BAB II DASAR TEORI
2.1 Umum
Komunikasi data telah berkembang dengan pesat dewasa ini. Hal ini sesuai dengan kemajuan teknologi dalam bidang telekomunikasi dunia yang sedang maju serta pengaruh era globasasi dan arus informasi yang sangat diperlukan oleh masyarakat modern, kemajuan perekonomian serta majunya teknologi telekomunikasi merupakan titik tolak dan potensi besar untuk dapat meningkatkan dan mewujudkan berbagai jenis pelayanan komunikasi yang lebih canggih untuk komunikasi suara, video dan data. Akhir-akhir ini permintaan masyarakat modern akan kebutuhan komunikasi data sangat tinggi. Untuk mengirimkan data dalam jumlah besar dan memerlukan keakuratan serta mampu menjaga kerahasiaan data tersebut. Keunggulan serat optik sebagai media transmisi terutama mampu meningkatkan pelayanan sistem komunikasi data, seperti peningkatan jumlah kanal yang tersedia, kemampuan mengirimkan data dengan kecepatan Gbps, terjaminnya kerahasiaan data yang dikirimkan, sehingga pembicaraan tidak dapat disadap, tidak terganggu oleh gelombang elektromagnetik, petir atau cuaca.
Layanan komunikasi serat optik adalah layanan berupa jaringan yang menggunakan kabel serat optik yang memanfaatkan cahaya sebagai gelombang pembawa informasi yang akan dikirimkan. Pada bagian pengirim isyarat informasi diubah menjadi isyarat optis. Lalu diteruskan ke kanal informasi yang juga terbuat dari serat optik bertugas sebagai pemandu gelombang. Sesampainya
di penerima, berkas cahata ditangkap oleh detektor cahaya, yang berfungsi mengubah besaran optis menjadi besaran elektris [1].
Salah satu layanan komunikasi serat optik adalah. FTTH adalah teknologi arsitektur jaringan akses yang menggunakan serat optik sebagai media utamanya sampai dengan pelanggan (last mile). Dengan penggunaan serat optik sebagai media utamanya, teknologi FTTH ini mempunyai beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan teknologi jaringan yang masih menggunakan kabel tembaga bahkan teknologi wireless.
GPON merupakan salah satu teknologi dari FTTH, GPON merupakan pengembangan dari teknologi PON yaitu arsitektur jaringan point-to-multipoint (FTTP) dimana splitter optik passive digunakan untuk mengaktifkan serat optik tunggal yang melayani hingga 128 pelanggan [2].
2.2 Serat Optik
Serat optik adalah saluran transmisi sejenis kabel yang terbuat dari kaca atau plastik yang sangat halus dan lebih kecil dari sehelai rambut, dan dapat digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Sumber cahaya yang digunakan biasanya adalah laser atau LED (Light Emitting Diode). Kabel ini berdiameter lebih kurang 120 mikrometer. Cahaya yang ada di dalam serat optik tidak keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari udara, karena laser mempunyai spektrum yang sangat sempit.
Jenis serat optik yang digunakan bisa berupa fiber optic multi-mode graded index, single mode fibre optic dan sebagainya. Cahaya yang digunakan pada gelombang optik adalah LED. Pemilihannya disesuaikan dengan kepentingan
sistem yang dirancang agar dapat menghasilkan sistem yang lebih efektif dan optimal, ditinjau dari nilai ekonomi dan teknologinya. Sistem ini mampu memberikan transmisi data dengan jauh lintasan sejauh 16 km.
Kecepatan transmisi yang mampu dicapai adalah bervariasi dari 300 baud, 600 baud, 1200 baud, 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud dan 19200 baud yang telah direkomendasikan oleh CCITT. Sedangkan kualitas transmisi dapat mencapai Bit Error Rate 10.
