Fitur Utama OFDM dan OFDMA bagi Jaringan Komunikasi Broadband Oleh : Rahmad Hidayat
ABSTRAK OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) dan OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) memiliki banyak keunggulan sehingga banyak digunakan pada sistem telekomunikasi modern saat ini. OFDM banyak dipakai pada jaringan wireless broadband modern karena beberapa alasan terkait yaitu memiliki toleransi terhadap propagasi multipath dan frequency selective fading, kemampuan menghilangkan noise impulse dan memiliki efisiensi spektral yang tinggi. OFDMA memberikan fitur utama yang dapat dimanfaatkan pada jaringan broadband wireless bergerak seperti WiMax atau sistem 4G seperti LTE (Long Term Evolution). Fitur ini meliputi sub kanalisasi uplink dan downlink, frekuensi re-use yang lebih baik dan adanya skalabilitas FFT (Fast Fourier Transform). Kata kunci : OFDM, OFDMA, wireless, broadbandhardware. Teknik yang dijanjikan dapat menghilangkan masalah dari equalisasi yang
PENDAHULUAN Dengan adanya pertumbuhan luar biasa teknologi
wireless
dan
pertumbuhan
sangat kompleks adalah teknik OFDM (Orthogonal
Frequency
kebutuhan selama dekade terakhir, maka
Multiplexing).
semakin dibutuhkan teknik modulasi yang
Multiplexing adalah teknik multiplexing
sesuai pada teknologi wireless ini. Perhatian
dengan frekuensi sebagai parameter yang di-
utama adalah untuk menghilangkan fading
multiplex-nya
pada kanal wireless, menyediakan kecepatan
proses pentransmisian data. Jika frekuensi-
data tinggi dan juga menjamin ketersediaan
frekuensi yang digunakan saling tegak lurus,
mobilitas
Inter-symbol
maka disebut Orthogonal FDM (OFDM).
interference (ISI) yang muncul akibat
Dengan adanya perkembangan luar biasa
selektivitas frekuensi dari kanal wireless
DSP (Digital Signal Processing), maka
merupakan masalah yang sangat penting
membangkitkan
dan
seiring
sinyal
menjadi
bagi
pengguna.
dengan
pertumbuhan
semakin
kecepatan
pesatnya data
yang
ditransmisikan. Dengan teknik equalisasi pada
receiver,
maka
efek
ISI
dapat
dikurangi. Tetapi terdapat banyak kesulitan teknis yang memunculkan tingginya biaya
16
ISSN.1979-4819
OFDM
Frequency
Division
untuk
Division
mengefisiensikan
mendemodulasikan semakin
lebih
mudah. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) berupa teknik transmisi yang menggunakan
beberapa
buah
frekuensi
(multicarrier) yang saling tegak lurus Isu Teknologi STT Mandala Vol.5 No.02 Juli 2013
(orthogonal). tersebut
Masing-masing
dimodulasikan
sub-carrier
dengan
teknik
modulasi konvensional pada rasio simbol yang rendah. [1][2] Pada OFDMA , sub kanal mempertahankan orthogonalitasnya di dalam kanal lintasan jamak (multipath), juga
Gambar-2 Blok Diagram (Fungsional) OFDM [9]
pengguna dialokasikan pada porsi yang Pada gambar blok diagram fungsional di
berbeda dari kanal. [5]
atas, terlihat pad sisi kirim, sinyal pertamaPRINSIP KERJA OFDM
tama
Pada Gambar-1 dapat dilihat realisasi OFDM.
Pada
sisi
transmitter
,
blok
dikodekan
untuk
menambah
redundansi bagi proses error recovery dan disisipkan untuk mengacak efek error kanal.
informasi diubah dari serial menjadi paralel
Bit-bit
dengan K buah sub carrier. Berikutnya,
menjadi simbol-simbol pada tiap subcarrier
modulasi bentuk gelombang orthogonal
dengan menggunakan skim modulasi klasik
dieksekusi dengan IFFT (Inverse Fast
seperti QPSK atau QAM. Sinyal OFDM
Fourier Transform) dan konversi paralel ke
multi
serial.
