Analisis Bit Error Rate (BER) Untuk Modulasi BPSK dan QPSK Pada Kinerja Jaringan WIMAX 802.16e

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX)

Worldwide Interoperability for Microwave Access atau WiMAX adalah

teknologi berdasarkan pada standar Wireless Metropolitan Area Network

(WMAN) yang dikembangkan oleh IEEE 802.16 group dan diadopsi baik

oleh Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) maupun oleh

European Telecommunications Standard Institute-High Performance

Metropolitan Area Network (ETSI HiperMAN). Teknologi WiMAX dikenal

sebagai teknologi IEEE 802.16x. Dapat dikatakan bahwa WiMAX merupakan

nama yang dipakai untuk semua produk IEEE 802.16 [1].

Tahun 1998, IEEE membentuk grup IEEE 802.16 yang bertujuan mengembangkan standar antar-muka untuk jaringan pita lebar nirkabel atau Broadband Wireless Access (BWA). Fokus awal grup ini adalah pengembangan

sistem point-to-multipoint Line of Sight (LOS) pita lebar nirkabel yang beroperasi pada frekuensi 10 – 66 GHz.WiMAX merupakan evolusi dari teknologi BWA sebelumnya dengan fitur-fitur yang lebih canggih [1].

Gambar 2.1 Implementasi Teknologi WiMAX [2]

Teknologi WiMAX juga menyediakan berbagai keuntungan bila

dibandingkan dengan teknologi DSL, yakni kemampuan untuk menjangkau

daerah pelanggan hingga radius 30 mil, bekerja pada kondisi Non-Line of Sight

(NLOS) dengan kecepatan laju data hingga mencapai 75Mbps (tergantung

spesifikasi yang digunakan). Kemampuan ini membuat WiMAX menjadi

teknologi yang sangat berkembang di seluruh dunia [2].

2.2 Perkembangan WIMAX

WiMAX telah melalui beberapa tahapan pengembangan dan standarisasi.

Standar awal WiMAX yaitu 802.16 kemudian berkembang menjadi standar

802.16a, 802.16-2004, dan 802.16e-2005 [2].

2.2.1 Standar 802.16

time division multiplexing (TDM). Konsep pada lapis MAC banyak diadopsi dari

standar teknologi yang digunakan pada modem Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS). Teknologi ini digunakan pada kondisi LOS

untuk pelanggan yang sifatnya tetap (fixed) dan bekerja pada frekuensi 10-66 GHz [2].

2.2.2 Standar 802.16a

Diperkenalkan pada tahun 2003, merupakan amandemen dari standar 802.16 dan ditujukan untuk pelanggan bersifat tetap. Standar ini mendukung kondisi NLOS dan bekerja pada frekuensi 2-11 GHz dengan menggunakan orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) pada lapis fisiknya [2].

2.2.3. Standar 802.16-2004

Perkembangan berikutnya menghasilkan standar baru pada tahun 2004.

Standar ini memiliki semua standar yang terdapat pada 802.16 dan 802.16a

dengan berbagai tambahan pada protokol lapisnya. Salah satunya ialah

kemampuan untuk mendukung penggunaan orthogonal frequency division

multiple access (OFDMA). Standar ini menjadi basis bagi sistem WiMAX untuk

jaringan pita lebar tetap (fixed broadband wireless), sehingga sering disebut

sebagai fixed WiMAX [2].

2.2.4. Standar 802.16e-2005

Pada bulan Desember 2005, grup IEEE menyelesaikan dan menyetujui

standar IEEE 802.16e-2005 yang merupakan amandemen terhadap standar

802.16-2004. Standar ini menambahkan dukungan terhadap mobilitas dan

menjadi basis bagi sistem WiMAX untuk melayani pelanggan yang bersifat

mobile WiMAX. Adapun perbandingan standar IEEE 802.16 dapat dilihat pada

Tabel 2.1 [2].

Tabel 2.1 Perbandingan Standar IEEE 802.16

2.3. Fitur Penting WiMAX

WiMAX adalah solusi untuk jaringan pita lebar nirkabel yang

menawarkan banyak fitur penting dengan fleksibilitas pada pilihan layanan.