2.2.1 Perambatan Cahaya Pada Serat Optik
Penemuan serat optik sebagai media transmisi pada suatu sistem komunikasi didasarkan pada hukum Snellius untuk perambatan cahaya pada media transparan seperti pada kaca yang terbuat dari quartz kualitas tinggi dan dibentuk dari dua lapisan utama yaitu lapisan inti yang biasanya disebut core terletak pada lapisan yang paling dalam dengan indeks bias n1 dan dilapisi oleh cladding dengan indeks bias n2 yang lebih kecil dai n1, dapat pada Gambar 2.1.
Menurut hukum Snellius jika seberkas sinar masuk pada suatu ujung serat optik atau media yang transparan, dengan sudut kritis dan sinar itu datang dari medium yang mempunyai indeks bias lebih kecil dari udara menuju core serat optik yang berupa kuarsa murni yang mempunyai indeks bias yang lebih besar maka seluruh sinar akan merambat sepanjang inti fiber optic core menuju ujung lainnya.
Saat ini ada tiga 3 jenis serat optik yang populer pemanfaatannya pada sistem komunikasi serat optik yaitu :
1. Serat Optik Single-mode Index
Pada single-mode fiber, terlihat pada Gambar 2.2 bahwa indeks bias akan berubah dengan segera pada batas antara core dan cladding (step index). Bahannya terbuat dari silica glass baik untuk cladding maupun corenya. Diameter core jauh lebih kecil, sekitar 10 µm, dibandingkan dengan diameter cladding , konstruksi demikian dibuat untuk mengurangi atenuasi akibat adanya fading. Single-mode fiber sangat baik digunakan untuk menyalurkan informasi jarak jauh karena di samping atenuasi yang kecil juga mempunyai jangkauan frekuensi yang lebar.
2. Serat optik Multi-mode Graded Index
Multi-mode graded index dibuat dengan menggunakan bahan multi component glass atau dapat juga dibuat dengan silca glass baik untuk core maupun claddingnya. Pada serat optik tipe ini, indeks bias berubah secara perlahan-lahan (graded index multi-mode). Indeks bias inti berubah mengecil perlahan mulai dari pusat core sampai batas antara core dengan cladding. Semakin kecil indeks bias maka kecepatan rambat cahaya akan semakin tinggi dan akan berakibat dispersi waktu antara berbagai mode cahaya yang merambat akan berkurang dan pada akhirnya semua mode cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaan di penerima.
Diameter core serat optik ini 30 – 60 µm dan diameter cladding 100– 150 µm, seperti pada Gambar 2.3. Atenuasi minimum adalah sebesar 0.70 dB/Km pada panjang gelombang 1180 nm dan lebar pita frekuensi sebesar 150 Mhz sampai dengan 2 Ghz. Oleh karenanya jenis serat optik ini sangat ideal untuk menyalurkan informasi pada jarak menengah dengan menggunakan seumber cahaya LED maupun LD (Laser Diode).
3. Serat optik Multi-mode Step Index
Serat optik ini pada dasarnya mempunyai diameter core yang besarnya 50–400 µm dan diameter cladding sebesar 125–500 µm, terlihat seperti pada Gambar 2.4. Pada serat optik ini terjadi perubahan indeks bias dengan segera atau lazim dimana dengan diameter core yang besar digunakan untuk menikkan efisiensi coupling pada sumber cahaya yang tidak koheren seperti LED. Atenuasi pada saat pengiriman tetap besar, sehingga hanya baik digunakan untuk menyalurkan data dengan kecepatan rendah dan jarak dekat [1].
Gambar 2.4 Prinsip kerja serat optik Multi-mode step index
Saat ini ada empat macam tipe yang sering digunakan berdasarkan ITU-T atau International Telecommunication Union-Telecommunication Standartization Sector
1. G.652–Standar single-mode fiber.
2. G.653–Dispersion-shifted single mode fiber.
3. G.654–Characteristic of cut-off shifted mode fiber cable. 4. G.655–Dispersion-shifted non zero dispertion fiber.
Tipe serat optik G.652 adalah tipe serat yang digunakan untuk perancangan ini dan semua tipe serat yang ada sekarang menyesuaikan dengan standar ITU-T G.652. Saat ini tipe dari jenis serat single-mode ini dapat digunakan pada STM-1 (155Mbps) untuk mencakup jarak lebih dari 1,28 Km tanpa menggunakan repeater (pengulang/penguat) dan pada STM 4 (622 Mbps) digunakan untuk jarak lebih dari 16 Km dengan memakai fiber optic amplifier. Menurut ITU-T jarak yang dapat dicakup untuk STM 16 adalah sebesar 160 Km, tetapi jarak tersebut hanya dapat dicapai dengan menggunakan fiber optic post amplifier dan pre-amplifier sedangkan untuk STM-64 jarak yang dapat dicakup adalah sebesar 40-80 Km [3].