dengan
menggunakan DSP dengan teknik IFFT
menambahkan titik L terakhir kepada awal
(invers fast fourier transform) dan dilakukan
urutan sebagai CP. Setelah proses 'shaping'
penyisipan interval guard untuk memelihara
(sebagai cara efektif menghilangkan ICI)
ortogonalitas
maka dilakukan pengiriman sampel yang
simbol pada lingkungan multipath. Pada sisi
dihasilkan . Setiap blok yang dikirimkan
terima , interval guard tersebut dibuang dan
disebut sebagai simbol OFDM. Pada sisi
digunakan FFT (fast fourier transform)
penerima
untuk membangkitkan kembali (demodulasi)
Operasi
berikutnya
dilakukan
seluruh
proses
sebaliknya.
yang
ada
sub-carrier
(non
kemudian
kemudian
dipetakan
dibangun
interferensi) simbol-
sinyal multi subcarrier. Kemudian proses deteksi simbol akan memutuskan apakah simbol
telah
menerjemahkannya kemudian
dilakukan
diterima menjadi pengeluaran
dan bit-bit, (de-
interleaved) sinyal asal dan pendekodean Gambar-1 Blok Diagram Transceiver OFDM [10]
menjadi sinyal asli sesuai yang dikirim. [9] 17
ISSN.1979-4819
Isu Teknologi STT Mandala Vol.5 No.02 Juli 2013
OFDM berdasarkan pada frequency
pantulan
penghalang
(obstacle)
seperti
division multiplexing (FDM), merupakan
bangunan, pohon,bukit dan lain-lain yang
teknologi dengan frekuensi jamak untuk
kemudian menimbulkan ISI. Pemakaian
secara simultan mengirimkan sinyal jamak
banyak
secara paralel. OFDM mirip dengan FDM,
memungkinkan lebih panjangnya durasi
tapi OFDM memiliki efisiensi spektrum
simbol yang membuat sinyal jamak tersebut
yang lebih, yaitu dengan menutup jarak
lebih kuat terjadinya dispersi multipath.
spasi antar sub kanal (lihat Gambar-3).
Mekanisme lain untuk menghindari ISI
Kenyataannya bandwidth yang dibutuhkan
adalah membuat tambahan guard band pada
sangat berkurang dengan hilangnya guard
siklus tertentu yang dikenal sebagai cyclic
band dan memungkinkan overlap antar
prefix
sinyal disebelahnya. [10][11]
orthogonal terus dipelihara. [10]
sub-carrier
(CP),
secara
sementara
saat
paralel
itu
tone
Gambar-5 Penyisipan Cyclic Prefic [7] Gambar-3 Perbandingan teknik FDM dan OFDM
Gambar-6 ISI [8] Frequency memepengaruhi Gambar-4 Prinsip OFDM [4] Interferensi multipath terjadi ketika sinyal jamak tiba di bagian receiver pada
selective frekuensi
tertentu
fading dari
seluruh bandwidth transmisi (lihat Gambar7). Dalam hal modulasi carrier tunggal (seperti
CDMA)
dibutuhkan
proses
waktu berbeda. Hal ini disebabkan efek 18
ISSN.1979-4819
Isu Teknologi STT Mandala Vol.5 No.02 Juli 2013
ekualisasi OFDM
yang
hanya
kompleks.
Sebaliknya,
butuh ekualisasi
secara
penting, dimana kebutuhan tinggi terhadap A/D , D/A dan linieritas power amplifier
individual terhadap sub kanal-sub kanal
merupakan
hal-hal
yang ada sehingga proses ekualisasi menjadi
menentukan.[11]
yang
sangat
lebih sederhana.[10]
Gambar-8 Spasi sub carrier [8] Gambar-7 Sinyal single carrier dan OFDM yang diterima
Rentang dibuat
frekuensi
sehingga
antar
antar
carrier
carrier menjadi
Karakter lain yang membedakan
orthogonal satu dengan lainnya. Meski
OFDM adalah kemampuan menghilangkan
orthogonal, namun tidak menimbulkan ICI.
noise impuls. OFDM menyebarkan energi
Kondisi orthogonal dapat dicapai dengan
noise
yang
memilih secara selektif jarak spasi antar
ditransmisikan. Hasilnya malahan hilangnya
carrier harus sama dengan periode resiprokal
beberapa
antar simbol yang bermanfaat. [11]
impuls
pada
simbol,
level
burst
noise
sedikit
bertambah. Sehingga probabilitas naiknya
Pada OFDM terdapat tiga jenis sub
kecapatan error bit (BER) bisa dikurangi.
