TUGAS AKHIR PERBANDINGAN BIT RATE ANTARA OFDM-TDMA DENGAN OFDMA PADA TEKNOLOGI WIMAX
O L E H
JOHAN 030402029
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008
Johan : Perbandingan Bit Rate Antara Ofdm-Tdma Dengan Ofdma Pada Teknologi Wimax, 2008. USU Repository © 2009
ABSTRAK Pada umumnya teknologi telekomunikasi sekarang ini melakukan pengiriman data secara nirkabel. Salah satu teknologi nirkabel akses lokal adalah 802.11 WiFi, dimana kelemahan dari 802.11 WiFi adalah batas jarak yang bisa dicover yaitu dibawah 100 meter.
Teknologi WiMAX adalah teknologi akses nirkabel terbaru yang telah dikeluarkan spesifikasinya oleh IEEE yaitu 802.16, dimana teknologi ini menawarkan kemampuan untuk mengakses dengan jarak jangkau yang cukup jauh, yaitu lebih kurang 50 km dengan bit rate yang cukup tinggi, yang nantinya diharapkan biaya operasional nya akan berada jauh di bawah dari biaya operional dari jaringan GSM.
Bit Rate adalah salah satu parameter yang umum digunakan untuk menguji kinerja dari sebuah sistem, dan karena OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-TDMA (Time Division Multiple Access) dan OFDMA ( Orthogonal Frequency Division Multiple Access) adalah metode akses yang digunakan / diterapkan pada WiMAX, maka bit rate yang akan dibandingkan adalah antara OFDM dan OFDMA, dimana secara teori performansi dari metode OFDMA adalah lebih baik dari metode OFDM-TDMA.
Dari perhitungan diperoleh bahwa bit rate yang bisa diperoleh di sistem OFDMA adalah lebih baik dari sistem OFDM-TDMA, dengan perbandingan sekitar 10 % bit rate OFDMA melebihi OFDM-TDMA.
Johan : Perbandingan Bit Rate Antara Ofdm-Tdma Dengan Ofdma Pada Teknologi Wimax, 2008. USU Repository © 2009
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih dan karunia sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “ Perbandingan Bit Rate antara OFDM dan OFDMA pada Teknologi WiMAX”. Penulisan Tugas Akhir ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada orangtua penulis Susanto Karjadi dan Asna Karim serta saudara-saudara penulis Yovita dan Jeffry yang selalu memberikan dukungan kepada penulis. Penulis juga ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. 2. Bapak Rahmad Fauzi, ST. MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara 3. Bapak Ir. Arman Sani, MT selaku dosen pembimbing Tugas Akhir penulis yang telah memberikan bimbingan, pengarahan, dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Seluruh staf pengajar Departemen Teknik Elektro, khususnya Konsentrasi Teknik Telekomunikasi yang telah membekali penulis di bidang Teknik Telekomunikasi. 5. Teman-teman di Departemen Teknik Elektro USU angkatan 2003; Olo, Weldy, Pipin, Wiswa, Juanda, Hansman, Andika, Faisal, Nurmaini, Anton, Hans Andrew, Riko, Jamil, Tigor, Andrea, Edy, Dewi, Tiffany, Nora, Qotul, Widi, Nanda, Irsan, Horas, Tedi, Paniel, Joel, Marlen, Uyak, Ghea, Hebbien, ii
Juanda, Ganda, Pelly, Irwan, Rudi, Arwin, Dwita, Emil dan rekan-rekan lainnya yang selama ini telah menjadi teman seperjuangan dalam hari-hari kuliah. 6. Serta semua pihak yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk Tugas Akhir ini. Akhir kata penulis berharap semoga penulisan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi kita semua.
Medan, 24 Mei 2008
Penulis
iii
DAFTAR ISI
ABSTRAK....................................................................................................................i KATA PENGANTAR.................................................................................................ii DAFTAR ISI................................................................................................................iv DAFTAR TABEL.......................................................................................................vii DAFTAR GAMBAR.................................................................................................viii DAFTAR GRAFIK.....................................................................................................ix
I.
PENDAHULUAN 1.1 LatarBelakang .............................................................................................1 1.2 Rumusan Masalah........................................................................................2 1.3 Tujuan Penulisan..........................................................................................2 1.4 Batasan Masalah...........................................................................................3 1.5 Metode Penulisan.........................................................................................3 1.6 Sistematika Penulisan...................................................................................3
II.
WiMAX…………………………………………………………………………5 2.1 Umum……………………………………………………………………...5 2.2 Perkembangan WiMAX…………………………………………………...6 2.2.1 802.16………………………………………………………………….6 2.2.2 802.16a………………………………………………………………...6 2.2.3 802.16d………………………………………………………………...7 2.2.4 802.16e………………………………………………………………...7 2.3 Tantangan Teknis Pada Teknologi Broadband Wireless…………...……..9 2.3.1 Teknologi OFDM……………………………………………………...9 2.3.2 Kanalisasi……………………………………………………………...9 2.3.3 Antena Direksional…………………………………………………...10 2.3.4 Diversitas pada Pengirim dan Penerima……………………………...10 2.3.5 Modulasi Adaptif……………………………………………………..10 2.3.6 Teknik Koreksi Kesalahan…………………………………………...11 iv
2.3.7 Pengendalian Daya…………………………………………………...11 2.4
Perbandingan Teknologi WiMAX dengan 3G…………………………..12
2.4.1 Fixed………………………………………………………………….14 2.4.2 Portable……………………………………………………………….15 2.5
Lapis MAC………………………………………………………………15
2.5.1 Mekanisme Kanal-Akses……………………………………………..17 2.5.2 QoS pada WiMAX…………………………………………………...18 2.5.2.1 Unsolicited Grant Service………………………………………..19 2.5.2.2 Real Time Packet Service………………………………………...19 2.5.2.3 Extended Real Time Service……………………………………...20 2.5.2.4 Non-Real Time Packet Service…………………………………...20 2.5.2.5 Best Effort………………………………………………………...20 2.5.3 Fungsi Sekuritas……………………………………………………...21 2.5.3.1 Privacy Support…………………………………………………..21 2.5.3.2 Device/User Authentication……………………………………22 2.5.3.3 Flexible Key-Management Protocol…………………………...22 2.5.3.4 Protection of Control Message…………………………………...22 2.5.3.5 Fast Handover……………………………………………………22 2.6
Topologi Jaringan WiMAX………………………………………………23
2.6.1 Topologi Point to Multipoint…………………………………………23 2.6.2 Topologi Point to Point………………………………………………24 2.6.3 Topologi Pengembangan…………………………………………..24
III.
2.7
Hybrid-ARQ……………………………………………………………...25
2.8
Struktur Slot dan Frame………………………………………………….26
OFDM & OFDMA............................................................................................30 3.1 Pendahuluan……………………………………………………………...30 3.2 Orthogonalitas……………………………………………………………31 3.3 Prinsip Kerja……………………………………………………………..32 3.3.1 Transmitter…………………………………………………………..33 3.3.2 Kanal…………………………………………………………………36 3.3.3 Receiver………………………………………………………………37 3.4 Modulasi/Demodulasi QPSK…………………………………………….38 3.4.1 Modulator QPSK……………………………………………………..38 v
3.4.2 Demodulator QPSK…………………………………………………..40 3.5 Orthogonal Frequency Division Multiple Access………………………..41 3.5.1 Kelebihan dari OFDMA…………………….......................................43 3.5.2 Teknik Alokasi Bandwidth pada OFDMA……………....……...........44 3.5.2.1
Algoritma Maximum Sum Rate………………………………..45
3.5.2.2
Algoritma Maximum Fairness………………………………….46
3.5.2.3
Algoritma Proportional Rate Constrain………………………...46
3.5.2.4
Proporitional Fairness Scheduling……………………………...47
3.5.3 Protokol OFDMA pada WiMAX…………………………………….47 3.5.3.1
Subkanalisasi…………………………………………………...47
3.5.3.2
Mapping Message………………………………………………48
3.5.3.3
Ranging……………………………………………………...…48
3.6 Penugasan Bit……………………………………………………………49 3.7 Perbandingan nilai Bit Rate dan Total Bit Rate antara OFDM dan OFDMA ……………………………………………………………………………50
IV. PERHITUNGAN & ANALISIS PERBANDINGAN BIT RATE ANTARA OFDM & OFDMA……………………………………………………………52 4.1 Pendahuluan……………………………………………………………...52 4.2 Penugasan Subcarrier…………………………………………………….52 4.3 Analisis Penugasan Bit...............................................................................53 4.4 Parameter pada OFDM dan OFDMA………...………………………….55 4.5 Perhitungan Bit Rate pada OFDM……………………………………….55 4.6 Perhitungan Bit Rate pada OFDMA……………………………………..56 4.7 Perbandingan Throughput antara OFDM & OFDMA…………………...57
V.
KESIMPULAN DAN SARAN.........................................................................60 5.1 Kesimpulan.................................................................................................60 5. 2 Saran............................................................................................................60
Daftar Pustaka............................................................................................................
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Implementasi Teknologi WiMAX…………………………………..…6
Gambar 2.2
Frame WiMAX……………………………………...………………..17
Gambar 2.3
Topologi PMP WiMAX………………………………..…………….24
Gambar 2.4
Topologi P2P WiMAX………………………………...……………..24
Gambar 2.5
Topologi Pengembangan pada WiMAX…………………………......25
Gambar 2.6
Bentuk Frame WiMAX………………………………...………….....28
Gambar 3.1
Perbandingan Teknik FDM dan OFDM……………………...……....31
Gambar 3.2
Orthogonalitas OFDM………………………………...……………...33
Gambar 3.3
Prinsip Kerja Teknik OFDM………………………………...…….....34
Gambar 3.4
Diagram Blok Dasar OFDM………………………...……………….35
Gambar 3.5
Diagram Blok Transmitter OFDM…………………………...………35
Gambar 3.6
Konversi Bit Serial ke Paralel………………………………...……...36
Gambar 3.7
Proses Modulasi………………………………………...……………36
Gambar 3.8
Proses IFFT……………………………………...…………………...37
Gambar 3.9
Bentuk Umum Kanal…………………………………………………38
Gambar 3.10 Kanal dan Respon Kanal dari Dekomposisi Multicarrier…………....38 Gambar 3.11 Diagram Blok Receiver OFDM……………………………………...39 Gambar 3.12 Diagram Blok Modulator QPSK……………………………………..41 Gambar 3.13 Sinyal Keluaran Modulator QPSK…………………………………...42 Gambar 3.14 Diagram Blok Demodulator QPSK…………………………………..42 Gambar 3.15 Alokasi Sumber Daya pada OFDMA……………………....………...44 Gambar 3.16 Perbandingan Daya Single User OFDM dengan OFDMA……..…....46 Gambar 3.17 Informasi Channel State Information...................................................47
vii
Gambar 3.18 Perbandingan MSR dengan Static TDMA………………………..….48 Gambar 3.19
Batas Nilai SNR Kanal……………...…………………………...…..53
Gambar 4.1
Frame OFDM…………………………………………………….......56
Gambar 4.2
Plot QAM………………………………………………………....….57
Gambar 4.3
Cyclic Prefix dari OFDM-TDMA ……………………………...……59
Gambar 4.4
Perbandingan Nilai Bit Rate antara OFDM dan OFDMA………..….62
viii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1
Perbandingan Standar 802.16…………………………………………7
Tabel 2.2
Perbandingan 802.11 dengan 802.16………………………………...13
Tabel 2.3
Perbandingan Teknologi WiMAX dengan 3G………………………13
Tabel 3.1
Keluaran Modulator QPSK…………………………………………..41
Tabel 3.2
Perbandingan Karateristik Algoritma…………………………….…..50
Tabel 4.1
Parameter OFDM dan OFDMA……………………………………...58
Tabel 4.2
Perbandingan Bit Rate OFDM dan OFDMA…………………….…..61
ix
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Teknologi WiMAX adalah teknologi terbaru Broadband Wireless Access yang
dapat meningkatkan portabilitas dari para pemakai jasa internet, sesuai dengan standar 802.16 dimana jangkauan dari WiMAX adalah 50 km dengan transfer data sebesar 70 Mbps diatas pita kanal 20 MHz. Secara garis besar, aplikasi WiMAX adalah pada Point to Point dan Point to Multi Point. Konfigurasi Point to Point digunakan untuk koneksi antar gedung pada suatu jaringan kampus ataupun jaringan utama Microwave. Aplikasi Point to MultiPoint digunakan untuk beberapa macam aplikasi, antara lain: 1. Layanan broadband untuk pemukiman, industri rumah tangga ( Small Office/ Home Office ) 2. Penyediaan layanan setingkat T1 untuk jaringan bisnis 3. Jaringan utama penghubung WiFi Hotspot 4. Dan lain-lain. Teknologi WiMAX dengan jarak jangkau yang sangat jauh ini juga akan sangat bermanfaat untuk melayani daerah yang tidak mungkin dilalui oleh kabel tembaga ataupun kabel serat optik, selain itu untuk penghematan dari biaya penarikan kabel dari kantor STO ( Sentral Telepon Otomat ). OFDM adalah teknik modulasi multicarrier yang banyak diterapkan pada sistem komunikasi berkecepatan tinggi seperti di DSL ( Digital Subscriber Line ), WLAN ( 802.11 a/g/n ), digital video broadcasting.
