Johan : Perbandingan Bit Rate Antara Ofdm-Tdma Dengan Ofdma Pada Teknologi Wimax, 2008. USU Repository © 2009
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
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.
ii
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.
iii
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
iv
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
v
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
2.5.2.1Unsolicited Grant Service………..19
2.5.2.2Real Time Packet Service………...19
2.5.2.3Extended Real Time Service………...20
2.5.2.4Non-Real Time Packet Service………...20
2.5.2.5Best Effort………...20
2.5.3 Fungsi Sekuritas………...21
2.5.3.1Privacy Support………..21
2.5.3.2Device/User Authentication………22
2.5.3.3Flexible Key-Management Protocol………...22
2.5.3.4Protection of Control Message………...22
2.5.3.5Fast 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
2.7 Hybrid-ARQ………...25
2.8 Struktur Slot dan Frame……….26
III. 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
vi
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
vii
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
viii
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
ix
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
1
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 Multi-Point 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 ).
2
Pada teknologi WiMAX, teknik modulasi yang digunakan adalah OFDM-TDMA 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
3
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
4
BAB II WIMAX
Bab ini merupakan pengenalan kepada teknologi WiMAX, teknologi-teknologi yang diterapkan, dan alasan-alasan mengapa teknologi-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
5
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
6
menjadikan teknologi WiMAX sangat cocok untuk diadopsi di negara dengan kawasan yang luas dan bervariasi seperti Indonesia.
Bangunan kantor Pelanggan bergerak
Rumah dengan perangkat CPE di luar
Rumah dengan perangkat CPE di
dalam
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
7
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
802.16 802.16a/802.16d 802.16e
Completed December 2001 802.16a : Januari 2003
802.16d : Oktober 2004 Februari 2005
Spektrum 10-66GHz 2-11GHz <6GHz
Channel
Conditions
Line Of Sight
Only Non-Line Of Sight Non-Line Of sight
Bit Rate 32-134Mbps in
28MHz Up to 75 Mbps i 20 MHz
Up to 15Mbps in
5MHz
Modulation OPSK,16QAM,
64QAM
802.16a : QPSK, 16QAM, 64QAM
802.16d : OFDM 256 subcarriers,
QPSK, 16QAM, 64QAM
OFDM 256
subcarriers, QPSK,
16QAM, 64QAM
Mobilitas Fixed Fixed, portable Nomadic portability /
mobile
Channel
Bandwith 20, 25, 28 MHz Scalable 1.5 to 20 MHz
Same as 802.16a with
uplink subchannels
Typical Cell
Radius 2-5Km 7-10km max range 50km 2-5km
8 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.
9
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
10
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
11
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
12
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
13
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
ISM
Berlisensi dan tanpa lisensi
2. Scalability Pengkanalan 20MHz, MAC untuk 10 user
Pengkanalan 1,5 – 20 MHz MAC mendukung hingga 1000 user 3. Performansi Max. 54 Mbps (pada
20 MHz)
Max. 63 Mbps (pada 14 MHz)
4. QoS Sederhana Canggih
5. Jangkauan 100 m (indoor), kondisi LOS
> 50 km (outdoor), kondisi LOS dan NLOS
6. MAC CSMA/CD Grand Based
Tabel 2.3 Perbandingan Teknologi WiMAX dengan 3G
No. Komponen 802.16e 802.20 3G
1. Provider Penyelenggara
jaringan data nirkabel tetap, mendukung mobilitas yang terbatas Penyelenggara data nirkabel, mendukung mobilitas penuh Penyelenggara
seluler, mendukung evolusi komunikasi data
2. Teknologi 802.16a MAC dan PHY
MAC dan PHY baru
WCDMA Cdma2000 3. Kecepatan
user
< 120 km/jam(untuk pedestrian)
< 250 km/jam (untuk
commuter)
<250 km/jam (untuk commuter dan pedestrian)
4. Spektrum Lisensi (2,5GHz), Unlicensed (6 GHz)
Lisensi, < 3,5 GHz
Lisensi, < 2,6 GHz 5. Bandwidth Simetri, > 1Mbps per
user
Simetri, > 1 Mbps per user
Tidak simetri, < 2 Mbps per sel
6 Latensi Rendah Rendah Tinggi
7. Orientasi Paket Paket Sirkuit
8. Pembatas Rancangan
Optimal untuk backward
ompatibility
Optimal untuk mobilitas penuh
14
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
15
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
16
(MPDUs) untuk transmisi melalui udara. Untuk transmisi penerimaan, lapis MAC melakukan hal yang sebaliknya. Desain MAC IEEE 802.16-2004 dan IEEE 802.16e-2005 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
17 sebuah pesan tranpor ataupun pesan manajemen.