carrier yaitu subcarrier data, sub carrier pilot
[11]
dan sub carrier sinyal null. Tiap sub carrier Harus dipertimbangkan bahwa sub
data dapat membawa bit informasi '1' atau
carrier OFDM adalah paket-paket bersama,
'0'. Peningkatan throughput data dicapai
jadi sensitivitas frekuensi offset meningkat.
dengan menggunakan modulasi PSK (phase
Frekuensi offset ini adalah fungsi spasi antar
shift
sub carrier, ukuran FFT dan skema modulasi
amplitude modulation). Sub carrier pilot
yang dipakai. Dengan banyaknya jumlah sub
menyediakan
carrier , juga rasio daya 'peak to average'
meminimalkan pergeseran frekuensi dan
yang tinggi , merupakan faktor yang sangat
phase selama transmisi. Sedangkan sub
19
ISSN.1979-4819
keying)
atau
sebuah
QAM
(quadrature
referensi
untuk
Isu Teknologi STT Mandala Vol.5 No.02 Juli 2013
carrier null berfungsi sebagai guard band
spektrum yang sama. Sehingga salah satu
carrier sinyal DC (frekunsi tengah). [10]
karakteristik dari OFDM adalah tingginya tingkat efisiensi dalam pemakaian frekuensi. Selain itu pada multicarrier konvensional juga diperlukan band pass filter sebanyak frekuensi yang digunakan, sedangkan pada OFDM cukup menggunakan FFT saja. Karakter utama yang lain dari OFDM adalah kuat menghadapi frequency selective fading. Dengan menggunakan teknologi OFDM, meskipun jalur komunikasi yang digunakan memiliki karakteristik frequency selective fading (dimana bandwidth dari
Gambar-9 Jenis sub carrier [8]
channel lebih sempit daripada bandwidth
dari
KEUNGGULAN & KELEMAHAN OFDM Keunggulan [3]
teknik multicarrier (FDM) yang memiliki efisensi pemakaian frekuensi yang jauh lebih baik. Pada OFDM overlap antar frekuensi yang bersebelahan diperbolehkan, masing-masing
orthogonal,
sedangkan
sudah
saling
pada
sistem
multicarrier konvensional untuk mencegah interferensi
antar
frekuensi
yang
bersebelahan perlu diselipkan frekuensi penghalang (guard band), dimana hal ini memiliki efek samping berupa menurunnya kecepatan
transmisi
bila
dibandingkan
dengan sistem single carrier dengan lebar 20
sehingga
mengakibatkan
pelemahan daya terima secara tidak seragam pada beberapa frekuensi tertentu), tetapi tiap
OFDM adalah salah satu jenis dari
karena
transmisi
ISSN.1979-4819
sub carrier dari sistem OFDM hanya mengalami flat fading (pelemahan daya terima secara seragam). Pelemahan yang disebabkan oleh flat fading ini lebih mudah dikendalikan, sehingga performansi dari sistem mudah untuk ditingkatkan. Teknologi OFDM bisa mengubah frequency selective fading menjadi flat fading, karena meskipun sistem
secara
keseluruhan
memiliki
kecepatan transmisi yang sangat tinggi sehingga mempunyai bandwidth yang lebar, karena transmisi menggunakan subcarrier (frekuensi pembawa) dengan jumlah yang sangat banyak, sehingga kecepatan transmisi Isu Teknologi STT Mandala Vol.5 No.02 Juli 2013
di tiap subcarrier sangat rendah dan
Sistem ini sangat sensitif terhadap
bandwidth dari tiap subcarrier sangat
carrier frequency offset yang disebabkan
sempit, lebih sempit daripada coherence
oleh
bandwidth (lebar daripada bandwidth yang
(carrier wave) dan juga terhadap Efek
memiliki karakteristik yang relatif sama).
Doppler yang disebabkan oleh pergerakan
Perubahan dari frequency selective fading
baik oleh stasiun pengirim maupun stasiun
menjadi flat fading bisa diilustrasikan
penerima.