1
Pada teknologi WiMAX, teknik modulasi yang digunakan adalah OFDMTDMA untuk spesifikasi 802.16d, sedangkan untuk standar 802.16e teknik modulasi yang digunakan adalah OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), dimana secara teori tingkat performansi yang mampu diberikan oleh OFDMA 802.16e lebih unggul dari OFDM-TDMA 802.16d.
1.2
Rumusan Masalah Dari latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan
antara lain : 1. Prinsip kerja dari jaringan WiMAX. 2. Bagaimana prinsip kerja OFDM-TDMA dan OFDMA. 3. Dapat diamati pengaruh dari Bit Error Rate (BER) terhadap keadaan link dan penugasan jumlah bit pada OFDM-TDMA dan OFDMA . 4. Bagaimana hasil Bit Rate pada OFDM-TDMA dan OFDMA. 1.3
Tujuan Penulisan Adapun tujuan dari tugas akhir ini adalah: 1. Menganalisis metode dari penggunaan OFDMA pada 802.16e dibandingkan dengan 802.16d yang menggunakan OFDM-TDMA dari segi Bit Rate. 2. Bisa dimanfaatkan oleh penulis untuk menjelaskan prinsip kerja sistem WiMAX serta mengalisa faktor-faktor yang mempengaruhi performansi sistem.
1.4
Batasan Masalah Untuk menghindari pembahasan yang terlalu luas, batasan-batasan masalah
dalam Tugas Akhir ini berupa:
2
1. Membahas tentang OFDM-TDMA dan OFDMA pada WiMAX dari segi analisis. 2. Studi dibatasi hanya untuk membandingkan Bit Rate dari 802.16d dengan menggunakan OFDM-TDMA dengan 802.16e yang menggunakan OFDMA 3. Metode modulasi yang digunakan adalah QAM. 4. Baik OFDM-TDMA maupun OFDMA menggunakan jumlah subcarrier FFT (Fast Fourier Transform) yang sama, namun masing-masing menerapkan teknik alokasi bit yang berbeda. 1.5
Metode Penulisan Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah : 1. Studi Literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku teks pendukung. 2. Studi Analisis, yaitu mengalisis besarnya nilai bit rate yang diperoleh pada OFDM dengan nilai bit rate yang diperoleh pada OFDMA.
1.6
Sistematika Penulisan Penulisan Tugas Akhir ini disajikan dengan sistematika penulisan sebagai
berikut :
BAB I
PENDAHULUAN Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan dan sistematika penulisan.
3
BAB II
WIMAX Bab ini merupakan pengenalan kepada teknologi WiMAX, teknologiteknologi yang diterapkan, dan alasan-alasan mengapa teknologi ini sangat diminati untuk dikembangkan.
BAB III
OFDM Bab ini membahas tentang metode modulasi dan multiplexing yang digunakan oleh WiMAX yaitu OFDM.
BAB IV
ANALISIS PERBANDINGAN BIT RATE DARI OFDM-TDMA DENGAN OFDMA Bab ini menganalisa perbedaan Bit Rate yang bisa disediakan oleh OFDM-TDMA dengan OFDMA pada teknologi WiMAX.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisi kesimpulan dari tugas akhir ini dan saran dari penulis.
4
BAB II WIMAX
2.1. Umum Worldwide Interoperability for Microwave Access atau WiMAX adalah salah satu standar pada Broadband Wireless Access (BWA) yang diperkenalkan oleh Institute Of Electrical and Electronic Engineering (IEEE). Dikenal dengan Sistem IEEE 802.16x. Tahun 2001, dibentuklah WiMAX Forum yang bertujuan untuk sertifikasi dan mempromosikan compability dan interoperability dari produk wireless sesuai dengan standar IEEE 802.16/ETSI HiperMAN ( European Telecomunications Standard Institute-High
Performance
Metropolitan
Area
Network).
WiMAX
Forum
mendefinisikan WiMAX sebagai standar teknologi yang memungkinkan akses broadband wireless last mile sebagai alternatif broadband kabel dan DSL (Digital Subscriber Line). Beberapa keuntungan pada teknologi WiMAX dibandingkan dengan teknologi DSL yaitu mampu menjangkau suatu daerah layanan hingga radius 30Mil, bekerja pada kondisi NLOS (Non Line Of Sight) dan melayani kecepatan data hingga 75Mbps (tergantung spesifikasi yang digunakan). Kriteria ini yang membuat WiMAX menjadi sebuah teknologi yang mudah berkembang di seluruh dunia. Teknologi WiMAX secara umum dapat digunakan sebagai aplikasi untuk akses broadband bagi pelanggan di rumah (fixed) , di area perkantoran (nomadic), maupun di kendaraan (mobile). Gambar 2.1 menunjukkan Implementasi Teknologi WiMAX. Implementasi teknologi WiMAX yang mudah dengan fleksibilitas yang tinggi 5
menjadikan teknologi WiMAX sangat cocok untuk diadopsi di negara dengan kawasan yang luas dan bervariasi seperti Indonesia.
Rumah dengan perangkat CPE di luar
Rumah dengan perangkat CPE di dalam
Pelanggan bergerak
Bangunan kantor
Gambar 2.1 Implementasi Teknologi WiMAX
2.2 Perkembangan WiMAX Perkembangan teknologi WiMAX terjadi secara evolutif dalam beberapa tahap. Sesuai standarisasinya, teknologi WiMAX diatur dalam standard IEEE 802.16. Secara sederhana standar ini terbagi lagi dalam beberapa kategori yaitu 802.16, 802.16a, 802.16d, 802.16e. 2.2.1 802.16 WiMAX pertama kali diperkenalkan pada Desember 2001,
bekerja pada
frekuensi 10-66GHz. Teknologi ini digunakan pada kondisi LOS (Line Of Sight) dan untuk pengguna layanan yang bersifat fixed (Perumahan). 2.2.2 802.16a Tahun 2003, diperkenalkan standar 802.16a untuk BWA (Broadband Wireless Access) pada penggunaan layanan yang bersifat fixed. Teknologi WiMAX dengan
6
standard 802.16a ini bekerja pada frekuensi 2-11 GHz dan mampu beroperasi pada kondisi NLOS (Non Line Of Sight). 2.2.3 802.16d Tahun 2004, diperkenalkan standar 802.16-2004/802.16d. Teknologi 802.16d adalah pengembangan dari 802.16a yang dikembangkan untuk pengguna fixed (perumahan) dan portable (perkantoran). Layanan jenis ini dapat dimungkinkan karena adanya teknologi OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). 2.2.4 802.16e Tahun 2005, diperkenalkan standar 802.16e. Teknologi ini digunakan untuk melayani pelanggan portable (perkantoran) dan mobile (Laptop), namun memiliki kemampuan yang jauh lebih baik jika dibandingkan dengan 802.16d Perbandingan standar 802.16 dapat dilihat pada Tabel 2.1. Tabel 2.1 Perbandingan standar 802.16 802.16 Completed
December 2001
Spektrum
10-66GHz
Channel
Line Of Sight
Conditions
Only 32-134Mbps in
Bit Rate
28MHz
Modulation
Mobilitas Channel Bandwith Typical Cell Radius
NB:
OPSK,16QAM, 64QAM
802.16a/802.16d 802.16a : Januari 2003 802.16d : Oktober 2004
802.16e Februari 2005
2-11GHz
<6GHz
Non-Line Of Sight
Non-Line Of sight
Up to 75 Mbps i 20 MHz
Up to 15Mbps in 5MHz
802.16a : QPSK, 16QAM, 64QAM
OFDM 256
802.16d : OFDM 256 subcarriers,
subcarriers, QPSK,
QPSK, 16QAM, 64QAM
Fixed
Fixed, portable
20, 25, 28 MHz
Scalable 1.5 to 20 MHz
2-5Km
7-10km max range 50km
OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing QPSK : Quadrature Phase Shift Keying 7
16QAM, 64QAM Nomadic portability / mobile Same as 802.16a with uplink subchannels 2-5km
QAM : Quadrature Amplitude Shift Keying Karakteristik utama yang dimiliki WiMAX antara lain:
1. Pada versi awal WiMAX 802.16 bekerja di frekuensi 10 – 66 GHz, untuk hubungan LOS (Line Of Sight). 2. Untuk versi WiMAX 802.16a ini dapat digunakan untuk hubungan Non Line Of Sight (NLOS). 3. Kompatibel dengan digital switch yang ada (ATM, T1, E1) dengan optimal data rate per user antara 300 kbps – 2 Mbps dan rangenya 5 – 8 km untuk maksimal throughput. 4. Untuk versi WiMAX 802.16d. Tekniknya terjadi pemecahan kanal ke kanal – kanal terkecil menggunakan Op-Amp dan teknologi Smart Antenna. Digunakan untuk fixed access, yang meliputi BS maupun receiver yang merupakan CPE. 5. Versi WiMAX 802.16e ini digunakan untuk mendukung mobilitas (Handover, roaming) pada sistem selular sampai 120km/jam dan bekerja dalam NLOS. Digunakan untuk aplikasi mobile access. 6. Dikonfigurasikan untuk layanan di pedesaan sampai radius maksimal 50 km, atau layanan di daerah berpenduduk padat di perkotaan untuk jarak 1-4km, dengan data rate sampai 75 Mbps. Dapat dibayangkan dengan teknologi ini, peralatan wireless point-to-multipoint, NLOS, last-mile access dan solusi backhaul
yang
memungkinkan
melengkapi,
memperluas,
bahkan
menggantikan infrastruktur jaringan kabel atau DSL. 7. Sistem ini mendukung teknologi video streaming, VoIP telephony, tayangan diam maupun bergerak, e-mail, Web browsing, e-commerce, dan layanan berbasis lokasi. 8
2.3 Teknologi WiMAX Implementasi teknologi wireless memerlukan terdapatnya jalur line of sight (LOS) antara pengirim dan penerima, bila terdapat kondisi N-LOS maka dapat menimbulkan redaman propagasi yang dapat menurunkan kualitas sinyal. Teknologi WiMAX didesain bukan hanya untuk kondisi LOS tetapi juga untuk kondisi N-LOS. Teknologi WiMAX mampu mengatasi atau mengurangi masalah pada NLOS serta memiliki keunggulan yang disebabkan oleh penggunaan teknologi OFDM. 2.3.1 Teknologi OFDM (OFDM technology) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) adalah metode modulasi multicarrier dengan ide awal untuk mengatasi efek dari multipath fading dalam lingkungan wireless. Multipath effect menyebabkan suatu simbol dapat diterima dalam multiple copy namun dengan waktu yang berbeda yang menyebabkan terjadinya intersymbol interference (ISI) antar simbol di penerima. OFDM-TDMA memiliki kemampuan untuk mengatasi masalah ISI tersebut, selain itu delay spread, multipath. 2.3.2 Kanalisasi (sub-channelization) Sub channelization dikenal dengan sebutan OFDMA. Teknik ini melakukan pemilihan atau pengelompokan carrier dari sejumlah carrier OFDM yang diperuntukkan pada penerima tertentu. Tujuan penggunaan teknik sub channelization adalah untuk mengkonsentrasikan daya yang ditransmisikan pada sejumlah carrier tertentu yang berarti meningkatkan gain sistem sehingga sistem dapat mencapai area jangkauan yang lebih besar, terutama dalam mengatasi rugi-rugi akibat pantulan.
9
2.3.3 Antena Direksional (directional antenna) Antenna direksional meningkatkan fade margin dan mengurangi efek sinyal multipath yang berasal dari sidelobe ataupun backlobe. Adaptive antenna systems (AAS) memiliki bentuk beam yang dapat difokuskan pada suatu arah, di mana pemancaran sinyal dibatasi berdasarkan kebutuhan dari antena penerima pada arah yang dituju saja seperti sebuah spotlight. Sebaliknya pada saat menerima sinyal, AAS dapat difokuskan hanya pada arah dimana datangnya sinyal yang dikehendaki. Antena ini memiliki kemampuan untuk mengurangi Co-Channel Interference (CCI) dari lokasi lain. AAS terus dikembangkan untuk meningkatkan penggunaan pengulangan spektrum frekuensi yang dapat meningkatkan kapasitas jaringan WiMAX. 2.3.4 Diversitas pada Pengirim dan Penerima (transmit and receive diversity) Pola diversitas digunakan untuk mendapatkan sinyal yang lebih baik pada kondisi lingkungan yang NLOS. Algoritma diversitas dilakukan pada stasiun pemancar maupun pada stasiun penerima untuk meningkatkan kemampuan sistem. Pilihan diversitas pada pemancar menggunakan space time coding (STC) untuk menyediakan transmisi daya yang independen, dimana hal ini mengurangi kebutuhan fade margin dan mengatasi interferensi. Pada diversitas penerima, sistem menggunakan teknik kombinasi untuk meningkatkan kemampuan. Maximum ratio combining (MRC) mengambil sinyal yang terbaik dari dua penerima untuk mengatasi fading dan mengurangi path loss. Diversitas merupakan cara yang efektif untuk mengatasi propagasi NLOS.
