO. Meskipun  pada  skema  2  simbol  dipetakan  pada  beberapa resource  block  berbeda,  tetapi kemiripan  kanal  antara resource  block  yang  akan  ditransmisikan  pada  antena  yang  sama
membuat diversity gain yang didapat tidak maksimal. Meskipun demikian skema 2 yang hanya menggunakan satu buah transmitter saja tentu memiliki keunggulan dalam sisi kompleksitas sistem yang akan berakibat pada biaya fabrikasi yang lebih murah dan juga penggunaan daya yang lebih efisien.

## 3.2.4 Perbandingan dengan Convolutional Differential Modulation
Pada skenario pengujian yang terakhir ini kinerja dari Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti yang tanpa menggunakan channel coding, dibandingkan dengan Conventional Differential Modulation yang menggunakan channel coding yaitu convolutional coding dengan rate  ½  ditambah  dengan interleaver.  Kami  membandingkan  ini  hanya  dengan  Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti, karena keduanya memiliki efisiensi spektrum yang sama yaitu 0,5 bit/Hz. Dengan membandingkan keduanya kami ingin mengetahui mana yang memberikan kinerja sistem lebih baik antara Differential Unitary Modulation dengan Alamouti Matrix  yang  tidak  menggunakan channel  coding,  atau  Conventional  Differential  Modulation yang menggunakan channel coding dan interleaver.
Gambar 8. Perbandingan Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti dan Conventional Differential Modulation dengan coding.
Dari  Gambar  8,  dapat  disimpulkan  bahwa Differential  Unitary  Modulation  dengan  STBC Alamouti  baik  menggunakan  skema  1  atau  skema  2  memiliki  kinerja  yang  lebih superior dibandingkan dengan Conventional Differential Modulation baik yang menggunakan channel coding maupun tidak. Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti pada skema 2 yang  juga  menggunakan  skema  antena  SISO  juga  berhasil  mengungguli  kinerja  dari Conventional  Differential  Modulation  dengan  convolutional  coding  meskipun  dengan  selisih
hanya sekitar 1 dB pada BER 10 -3 . Perbandingan lebih mendetail dapat dilihat pada Tabel 3 dibawah ini.
Tabel 3. Tabel Perbandingan Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti dan Conventional Differential Modulation dengan coding. Parameter Diffmod Unitary Alamouti Skema 1 Diffmod Unitary Alamouti Skema 2 Conventional Diffmod + Coding Skema Antena MIMO 2x2 SISO SISO Efisiensi Spektrum 0,5 bit/Hz 0,5 bit/Hz 0,5 bit/Hz Rata-rata  waktu running pada Matlab 728 detik 653 detik 1178 detik SNR pada BER 10 -2 9,8 dB 13,7 dB 14,9 dB SNR pada BER 10 -3 15,5 dB 20,3 dB 21,1 dB
Pada Tabel 3 waktu running program dari ketiga skema kami bandingkan untuk mengetahui nilai kompleksitas dari setiap sistem. Waktu running yang lama menunjukkan bahwa sistem memiliki nilai kompleksitas yang lebih besar daripada sistem yang memiliki waktu running lebih pendek.  Skema differential  unitary  modulation  yang  kami  bandingkan  ini  telah  dioptimasi menggunakan  skema  low  complexity  differential  modulation  yang  ditawarkan  pada (Setiawan & Zhao, 2018). Dari data waktu running didapatkan bahwa Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti pada skema 2 memiliki waktu running yang paling singkat, disusul Differential Unitary Modulation dengan STBC Alamouti pada skema 1 yang meskipun menggunakan  sistem differential  yang  sama,  tetapi  karena  sinyal  harus  dikirimkan  pada  2 antena pemancar yang berbeda, sehingga nilai kompleksitas sistemnya menjadi lebih tinggi. Conventional  Differential  Modulation  dengan  channel  coding  memiliki  waktu  running  yang paling lama yang menandakan kompleksitas sistemnya paling tinggi, meskipun secara kinerja adalah yang paling buruk dibandingkan dengan 2 skema yang lain.

## 4. KESIMPULAN
Pada artikel ini, beberapa tipe differential modulation untuk OFDMA dibandingkan kinerjanya dengan dua skema yang berbeda. Pada skema 1 simbol yang akan dikirim dipetakan pada resource block yang terletak pada beberapa antena pemancar berbeda sedangkan skema 2 seluruhnya menggunakan antena tunggal. Hasil penelitian menunjukkan kinerja teknik-teknik differential modulation pada skema 1 lebih baik kinerjanya daripada pada skema 2 dengan selisih  nilai  kebutuhan  SNR  mencapai  5  dB  pada  BER  10 -3 untuk  setiap  skema differential modulation yang sama. Hal ini dikarenakan sistem MIMO yang digunakan skema 1 mampu memberikan diversity  gain  yang  lebih  baik  karena  kanal  transmisi  yang  independen  satu dengan  yang  lain  daripada  skema  2  yang  setiap  kanalnya  memiliki  kemiripan  tinggi.  Pada penelitian ini kami juga membuktikan bahwa seluruh teknik differential modulation yang kami tawarkan  mampu  memberikan  kinerja  lebih  baiik  daripada Conventional  Differential Modulation baik yang menggunakan channel coding ataupun tidak. Conventional Differential Modulation  dengan  convolutional  coding  dengan  rate  ½  dan  interleaver  yang  memiliki kompleksitas sistem tinggi mampu dikalahkan kinerjanya oleh Differential Unitary Modulation dengan Alamouti Matrix yang memiliki efisiensi spektrum frekuensi yang sama baik pada ketika menggunakan skema 1 maupun skema 2. Diantara teknik-teknik differential modulation yang kami teliti, Differential Unitary Modulation dengan OSTBC memiliki kinerja yang paling baik meskipun  memiliki  efisiensi  spektrum  yang  paling  rendah  diantara  yang  lain,  disusul Differential Unitary Modulation dengan QO-STBC yang bisa memberikan selisih kinerja kurang
lebih  1  dB  pada  seluruh  skema  yang  digunakan  dan  memiliki  keunggulan  dalam  efisiensi spekrum  dan  kompleksitas  dibandingkan  dengan  OSTBC.  Secara  umum  konsep differential modulation yang kami tawarkan mampu menunjukkan kinerja yang baik untuk meningkatkan kualitas transmisi data pada kondisi ketika respon kanal berubah dengan cepat dikarenakan penggunaan pada kecepatan yang tinggi.