seperti gambar berikut :
¾ Distorsi Non-linier
jitter
pada
gelombang
pembawa
Teknologi OFDM adalah sebuah sistem modulasi
yang
menggunakan
multi-
frekuensi dan multi-amplitudo, sehingga sistem ini distorsi
mudah
nonlinear
terkontaminasi
oleh
yang
pada
terjadi
amplifier dari daya transmisi. ¾ Sinkronisasi sinyal [3] Gambar-10 Flat fading
Pada stasiun penerima, menentukan start
Keuntungan yang lainnya adalah, dengan
point untuk memulai operasi Fast Fourier
rendahnya kecepatan transmisi di tiap
Transform (FFT) ketika sinyal OFDM tiba
subcarrier
simbolnya
di stasiun penerima adalah hal yang relatif
menjadi lebih panjang sehingga kesensitifan
sulit. Atau dengan kata lain, sinkronisasi
sistem terhadap delay spread (penyebaran
daripada sinyal OFDM adalah hal yang sulit.
sinyal-sinyal
berarti
yang
periode
datang
terlambat)
TEKNOLOGI OFDMA
menjadi relatif berkurang. [1] Sebagai sebuah sistem buatan menusia, tentunya teknologi OFDM pun tak luput dari kekurangan-kekurangan. Diantaranya, yang sangat menonjol dan sudah lama menjadi topik penelitian adalah frequency offset dan nonlinear distortion (distorsi nonlinear) [1] ¾ Frequency Offset
21
ISSN.1979-4819
Isu Teknologi STT Mandala Vol.5 No.02 Juli 2013
Gambar-12 Struktur Subcarrier OFDMA [7] Prinsip sub kanalisasi diperlihatkan pada Gambar-13. Jarak spasi carrier dibagi menjadi NG group. Setiap group berisi NE buah carrier , sehingga terbentuk NE buah Gambar-11. Uplink OFDM & OFDMA [6]
sub kanal. Jenis coding dan modulasi
Pada OFDMA, perangkat pengguna
ditentukan terpisah untuk setiap sub kanal.
ditentukan timeslot untuk proses transmisi,
Sub carrier-sub carrier yang ada dapat
tetapi hanya satu perangkat pengguna dapat
dialokasikan
memancar selama sebuah timeslot tunggal.
berbeda
Kemudian dengan adanya sub kanalisasi
pengguna) tergantung pada kondisi kanal.
pada OFDMA memungkinkan beberapa
Karakteristik ini berguna bagi operator yang
perangkat pengguna memancar pada waktu
menempatkan setiap user pada sub carrier
yang
yang
sama
melalui
sub
kanal
yang
(satu
paling
bagi sub
tepat
pengguna-pengguna kanal
untuk
sehingga
satu
diperoleh
penggunaan sumberdaya secara efisien. [11]
dialokasikan bagi pengguna. OFDMA memungkinkan pemberian subset sub carrier bagi user-user berbeda. Pada mode ini, subcarrier aktif dibagi ke dalam subset sub carrier yang disebut sub kanal. Tujuan utama sub kanalisasi ini adalah
untuk
mendukung
skalabilitas,
multiple access dan kemampuan pemrosesan susunan (array) antena. OFDMA juga memberikan pengurangan interferensi bagi pengguna dan meningkatkan kemampuan NLOS (non line of sight) yang merupakan hal utama pada sistem bergerak. [10]
Gambar-13 Perbandingan alokasi sub carrier OFDM dan OFDMA Sub
kanalisasi
arah
uplink
memberikan keuntungan lain. Pada OFDM, 22
ISSN.1979-4819
Isu Teknologi STT Mandala Vol.5 No.02 Juli 2013
perangkat (device) pengguna mengirimkan
memungkinkan jarak sub carrier tetap tak
band frekuensi masuk secara berlebih.
tergantung
OFDMA membolehkan pengguna hanya
kompleksitas berkurang dan dengan FFT
mengirimkan data melalui sub kanal-sub
yang lebih besar diperoleh kinerja lebih
kanal yang dialokasikan bagi pengguna.
tinggi dengan kanal yang lebar. [5]
Untuk tujuan sub kanalisasi , dapat dipilih dua jenis perubahan urutan sub carrier : diversity atau contigous. Pada skim permutasi diversity, sub carrier acak (pseudo randomly) menghasilkan sub kanal. Hal ini akan menyediakan diversitas frekuensi dan interference)
rata-rata.
Permutasi diversitas meliputi permutasi DLFUCS (Fully Used Subcarrier), DL-PUCS (Partially Used Subcarrier) dan UL-PUCS. Sedangkan
itu
re-use lebih baik dan hasilnya diperoleh
pada sistem OFDM.[10][11]
(inter-cell
Sementara
OFDMA juga menawarkan frekuensi
Manfaat ini menyebabkan peningkatan daya
ICI
bandwidth.
permutasi
contiguous
membentuk group sebuah blok subcarriersubcarrier berdekatan menjadi suatu bentuk
throughput lebih tinggi. Hal ini merupakan hasil dari permutasi kompleks sub carrier, sehingga perencanaan cell menjadi lebih mudah.