10
2.3.5 Modulasi Adaptif (adaptive modulation) Modulasi adaptif memungkinkan WiMAX mengatur pola sinyal modulasi yang bergantung pada kondisi signal to noise ratio (SNR) radio link, di mana bila kondisi radio link dengan kualitas yang baik, digunakan pola modulasi yang terbaik pula, sehingga memberikan system dengan kapasitas yang lebih besar. Akibat adanya sinyal fade, modulasi pada WiMAX dapat beralih ke pola modulasi dengan kualitas yang lebih rendah untuk menjaga kestabilan kualitas hubungan. Fitur modulasi adaptif ini menyediakan sistem untuk melawan time-selective fading di mana kunci dari modulasi adaptif adalah meningkatkan rentang pola modulasi untuk dapat digunakan pola modulasi dengan kualitas yang terbaik, ini dikarenakan sistem dapat mengalihkan kondisi fading. Sebagai sarana untuk mendapatkan pola modulasi yang tetap maka dalam perhitungannya digunakan parameter pada kondisi yang paling buruk. 2.3.6 Teknik Koreksi Kesalahan (error correction technique) Teknik koreksi kesalahan pada WiMAX diterapkan untuk mengurangi kebutuhan SNR. Forward Error Correction (FEC) dengan Reed Solomon, convolutional encoding, dan algoritma interleaving digunakan untuk mendeteksi dan memperbaiki kesalahan sehingga throughput dapat ditingkatkan. Teknik ini dapat memperbaiki frame yang rusak yang mungkin disebabkan oleh frequency selective fading atau burst errors. Automatic repeat request (ARQ) digunakan untuk memperbaiki kesalahan yang tidak dapat dilakukan oleh metode FEC. ARQ meningkatkan kinerja Bit error rate (BER) secara signifikan pada threshold level yang sama.
11
2.3.7 Pengendalian Daya Algoritma power control digunakan untuk meningkatkan kinerja sistem secara keseluruhan, diimplementasikan pada BS dengan cara mengirimkan informasi power control kepada setiap perangkat CPE (Customer Premise Equipment) pelanggan yang digunakan untuk mengatur level daya yang ditransmisikan sehingga sinyal tersebut dapat diterima BS pada level yang semestinya. Pada kondisi perubahan fading yang dinamik, CPE hanya mentransmisikan sinyal dengan daya yang sesuai kebutuhannya. Daya transmisi CPE ini sebaiknya didasarkan pada kondisi paling buruk. Power Control mengurangi konsumsi daya dari CPE secara keseluruhan dan juga mengurangi kemungkinan terjadinya interferensi dengan BS yang berdekatan. Pada kondisi LOS daya pancar dari CPE adalah berbanding secara proporsional terhadap jaraknya dari BS sedangkan pada kondisi NLOS akan dipengaruhi oleh halangan. 2.4 Perbandingan Teknologi WiMAX dengan 3G Akses untuk komunikasi data pada WLAN menggunakan standar IEEE 802.11, dan biasa disebut wireless fidelity (Wi-Fi). Saat ini Wi-Fi telah banyak diimplementasikan untuk komunikasi data dengan menggunakan PC/Laptop. Wi-Fi sangat membantu dalam implementasi infrastruktur jaringan komunikasi data. Wi-Fi memiliki daerah jangkauan yang terbatas, spektrum frekuensi yang digunakan bisa pada spektrum frekuensi lisensi (licensed) dan tidak lisensi (unlicensed) namun dengan kapasitas terbatas. Karena keterbatasan jangkauan Wi-Fi serta tuntutan mobilitas pengguna, maka dikembangkan teknologi WiMAX dengan menggunakan standar IEEE 802.16a. Bila dibandingkan dengan Wi-Fi, WiMAX memiliki keunggulan dalam kapasitas, kecepatan, dan QoS yang lebih baik. Tabel
2.2
menunjukkan perbandingan antara teknologi Wi-Fi dan WiMAX dari segi spektrum,
12
skalabilitas (penyesuaian), performansi sistem, QoS (Quality of Service), jangkauan dan MAC (Medium Access Control). Tabel 2.2 Perbandingan 802.11 dengan 802.16 No
Komponen
802.11(WiFi)
802.16 (WiMAX)
1.
Spektrum
Tanpa lisensi pada
Berlisensi dan tanpa lisensi
ISM 2.
3.
Scalability
Performansi
Pengkanalan 20MHz,
Pengkanalan 1,5 – 20 MHz MAC
MAC untuk 10 user
mendukung hingga 1000 user
Max. 54 Mbps (pada
Max. 63 Mbps (pada 14 MHz)
20 MHz) 4.
QoS
Sederhana
Canggih
5.
Jangkauan
100 m (indoor),
> 50 km (outdoor), kondisi LOS dan
kondisi LOS
NLOS
CSMA/CD
Grand Based
6.
MAC
Tabel 2.3 Perbandingan Teknologi WiMAX dengan 3G No. 1.
Komponen Provider
2.
Teknologi
3.
Kecepatan user
4.
Spektrum
5.
Bandwidth
6 7. 8.
Latensi Orientasi Pembatas Rancangan
802.16e Penyelenggara jaringan data nirkabel tetap, mendukung mobilitas yang terbatas 802.16a MAC dan PHY < 120 km/jam(untuk pedestrian)
802.20 Penyelenggara data nirkabel, mendukung mobilitas penuh
3G Penyelenggara seluler, mendukung evolusi komunikasi data
MAC dan PHY baru < 250 km/jam (untuk commuter) Lisensi (2,5GHz), Lisensi, < 3,5 Unlicensed (6 GHz) GHz Simetri, > 1Mbps per Simetri, > 1 user Mbps per user Rendah Rendah Paket Paket Optimal untuk Optimal untuk backward mobilitas penuh ompatibility
WCDMA Cdma2000 <250 km/jam (untuk commuter dan pedestrian) Lisensi, < 2,6 GHz
13
Tidak simetri, < 2 Mbps per sel Tinggi Sirkuit Berbasis GSM atau CDMA
Perkembangan WiMAX di masa depan dibuat pula untuk mendukung mobilitas yang tinggi dengan teknologi Mobile-Fidelity IEEE 802.20 dan Mobile WiMAX IEEE 802.16e, kedua teknologi memiliki bandwidth yang lebih rendah dari WiMAX IEEE 802.16a, tetapi sedikit lebih besar dari 3G. Tabel 2.3 menunjukkan perbandingan teknologi WiMAX dengan teknologi 3G. Terlihat dari Tabel 2.3 bahwa 3G didesain untuk komunikasi suara yang mendukung komunikasi data, berorientasi pada sirkuit, spektrum frekuensi pada spektrum berlisensi, dan mendukung mobilitas pengguna yang tinggi. Tetapi 3G memiliki keterbatasan kecepatan kurang dari 2 Mbps, yang dianggap masih kurang cukup memadai, berorientasi sirkuit switch, sehingga investasinya relatif lebih mahal dibanding WiMAX yang berorientasi paket switch. WiMAX 802.16e dikembangkan untuk
mobilitas
yang
terbatas
(low-mobility)
sedangkan
WiMAX
802.20
dikembangkan untuk mendukung mobilitas yang luas (full-mobility) tetapi dengan bandwidth yang lebih kecil dari WiMAX 802.16e. WiMAX diperuntukkan bagi penyelenggara komunikasi data yang berorientasi teknologi packet switch. Teknologi WiMAX dapat mendukung dua model penggunaan, yaitu Fixed dan Portable. 2.4.1 Fixed Standar IEEE 802.16 (dengan versi revisi IEEE 802.16a dan 802.16REVd) didesain untuk model penggunaan tetap (fixed). Standar ini dikenal sebagai “fixed wireless” karena memasangkan antena pada lokasi pelanggan yang dipasangkan pada atap rumah atau dapat menggunakan tiang, sama seperti penampang antena televisi satelit. IEEE 802.16-2004 juga dapat digunakan untuk instalasi indoor, tetapi kemampuannya tidak sama dengan instalasi outdoor. Standar 802.16 sebagai fixed broadband internet access yang dapat interoperable, solusi carrier-class untuk
14
jangkauan jarak jauh. Solusi WiMAX ini beroperasi pada pita frekuensi 2.5-GHz, 3,5 GHz, dan 5,8 GHz. Teknologi ini menyediakan jaringan tanpa kabel sebagai alternatif pengganti dari cable modem, digital subscriber lines dengan beberapa tipe (xDSL), transmit/exchange (Tx/Ex), dan optical carrier level (OC-x). 2.4.2 Portable Standar IEEE 802.16e merupakan amandemen 802.16a untuk perangkat mobile dengan menambahkan portabilitas dan kemampuan roaming pada perangkat CPEnya. Standar 802.16e menggunakan Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) yang bekerja dengan mengelompokkan berbagai subcarrier kedalam
sub-channel.
Client
tunggal atau
subscriber
station
(SS)
dapat
ditransmisikan dengan menggunakan seluruh sub-channels dalam suatu carrier, atau multiple client dapat ditransmisikan dengan masing-masing menggunakan sebagian dari total sub-channel secara bersama-sama. Karena kemampuannya dalam mendukung pengguna fixed dan portable, WiMAX dapat digunakan pula untuk backhaul sistem dari jaringan seluler. Layanan WiMAX dapat juga digunakan untuk broadband on demand, broadband untuk perumahan, undeserved areas (daerah dengan pelayanan kurang memadai), dan best connected wireless service. Standar IEEE 802.16-2004 meningkatkan pengiriman jarak jauh untuk propagasi yang dipengaruhi oleh adanya multipath interference, delay spread, dan robustness. 2.5 Lapis MAC Tugas utama dari lapis MAC WiMAX adalah menyediakan sebuah interface (penghubung) antara lapis Transport yang lebih tinggi dengan lapis Physical. Lapis MAC mengambil paket dari lapisan atas, paket ini disebut MAC Service Data Units (MSDUs) dan mengorganisir paket-paket ini kedalam MAC Protocol Data Unit
15
(MPDUs) untuk transmisi melalui udara. Untuk transmisi penerimaan, lapis MAC melakukan hal yang sebaliknya. Desain MAC IEEE 802.16-2004 dan IEEE 802.16e2005 meliputi sebuah sublapis konvergensi yang bisa menjadi penghubung dengan beberapa protokol lapis yang lebih tinggi, seperti Asynchronous Tranfer Modulation (ATM), Time Division Multiplexing Voice, Ethernet, IP, dan protokol-protokol yang belum dikenal. Selain menyediakan mapping ke dan dari lapisan yang lebih tinggi, sublapis yang konvergensi juga mendukung pencegahan header MSDU untuk mengurangi overhead dari lapis yang lebih tinggi di setiap paket. MAC dari WiMAX didesain untuk mendukung bit rate yang sangat tinggi sekaligus memastikan QoS yang hampir sama dengan ATM dan DOCSIS. MAC WiMAX menggunakan MPDU yang panjang yang bervariasi dan menyediakan fleksibilitas untuk memungkinkan transmisi yang efisien. Sebagai contoh, beberapa MPDUs dengan panjang yang sama dan berbeda bisa saja dimasukkan ke dalam satu aliran data tunggal untuk menghemat overhead PHY. Sama halnya, beberapa MSDUs yang berasal dari lapisan atas yang sama bisa saja disusun ke dalam sebuah MPDU untuk menghemat overhead header MPDU. Kebalikannya, MSDUs yang besar bisa juga dibagi (difragmen) ke dalam MPDUs yang lebih kecil dan dikirim diantara frame-frame yang berlainan. Gambar 2.2 menunjukkan berbagai variasi dari frame MAC PDU (Packet Data Unit). Setiap frame MAC diberi prefiks dengan sebuah header MAC (GMH) yang berisi sebuah Connection Identifier (CID), lebar dari frame, dan bits untuk mengkualifikasikan kehadiran dari CRC, subheader, dan apakah Payload sudah dienkripsi, dan jika benar, dengan kunci apakah. Payload dari MAC bisa berupa
16
sebuah pesan tranpor ataupun pesan manajemen.