SMF (single mode fiber) bekerja oleh light source laser diode yang berfungsi menkonversi sinyal elektrik menjadi sinyal cahaya. LD cocok digunakan untuk aplikasi jarak jauh beserta data rates yang tinggi, serta diaplikasikan pada panjang gelombang 1310 nm, 1490 nm dan 1550 nm. Pada SMF, muncul distorsi sinyal yang disebut dengan dispersi dan merupakan gejala pada serat optik yang diakibatkan oleh pelebaran pulsa (pulse spreading) dimana dapat dilihat pada Gambar 2.5[4].
Hal ini juga berkaitan dengan perhitungan rise time budget, karena dispersi dan kromasi dihitung untuk mendapatkan parameter.
2.2.2 Atenuasi Pada Serat Optik
Atenuasi adalah besaran pelemahan energi sinyal informasi dari serat optik yang dinyatakan dalam dB. Atenuasi serat optik merupakan karakteristik penting yang harus diperhatikan mengingat kaitannya dalam menentukan jarak repeater, jenis pemancar dan penerima optik yang harus digunakan. Besarnya atenuasi dinyatakan oleh Persamaan 1.1 [1].
∝= log / (1.1)
2.3 FTTx (Fiber To The x)
Merupakan istilah yang digunakan untuk beberapa arsitektur jaringan serat optik pada dunia telekomunikasi. Dengan menggunakan serat optik ini akan menjawab masalah keterbatasan bandwidth yang sebelumnya menggunakan jaringan kabel tembaga. Dengan berkembangnya internet dengan layanan berbasis IP dan konektivitas broadband maka kebutuhan akan bandwidth yang besar dengan kecepatan tinggi menigkat. Operator maupun vendor telekomunikasi saat ini sedang giat-giatnya menjual produk maupun layanan seperti IPTV atau internet protocol television dan cable TV/CATV atau Community Antenna Television, video on demand yang membutuhkan bandwidth yang besar.
Gambar 2.6 memberikan ilustrasi tingkat tinggi dari arsitektur FTTx. Ini adalah platform yang terintegrasi dan mampu menyediakan layanan telepon, data,
Gambar 2.6 Arsitektur FTTx
video dengan wilayah pemukiman termasuk rumah keluarga (SFU), rumah susun (MDU), kantor usaha kecil (SBU), kantor-kantor seperti ruko, dll. Sistem ini terdiri dari tujuh blok dasar, yaitu :
1. ONT (The Optical Network Terminations), yaitu sistem interface untuk telepon rumah pelanggan, data, dan video.
2. OLT (The Optical Line Terminations), yaitu pengatur ONT, menghubung silangkan trafik data dan suara dari beberapa sistem atau layanan PON dan sistem interface untuk jaringan transmisi inti.
3. VGW (The Voice Gateway), yaitu sistem interface untuk jaringan PSTN (Public Switch Telephone Network) dan TDM (Time Division Multiplexing).
4. V-OLT (Video Optical Line Terminations), yaitu menerima dan menguatkan sinyal video dari kabel Headend dan memasukkan sinyal video lokal.
5. EMS (The Element Management System), yaitu interface elemen jaringan yang berbeda ke jaringan operasi inti SBC.
6. ATM (Asynchronous Transfer Mode) network, yaitu switch trafik ATM dari beberapa jaringan inti menuju OLT.
7. PON (Passive Optical Network) atau ODN (Optical distribution Network), yaitu menghubungkan ONT ke OLT dan menyediakan jalur selama mereka berkomunikasi.