Beberapa fitur penting yang ditawarkan WiMAX secara umum adalah :

1. Lapis fisik pada WiMAX yang berdasarkan pada orthogonal

frequency division multiplexing (OFDM) memungkinkan WiMAX

mempunyai ketahanan yang baik terhadap multipath dan dapat

beroperasi pada kondisi NLOS.

2. WiMAX menawarkan laju data yang sangat tinggi. Laju data dapat

Dibawah kondisi sinyal yang sangat baik, laju data yang lebih cepat

bahkan dapat dicapai dengan menggunakan teknik multiple antenna

dan spatial multiplexing.

3. WiMAX mempunyai arsitektur lapis fisik scalable yang

memungkinkan laju data dapat diatur dengan mudah sesuai dengan

lebar pita yang tersedia. Skalabilitas ini hanya didukung pada mode

OFDMA.

4. WiMAX mempunyai teknologi modulasi dan pengkodean adaptif

yang mendukung sejumlah skema modulasi dan pengkodean forward

error correction (FEC) yang memungkinkan skema tersebut

berubah-ubah sesuai dengan kondisi kanal. Teknik ini merupakan

mekanisme efektif untuk memaksimalkan throughput pada kanal

yang berubah menurut waktu.

5. Mendukung automatic repeat request (ARQ) pada lapis link. Hybrid

-ARQ juga didukung (opsional) dimana merupakan gabungan efektif

dari FEC dan ARQ.

6. WiMAX telah mendukung time division duplexing (TDD), frequency

division duplexing (FDD), dan half-duplex FDD yang

memungkinkan implementasi sistem berbiaya rendah. TDD

menjadi pilihan utama karena keuntungannya, yakni fleksibilitas

dalam memilih rasio laju data uplink-downlink dan desain

transceiver yang lebih tidak rumit.

7. Penggunaan orthogonal frequency division multiple access (OFDMA)

meningkatkan kapasitas sistem secara signifikan.

8. WiMAX memungkinkan penggunaan teknik multiple antenna seperti

beamforming, space-time coding, dan spatial multiplexing. Teknik

ini meningkatkan efesiensi spektrum dan kapasitas sistem.

9. Mendukung Quality of Service (QoS), dimana sistem WiMAX

memberikan dukungan terhadap laju bit konstan dan variabel, laju

trafik real-time dan non real-time, juga trafik data best-effort.

10. WiMAX mendukung enkripsi yang kuat, menggunakan Advanced

Encryption Standard (AES), dan mempunyai protokol keamanan

yang canggih.

2.4. Lapis Fisik

Fungsi lapis fisik adalah membangun koneksi fisik antara pemancar dan penerima, dan biasanya melalui dua jalur komunikasi (uplink dan downlink). WiMAX merupakan teknologi digital sehingga lapis fisik bertanggung jawab dalam pentransmisian urutan bit. Lapis ini juga menentukan jenis sinyal yang digunakan, jenis modulasi dan demodulasi, daya transmisi, dan juga karakteristik fisik lainnya [2].

2.5. Struktur Layer

Karakteristik standar 802.16 ditentukan oleh spesifikasi teknis dari Physical

(PHY) Layer dan Medium Access Control (MAC) Layer. Perbedaan

karakteristik kedua layer membedakan varian-variannya. Pada Gambar 2.2

ditunjukkan lingkup dari standar yang meliputi PHY dan MAC. Sedangkan

Network Management System (NMS) dan Management Plane dapat

berbeda-beda mengikuti strategi desain dari masing-masing manufaktur atau vendor

pembuatnya [2].

Physical layer menjalankan fungsi mengalirkan data di level fisik. MAC Layer berfungsi sebagai penterjemah protokol-protokol yang ada di atasnya seperti ATM dan IP. MAC layer dibagi lagi menjadi tiga sub-layer : Service Specific Convergence Sublayer (SS-CS), MAC Common Part

Sublayer, dan Security Sublayer [2].

Physical Layer

2.5.1. Phy Layer

Pada standar WiMAX, fungsi-fungsi penting yang di atur pada PHY adalah: OFDM, Duplex Sistem, Adaptive Modulation, Variable Error Correction, dan Adaptive Antenna System (AAS). Semua fungsi-fungsi ini

secara bersama-sama memberikan keunggulan yang cukup berarti dibandingkan dengan BWA yang ada sebelumnya [2].