GMH
Packet Fixed Size MSDU
SH lain
Packet Fixed Size MSDU
Packet Fixed Size MSDU
CRC
(a) Frame MAC PDU membawa beberapa paket MSDU ukuran tetap bersama
GMH
SH lain
PSH
Fragmen MSDU
CRC
(b) Frame MAC PDU membawa beberapa paket MSDU ukuran tetap bersama
GMH
SH lain
PSH
Variabel Size MSDU atau Fragment
PSH
Variabel Size MSDU atau Fragment
CRC
(c) Frame MAC PDU membawa beberapa paket MSDU dengan ukuran bervariasi secara bersama
GMH
ARQ Feedback
SH lain
CRC
(d) Frame MAC PDU membawa beberapa data ARQ
GMH
SH lain
PSH
Feedback ARQ
PSH
Variabel Size MSDU atau Fragment
CRC
(e) Frame MAC PDU membawa beberapa data ARQ dan data MSDU
GMH
MAC Management Message
CRC
(f) Frame Manajemen MAC
Gambar 2.2 Frame WiMAX Selain MSDUs, payload dari transpor diidentifikasi dengan menggunakan subheader yang mendahuluinya. MAC WiMAX juga mendukung ARQ, yang bisa digunakan untuk meminta retransmisi dari MSDUs yang belum terfragmen dan fragmen dari MSDUs. Panjang maksimum dari frame adalah 2047 bytes, yang direpresentasikan oleh 11 bits dalam GMH. 2.5.1 Mekanisme Kanal-Akses Pada WiMAX, lapis MAC pada Base Station bertanggung jawab secara penuh untuk melaksanakan tugas alokasi bandwidth kepada semua pengguna, baik pada uplink maupun pada downlink. Satu-satunya waktu ketika MS memiliki kontrol terhadap alokasi bandwidth adalah ketika MS memiliki multiple session ataupun koneksi dengan BS. Dalam hal ini, BS mengalokasikan bandwidth kepada MS secara 17
keseluruhan, dan MS memiliki hak untuk mengatur apakah akan membagi sumber daya bandwidth diantara koneksi jamak atau tidak. Semua scheduling (penjadwalan) pada uplink dan downlink diatur oleh BS. Untuk downlink, BS bisa mengalokasikan bandwidth kepada setiap MS, bergantung kepada kebutuhan dari trafik yang masuk, tanpa melibatkan MS. Untuk Uplink , alokasi harus berdasar pada permintaan dari MS. Standar WiMAX mendukung beberapa mekanisme dimana MS bisa meminta dan mendapatkan bandwidth uplink (bandwidth untuk pengiriman data bagi pelanggan). Bergantung kepada QoS tertentu dan parameter trafik yang diasosiasikan pada sebuah servis, satu ataupun beberapa dari mekanisme ini bisa digunakan oleh MS. Base Station mengalokasikan dedicated ataupun shared resources secara periodik kepada setiap MS, yang nantinya bisa digunakan oleh MS untuk merequest bandwidth. Proses ini disebut polling. Polling bisa dilakukan secara baik individual (unicast) ataupun secara berkelompok (multicast). Polling Multicast dilakukan ketika bandwidth yang diperlukan tidak mencukupi untuk mempool setiap MS secara individual. Ketika polling dilakukan secara multicast , slot yang dialokasikan untuk membuat permintaan bandwidth adalah sebuah slot yang digunakan bersama, yang mana akan dimanfaatkan oleh setiap MS yang dipool. 2.5.2 QoS (Quality Of Service) pada WiMAX Teknologi WiMAX
dapat menjalankan QoS dengan berbagai kebutuhan
bandwith dan aplikasi. Sebagai contoh aplikasi voice dan video memerlukan latency yang rendah tetapi masih bisa mentolerir beberapa error rate. Sebaliknya aplikasiaplikasi data pada umumnya sangat sensitif terhadap error rate, sedangkan faktor latency bukan menjadi pertimbangan kritis. Kemampuan pengalokasian besarnya
18
bandwith pada suatu kanal pada saat yang tepat merupakan konsep mekanisme penting pada standar WiMAX untuk menurunkan latency dan meningkatkan QoS. Perubahan parameter QoS bisa diminta oleh SS ke BS dengan sambungan masih tetap terjaga. Kemampuan ini memungkinkan WiMAX menjalankan layanan Bandwith on Demand (BoD). Berdasarkan jenisnya, QoS pada WiMAX ini dapat dikelompokkan menjadi empat jenis yaitu Unsolicited Grant Service (UGS), Real Time Packet Service (rtPS), Extended Real Time Service (ertPS), Non-Real Time Packet Service (nrtPS), dan Best Effort (BE). 2.5.2.1 Unsolicited Grant Service (UGS) UGS digunakan untuk layanan yang membutuhkan jaminan transfer data dengan prioritas paling utama. Layanan ini memiliki karakteristik : a. Seperti halnya layanan CBR (Constant Bit Rate) pada ATM yang dapat memberikan transfer data secara periodik dalam ukuran yang sama (burst). b. Untuk layanan-layanan yang membutuhkan jaminan real-time. c. Efektif untuk layanan yang sensitif terhadap throughput, latency dan jitter seperti layanan pada TDM (Time Division Multiplexing). d. Maksimum dan minimum bandwith yang ditawarkan sama. e. Contohnya untuk aplikasi VoIP, T1/E1 atau ATM CBR. 2.5.2.2 Real Time Packet Service (rtPS) Real Time Packet Service digunakan untuk layanan yang sensitif terhadap masalah throughput dan latensi. Layanan ini memiliki karakteristik : a. Efektif untuk layanan yang sensitif terhadap throughput dan latency namun dengan toleransi yang lebih longgar bila dibandingkan dengan UGS.
19
b. Untuk real-time service flow, periodic variable size data paket (variabel bit rate). c. Garansi rate dan syarat delay telah ditentukan d. Contohnya MPEG video, VoIP, video conference. e. Parameter service : committed burst, committed time.
2.5.2.3 Extended Real Time Packet Service (ertPS) Extended Real Time Packet Service adalah salah satu bentuk layanan yang memiliki karaketeristik : a. Efektif untuk layanan yang sensitif terhadap throughput dan latency namun dengan toleransi yang lebih longgar dibandingkan dengan rtPS. b. Untuk Extended real-time service, yang sedikit lebih rendah dari real-time service. c. Contohnya aplikasi VoIP-Voice with activity detection 2.5.2.4 Non-Real Time Packet Service (nrtPS) Untuk pelanggan yang membutuhkan bandwidth yang besar, namun bisa mentolelir delay, maka akan digunakan layanan Non-Real Time Packet Service. NonReal Time Packet Service memiliki ciri-ciri sebagai berikut : a. Efektif untuk aplikasi yang membutuhkan throughput yang intensif. b. Layanan non-real time dengan regular variable size burst. c. Layanan mungkin dapat diexpand sampai full bandwith. d. Garansi rate diperlukan namun delay tidak digaransi. e. Contohnya aplikasi seperti video dan audio streaming. f. Parameter Service : committed burst, committed time excess burst.
20
2.5.2.5 Best Effort (BE) Best Effort adalah mode yang digunakan jika masalah kecepatan data, rate dan delay tidak terlalu diperhatikan, berikut adalah ciri-ciri dari mode Best Effort : a. Untuk traffic yang tidak membutuhkan jaminan kecepatan data (best effort). b. Tidak ada jaminan (requirement) pada rate dan delay-nya. c. Contohnya aplikasi internet (web browsing), email, dan FTP. WiMAX juga dapat mengoptimalkan data rate di sisi user dengan cara menentukan tipe modulasinya. Bila user-nya cukup dekat ke BS, maka modulasinya yang cocok adalah 64QAM sedangkan yang lebih jauh menggunakan 16QAM atau QPSK. Namun demikian WiMAX dapat menentukan tipe modulasinya mana yang berlaku secara otomatis tergantung dari kualitas link antara BS dan SS. Setiap layanan pada WiMAX membutuhkan persyaratan khusus agar layanan tersebut dapat diterima dengan baik oleh pengguna. Beberapa parameter yang biasa digunakan sebagai acuannya meliputi throughput, delay, jitter maupun packet lossnya. 2.5.3 Fungsi Sekuritas Tidak seperti Wi-Fi, sistem WiMAX dirancang dengan memperhatikan faktor sekuritas, standar ini meliputi metode untuk memastikan privasi data dan mencegah akses yang tidak diotorisasi, dengan protokol tambahan untuk optimasi untuk mobilitas. Sekuritas dikendalikan dengan sebuah sublayer privasi di dalam MAC WiMAX. Aspek-aspek keamanan yang diperhatikan adalah privacy support, device/user authentication, flexible key-management protocol, protection of control messages, dan fast handover.
21
2.5.3.1 Privacy Support Data pengguna dienkripsi menggunakan skema kriptografi untuk menyediakan privasi, selain itu mendukung AES (Advanced Encryption Standard) dan 3DES (Triple Data Encryption Standard). Secara umum teknologi yang di implementasikan adalah AES, karena menggunakan standar enkripsi sesuai dengan standar yang dikeluarkan oleh Federal Information Processing (FIPS) dan selain itu karena lebih mudah untuk diimplementasikan. Kunci 128-bit ataupun 256-bit untuk mendapatkan kode dibangkitkan selama fase autentikasi dan secara periodik diperbaharui untuk perlindungan tambahan. 2.5.3.2 Device/User Authentication WiMAX menyediakan sebuah cara yang fleksibel untuk autentikasi Subscriber Station bagi pengguna untuk mencegah penggunaan ilegal. Sistem dari autentikasi berdasar pada Internet Engineering Task Force (IETF) EAP, yang mendukung berbagai fungsi, berupa username/password, sertifikat digital, dan smart card. Perangkat terminal WiMAX dibuat dengan built in X.509 digital certificates yang berisi public key dan alamat MAC. Operator dari WiMAX bisa menggunakan sertifikat untuk autentikasi perangkat dan menggunakan username/password ataupun autentikasi smartcard diatasnya untuk autentikasi. 2.5.3.3 Flexible Key-Management Protocol Privacy and Key Management Protocol digunakan untuk secara aman mentransfer material penting dari Base Station ke Mobile Station, secara periodik melakukan otorisasi dan memperbaharui kunci. PKM adalah seubah protokol ClientServer: MS sebagai klien; BS sebagai server. PKM menggunakan X.509 sertifikat digital dan algoritma public key RSA (Rivest-Shamer-Adleman) untuk secara aman melakukan pertukaran kunci antara BS dengan MS.
22
2.5.3.4 Protection of Control Messages Integritas dari pesan kontrol di udara di lindungi dengan menggunakan skema message digest, seperti AES-CMAC ataupun MD5-HMAC.
2.5.3.5 Fast Handover Untuk mendukung Fast Handover, WiMAX mengizinkan MS untuk menggunakan pra-autentikasi dengan BS tertentu untuk memfasilitasi accelerated reentry. Sebuah skema jabat tangan tiga arah didukung untuk mengoptimasi mekanisme autentikasi untuk tujuan fast handover, sekaligus secara bersamaan mencegah inflitrasi ilegal. 2.6 Topologi Jaringan WiMAX Topologi WiMAX dapat dibagi dalam dua kategori besar yaitu Point to Multipoint (PMP) dan Point to Point (P2P), serta dapat dikembangkan menjadi jaringan berbentuk Mesh. 2.6.1
Topologi Point to Multipoint (PMP) Topologi PMP biasanya digunakan untuk melayani akses langsung ke
pelanggan/subscriber.
Dalam
topologi
ini
BS
WiMAX
digunakan
untuk
mengendalikan beberapa SS (Subscriber Station). Kemampuan dari BS WiMAX mengendalikan berapa jumlah subscriber tergantung dari tipe QoS yang ditawarkan oleh operator. Bila tiap SS mendapatkan bandwith yang cukup besar maka dapat disimpulkan bahwa kapasitas jumlah user juga akan semakin berkurang dan sebaliknya bila bandwith yang dialokasikan semakin sedikit maka kapasitasnya akan semakin besar. Gambar 2.3 menunjukkan WiMAX yang diimplementasikan dengan menggunakan topologi Point to Multipoint (PMP).
23
Gambar 2.3 Topologi PMP WiMAX
2.6.2 Topologi Point to Point (P2P) Topologi P2P dapat digunakan untuk backhaul maupun dapat juga digunakan untuk komunikasi antara BS WiMAX dengan single SS. Gambar 2.4 mengilustrasikan WiMAX sebagai backhaul dan sekaligus digunakan untuk mengkover SS tunggal.
Gambar 2.4 Topologi P2P WiMAX 24
2.6.3 Topologi Pengembangan Topologi pengembangan merupakan varian dari topologi dasar P2P dan PMP. Dengan kedua teknologi tersebut, WiMAX dapat dimanfaatkan untuk memenuhi berbagai topologi seperti mesh maupun gabungan atau integrasi antara P2P dengan PMP. Gambar 2.5 mengilustrasikan bagaimana bentuk Topologi Pengembangan.