Berdasarkan Jenis Paket data yang dikirim, teknologi FTTx dikelompokkan berdasarkan atas dua basis, yaitu berbasis ATM dan berbasis Ethernet. FTTx berbasis Ethernet mengarah ke teknologi pasif dan aktif, sedangkan FTTx berbasis ATM mengarah ke PON (Passive Optical Network) [2].
2.4 PON (Passive Optical Network)
PON adalah bentuk khusus dari FTTH yang mengandung perangkat optik pasif dalam jaringan distribusi optik. Perangkat optik pasif yang dipakai adalah konektor, passive splitter, dan kabel optik. Dengan passive splitter kabel optik dapat dipecah menjadi beberapa kabel optik lagi, dengan kualitas informasi yang sama tanpa adanya fungsi addressing dan filtering, namun terjadi redaman.
Dalam PON terdapat tiga komponen utama, yaitu : 1. OLT (Optical Line Termination)
3. ONU (Optical Network Unit)
Keluaran dari OLT ditransmisikan melalui ODN yang menyediakan alat-alat transmisi optik mulai dari OLT sampai pelanggan. ONU menyediakan interface pada sisi pelanggan dari DS (Distribution Point) dan dihubungkan dengan ODN. Teknologi PON pada dasarnya adalah teknologi untuk hubungan point to multipoint, dan topologi ini sesuai untuk melayani kelompok pelanggan yang letaknya terpisah, dengan hanya menambah perangkat ONU di lokasi pelanggan. Metode akses yang digunakan pada PON salah satunya adalah TDM (Time Division Multiplexing)/TDMA (Time Division Multiplexing Access). Pada arah downstream, sinyal TDM dari PLT memuat semua informasi pelanggan dalam slot yang ditentukan dan disebarkan ke semua ONU yang terhubung oleh OLT.
Tiap ONU hanya mengakses pada slot yang telah ditentukan utuk transmisi, karena semua informasi downstream disebarkan ke semua ONU, seperti pengaman sinyal, dengan encryption. Sinyal optik upstream dari setiap ONU ditransmisikan secara bersamaan dengan metode TDMA untuk menghindari collision, karena jarak antara OLT dan semua ONU berbeda-beda. Sedangkan panjang gelombang yang digunakan untuk downstream dan upstream pada daerah 1310 nm dan 1490 nm sesuai dengan rekomendasi ITU-T G 984. Arsitektur jaringan PON dapat dilihat pada Gambar 2.7 [5].
Karena kemampuan teknologi PON untuk mengirim dengan bandwidth yang lebih tinggi dan jarak yang jauh, sekitar 20 – 30 Km, bahkan dengan gelombang tertentu bisa menembus jarak 50 Km, PON biasanya digunakan untuk jaringan metro atau untuk mobile backhaul yaitu koneksi antar core network atau
base station dengan core network. Posisi PON di jaringan akses ini dapat dilihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.7 Arsitektur jaringan PON
Gambar 2.8 Posisi PON di jaringan akses
Jaringan PON memiliki beberapa tipe dan yang terkenal adalah APON/BPON, EPON atau GEPON dan GPON. Dimana dalam Tugas Akhir ini membahas tentang GPON [6].
2.5 GPON
GPON adalah suatu teknologi akses yang dikategorikan sebagai Broadband Access berbasis kabel serat optik yang merupakan evolusi dari BPON. GPON adalah salah satu teknologi yang dikembangkan oleh ITU-T G.984 dan hingga kini bersaing dengan GEPON (Gigabit Ethernet Passive Optical Network), yaitu PON versi IEEE yang berbasiskan teknologi ethernet.