Dengan teknologi OFDM memungkinkan komunikasi berlangsung dalam kondisi multipath LOS dan NLOS antara Base Station (BS) dan Subscriber Station (SS). Metode OFDM yang digunakan untuk WiMAX adalah

Fast Fourier Transfer (FFT) 256 . Fitur PHY untuk sistem duplex pada

standar WiMAX bisa diterapkan pada Frequency Division Duplexing (FDD), Time Division Duplexing (TDD) atau keduanya TDD dan FDD. Fitur ini

memberikan kemudahan pengaturan spektrum frekuensi yang akan digunakan oleh para operator agar didapatkan efisiensi spektrum yang optimal. Hal ini juga sejalan dengan penggunaan kanal (kanalisasi) yang diperbolehkan, yaitu dari 1.7 MHz sampai dengan 20 MHz [2].

Varian PHY yang diadopsi dari standar 802.16 adalah WirelessMAN-OFDM dan WirelessMAN-WirelessMAN-OFDMA untuk licensed frequency serta Wireless HUMAN untuk frekuensi Unlicensed National Information Infrastructure (UNII) dan frekuensi unlicensed lainnya [2].

2.5.2. Lapis MAC

Tugas utama lapis Medium Access Control (MAC) adalah memberikan

antar muka antara lapis transport yang lebih tinggi dengan lapis fisik. Lapis MAC

unit (MSDU) dan mengatur paket ini menjadi MAC protocol data unit (MPDU)

untuk transmisi melalui udara. Untuk transmisi yang diterima, lapis MAC

melakukan hal yang sebaliknya.

Beberapa fungsi penting dari lapis MAC adalah [2] :

1. Memilih profil burst dan level daya yang sesuai untuk transmisi MAC PDU.

2. Retransmisi MAC PDU yang rusak ketika automatic repeat request (ARQ)

digunakan.

3. Mengatur kualitas pelayanan (QoS) dan skema prioritas untuk MAC PDU.

4. Mengatur fungsi keamanan.

5. Mengatur operasi penghematan daya.

Gambar 2.3 Struktur lapis MAC WiMAX [2]

2.6. Bit Error Rate (BER)

diterima. Berikut adalah salah satu grafik perhitungan nilai Bit Error Rate (BER) terhadap nilai Signal Noise Ratio (SNR) pada modulasi adaptif dapat dilihat pada Gambar 2.4 [2].

Gambar 2.4 Grafik BER terhadap SNR pada modulasi adaptif[2]

Pada sistem WiMAX, besarnya nilai BER (Pb) untuk masing-masing teknik modulasi dijelaskan dalam persamaan berikut [2]:

1. BPSK P_b = P_s = Q��2Eb

N0� (2.1)

2. QPSK P_b =1

2 = erfc ��

Eb

N0� (2.2)

Keterangan :

Pb = BER pada saat transmisi (tanpa satuan)

0

/N

E_b = Rasio energi bit terhadap noise sistem (dB) yang dihitung dengan Persamaan 2.3 :

BR BW SNR

N

dimana, B_sistem adalah bandwith pada sistem (Hz), Rmerupakan laju data total (bps), dan SNR_sistemadalah Signal to Noise Ratio Sistem (dB) yang dihitung dengan Persamaan 2.4.

SNR_sistem=(1−α_CP)SNR (2.4) Dengan, α_CP adalah faktor cyclic prefix.

2.7 Adaptive Modulation

Modulasi adaptif memungkinkan sistem WiMAX untuk menyesuaikan

skema modulasi sinyal tergantung pada signal noise rasio (SNR). Skema

modulasi digunakan ketika radio link dalam kualitas tinggi. Ini akan memberikan

kemampuan lebih untuk sistem. Selama sinyal tinggi, maka sistem WiMAX

dapat mentransfer ke modulasi skema yang lebih rendah untuk mempertahankan

kualitas koneksi. Fitur ini memungkinkan sistem untuk mengatasi waktu

kepudaran. Fitur utama modulasi adaptif adalah bahwa hal itu memungkinkan

untuk mengirimkan data pada tingkat tinggi selama kondisi terbaik

dibandingkan dengan tetap memiliki skema yang selalu transmit data rendah

untuk kondisi buruk [2].