Gambar 2.5 Topologi pengembangan pada WiMAX
25
2.7 Hybrid-ARQ Hybrid-ARQ adalah sebuah sistem ARQ yang diimplementasikan pada lapis fisik bersama-sama dengan FEC, menyediakan performansi link yang lebih baik dari ARQ tradisional dengan kompleksitas implementasi yang meningkat. Versi paling sederhana dari H-ARQ adalah sebuah kombinasi sederhana dari FEC dan ARQ, dimana blok data, bersama dengan kode CRC, dienkodekan dengan menggunakan coder FEC sebelum transmisi; retransmisi dilakukan jika decoder tidak mampu mendecode blok yang diterima. Ketika blok kode retransmisi diterima, maka akan dikombinasikan dengan kode blok yang sebelumnya terdeteksi dan diinput ke decoder FEC. Mengkombinasikan dua versi yang diterima dari code block meningkatkan peluang dari decode secara benar. Tipe H-ARQ ini sering disebut dengan tipe I Chase Combining. Standar WiMAX mendukung metode ini dengan mengkombinasikan sebuah Nkanal stop and wait ARQ bersamaan dengan sekumpulan protokol yang mendukung kode FEC. Melakukan Multiple Parallel Channels dari H-ARQ pada saat yang bersamaan dapat meningkatkan throughput, karena ketika sebuah proses H-ARQ menunggu acknowledgement, proses yang lain bisa menggunakan kanal untuk mengirim data. WiMAX mendukung mekanisme signalling untuk memungkinkan operasi asinkron dari H-ARQ dan mendukung sebuah kanal acknowledgement dedicated pada uplink untuk signalling ACK/NACK. Operasi Asynchronous memungkinkan delay yang bervariasi antar retransmisi, yang mana menyediakan fleksibilitas yang lebih besar untuk scheduler. Untuk lebih jauh meningkatkan reliabilitas dari retransmisi, WiMAX juga secara opsional mendukung tipe II dari H-ARQ, yang biasa juga disebut dengan Incremental Redundancy. Pada tipe II dari H-ARQ, tidak seperti tipe I dari H-ARQ, setiap
26
retransmisi dikodekan secara berbeda untuk memperoleh peningkatan performansi. Secara umum, code rate secara efektif turun setiap retransmisi. Karena itu, bit parity tambahan dikirim untuk setiap pengulangan, sama dengan koding antar retransmisi. 2.8 Struktur Slot dan Frame Lapis PHY dari WiMAX bertanggung jawab untuk alokasi slot dan framing di udara. Waktu minimum yang dapat diberikan pada sebuah link pada sistem WiMAX disebut dengan slot. Setiap slot terdiri dari satu sub kanal pada satu, dua , atau tiga simbol OFDM, bergantung pada skema subkanalisasi tertentu yang digunakan. Sebuah urutan slot yang diberikan pada sebuah user disebut dengan data region dari pengguna; algoritma scheduling dapat mengalokasikan data region pada pengguna yang berbeda, bergantung pada kebutuhan, permintaan QoS, dan kondisi kanal. Gambar 2.6 menunjukkan bahwa frame OFDMA dan OFDM ketika beroperasi pada mode TDD. Frame dibagi ke dalam dua buah subframe: sebuah frame downlink yang diikuti oleh sebuah frame uplink setelah sebuah interval waktu jaga. Perbandingan antara subframe uplink dengan downlink berkisar dari 3:1 hingga 1:1 untuk mendukung profil trafik yang lain. WiMAX juga mendukung Frequency Division Multiplexing, dimana struktur frame sama kecuali baik pada downlink dan uplink ditransmisikan secara bersamaan melalui carrier yang berbeda. TDD memungkinkan fleksibilitas pembagian bandwidth antara uplink dan downlink, dan memiliki desain transceiver yang lebih sederhana. Kekurangan dari TDD adalah kebutuhan untuk melakukan sinkronisasi diantara Base Station yang berbeda untuk memastikan keberadaan bersama yang bebas interferensi.
27
Preamble DL–MAP DL–MAP U L – M A P (Con td.) UL–MAP
Subcarries (frequency)
O F D M Symbol Number (time)
Frame UL Burst #1
DL Subframe
UL Subframe
DL Burst #2 CR
DL-PHY PDU
UL-PHY PDU
CBR
UL Burst #2
DL Burst #1
DL Burst #3
UL Burst #3
Preamble FCH
DL Burst #1
DL Burst #n
UL-PHY PDU
Preamble UL Burst
UL Burst #4
DL Burst #4
DLFP
UL Burst #5
DL-MAP1 UL-MAP1 DCD1 UCD
MAC PDU
MAC PDU
MAC PDU
PAD
DL Burst #5 Ranging
Downlink Subframe
Guard
Uplink Subframe
MAC Header
MSDU
CRC
CR : Contention Region CBR : Contention for Bandwidth Request
Gambar 2.6 Bentuk Frame WiMAX
Downlink subframe dimulai dengan sebuah downlink preamble yang digunakan untuk prosedur lapis fisik, seperti sinkronisasi waktu dan frekuensi dan estimasi inisiasi kanal. Preamble downlink diikuti dengan Frame Control Header (FCH) yang menyediakan informasi konfigurasi frame, seperti MAP message length, modulasi dan skema koding, dan subcarrier yang dapat digunakan. Beberapa pengguna dialokasikan data region di dalam frame, dan alokasi ini dispesifikasikan di pesan MAP uplink dan downlink (DL-MAP dan UL-MAP) yang di broadcast mengikuti FCH pada subframe downlink. Pesan MAP meliputi profil burst untuk masing-masing pengguna, yang mana mendefinisikan modulasi dan skema koding yang digunakan di link. Karena MAP berisi informasi yang penting yang diperlukan untuk mencapai semua pengguna, maka MAP sering dikirim pada link yang dapat diandalkan, seperti BPSK dengan coding rate ½ dan coding repetisi. 28
WiMAX dianggap cukup fleksibel dalam hal bagaimana pengguna yang berjumlah banyak dan banyaknya paket dimultiplexingkan pada sebuah frame. Sebuah frame downlink mungkin berisi campuran data dengan ukuran-ukuran dan tipe yang berbeda. Ukuran dari frame juga bervariasi dari 2 ms hingga 20 ms, dan setiap frame bisa berisi berbagai jenis ukuran frame, frame dengan ukuran yang sama ataupun bagian dari paket yang berasal dari lapisan yang lebih tinggi. Paling tidak, bagaimanapun, semua peralatan WiMAX akan mendukung hanya frame dengan 5 ms. Subframe Uplink dibentuk oleh beberapa data uplink dari pengguna yang berbeda. Sebuah porsi subframe uplink direservasikan untuk akses berbasis isi yang digunakan untuk berbagai jenis fungsi. Subframe ini pada umumnya digunakan untuk kanal ranging untuk melakukan performansi closed-loop frequency, waktu, dan penyesuaian daya selama entry ke jaringan dan juga secara periodik setelah entry. Kanal ranging bisa digunakan oleh Subscriber Station (SS) ataupun Mobile Station (MS) untuk membuat Uplink Bandwidth Requests. Sebagai tambahan, data dengan best-effort bisa juga dikirim pada kanal berbasis isi ini, secara khusus ketika jumlah dari data yang akan dikirim terlalu kecil untuk memungkinkan merequest sebuah kanal tersendiri. Selain kanal ranging dan data trafik, subframe uplink memiliki Channel-Quality Indicator Channel (CQICH) untuk memungkinkan SS untuk memfeedback informasi kualitas kanal yang bisa dimanfaatkan oleh Scheduler dari Base Station dan kanal Acknowledgement (ACK) bagi Subscriber Station memfeedback Downlink Acknowledgement. Untuk mengatasi variasi waktu, WiMAX secara optimal mendukung pengulangan Preamble. Pada uplink, preamble yang pendek, yang disebut Midamble, bisa digunakan setelah 8, 16, ataupun 32 simbol; pada downlink, sebuah preamble pendek bisa dimasukkan pada permulaan dari setiap burst data. Diperkirakan dengan
29
memiliki midamble untuk setiap 10 simbol memungkinkan mobilitas hingga 150 km/jam.
30
BAB III ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING—TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS (OFDM-TDMA) dan ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS (OFDMA)
3.1 Pendahuluan Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) adalah sebuah teknik transmisi multicarrier, dimana aliran data serial laju tinggi dibagi kedalam sekumpulan subaliran data paralel dengan laju yang rendah. Masing-masing subaliran data paralel ini dimodulasikan pada subcarrier yang terpisah. OFDM-TDMA merupakan salah satu jenis dari teknik transmisi multicarrier FDM yang memiliki efisiensi pemakaian spektrum frekuensi jauh lebih baik.
Gambar 3.1 Perbandingan Teknik FDM dan OFDM Gambar 3.1 menunjukkan bahwa pada OFDM-TDMA overlap antar frekuensi yang bersebelahan diperbolehkan, karena masing-masing subcarrier didalam OFDMTDMA sudah saling orthogonal. Sedangkan pada sistem multicarrier konvensional (FDM) untuk mencegah interferensi antar frekuensi yang bersebelahan perlu 31
disisipkan frekuensi penghalang yang berakibat menurunnya efisiensi penggunaan spektrum frekuensi.
3.2 Orthogonalitas Sinyal-sinyal dikatakan orthogonal jika sinyal yang satu dengan yang lainnya saling berdiri sendiri (mutually independent). Istilah orthogonal didalam Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) mengandung makna hubungan matematis diantara frekuensi-frekuensi yang digunakan. Dengan persamaan matematika, dua buah siyal dikatakan orthogonal bila :
a. Untuk sinyal waktu kontinu Ts
∫ cos(2πnf t ) x cos(2πmf t )dt = 0 ; n ≠ m 0
0
(3.1)
0
b. Untuk sinyal waktu diskrit N −1 2πkn 2πkm I ∑ cos =0 ; n≠m x cos N N k =0
(3.2)
Dimana Ts adalah periode simbol dan N adalah jumlah subcarrier. Pemakaian frekuensi yang saling orthogonal pada OFDM-TDMA memungkinkan subcarrier yang satu dengan subcarrier yang lainnya saling overlap tanpa menimbulkan interferensi antar carrier (ICI). Keorthogonalan sinyal OFDM-TDMA dapat dilihat pada spektrum pada spektrum frekuensi seperti terlihat pada Gambar 3.2.
32
Gambar 3.2 Orthogonalitas OFDM Secara matematis besarnya frekuensi subcarrier yang digunakan dapat dinyatakan sebagai:
fk = fo +
k ; k = 0,1,2,..., N − 1 Ts
(3.3)
Dari Persamaan 3.3 dapat diperoleh jarak setiap frekuensi subcarrier agar orthogonal minimal harus dipisahkan sejauh 1/Ts dan dapat dinyatakan sebagai:
∆f =
1 Ts
(3.4)
Dimana: ∆f adalah jarak antara frekuensi subcarrier Ts adalah periode simbol 3.3 Prinsip Kerja OFDM-TDMA Prinsip kerja teknik OFDM-TDMA adalah membagi deretan data serial laju tinggi kedalam sejumlah deretan data paralel dengan laju yang lebih rendah,
33
kemudian ditransmisikan melalui sejumlah subcarrier yang saling orthogonal. Prinsip kerja teknik OFDM ditunjukkan pada Gambar 3.3.
b[0] b[1] ...b[M-1]
Serial To paralel
X[0]
φ0 (t )
X[1]
φ1 (t )
X[N-1]
Kanal
φ N −1 (t )
Gambar 3.3 Prinsip Kerja Teknik OFDM-TDMA
M deretan bit-bit informasi (b[0], b[1], ..., b[M-1]) diubah kedalam bentuk deretan data paralel dengan menggunakan N subcarrier kemudian ditransmisikan dengan subcarrier-subcarrier yang saling orthogonal (φ(t), φ1(t), ..., φN-1(t)). Sehingga durasi simbol baru (bit-bit paralel) adalah N kali lebih lama dari durasi simbol orisinal 9bitbit serial) yaitu menjadi N Ts lebih besar dari delay spread (Tm ).
Untuk mengetahui prinsip kerja teknik OFDM-TDMA lebih lanjut dapat dilihat pada blok diagram dasar OFDM-TDMA yang diperlihatkan pada Gambar 3.4. Diagram blok dasar OFDM-TDMA terbagi atas tiga bagian yaitu: transmitter (serial to paralel converter, modulator, IFFT, paralel to serial converter, channel, receiver (serial to paralel converter, FFT, demodulator, paralel to serial converter).
34
Transmit ter
Data In
Serial to paralel converter
Modulator
Channel
Inverse Fast Fourier Transform (IFFT)
Paralel to Serial Converter
Channel
Receiver
Serial to paralel converter
Inverse Fast Fourier Transform (IFFT)
Demodulat or
Paralel to Serial Converter
Data Out
Gambar 3.4 Diagram Blok Dasar OFDM-TDMA 3.3.1 Transmitter Gambar 3.5 menunjukkan diagram blok transmitter OFDM-TDMA yang terdiri dari blok-blok serial to paralel, modulasi, IFFT dan paralel to serial. Deretan data yang akan ditransmisikan (data in) yaitu deretan bit-bit serial dikonversikan ke-
Transmitter
Data In
Serial to paralel converter
Modulasi
IFFT
Paralel to Serial
Sinyal OFDM
Gambar 3.5 Diagram Blok Transmitter OFDM-TDMA lam bentuk paralel oleh Serial to Paralel Converter, sehingga bila bit rate semula adalah R maka bit rate ditiap jalur paralel adalah R/N dimana N adalah jumlah jalur paralel atau jumlah subcarrier. Prinsip konversi bit serial ke paralel ditunjukkan pada Gambar 3.6. 35
X[0]
X[0] X[1] ... X[N-1]
Serial To Paralel
X[1]
X[N-1]
Gambar 3.6 Konversi Bit Serial ke Paralel Kemudian ke-N bit paralel ini (X[0], X[1], ..., X[N-1]) dimodulasikan pada tiap-tiap subcarrier yang berbeda dimana setiap subcarrier dipisahkan sejauh ∆f , seperti yang terlihat pada Gambar 3.7. Modulator
X[0]
X[1]
X[0]
e j 2πf 0t X[1]
e j 2πf 0t
e j 2πf1t
e j 2πf1t X[N-1]
X[N-1]
e j 2πf N −1t
e j 2πf N −1t Gambar 3.7 Proses Modulasi
Sinyal hasil modulasi tersebut secara matematika dapat ditulis sebagai: N −1
x(t ) = ∑ X [k ]e j 2πf k t ; 0 ≤ t ≤ Ts
(3.5)
k =0
Atau dapat ditulis sebagai: N −1
x(t ) = ∑ X [k ]e j 2πk∆t ; 0 ≤ t ≤ Ts
(3.6)
k =0
36
Sinyal OFDM-TDMA hasil modulasi kemudian dialirkan kedalam Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) untuk mengubah sinyal dari domain frekuensi kedalam sinyal domain waktu dengan cara mencuplik sinyal x(t) dengan laju Ts/N. Proses IFFT ditunjukkan pada Gambar 3.8.