Sebagai
tambahan
OFDMA
adalah
OFDMA
(SOFDMA).
keuntungan
dihasilkannya Di
scalable
sini,
FFT
memberikan skala ukuran OFDMA (berupa bandwidth kanal) agar dapat menjaga jarak spasi yang tetap antar carrier. [10] Hal ini menghasilkan efisiensi spektrum lebih tinggi dalam kanal lebar dan mengurangi biaya pada kanal sempit. KESIMPULAN
sub kanal.[11] Adanya grup sub carrier berupa sub kanal
OFDMA
yang
terskalakan
memungkinkan ukuran FFT yang digunakan lebih kecil untuk meningkatkan kinerja atau efisiensi bagi kanal dengan bandwidth lebih kecil. Dengan menerapkan IEEE 802.162004, sistem dapat mengurangi ukuran FFT dari 2048 menjadi 128 untuk menangani bandwidth kanal yang berkisar dari 1,25 MHz 23
menjadi
20
MHz.
ISSN.1979-4819
Hal
ini
1.OFDM adalah teknologi yang dapat memulihkan masalah multi-path (lintasan jamak) sehingga OFDM ideal untuk mengatasi lingkungan banyak obstacle (penghalang
sebagai
pemantul)
dan
lingkungan wireless bergerak (mobile) 2.Dengan kemampuan efisiensi spektral tinggi maka OFDM juga sangat cocok memenuhi kebutuhan trafik data wireless yang tinggi Isu Teknologi STT Mandala Vol.5 No.02 Juli 2013
3.Teknologi OFDMA memberikan solusi pada komunikasi Non-LOS (line of sight) 4.Karena
menggunakan
awalan
siklis
(Cyclic Prefics) dan laju simbol yang sesuai , maka ragam gelombang OFDMA dapat mengatasi interferensi antar simbol dan kompleksitas ekualisasi adaptif 5.OFDMA
sangat
mendukung
teknik
efisiensi spektral yang tinggi.
[4] ______(2005).HSDPA and Beyond. Nortel, White Paper [5] Thomas, S.W. (2008). Teknologi WiMAX
Bidang Lebar. Yogyakarta : Graha Ilmu. Fixed,
nomadic,
portable and mobile applications for
Rahmad Hidayat,MT adalah dosen Kopertis dpk sebagai dosen tetap di
Jurusan Teknik Elektro Sekolah Tinggi Teknologi Mandala Bandung. Penulis juga anggota
Elektro,Universitas Indonesia
[6] ______(2005).
RIWAYAT PENULIS
sebagai
Digital Pita Lebar.Teknik
untuk Komunikasi Digital Nirkabel
modulasi up-link orde tinggi dan memiliki
Wilayah IV
[3] Tito Ilyasa . OFDM pada Komunikasi
Persatuan
Insiyur
Indonesia. Saat ini penulis bertanggung jawab sebagai Kepala Lembaga Penelitian STT Mandala Bandung.
802.16-2004
and
802.16e
WiMAX
networks. WIMAX Forum [7] _______(2006).Mobile Wimax Part I: A Technical Overview & Performance Evaluation, Wimax Forum. [8] ______.(2008). An Introduction to Orthogonal Frequency Division Multiplex Technology. Keithley Instruments, Inc . [9] Philippe Duplessis, Nortel Technical Journal, Issue 2
DAFTAR PUSTAKA [1] Sigit Puspito W.J.. Mengenal Teknologi Orthogonal
Frequency
Division
Broadband Wire-less Networks. Czech
Wireless,
Technical University,Prague, Czech.
Jurnal
Elektro
Indonesia,
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/
24
Implementation of OFDM into
Multiplexing (OFDM) pada Komunikasi
Nomor 24, Tahun V.
[10] Pavel Mach, Robert Bešták,
[11] Hara,
S.,
&
R.
(2003).
Multicarrier Techniques for 4G Mobile
Orthogonal_Frequency_Division_Multip
Communications.
lexing
House.
ISSN.1979-4819
Prasad,
Boston
:
Artech
Isu Teknologi STT Mandala Vol.5 No.02 Juli 2013