Teknik modulasi adaptif memungkinkan WiMAX mengatur pola sinyal modulasi untuk meningkatkan dan mendapatkan pola modulasi dengan kualitas yang terbaik, pengaturan pola modulasi ini bergantung pada kondisi signal to noise ratio (SNR) [2].

Gambar 2.6 Diagram Blok Teknik Modulasi Adaptif pada jaringan Wimax[2]

Gambar 2.6 menerangkan bahwa subscriber mencoba mengunduh data melalui kanal downlink dengan nilai SNR yang bervariasi bergantung dari kondisi kanal itu sendiri. Dan BTS memiliki tujuan yaitu mentransmisikan data dengan kecepatan tinggi menuju penerima. Oleh karena itu, perubahan pola modulasi secara otomatis yang dilakukan oleh AMC Controller pada BTS diperlukan agar penerima mendapatkan modulasi yang tepat sehingga komunikasi berjalan dengan baik [8].

2.7.1. Binary Phase Shift Keying (BPSK)

Binary Phase Shift Keying atau BPSK adalah salah satu teknik modulasi

sinyal dengan konversi sinyal digital “0” atau “1” menjadi suatu simbol

berupa sinyal kontinyu yang mempunyai dua fase yang berbeda. Untuk bit “1”

mempunyai pergeseran fase 0° dan untuk bit “0” mempunyai pergeseran fase

180°. Jadi pada modulasi BPSK, informasi yang dibawa akan mengubah fase

Gambar 2.7 Diagram Konstelasi BPSK[3]

Pada BPSK, phasa dari frekuensi pembawa diubah-ubah antara dua nilai

yang menyatakan keadaan biner 1 dan 0, dalam hal ini phasa dari frekuensi

pembawa yang satu dengan yang lain berbeda sebesar π radian atau 180°,

sehingga dalam hal ini pensinyalan pada BPSK kadang-kadang disebut juga

dengan Phasa Reversal Keying (PRK). Persamaan bentuk gelombang BPSK

adalah [3]:

�1(�) =−�����_�� (2.4)

�2(�) =�����_�� (2.5) Atau yang lebih umum dinyatakan dalam rumus :

�(�) =����(�_��+�_�) (2.6) Dimana :

A = Amplitudo sinyal

ωc = Frekuensi pembawa

θc = Sudut fasa pembawa

Persamaan (2.4) berlaku apabila θc = π, sedangkan persamaan (2.5)

berlaku apabila θc = 0. Sinyal ini dipergunakan untuk menyampaikan digit biner

−����� �����

������ 0 ������ 1

Gambar 2.8 Digram Sinyal BPSK[3]

Sinyal BPSK disebut juga sinyal antipodal , karena S1(t) = -S2(t). Blok

diagram pembangkitan sinyal BPSK dapat dilihat pada Gambar 2.9. Dari

Gambar 2.9 sakelar on, apabila berlogika1. Pada modulator terdiri atas sebuah

oscilator dan sebuah rangkaian penggeser phasa (π). Apabila dikirim digit biner

1 pada masukan, maka sakelar tanda akan on (sakelar spasi off), dengan

demikian sinyal yang dikirim adalah A cos ωct, sedangkan apabila dikirim digit

biner 0 pada masukan, dengan adanya rangkaian pembalik maka sakelar spasi

akan on (sakelar tanda off), dengan demikian sinyal yang dikirim digeser

fasanya sebesar π (180º), yaitu A cos (ωct + π) [3].

Gambar 2.9 Pembangkit Sinyal BPSK[3]

Sebagai contoh untuk sinyal BPSK dengan masukan 1010101

digambarkan pada Gambar 2.10 dan spektrum sinyal BPSK secara umum

Gambar 2.10 Keluaran Sinyal BPSK[3]

Gambar 2.11 Spektrum Sinyal BPSK[3]