X[0]
x[0]
X[1]
x[1]
IFFT x[N-1]
X[N-1]
Gambar 3.8 Proses IFFT Sinyal keluaran IFFT dapat dinyatakan sebagai:
n N −1 x[n] = x Ts = ∑ X [k ]e j 2πnk∆fTs / N N k =0 Karena setiap subcarrier adalah orthogonal dimana ∆f =
(3.7)
1 maka persamaan di atas Ts
dapat dinyatakan sebagai: N −1
x[n] = ∑ X [k ]e j 2πnk / N = N .IFFT ( X [k ]) k =0
x[n] =
1 N
N −1
∑ X [k ]e
j 2πnk / N
;
n = 0,1..., N − 1
(3.8)
k =0
Sinyal OFDM-TDMA yang telah diaplikasikan kedalam IFFT ini kemudian dikonversikan lagi kedalam bentuk serial dan kemudian sinyal ditransmisikan. Sinyal yang terkirim ini dalam persamaan matematisnya dapat ditulis sebagai: N −1 j 2π ( f t + k∆f ) t S (t ) = real ∑ X [k ]e ; 0 ≤ t ≤ Ts k =0 37
(3.9)
Dimana f c adalah frekuensi carrier dan Ts adalah periode simbol.
3.3.2 Kanal Kanal adalah media elektromagnetik diantara pemancar (transmitter) dan penerima (receiver). Bentuk umum model kanal adalah kanal Gaussian yang secara umum disebut sebagai kanal Additive White Gaussian Noise (AWGN). Gambar 3.9 mengilustrasikan sebuah kanal dengan respon impuls h(t) dan noise additive .
u(t)
x(t)
y(t)
h(t) Gambar 3.9 Bentuk Umum Kanal
Pada OFDM-TDMA, ketika jumlah subarrier (N) adalah besar, fungsi transfer kontinu dari respon kanal H(f) dapat digambarkan sebagai kurva diskrit persegi empat, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3.10. H( f )
H2
H3
H N −2
H1
H0
f1
f2
f3
H N −1
f N −1
f4
fN
Gambar 3.10 Kanal dan Respon Kanal dari Dekomposisi Multicarrier
38
f
Masing-masing persegi empat memiliki lebar band frekuensi 1 / Ts Hz. Semakin besar N; lebar band frekuensi persegi empat akan semakin kecil dan secara matematika dapat ditulis sebagai: Yi [k ] = H i X i [k ] + u i [k ] , untuk i=1, 2,..., N
(3.10)
Dimana Yi[k] = adalah output kompleks dari N-titik FFT dan Ui[k] adalah noise.
3.3.3 Receiver Gambar 3.11 menunjukkan blok diagram Receiver yang terdiri dari blok-blok serial to paralel, FFT, demodulasi, dan Paralel to Serial.
Receiver
Sinyal OFDM
Serial To Parallel
Demodulasi
FFT
Paralel To Serial
Data Out
Gambar 3.11 Diagram Blok Receiver OFDM
N −1
FFT {x[n]} = ∑
x[n]e − j 2πnk / N
(3.11)
n =0
=
=
=
N −1 N −1
1 N
∑∑ X [m]e
1 N
N −1
N −1
m =0
n =0
1 N
j 2πn ( m − k ) / N
n =0 m =0
∑ X [m]∑ e j 2πn( m=k ) / N N −1
∑ X [ m ] Nδ [ m − k ]
m =0
= X [m]
39
Disini δ [m − k ] adalah fungsi delta yang didefinisikan sebagai: 1; 0;
δ [n] =
n=0 n≠0
Sinyal yang telah dialirkan kedalam FFT ini kemudian didemodulasikan dan kemudian dikonversikan lagi kedalam bentuk serial oleh Paralel to Serial Converter ~ dan akhirnya kembali menjadi bentuk data informasi X [k ] .
3.4 Modulasi/Demodulasi QPSK Salah satu teknik modulasi yang sering digunakan didalam teknik OFDMTDMA adalah teknik modulasi QPSK. Pada teknik modulasi ini, informasi digit biner digunakan untuk memodulasi fasa gelombang pembawa. Dengan M = 4, maka terdapat 4 simbol yang berbeda, yaitu: 00, 01, 11, dan 10 yang direpresentasikan dengan 4 gelombang pembawa dengan fasa yang berbeda satu sama lainnya.
3.4.1 Modulator QPSK Gambar 3.12 mengilustrasikan diagram blok dari modulator QPSK. Modulator tersebut terdiri dari pengubah seri ke paralel, modulator I/Q, penjumlah sinyal, dan BPF (Band Pass Filter). Dua bit diumpankan ke serial to paralel, setelah keduanya masuk secara serial, maka akan diumpankan serempak secara paralel. Bit yang satu menuju kanal I dan yang lainnya menuju kanal Q. Pada QPSK logic 1 diwakili +1 Volt sedangkan logic 0 diwakili -1 Volt.
40
Kanal I ±1
fb / 2
Osilator referensi
Ballans Modulator
± cos ω c t
cos ωct
QPSK output Data Input
Penjumlah Q I
BPF
Pergeseran Phase 90
Biner
sin ω c t
±1
fb / 2
Kanal Q
Ballans Modulator
± sin ω c t
Gambar 3.12 Diagram Blok Modulator QPSK Keluaran modulator QPSK berupa penjumlahan linear dari kanal I dan kanal Q seperti yang terlihat pada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Keluaran Modulator QPSK Input
Output
(dibit)
Modulator QPSK
00
− 1 cos ω c t − 1sin ω c t = 2 sin(ω c t − 135ο )
01
− 1 cos ω c t + 1sin ω c t = 2 sin(ω c t − 45ο )
10
+ 1 cos ω c t − 1sin ω c t = 2 sin(ω c t + 135ο )
11
+ 1 cos ω c t + 1sin ω c t = 2 sin(ω c t + 45ο )
Terlihat bahwa jarak anguler antara dua phasor yang berdekatan pada QPSK adalah 900. karena itu suatu sinyal QPSK bisa mengalami pergeseran phase +450 atau -450 selama transmisi dan tetap akan berupa informasi yang benar saat didemodulasikan pada penerima. Sedangkan bentuk sinyal keluaran modulator QPSK ditunjukkan oleh Gambar 3.13.
41
QI 01
QI 10
QI 11
QI 00
Debit Input Waktu QPSK derajat Output phase
+ 135
- 45
+ 45
- 135
Gambar 3.13 Sinyal Keluaran Modulator QPSK 3.4.2 Demodulator QPSK Gambar 3.14 mengilustrasikan diagram blok demodulator QPSK yang terdiri dari detektor, LPF (Low Pass Filter), dan pengubah paralel ke seri.
(cosωct )(− sin ωct + cosωct )
− sin ωct + cos ωct
LPF
Detektor
+ 1 V (logic 1) 2
I cos ωct
Sinyal OFDM & Noise
Q I
sin ωct
− 1 V (logic 0) 2
Q − sin ωct + cos ωct
Data biner yang diterima
LPF
Detektor
(sin ωct )(− sin ωct + cos ωct ) Gambar 3.14 Diagram Blok Demodulator QPSK Pada Gambar 3.14 diperlihatkan sinyal masukan demodulator berupa sinyal OFDM yang telah terdistorsi dengan kanal transmisi yang disebabkan AWGN dan Fading Rayleigh dimasukkan ke kanal I dan Q. Sinyal pada kanal I dikalikan dengan cos ωct, sedangkan pada kanal Q dikalikan dengan sinωct. Kemudian kedua keluaran kanal tersebut dilewatkan pada LPF untuk memperoleh sinyal hasil keluarannya, yaitu data digit 0 dan 1.
42
3.5 Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) Orthogonal Frequency Division Multiple Access ( OFDMA ) adalah sebuah versi dari skema modulasi digital OFDM. Multiple access ini dicapai oleh OFDMA dengan mengalokasikan subbagian dari subkanal pada pengguna individual seperti ditunjukkan pada gambar 3.15. Dengan metode maka memungkinkan OFDMA melakukan transmisi data dengan kecepatan rendah untuk beberapa pengguna. Pada komunikasi nirkabel, masalah yang dihadapi WiMAX adalah banyaknya pengguna pada daerah geografis yang sama yang meminta kecepatan data yang tinggi dengan bandwidth yang terbatas dan latensi yang rendah. Teknik Multiple Access memungkinkan pengguna membagi bandwidth yang tersedia dengan mengalokasikan beberapa bagian dari sumber daya yang tersedia pada masing-masing user. Fasilitas yang dapat didukung oleh sistem WiMAX berupa VoIP, transter data, dan video streaming. Aspek-aspek yang menjadi tantangan berupa mobilitas, sel tetangga, efisiensi untuk bandwidth. Hal-hal tersebuat diatas menyebabkan implementasi multiple access sangat rumit. Implementasi dari strategi multiple access yang efisien dan fleksibel sangatlah penting untuk menjaga performansi dari sistem WiMAX. OFDM-TDMA bukanlah sebuah teknik askes jamak melainkan adalah teknik modulasi yang menciptakan banyak aliran data yang bisa digunakan oleh pengguna yang berbeda. Sistem OFDM-TDMA yang terdahulu, seperti DSL, 802.11a/g, dan versi yang pertama dari 802.16/WiMAX, menggunakan sistem OFDM-TDMA 1 user, dengan semua subkanal digunakan oleh satu user untuk satu periode waktu tertentu. Sebagai contoh, pada 802.11 a/g, pengguna yang berada pada daerah yang sama menggunakan 20 MHz bandwidth dengan mengirim pada periode waktu yang berbeda setelah bersaing.
43
Kanal digunakan oleh satu user untuk satu periode waktu tertentu. Sebagai contoh, pada 802.11 a/g, menggunakan 20 MHz
pengguna yang berada pada daerah yang sama
bandwidth dengan mengirim pada periode waktu yang
berbeda setelah bersaing untuk mendapatkan hak penggunaan kanal. Berdasar pada umpan balik mengenai keadaan kanal, penugasan sistem adaptif user-to-subcarrier dapat dicapai. Jika penugasan dilakukan dengan waktu yang cukup cepat, hal ini selanjutnya
dapat
meningkatkan
kemampuan
sistem
OFDM-TDMA
untuk
menghadapi fading dan interferensi kanal bersama pita sempit. Urutan jumlah sub kanal yang berbeda bisa dialokasikan pada pengguna yang berbeda, dengan tujuan untuk mendukung QoS ( Quality of Service ) yang berbeda, sebagai contoh untuk mengontrol rate data dan probabilitas error secara individu pada masing-masing pengguna. OFDMA dapat juga dideskripsikan sebagai kombinasi dari domain frekuensi dan domain waktu dari akses jamak, dimana sumber daya dipartisi dalam domain ruang waktu dan frekuensi, dan slot dialokasikan pada indeks simbol OFDM-TDMA dan juga pada indeks subkanal OFDM-TDMA. Gambar 3.15 mengilustrasikan bagaimana prinsip kerja OFDMA. Pilot Subcarriers User 1 Data Subcarriers
User 2 Data Subcarriers
Frequency
Guard Band
Guard Band
Gambar 3.15 Alokasi Sumber Daya pada OFDMA
44
3.5.1 Kelebihan dari OFDMA OFDMA pada dasarnya adalah gabungan dari FDMA dan TDMA: pengguna secara dinamis dialokasikan subcarrier (FDMA) pada slot waktu yang berbeda (TDMA). Kelebihan dari OFDMA dimulai dari keuntungan OFDM-TDMA pengguna tunggal dalam hal ketahanan terhadap pengendalian multipath dan diversitas dari frekuensi. Sebagai tambahan, OFDMA adalah sebuah teknik akses jamak fleksibel yang bisa mengakomodasi beragam aplikasi yang luas, data rate, dan ketentuan QoS. Karena sistem akses jamak ini diterapkan pada domain digital, sebelum operasi IFFT, alokasi bandwidth yang dinamis dan efisien dapat dimungkinkan. Hal ini memungkinkan penerapan algoritma penjadwalan terhadap domain frekuensi dan waktu. Pada OFDMA, Base Station (BS) mengalokasikan sebagian kecil dari subcarrier untuk diberikan kepada pengguna-pengguna yang berbeda. Satu kelebihan utama OFDMA dari OFDM-TDMA adalah kemampuannya menyesuaikan daya transmit yang keluar dan meregangkan masalah Peak-to-Average-Power Ratio (PAPR). Masalah PAPR ini khususnya besar di uplink, dimana besarnya efisiensi daya dan biaya dari power amplifier adalah merupakan besaran yang sensitif. Dengan membagi seluruh bandwidth diantara MS pada sel, dengan masing-masing MS hanya menggunakan sebagian kecil dari subcarrier. Karena itu, setiap MS mengirim data dengan PAPR yang lebih kecil, dengan anggapan bahwa PAPR meningkat dengan jumlah dari subcarrier, dan dengan total daya yang jauh lebih rendah jika dibandingkan pengiriman dengan menggunakan seluruh bandwidth. Gambar 3.16 adalah gambar perbandingan nilai daya antara single user OFDM-TDMA dengan OFDMA.