GMH GMH GMH GMH GMH GMH SH lain SH lain SH lain SH lain SH lain PSH PSH
PSH Feedback ARQ
MAC Management Message CRC
CRC CRC CRC CRC CRC Fragmen MSDU Packet Fixed Size
MSDU Packet Fixed Size
MSDU
Variabel Size MSDU atau Fragment
Variabel Size MSDU atau Fragment PSH
PSH ARQ Feedback
Variabel Size MSDU atau Fragment
Packet Fixed Size MSDU
(a) Frame MAC PDU membawa beberapa paket MSDU ukuran tetap bersama
(b) Frame MAC PDU membawa beberapa paket MSDU ukuran tetap bersama
(c) Frame MAC PDU membawa beberapa paket MSDU dengan ukuran bervariasi secara bersama
(d) Frame MAC PDU membawa beberapa data ARQ
(e) Frame MAC PDU membawa beberapa data ARQ dan data MSDU
(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
18
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 aplikasi-aplikasi data pada umumnya sangat sensitif terhadap error rate, sedangkan faktor
19
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).
2.5.2.1Unsolicited 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.
2.5.2.2Real Time Packet Service (rtPS)
Real Time Packet Service digunakan untuk layanan yang sensitif terhadap
masalah throughput dan latensi. Layanan ini memiliki karakteristik :
20
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.
2.5.2.3Extended 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 Real Time Packet Service.
Non-Real 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.
21
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 loss-nya.
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
22
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.
2.5.3.2Device/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.
2.5.3.3Flexible Key-Management Protocol
Privacy and Key Management Protocol digunakan untuk secara aman
23
2.5.3.4Protection of Control Messages
Integritas dari pesan kontrol di udara di lindungi dengan menggunakan skema
message digest, seperti AES-CMAC ataupun MD5-HMAC.
2.5.3.5Fast 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)
24
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.
[image:34.595.115.478.557.735.2]25
2.6.3 Topologi Pengembangan
[image:35.595.141.454.240.667.2]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.
26
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 N-kanal 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
27
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
28
P r e a m b l e
D L – M A P
D L – M A P
U L – M A P
U L – M A P (Con td.)
DL Burst #2
DL Burst #1 DL Burst #3
DL Burst #4
DL Burst #5
UL Burst #2
UL Burst #3
UL Burst #4 UL Burst #1
UL Burst #5
Ranging
Subcarries (frequency)
Guard
Downlink Subframe Uplink Subframe O F D M Symbol Number (time)
CR : Contention Region
CBR : Contention for Bandwidth Request Frame
CR CBR
DL-PHY PDU UL-PHY
PDU
UL-PHY PDU
Preamble FCH DL Burst #1
DL Burst
#n Preamble UL Burst
DLFP
DL-MAP1 UL-MAP1 DCD1 UCD
MAC PDU MAC PDU MAC PDU PAD CRC MSDU MAC Header
[image:38.595.96.501.76.450.2]DL Subframe UL Subframe
Gambar 2.6 Bentuk Frame WiMAX
29
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.
30
31
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
[image:41.595.136.453.402.618.2]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
32
disisipkan frekuensi penghalang yang berakibat menurunnya efisiensi penggunaan spektrum frekuensi.