Pada modulasi digital, pada umumnya cara pendemodulasian atau sering

disebut dengan pendektesian sinyal, dibagi menjdi dua macam Penemuan

sinkron atau coherent Penemuan selubung (detector envelope) atau

non-coherent Pada metode yang pertama, hanya mengalikan sinyal yang datang

dengan frekuensi pembawa yang dibangkitkan secara lokal dipenerima dan

kemudian dilakukan pemfilteran pada sinyal hasil perkalian tadi. Pada penemuan

sinkron ini bukan saja frekuensi pembawa yang dibangkitkan secara lokal pada

penerima yang harus pada frekuensi yang sama, tetapi juga disinkronkan dalam

fasa. Sedangkan pada metode yang kedua digunakan untuk menghindari

persoalan – persoalan pengaturan frekuensi dan phasa dalam penemuan sinkron.

dua yaitu : Coherent Phasa Shift Keying (CPSK) dan Differential Phasa Shift

Keying (DPSK) [3].

1. Demodulasi dengan CPSK

Untuk metode ini pendemodulasiannya menggunakan metode

pendeteksian koheren (Coherent Detection), yaitu mengalikan sinyal yang

datang (sinyal informasi) dengan frekuensi pembawa yang dibangkitkan secara

lokal pada penerima. Oscilator lokal pada penerima memerlukan sumber

gelombang yang akurat didalam frekuensi dan fasa.[3]

2. Demodulasi dengan DPSK

Pendeteksian pada DPSK tidak bisa secara non-koheren, karena pesan

informasi selalu dalam bentuk fasa, sehingga transmisi data terhindar dari

transmisi tak sinkron [3].

2.7.2. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)

Quadrature Phase Shift Keying ( Q P S K ) adalah bentuk lain dari

modulasi digital selubung konstan termodulasi sudut. QPSK adalah teknik

pengkodean M-ary dimana M = 4 (karenanya dinamakan quaternary yang berarti

4). M-ary adalah suatu bentuk turunan dari kata binary. M berarti digit yang

mewakili banyaknya kondisi yang mungkin. Dalam QPSK ada empat fasa

keluaran yang berbeda, maka harus ada empat kondisi masukan yang berbeda.

Karena masukan digital ke modulator QPSK adalah sinyal biner, maka untuk

menghasilkan empat kondisi masukan yang berbeda harus dipakai bit masukan

lebih dari satu bit tunggal. Pada modulasi QPSK nilai Bm atau Jumlah Bit tiap

dan 11. Karena itu dalam QPSK data masukan biner dikelompokkan dalam

kelompok yang terdiri dari dua bit yang disebut dibit. Setiap kode dibit

membangkitkan salah satu dari fase keluaran yang mungkin. Oleh karena itu

setiap dibit (dua bit) masuk ke dalam modulator, terjadi satu perubahan

keluaran, sehingga kecepatan perubahan keluaran adalah setengah kecepatan bit

masukan [3].

Gambar 2.12 Diagram Konstelasi QPSK[3]

Modulasi Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) memiliki empat simbol

yang mempunyai amplitude sama dengan fase yang berlainan. Keempat simbol

tersebut dibentuk dari grup dua bit input, sehingga diperoleh empat kondisi yang

mungkin, yaitu 00, 01, 10 dan 11. Setiap bit menghasilkan satu dari empat fase

yang mungkin, sehingga rate keluarannya adalah setengah dari rate input.

Keempat fase yang mungkin pada modulasi QPSK ditunjukkan pada gambar di

bawah. [3]

Dibit

disimbolkan pada perbedaan fasa sebesar 90o. Sinyal QPSK dipresentasikan dalam persamaan matematis adalah [3] :

SQPSK = ; untuk binary 00 (2.6)

; untuk binary 01 (2.7)

; untuk binary 10 (2.8)

; untuk binary 11 (2.9)

Gambar 2.13 Sinyal QPSK[3]

Dari Gambar 2.13 diatas terlihat bahwa jika masukan biner adalah 10 maka keluaran merupakan sinyal sinus dari frekuensi pembawa yang telah digeser sebesar +135o, dan juga untuk kombinasi lainnya dari masukan biner akan menghasilkan pergeseran fasa yang berbeda [3].