45
Gambar 3.16 Perbandingan Daya Single User OFDM-TDMA dengan OFDMA OFDM-TDMA dengan 256 subcarrier dan OFDMA dengan 64 subcarrier. Total daya yang digunakan sama, namun pada OFDMA dimungkinkan daya puncak yang lebih rendah Pada OFDMA data rate yang lebih rendah dan data yang lebih pendek dapat dikendalikan dengan efisiensi yang lebih tinggi jika dibandingkan sistem OFDMTDMA satu user ataupun dengan TDMA dan CSMA, karena OFDMA memungkinkan data rate yang sama dikirimkan dengan periode waktu yang lebih panjang namun total daya yang lebih rendah. 3.5.2 Teknik Alokasi Bandwidth pada OFDMA Pada sistem WiMAX, spesifikasi untuk metode algoritma tidak ditentukan, karena itu setiap developer WiMAX diberi kebebasan untuk membuat prosedur tersendiri, dimana bagian-bagian yang harus diperhatikan adalah pengguna mana yang akan diatur, bagaimana untuk mengalokasikan subcarrier kepada pengguna, bagaimana untuk menentukan level daya yang cocok untuk pada pengguna pada setiap subcarrier. 46
Dengan mereferensikan pada sistem downlink OFDMA pada Gambar 3.17, pengguna mengkalkulasikan dan mengirimkan Channel State Information (CSI) pada base station pusat, dimana alokasi subcarrier dan daya ditentukan bergantung pada CSI dari pengguna dan prosedur alokasi sumber daya. Ketika subcarrier dari setiap pengguna sudah ditentukan, Base station harus menginformasikan kepada setiap pengguna subcarrier mana yang telah dialokasikan. Mapping subcarrier ini harus disiarkan kepada pengguna setiap kali kondisi dari alokasi sumber daya berubah.
Gambar 3.17 Informasi Channel State Information Dikenal beberapa jenis algoritma pada OFDMA, yaitu Maximum Sum Rate (MSR), Maximum Fairness (MF), Proportional Rate Constrain (PRC), Proportional Fairness Scheduling.
47
3.5.2.1
Algoritma Maximum Sum Rate Seperti diindikasikan pada namanya, objektif dari algoritma Maximum Sum
Rate (MSR) adalah memaksimumkan total rate dari seluruh pengguna. Algoritma ini optimal jika tujuannya adalah mendapatkan data sebanyak-sebanyaknya melalui sistem. Kelemahan dari sistem algoritma MSR adalah pengguna yang berlokasi dekat dengan Base Station (BS) akan memonopoli hampir seluruh fasilitas Bandwidth yang tersedia. Gambar 3.18 memberikan rincian perbandingan antara MSR dengan static TDMA.
Gambar 3.18 Perbandingan MSR dengan Static TDMA 3.5.2.2 Algoritma Maximum Fairness Walaupun Throughtput total dimaksimumkan dengan menggunakan algoritma MSR, pada sistem seperti WiMAX dimana attenuasi pathloss bervariasi dalam orde yang cukup besar antar pengguna, beberapa pengguna tidak akan mampu memenuhi kriteria dari prosedur penjadwalan MSR. Sebagai kebalikan dari MSR, algoritma Maximum Fairness bertujuan untuk mengalokasikan sumber daya bandwidth kepada pengguna yang seharusnya mendapatkan sumber daya bandwidth yang lebih kecil.
48
Algoritma Maximum Fairness bisa juga disebut sebagai solusi Max-Min, karena memaksimumkan data rate yang seharusnya kecil. Subcarrier dan alokasi daya lebih susah diukur jika dibandingkan dengan algoritma MSR, karena lebih berfluktuatif. Secara khusus sangatlah susah untuk menemukan subcarrier dan alokasi daya yang optimum. Karena itu, algoritma dengan kompleksitas yang rendah diperlukan, dimana pengendalian dari subcarrier dan alokasi daya dilakukan secara terpisah. Cara yang umum dilakukan adalah mengasumsikan daya dengan kuantitas yang sama dialokasikan pada setiap subcarrier dan kemudian alokasi kanal yang terbaik diprioritaskan kepada pengguna dengan laju data rate yang rendah. 3.5.2.3 Algoritma Proportional Rate Constrain Kelemahan dari sistem Maximum Fairness adalah distribusi rate diantara pengguna tidak fleksibel. Lebih jauh, throughput total sangatlah terbatas dengan pengguna SINR yang terburuk, dimana banyak dari sumber daya dialokasikan pada pengguna dengan SINR yang buruk, yang mana secara jelas kurang optimal. Pada sebuah jaringan nirkabel Broadband, sangatlah dimungkinkan pengguna yang berbeda membutuhkan data rate yang bergantung pada aplikasi yang bervariasi dengan margin yang besar. Algoritma Proportional Rate Constrain adalah generalisasi dari algoritma Maximum Fairness (MF), dengan tujuan untuk meningkatkan throughput total, namun tetap menyediakan pembagian sumber daya bandwidth yang lebih adil dan fleksibel. 3.5.2.4
Proportional Fairness Scheduling Tiga algoritma yang terdahulu memiliki objektif untuk mencapai throughput
yang besar (algoritma MSR), maximum fairness (data rate yang seimbang diantara pengguna), dan penyediaan besar bandwidth yang proporsional bagi pengguna. Proportional Fairness Scheduling mampu menyediakan fasilitas-fasilitas diatas,
49
ditambah juga dapat mengatasi masalah latensi. Tabel 3.2 memberikan perbandingan karakteristik antara metode MSR, MF, PRC, dan PF. Tabel 3.2 Perbandingan Karakteristik Algoritma Algorithm Maximum sum rate (MSR) Maximum fairness (MF) Proportional rate constraints (PRC) Proportional fairness (PF)
Sum Capacity Best
Fairness
Complexity Low Medium
Good
Poor and inflexible Best and inflexible Most flexible
Simple Algorithm? Not necessary [18] Available [29]
High
Available [33]
Good
Flexible
Low
Available [38]
Poor
3.5.3 Protokal OFDMA pada WiMAX Walaupun algoritma Scheduling tidak perlu dispesifikasikan oleh standar WiMAX, dan karenanya tidak dispesifikasi, namun ada beberapa hal penting yang perlu distandarisasi, berupa: subkanalisasi, pesan mapping, dan ranging. 3.5.3.1 Subkanalisasi Pada WiMAX, pengguna lebih cenderung dialokasikan blok subcarrier daripada subcarrier individual, dengan tujuan untuk memperkecil kompleksitas dari algoritma alokasi subcarrier dan penyederhanaan dari mapping message. Asumsikan bahwa ada user sebanyak k yang dialokasikan pada sebuah blok dari Lk , subcarrier Lk ini bisa dibagikan merata sepanjang bandwidth (Distributed Subcarrier Permutation), atau seluruhnya berada pada satu jangkauan frekuensi tertentu (Adjacent Subcarrier Permutation). Keuntungan utama yang diperoleh dari sistem Distributed Subcarrier Permutation ini adalah diversitas frekuensi yang meningkat dan ketahanan dari sistem; kelebihan dari Adjacent Subcarrier Permutation adalah diversitas multiuser yang meningkat.
50
3.5.3.2 Mapping message Agar Mobile Station (MS) dapat mengetahui subcarrier mana yang tersedia untuknya, maka Base Station (BS) harus membroadcast informasi ini pada pesan DL MAP. Sama halnya, BS menginformasikan kepada setiap MS subcarrier mana yang bisa digunakan melalui pesan UL MAP. Sebagai tambahan mengkomunikasikan alokasi subcarrier DL dan UL kepada MS, MS juga harus diinformasikan tentang burst profile yang digunakan pada DL dan UL. Burst Profile berdasar pada nilai SINR dan BLER yang diukur pada kedua link dan mengidentifikasi level modulasi dan coding yang cocok untuk digunakan. 3.5.3.3 Ranging Setiap MS memiliki jarak yang unik dari Base Station, karena itu sangatlah penting pada uplink dilakukan sinkronisasi simbol dan equlisasi level daya yang diterima diantara MS yang aktif. Proses ini dikenal sebagai ranging; ketika dimulai, ranging meminta BS untuk mengestimasi kekuatan dari kanal dan waktu kedatangan dari MS yang sedang dipertanyakan. Sinkronisasi dari downlink tidak diperlukan, karena link ini telah disinkronisasi, namun untuk uplink, user (pengguna) yang aktif perlu disinkronisasi paling tidak dalam rentang waktu jaga cyclic prefix. Jika tidak, ISI (Inter Symbol Interference) dapat timbul. Sama halnya, walaupun kontrol terhadap daya downlink direkomendasikan penggunaannya untuk mencegah interferensi dari sel yang bersebelahan, namun penggunaannya bisa dihapuskan. Kontrol terhadap daya Uplink penting untuk: 1. meningkatkan waktu hidup baterai 2. mengurangi interferensi daya dari sel yang bersebelahan 3. mencegah diabaikannya pengguna yang berada pada jarak yang sangat jauh dari sel
51
Pada WiMAX, ada empat prosedur ranging yang diterapkan, berupa initial ranging, periodic ranging, bandwidth request, dan handover ranging. Ranging dilaksanakan selama dua atau empat simbol yang berturut-turut tanpa fase yang terputus, yang memungkinkan BS memperhatikan MS yang memiliki waktu sinkronisasi yang salah, dengan waktu missmatch (ketidaksesuian) lebih besar dari Cyclic Prefix. Jika prosedur ranging berhasil, maka BS akan mengirim sebuah pesan ranging response (RNG-RES) yang menginstruksikan MS mengulang lagi perhitungan waktu pada tempo yang sesuai, koreksi terhadap frekuensi offset, dan setting daya. Jika ranging tidak berhasil, maka MS akan meningkatkan level daya dan mengirimkan pesan ranging yang baru, dan mengulang proses ini hingga berhasil. 3.6 Penugasan Bit Untuk alokasi bit, akan diadopsi metode modulasi adaptif nilai diskrit, yaitu pertama adalah membagi nilai SNR yang diterima kedalam beberapa daerah yang tidak saling terhubung dan menentukan batasan dari b = {b0 , b1 , b2 , b3 , b4 } seperti ditunjukkan pada Gambar 3.19 hanya modulasi kuadrat M-QAM yang akan dipergunakan (4-,16-,64-, dan 256- QAM). Baik OFDM-TDMA maupun OFDMA menentukan nilai SNR yang diterima untuk setiap wilayah dan menentukan metode modulasi yang sesuai. Nilai dari batasan-batasan b ditentukan sebagai berikut 3β Pb = 0.2 exp − 2( M − 1)
(3.12)
Dimana β adalah nilai SNR kanal. Karena M = 2 r , nilai dari β yang diperlukan untuk mengirimkan r bit dengan nilai Pb adalah sama dengan 2 3
β = − (ln 5Pb )(2 r − 1)
(3.13)
52
2-QAM 1 bits
β0
16-QAM 4 bits
4-QAM 2 bits
β1
β3
β2
256-QAM 8 bits
64-QAM 6 bits
β4
Received SNR
Gambar 3.19 Batas Nilai SNR Kanal 3.7 Perbandingan nilai Bit Rate dan Total Bit Rate antara OFDM-TDMA dan OFDMA Untuk OFDM-TDMA, nilai bit rate diberikan oleh persamaan berikut:
bit rate (bits/subcarrier)
=
1.5 γ 0 lg1 + − ln 5 Pb
(3.14)
dimana telah dijelaskan sebelumnya Pb adalah nilai dari Bit Error Rate yang diinginkan, sedangkan γ 0 nilai dari gain (penguatan). Dengan memasukkan nilai variabel bebas berupa jumlah dari subcarrier dan waktu dari masing-masing timeslot, maka akan diperoleh nilai dari total bit rate.
total bit rate (bits/sec) ≤
N FFT 1.5 γ0) lg(1 + − ln 5 Pb Ts
(3.15)
sebagai perbandingan bit rate yang bisa diperoleh dari sistem OFDMA diperoleh dengan rumus:
bit rate (bits/subcarrier)
=
1.5 K 1 lg1 + γ 0 ∑ − ln 5 Pb k =1 k
53
(3.16)
dimana K adalah jumlah dari user yang berada di lokasi, Pb adalah nilai dari bit error rate yang diinginkan, sedangkan γ 0 nilai dari gain (penguatan). Dengan memasukkan jumlah dari subcarrier dan panjang dari tiap-tiap frame, maka akan diperoleh nilai dari total bit rate yang bisa diperoleh melalui sistem OFDMA.
total bit rate (bits/sec) ≤
N FFT 1.5 K 1 lg1 + γ 0 ∑ Ts − ln 5 Pb k =1 k
54
(3.17)
BAB IV PERHITUNGAN & ANALISIS PERBANDINGAN BIT RATE ANTARA OFDM-TDMA & OFDMA
4.1 Pendahuluan Pada sebuah sistem multicarrier, alokasi sumber daya pada lapis fisik dilaksanakan dengan alokasi subcarrier dan alokasi bit. Sistem bisa ataupun tidak bisa memiliki fleksibilitas dalam pengalokasian subcarrier kepada pengguna berdasarkan kondisi dari kanal. Lebih jauh lagi, jika teknik modulasi adaptif diterapkan, jumlah dari bit yang diisi kepada subcarrier bisa ditentukan secara dinamis. Ide utama dari modulasi adaptif ini adalah untuk mengimplementasikan skema modulasi tingkat tinggi pada subcarrier dengan nilai SNR yang tinggi, dan sebaliknya. Dengan modulasi adaptif, performansi dari sistem OFDM-TDMA dapat ditingkatkan secara signifikan. Beberapa skema yang berbeda akan dideskripsikan pada bagian ini berdasarkan skema penugasan subcarrier dan alokasi bit. 4.2 Penugasan Subcarrier TDMA dan FDMA melaksanakan akses jamak pada masing-masing domain waktu dan domain frekuensi. OFDM-TDMA mengalokasikan simbol OFDM-TDMA kepada pengguna. Disini, kita mengasumsikan ada banyak frame dengan masingmasing frame berisi beberapa simbol OFDM-TDMA seperti diperlihatkan pada Gambar 4.1.