3.2Orthogonalitas
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
0 ) 2 cos( ) 2 cos( 0 0 0 =
∫
nf t x mf t dtTs
π
π ; n≠m (3.1)
b. Untuk sinyal waktu diskrit
I cos 2 cos 2 0
1 0 =
∑
=− Nkmx N kn N k π
π ; n≠m (3.2)
33
Gambar 3.2 Orthogonalitas OFDM
Secara matematis besarnya frekuensi subcarrier yang digunakan dapat dinyatakan sebagai:
s o k
T k f
f = + ; k =0,1,2,...,N−1 (3.3)
Dari Persamaan 3.3 dapat diperoleh jarak setiap frekuensi subcarrier agar orthogonal minimal harus dipisahkan sejauh 1/Tss dan dapat dinyatakan sebagai:
s T f = 1
∆ (3.4)
Dimana: f∆ adalah jarak antara frekuensi subcarrier Tss adalah periode simbol
3.3Prinsip Kerja OFDM-TDMA
34
kemudian ditransmisikan melalui sejumlah subcarrier yang saling orthogonal. Prinsip kerja teknik OFDM ditunjukkan pada Gambar 3.3.
Serial
To
paralel
Kanal
X[0]X[1]
X[N-1] b[0] b[1] ...b[M-1]
) (
0t
φ
) (
1t N−
φ
) (
1t
[image:44.595.128.479.150.359.2]φ
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 ( (t), 1(t), ..., N-1(t)). Sehingga durasi simbol baru (bit-bit paralel) adalah N kali lebih lama dari durasi simbol orisinal 9bit-bit serial) yaitu menjadi N Tss lebih besar dari delay spread (Tmm ).
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
35
Receiver
Inverse Fast Fourier Transform
(IFFT)
Paralel to Serial Converter Demodulat
or Serial to
paralel converter Serial to
paralel converter
Modulator
Inverse Fast Fourier Transform
(IFFT)
Paralel to Serial Converter Transmit
ter
Channel Channel
Data
Out Data
[image:45.595.101.491.75.273.2]In
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-
Serial to
paralel
converter
Modulasi
IFFT
Paralel to
Serial
Transmitter
[image:45.595.148.485.423.610.2]Data In
Sinyal OFDM
Gambar 3.5 Diagram Blok Transmitter OFDM-TDMA
36
Serial To Paralel X[0] X[1] ... X[N-1]
X[0]
X[1]
[image:46.595.133.426.69.219.2]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[N-1] t f j e 2π0
t f j
e
2π1t f j N
e
2π −1X[0] X[1] X[N-1] t f j e 2π0
t f j e 2π1
t f j N e 2π −1
Gambar 3.7 Proses Modulasi
Sinyal hasil modulasi tersebut secara matematika dapat ditulis sebagai:
∑
=− = 1 0 2 ] [ ) ( N k t f j k e k X tx π ; 0≤t≤Ts (3.5)
Atau dapat ditulis sebagai:
∑
=− ∆ = 1 0 2 ] [ ) ( N k t k j e k X t [image:46.595.139.464.312.548.2]37
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 s IFFT ditunjukkan pada Gambar 3.8.
IFFT X[0] X[1] X[N-1] x[0] x[1] x[N-1]
Gambar 3.8 Proses IFFT Sinyal keluaran IFFT dapat dinyatakan sebagai:
∑
=− ∆ = = 1 0 / 2 ] [ ] [ N k N fT nk j s s e k X T N n x nx π (3.7)
Karena setiap subcarrier adalah orthogonal dimana
s T f = 1
∆ maka persamaan di atas
dapat dinyatakan sebagai:
∑
=− = = 1 0 / 2 ]) [ ( . ] [ ] [ N k N nk j k X IFFT N e k X n x π∑
=− = 1 0 / 2 ] [ 1 ] [ N k N nk j e k X N nx π ; n=0,1...,N−1 (3.8)
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:
=
∑
− = ∆ + 1 0 ) ( 2 ] [ ) ( N k t f k f j t e k X real t38
Dimana f adalah frekuensi carrier dan c T adalah periode simbol. s
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 .
h(t)
y(t)
x(t)
u(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.