2.8 Kode Konvolusi

Kode konvolusi merupakan kode non-blok dan lebih tepat untuk disebut dengan kode sekuensial. Karena sifatnya yang non-blok, kode ini sesuai untuk informasi yang panjang frame-nya tidak tentu (tidak terdefinisi). Nama kode konvolusi diambil dengan pertimbangan bahwa proses pengkodean dapat

dianalogikan sebagai proses konvolusi dan dekoder akan melakukan proses dekonvolusi. Untuk merealisasikan fungsi konvolusi, sebagai konvolutor sering digunakan rangkaian “shift register” linear yang inputnya akan tergantung pada deretan sinyal input. Dari Gambar 2.14, ditunjukkan bahwa operasi dari encoder konvolusi sangat bergantung pada panjang bit yang mengubah output pada setiap periode (information frame), panjang register yang digunakan sebagai buffer (constrain length) dan rangkaian logika yang menentukan operasi pengkodeannya.

Output proses tersebut adalah frame atau simbol yang telah dikodekan. Salah satu

cara analisis sinyal pada kode konvolusi adalah menggunakan diagram pohon (tree diagram) dimana akhirnya dekoder harus bisa melakukan pencarian untuk

menemukan sinyal yang mempunyai pola runtutan yang melalui cabang yang seharusnya. Salah satu contoh pengkodean dengan cara itu adalah Viterbi [4]. 1. Parameterisasi

Agar mampu bekerja dengan kode konvolusi, maka diperlukan pemahaman tentang beberapa definisi dasar yang nantinya merupakan kunci pengembangan kode tersebut [4] :

a. Sebuah kode tree(no,ko) adalah pemetaan dari elemen-elemen semi-finite

(tidak terbatas) GF(q) kepada dirinya sendiri, sedemikian hingga untuk tiap N,

bila dua deret semi-finite cocok dengan komponen Nko, maka peta dari deret

tersebut juga akan cocok dengan komponen Nno. no= output frameword dan

ko=input frame.

b. Nk disebut dengan constrain length boleh terbatas dan boleh tidak terbatas.

c. Kode mempunyai sifat time invariant, jika fungsinya tidak berubah karena

d. Kode mempunyai sifat linear jika fungsi dari dua sequence merupakan

pemjumlahan dari fungsi masing-masing sequence.

e. Kode disebut systematic jika kode tersebut setiap frame informasinya terlihat

tidak berubah sepanjang simbol pertama (ko) dari frame codeword (output)

yang dihasilkannya.

2. Struktur Kode Konvolusi

Struktur kode konvolusi (n,k,m), dimana n adalah output encoder, k adalah input dan m adalah memori. Jadi struktur kode konvolusi (n,k,m) dapat diimplementasikan dalam bentuk encoder dengan k jumlah masukan, n keluaran rangkaian sequensial linier dengan panjang memori m. Dimana n dan k adalah bilangan bulat kecil dengan k < n, sementara m harus dibuat besar untuk mencapai probability error yang rendah. Pada kondisi k = 1, deretan informasinya tidak

diproses secara blok-blok melainkan dapat diproses secara kontinyu [4]. 3. R a t e

Dalam kode konvolusi dikenal dengan istilah rate, untuk menunjukkan lajunya kode dan mempunyai persamaan seperti berikut [5] :

R = k / n bit informasi per kanal bit (2.10) Dimana : k adalah jumlah bit yang masuk tiap satuan waktu

n adalah jumlah keluaran

Gambar 2.14 Encoder Kode Konvolusi Rate ½ [5]

Pada Gambar 2.14, tampak bahwa Pj = Uj +Uj-1 , Jika dimisalkan dari sumber diberikan sederetan informasi U1=1, U2=1, U3=0, U4=1 sehingga dapat disusun (1101), maka akan menghasilkan deretan paritas P1=1, P2=0, P3=1, P4=1 atau dapat disusun (1011). Jadi Codeword yang dihasilkan oleh encoder tersebut adalah 11 10 01 1 [5].

4. Bit Rate

Bitrate merupakan suatu ukuran kecepatan transfer suatu data dari suatu

tempat ke tempat yang lain yang diukur dengan waktu seperti Kilobit per second (Kbps), Megabit per Second (Mbps), dan seterusnya. Pada modulasi adaptif, untuk

mencari nilai Bitrate digunakan persamaan sebagai berikut [6].

��= �������� ��

�� (2.11) Dimana :

BR = Bit Rate ( Mbps)

Bm = Jumlah Bit Tiap Modulasi Ct = Code Rate