55
Gambar 4.1 Frame OFDM-TDMA Kanal diasumsikan hampir statis dengan anggapan kondisi kanal bervariasi diantara frame namun tetap sama di dalam satu frame. Dibawah struktur frame ini, kita membandingkan dua mode OFDM-TDMA (statis dan dinamis) dan sebuah mode OFDMA (dinamis). Pada OFDM-TDMA statis, frame dialokasikan kepada pengguna dengan metode round-robin, yang mana tidak dipengaruhi oleh kondisi dari kanal. Pada OFDM-TDMA dinamis, setiap frame dialokasikan kepada pengguna dengan gain kanal yang paling bagus. Pengguna yang terpilih dialokasikan semua subcarrier secara eksklusif dengan semua simbol OFDM-TDMA dalam frame ini untuk kedua mode OFDMTDMA. Secara kontras, mode OFDMA dinamis memungkinkan beberapa pengguna untuk menggunakan secara bersama-sama subcarrier dalam sebuah symbol OFDMTDMA. Sebuah subcarrier dialokasikan kepada pengguna dengan nilai SNR terbaik yang terlihat pada subcarrier tertentu. Tugas pengalokasian subcarrier ditentukan dan dilaksanakan pada awal dari tiap frame. 4.3 Analisis Penugasan Bit Pada Persamaan 3.13, dengan memasukkan nilai variabel bebas berupa Pb dan nilai r nya maka akan diperoleh batasan-batasan dari skema alokasi bit. Pb = 0.0000002 = 2 *10−7 ; r = 1,2,4,6,8
56
Dengan memasukkan nilai-nilai variabel bebas di atas ke rumus
3.13,
maka
perhitungannya yang dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Matlab adalah berupa: 2 3
β1 = − (ln 5 * 0.0000002 )(21 − 1)
r =1
β1 = 9.21dB 2 3
β1 = − (ln 5 * 0.0000002 )(22 − 1)
r=2
β1 = 27.63dB 2 3
β 2 = − (ln 5 * 0.0000002 )(24 − 1)
r=4
β 2 = 138.15dB 2 3
β 3 = − (ln 5 * 0.0000002 )(26 − 1)
r=6
β3 = 580.25dB 2 3
β 4 = − (ln 5 * 0.0000002 )(28 − 1)
r =8
β 4 = 2348.6dB Dari data-data yang diperoleh di atas, dapat dibuat pemetaannya seperti terlihat pada Gambar 4.2.
2-QAM 1 bits
16-QAM 4 bits
4-QAM 2 bits
9.21 27.63
64-QAM 6 bits
138.15
580.25
Gambar 4.2 Plot QAM
57
256-QAM 8 bits
2348.6 Received SNR
Dari data di atas, dapat dibuat kesimpulan bahwa untuk Received SNR bernilai antara 27.63 dB hingga 138.15 dB, akan digunakan 2 bit (4-QAM), jika seandainya SNR melebihi nilai 138.15 dB namun belum melampaui 580.25 dB, maka lebih optimum jika digunakan 4 bit (16-QAM) jika dibandingkan pengiriman dengan 2 bit , selanjutnya Received SNR yang bernilai antara 580.25 hingga 2348.6 dB, digunakan 6 bit pengiriman (64 QAM), dan untuk nilai Received SNR yang melampaui 2348.6 dB, akan digunakan 8 bit (256 QAM). 4.4 Parameter pada OFDM-TDMA dan OFDMA Sebelum membuat perhitungan perbandingan bit rate antara OFDM-TDMA dengan OFDMA, ada beberapa parameter yang harus ditetapkan, dimana untuk itu telah ditetapkan angka-angka yang akan dimasukkan adalah sebagai berikut seperti diuraikan pada Tabel 4.1. Tabel 4.1 Parameter OFDM-TDMAdan OFDMA OFDM-TDMA symbol time (Ts)
100.8 μs
Useful symbol time (Tb)
89.6 μs
Guard time (Tg)
11.2 μs
FFT size (NFFT)
256
Sample time (T)
175 ns (=89.6 μs/512)
Pada OFDM-TDMA, waktu simbol (Ts) dari OFDM adalah seluruh waktu yang digunakan oleh sebuah simbol, berupa waktu simbol yang berguna (Tb) ditambah dengan waktu jaga (Tg), dimana umumnya waktu jaga (Tg) diatur dengan nilai sekitar 10 % dari waktu simbol yang berguna, tujuannya adalah untuk mengatasi masalah fading (untuk tujuan menciptakan kanal bebas ISI). Gambar 4.3 menunjukkan bagaimana bentuk frame dari sebuah simbol OFDM-TDMA. Pada simbol OFDMTDMA, waktu jaga (Tg) umumnya dikenal dengan nama Cyclic Prefix (CP), dimana CP dikopi ke depan frame. 58
Gambar 4.3 Cyclic Prefix dari OFDM-TDMA 4.5 Perhitungan Bit Rate OFDM-TDMA Pada Persamaan 3.15 yang digunakan untuk menghitung bit rate pada OFDMTDMA, nilai γ 0 yang akan dimasukkan adalah bernilai antara 0 dB hingga 1700 dB, dengan setiap angka yang diinput adalah berkelipatan 100, sedangkan
Pb bernilai
0.0000002. Tidak semua nilai γ 0 akan diberikan metode perhitungannya, dimana untuk γ 0 bernilai 100 dB, 900 dB, 1400 dB akan diberikan perhitungannya, sedangkan selebihnya akan dihitung dengan menggunakan software MatLab dengan program perhitungan yang akan dilampirkan di bagian akhir. Untuk OFDM γ 0 =100 dB, 300 dB, 500 dB, 900 dB, 1400 dB ;
N FFT = 256 ; total bit rate (bits/sec) ≤
Pb = 0.0000002
Ts = 100.8µs
N FFT 1.5 γ0) lg(1 + − ln 5 Pb Ts
γ 0 =100 dB, total bit rate (bits/sec) ≤
256 1.5 lg(1 + 100) 0.0001085 − ln 5 * 0.0000002
total bit rate (bits/sec) ≤ 2534000
γ 0 =900 dB, total bit rate (bits/sec) ≤
256 1.5 lg(1 + 900) 0.0001085 − ln 5 * 0.0000002
total bit rate (bits/sec) ≤ 4705700
γ 0 =1400 dB, total bit rate (bits/sec) ≤
256 1.5 lg(1 + 1400) 0.0001085 − ln 5 * 0.0000002
total bit rate (bits/sec) ≤ 5154700 59
4.6 Perhitungan Bit Rate pada OFDMA Rumus 3.17 digunakan untuk menghitung bit rate pada teknologi OFDMA, dengan variabel-variabel bebas berupa γ 0 , Pb , N FFT = 256 , Ts = 100.8µs , k=8 Untuk OFDMA γ 0 =100 dB, 300 dB, 500 dB, 900 dB, 1400 dB ;
N FFT = 256 ; total bit rate (bits/sec) ≤
Ts = 100.8µs ;
Pb = 0.0000002
k=8
N FFT 1.5 K 1 lg1 + γ 0 ∑ Ts − ln 5 Pb k =1 k
γ 0 =100dB, total bit rate (bits/sec) ≤
256 1.5 1 1 1 100 + + ... + lg1 + 0.0001085 − ln 5 * 0.0000002 8 1 2
total bit rate (bits/sec) ≤ 3502400
γ 0 =900 dB, total bit rate (bits/sec) ≤
256 1.5 1 1 1 lg1 + 900 + + ... + 0.0001085 − ln 5 * 0.0000002 8 1 2
total bit rate (bits/sec) ≤ 5723600
γ 0 =1400 dB, total bit rate (bits/sec) ≤
256 1.5 1 1 1 lg1 + 1400 + + ... + 0.0001085 − ln 5 * 0.0000002 8 1 2
total bit rate (bits/sec) ≤ 6175000 4.7 Perbandingan Throughput antara OFDM-TDMA & OFDMA Dari penggunaan rumus 3.15 dan 3.17 untuk perhitungan bit rate yang dilakukan di atas, maka didapatkan bahwa performansi OFDMA jauh lebih baik daripada performansi OFDM-TDMA pada teknologi WiMAX. Tabel 4.2 adalah perbandingan bit rate antara kedua sistem(OFDM-TDMA dan OFDMA).
60
Tabel 4.2 Perbandingan Bit Rate OFDM-TDMA& OFDMA Received SNR
Bit Rate
Bit Rate
OFDM-TDMA
OFDMA
0
0
0
100
2534000
3502400
200
3200100
4195800
300
3600500
4605500
400
3887600
4897400
500
4111600
5124400
600
4295400
5310000
700
4451100
5467200
800
4586300
5603400
900
4705700
5723600
1000
4812600
5831200
1100
4909400
5928500
1200
4997800
6017400
1300
5079300
6099200
1400
5154700
6175000
1500
5224900
6245500
1600
5290700
6311500
1700
5352500
6373500
Pada saat nilai SNR adalah 300 dB, nilai bit rate pada OFDM-TDMA adalah 3600500, sedangkan pada OFDMA adalah 4605500; sedangkan saat SNR adalah 500, bit rate OFDM-TDMA adalah 4111600 sedangkan pada 61
OFDMA bit rate yang
dihasilkan adalah 5124400. Perbandingan nilai bit rate secara grafik ditampilkan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4 Perbandingan Nilai Bit Rate antara OFDM-TDMAdan OFDMA
62
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1
Kesimpulan Dari hasil perhitungan Bit Rate dan Throughput pada teknologi WiMAX
dengan menggunakan teknologi OFDM-TDMA dan OFDMA dapat diambil kesimpulan : 1. Nilai dari Bit Error Rate (BER) mempengaruhi terhadap nilai link lingkungan, yang pada akhirnya mempengaruhi berapa bit yang ditugaskan. 2. Dengan menggunakan nilai subkanal yang sama, besarnya Time Slot yang sama, diperoleh bahwa besarnya nilai Bit Rate pada OFDMA melebihi nilai dari OFDM-TDMA. 3. Besarnya Bit Rate dari OFDMA melebihi OFDM-TDMA sekitar lebih kurang 10%. 5.2
Saran Dari kesimpulan-kesimpulan yang diperoleh, maka saran yang dapat diberikan
oleh penulis adalah : 1. Analisis perhitungan perbandingan nilai Bit Rate antara OFDM-TDMA dengan OFDMA dapat dibahas lebih mendalam dengan menggunakan metode simulasi dengan menggunakan bahasa pemrograman yang ada. 2. Dapat dibuat analisis pengaruh dari delay terhadap performansi baik di teknologi WiMAX yang menggunakan metode OFDM-TDMA maupun yang menggunakan metode OFDMA.
63
DAFTAR PUSTAKA 1. G. Andrews, Jeffrey, Arunaba Ghosh, Rias Muhamed, 2007. “ Fundamental of WiMAX – Understanding Broadband Wireless Networking “, Massachusetts, hal 56-78. 2. Gunawan Wibisono dan Gunadi Dwi Hantoro, 2006. “ WiMAX Teknologi Broadband Wireless Access (BWA) Kini dan Masa Depan “,Informatika Bandung, Bandung, hal 31-97. 3. IEEE.Standard 802.16-2004. Part16, Oktober, 2004.”Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”. IEEE 4. IEEE.Standard 802.16e-2005.Part16,2005.”Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems---Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Band”. Desember. 5. Pareek, Deepak, 2006. “ WiMAX-Taking Wireless to The Max”, Taylor & Francis Group, New York, hal 231-246. 6. Zhang, Lizi, 2005. “ A Study of IEEE 802.16a OFDM-PHY Baseband”, LINKOPING UNIVERSITET. 7. WiMAX Forum.Mobile WiMAX---Bagian I:A Technical Overview and Performance Evaluation. White Paper.Maret 2006. www.wimaxforum.org. 8. URL:http://viola.usc.edu/Research/YuJung%20(Ronald)%20Chang_vtc06.pdf, 2006 9. Forouzan, Behrouz A, 2001. “Data Communication and Networking”, 2nd Ed, McGrawHill, Boston, hal 214-236.
64
65