GPON mempunyai dominasi market yang lebih tinggi dan roll out yang lebih cepat dibandingkan penetrasi GEPON. Standar G.984 mendukung bit rate yang lebih tinggi, perbaikan keamanan dan pilihan protokol layer dua (ATM, GEM, atau ethernet). Dengan menggunakan serat optik sebagai media transmisi, satu perangkat akan diletakkan pada sentral, kemudian akan mendistribusikan trafik triple play (suara/voip), multi media/digital pay TV dan data/internet) hanya melalui satu core kabel optik disisi pelanggan. Yang menjadi ciri khas teknologi ini dibandingkan teknologi optik lainnya adalah teknik distribusi trafiknya dilakukan secara pasif, dari sentral hingga ke arah pelanggan akan didistribusikan menggunakan splitter (1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64). GPON menggunakan TDMA sebagai teknik multiple access upstream dengan data rate sebesar 1.2 Gbps dan menggunakan GEM (GPON Encapsulation Methode) atau ATM Cell untuk membawa layanan TDM sehingga efisiensi bandwidth lebih baik dari BPON (70%), yaitu 93% [5].
2.5.1 Prinsip Kerja dan Sistem di Dalam GPON
Prinsip kerja GPON itu sendiri ketika data atau sinyal dikirimkan dari OLT, maka ada bagian yang bernama splitter yang berfungsi untuk membuat serat optik
tunggal dapat mengirim ke beberapa ONU, untuk ONU sendiri akan memberikan data-data dan sinyal yang diinginkan pengguna. Prinsip kerja splitter dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Prinsip kerja passive splitter
Passive splitter merupakan optical fiber coupler sederhana yang membagi sinyal optik menjadi beberapa path (multiple path) atau sinyal– sinyal kombinasi dalam satu jalur. Splitter juga berfungsi sebagai perute dan pengkombinasi berbagai sinyal optik.
Pada prinsipnya, PON adalah sistem point to multipoint, dari serat optik tunggal ke arsitektur jaringan. Untuk sistem kerja dari teknologi GPON dapat dilihat sebagai berikut :
1. Pengiriman Frame : GEM–GPON Encapsulation Method
GEM merupakan metode enkapsulasi frame pada GPON dimana mekanisme ini bekerja pada lapis dua OSI. Frame GEM akan terdiri atas enkapsulasi data pengguna (suara, data, dan video) dan ditambah dengan overhead. Jika tidak ada data pengguna yang akan dikirim, proses pengiriman frame akan disisipkan ke frame kosong (idle frame). Untuk
selanjutnya frame GEM akan digabung dalam lapisan sub GTC (GPON Transmission Convergence) dengan panjang frame 125 µs. Seperti pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Frame GEM pada sinyal GPON
Proses konversi Ethernet ke GEM diawali dengan sistem GPON yang memecah frame ethernet dan langsung mengisi ke dalam payload GEM, kemudian frame GEM melakukan enkapsulasi informasi header. Proses konversi ini dapat dilihat pada Gambar 2.11.
2. Mengamankan Paket : AES (Advance Encryption Standard)
AES ini, merupakan mekanisme keamanan sistem transmisi antara OLT dengan ONU. Sistem GPON secara periodik akan mengganti (renew) kode keamanan untuk peningkatan aspek keamanannya.
Teknik mekanisme AES hanya untuk downstream saja, diawali dengan enkripsi yang dibuat dalam model counter 128 bit blok chiper kode dengan 128 bit key. Pergantian key diinisiasi dan dikontrol oleh OLT dan key diganti tiga kali setiap detiknya. Ketika OLT menerima key yang benar, maka OLT akan mengirim key switch message ke ONU dan kemudian melakukan trafik downstream.
3. Management Bandwidth : DBA (Dynamic Bandwidth Assignment) Mekanisme dimana secara dinamik ONT dapat meminta dan memberi bandwidth yang telah dialokasikan oleh T-CONT (Transmission Containers). Mekanisme kerja DBA dibagi dua yaitu status reporting dan predictive. Pada saat melakukan status reporting, ONT melaporkan status buffer mereka dan membuatkan antrian dengan DBR (Dynamic Bandwidth Reports) ke arah OLT, kemudian OLT menetapkan ulang bandwidth berdasarkan kapasitas buffer yang tersedia dan informasi antrian diberikan oleh ONT. Pada saat melakukan predictive, OLT memonitoring dan mengadakan pengaturan berdasarkan utilisasi setiap ONT. Ketika utilisasi ONT melebihi nilai threshold yang diberikan, maka tambahan bandwidth segera ditetapkan jika tersedia.