1
f f2 f3 f4 fN−1 fN
f
0
H
) ( f H
1
H
2
H H3
2 −
N
H
1 −
N
[image:48.595.153.452.276.446.2]H
39
Masing-masing persegi empat memiliki lebar band frekuensi 1/TsHz. Semakin besar N; lebar band frekuensi persegi empat akan semakin kecil dan secara matematika dapat ditulis sebagai:
] [ ] [ ]
[k H X k u k
Yi = i i + i , untuk i=1, 2,..., N (3.10) Dimana Yi[k] = adalah output kompleks dari N-titik FFT dan Ui[k] adalah noise.
[image:49.595.128.477.307.777.2]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.
FFT Demodulasi Serial To Parallel Paralel To Serial Receiver
Sinyal OFDM Data Out
Gambar 3.11 Diagram Blok Receiver OFDM
{ }
∑
− = − = 1 0 / 2 ] [ ] [ N n N nk j e n x n x FFT π (3.11)∑∑
− = − = − = 1 0 1 0 / ) ( 2 ] [ 1 N n N m N k m n j e m X N π∑
∑
− = − = = = 1 0 1 0 / ) ( 2 ] [ 1 N m N n N k m n j e m X N π∑
− = − = 1 0 ] [ ] [ 1 N m k m N m X N δ40
Disini δ[m−k] adalah fungsi delta yang didefinisikan sebagai:
=
; 0
; 1 ] [n
δ
0 0 ≠ =
n n
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].
3.4Modulasi/Demodulasi QPSK
Salah satu teknik modulasi yang sering digunakan didalam teknik OFDM-TDMA 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
41 I Q Ballans Modulator Pergeseran Phase 90 Osilator referensi Ballans Modulator Kanal Q Kanal I Penjumlah BPF Data Input Biner 2 / b f 1 ± 2 / b f 1 ± t c ω cos t c ω sin t c ω sin ± t c ω cos ± QPSK output
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
(dibit)
Output
Modulator QPSK
00 −1cosω t−1sinω t = 2sin(ω t−135ο)
c c
c
01 −1cosω t+1sinω t = 2sin(ω t−45ο)
c c
c
10 +1cosω t−1sinω t= 2sin(ω t+135ο)
c c
c
11 +1cosω t+1sinω t = 2sin(ω t+45ο)
c c
c
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
[image:51.595.162.436.323.557.2]42 Q I 0 1 Q I 0 0 Q I 1 1 Q I 1 0 Waktu derajat + 135 - 45 + 45 - 135
Debit Input QPSK Output
[image:52.595.171.434.73.188.2]phase
Gambar 3.13 Sinyal Keluaran Modulator QPSK
[image:52.595.145.493.318.542.2]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.
Detektor
Detektor
LPF
LPF
Sinyal OFDM & NoiseQ I I
Q
Data biner yang diterima 2
1
+ V (logic 1)
2 1
− V (logic 0)
t c
ω
cos t cω
sin ) cos sin )((cosωct − ωct+ ωct
) cos sin )(
(sinωct − ωct+ ωct t t c c ω ω cos sin + − t t c c ω ω cos sin + −
Gambar 3.14 Diagram Blok Demodulator QPSK
43
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.
44
Kanal 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 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.
Guard Band
Pilot Subcarriers
User 1 Data Subcarriers
User 2 Data Subcarriers
Frequency
[image:54.595.93.500.505.689.2]Guard Band
45
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
46
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 OFDM-TDMA satu user ataupun dengan OFDM-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
47
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
48
3.5.2.1 Algoritma Maximum Sum Rate
[image:58.595.117.467.289.507.2]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
49
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.
50
[image:60.595.86.505.151.351.2]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 Sum
Capacity
Fairness Complexity Simple Algorithm?
Maximum sum rate (MSR)
Best Poor and inflexible
Low Not necessary [18] Maximum fairness
(MF)
Poor Best and inflexible
Medium Available [29] Proportional rate
constraints (PRC)
Good Most flexible High Available [33] Proportional
fairness (PF)
Good Flexible Low Available [38]