## DAFTAR RUJUKAN
Alsifiany, F., Ikhlef, A., & Chambers, J. (2017). On differential modulation in downlink multiuser
MIMO systems. 25th European Signal Processing Conference, EUSIPCO 2017, 2017-
January, (pp. 558–562). https://doi.org/10.23919/EUSIPCO.2017.8081329
Althunibat, S., Mesleh, R., & Basar, E. (2018). Differential Subcarrier Index Modulation. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 67(8), 7429–7436. https://doi.org/10.1109/TVT.2018.2837691
Checko, A., Christiansen, H. L., Yan, Y., Scolari, L., Kardaras, G., Berger, M. S., & Dittmann,
L.  (2015).  Cloud  RAN  for  Mobile  Networks  -  A  Technology  Overview. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 17(1), 405–426.
https://doi.org/10.1109/COMST.2014.2355255
Ganesan, G., & Stoica, P. (2002). Differential modulation using space-time block codes. IEEE
Signal Processing Letters, 9(2), 57–60. https://doi.org/10.1109/97.991138
Gavrilovska, L., Rakovic, V., Ichkov, A., Todorovski, D., & Marinova, S. (2017). Flexible C-RAN:
Radio  technology  for  5G. 2017  13th  International  Conference  on  Advanced Technologies,  Systems  and  Services  in  Telecommunications,  TELSIKS  2017  - Proceeding, 2017-October, (pp. 255–264).
https://doi.org/10.1109/TELSKS.2017.8246276
Hill, K. (2021, February 26). GSA: 61 countries have live 5G networks - RCR Wireless News.
Retrieved from www.rcrwireless.com.
Hofer, M., Šimko, M., Schwarz, S., & Rupp, M. (2013). Performance evaluation of differential modulation  in  LTE  -  Downlink. International  Conference  on  Systems,  Signals,  and Image Processing, 179–182. https://doi.org/10.1109/IWSSIP.2013.6623483
ITU-R. (2017). Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s) M Series Mobile, radiodetermination, amateur and related satellite services. http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en
Kumar, P. S., Sumithra, M. G., Abilash, R., & Kumar, E. P. (2014). Performance analysis for differential STBC and SFBC MIMO- OFDM systems under different modulation schemes in  a  Rayleigh  channel. 2014  International  Conference  on  Electronics  and
Communication Systems, ICECS 2014. https://doi.org/10.1109/ECS.2014.6892543 Martin, P. A. (2015). Differential Spatial Modulation for APSK in Time-Varying Fading Channels.
IEEE Communications Letters, 19(7), 1261–1264. https://doi.org/10.1109/LCOMM.2015.2426172
Setiawan, D. P., & Zhao, H.-A. (2018). Low-Complexity Differential Modulation for High Mobility
MIMO-OFDM. IEICE Communications Express. https://doi.org/10.1587/comex.2018xbl0115
Setiawan, D. P., & Zhao, H. A. (2019). A novel differential modulation scheme using full-rate
STBC  for  4×4  MIMO  OFDM. International  Journal  of  Electrical  and  Electronic Engineering and Telecommunications, 8(6), 307–313. https://doi.org/10.18178/ijeetc.8.6.307-313
Sotiropoulos,  N.,  Koonen,  T.,  &  De  Waardt,  H.  (2013).  Advanced  differential  modulation
formats for optical access networks. Journal of Lightwave Technology, 31(17), 2829– 2843. https://doi.org/10.1109/JLT.2013.2267271
Tabbane,  S.  (2019). 4G  to  5G  networks  and  standard  releases  1:  CoE  Training  on  Traffic engineering and advanced wireless network planning [PowerPoint Slides]. Retrieved from www.itu.int.
Tran, L.  C.,  Mertins,  A.,  &  Wysocki, T.  A. (2013). Unitary differential space-time-frequency codes  for  MB-OFDM  UWB  wireless  communications. IEEE  Transactions  on  Wireless Communications, 12(2), 862–876. https://doi.org/10.1109/TWC.2012.122212.120436
Wei, R. Y., & Wang, X. J. (2018). Differential 16-QAM and 16-APSK for Uplink Massive MIMO
Systems. IEEE Wireless Communications Letters, 7(2), 170–173.
https://doi.org/10.1109/LWC.2017.2763143
Wen, M., Zheng, B., Kim, K. J., Di Renzo, M., Tsiftsis, T. A., Chen, K. C., & Al-Dhahir, N. (2019).
A Survey on Spatial Modulation in Emerging Wireless Systems: Research Progresses and  Applications. IEEE  Journal  on  Selected  Areas  in  Communications,  37(9),  1949–
1972. https://doi.org/10.1109/JSAC.2019.2929453