Pada umumnya sistem GPON itu berbasis teknologi PON dan dari satu core mengeluarkan tiga gelombang (full duplex). Dapat dilihat pada Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Sistem transmisi teknologi GPON
Sistem Transmisi GPON mempunyai dua model, yaitu downstream dan upstream. Arah downstream, frame GEM akan dibroadcast (mengirim) ke semua ONU, dari OLT ke semua ONU, dimana masing-masing ONU akan mengidentifikasi paket yang diterimanya dari overhead frame serta memfilter data yang masuk berdasarkan portID. Proses model transmisi downstream dapat dilihat pada Gambar 2.13.
Downstream frame GTC memiliki durasi 125 µs dan panjang 38880 byte, dimana sesuai dengan data downstream 2.48832 Gbps. Gambar 2.13 menunjukkan format downstream pada frame GTC. OLT mengirimkan PCBd (Physical control block downstream) secara broadcast dan setiap ONU menerima semua PCBd. Psync menunjukkan frame permulaan untuk ONU. Indent berisi superframe counter 8 Khz yang digunakan oleh sistem enkripsi, dan juga digunakan untuk memberikan sinyal synchronous refrence tingkat rendah. PLOAMd menangani fungsi seperti OAM (operation, administration, and management) yang berhubungan dengan penanda. BIP (Bit Interleaved Parity) digunakan untuk memperkirakan tingkat kesalahan bit. Plend (Payload Length Indicator downstream) memeberikan panjang bandwidth upstream Bwmap. Setiap masukan dalam bandwidth upstream Bwmap merupakan alokasi bandwidth tunggal untuk T-CONT dituju.
Sedangkan untuk model transmisi upstream, frame GEM akan dibawa dalam bentuk semacam kontainer (kotak-kotak) yang diistilahkan T-CONT (Transmission Container). T-CONT akan membawa portID dari GEM setiap ONU. Pada saat transmisi upstream bekerja, OLT mengkontrol kanal upstream dengan pengaturan seperti window (jendela) waktu dari masing-masing ONT. Proses model transmisi upstream dapat dilihat pada Gambar 2.14.
Pada Gambar 2.14 terlihat bahwa durasi upstream frame GTS sebesar 125 µs dan panjang bit 19440, yang memberikan kecepatan data upstream sebesar 1,24416 Gbps. Setiap frame upstream berisi beberapa pecahan transmisi yang berasal dari satu atau beberapa ONU. Setiap pecahan transmisi upstream memiliki
PLOu (Physic Layer Overhead upstream) dimana PLOu pada awalnya memecah link upstream ONU pada lapisan fisik dari link pecahan upstream.
Gambar 2.14 Sistem pengiriman sinyal upstream pada GPON
PLOAMu (Physic Layer operation administration management upstream) bertanggung jawab untuk fungsi-fungsi mengelola seperti memulai, aktivasi ONT, dan pemberitahuan. PLSu (Power Leveling Sequence upstream) berisi informasi tentang tingkatan daya laser yang terlihat dengan OLT. DBRu (Dynamic Bandwidth Report upstream) menginformasikan panjang antrian masing-masing T-CONT di ONT.
Arsitektur GPON berdasarkan pada TDM, sehingga mendukung layanan T1, E1, dan DS3 (digital signal 3). Tidak seperti sistem multiplexer lainnya, GPON mempunyai layer PMD (Physical Medai Dependent) yang dilengkapi dengan FEC (Forward Error Correction). ONU mempunyai kemampuan untuk mentransmisikan data di tiga mode power. Pada mode 1, ONT akan mentransmisikan pada kisaran daya output yang normal. Pada mode 2 dan 3 ONT
OLT untuk memerintahkannya menurunkan daya apabila OLT mendeteksi sinyal dari ONT terlalu kuat atau sebaliknya, OLT akan memberi perintah ONT untuk menaikkan jika terdeteksi sinyal dari ONT terlalu rendah. Arsitektur GPON dapat dilihat pada Gambar 2.15 [6].
