Analisis Kinerja Modulasi Dan Pengkodean Adaptif Pada Jaringan WiMAX

(1)

TUGAS AKHIR

ANALISIS KINERJA MODULASI DAN PENGKODEAN ADAPTIF

PADA JARINGAN WiMAX

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

Oleh

ALEX KRISTIAN SITEPU

0 4 0 4 0 2 0 5 7

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

ABSTRAK

Perkembangan teknologi komunikasi data yang sangat cepat dan diiringi kebutuhan akses data yang semakin meningkat telah menimbulkan kenaikan permintaan untuk high-speed internet access. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) berdasarkan standar IEEE 802.16 untuk Broadband Wireless Access (BWA) menawarkan solusi atas permintaan tersebut dengan memberikan kecepatan akses data yang tinggi sekelas jaringan pita lebar (broadband), jangkauan daerah pemancar yang luas, dan fleksibilitas tinggi yang tidak dapat dipenuhi oleh jaringan serat optik, jaringan DSL (Digital Subscriber Line), atau jaringan berteknologi kabel lainnya.

Salah satu teknologi penting pada WiMAX adalah penggunaan modulasi dan pengkodean adaptif untuk meningkatkan efisiensi spektrum frekuensi, throughput transmisi data, dan reliabilitas sistem. Modulasi adaptif (adaptive modulation) memungkinkan WiMAX mengatur pola sinyal modulasi berdasarkan kondisi signal-to-noise ratio (SNR) pada link radio sehingga memberikan bit rate maksimal. Sedangkan pengkodean (coding) digunakan untuk meningkatkan keamanan data, resistansi terhadap noise, dan untuk keperluan deteksi error.

Empat teknik modulasi pada WiMAX telah ditetapkan dan didukung oleh standar IEEE 802.16e, yaitu BPSK, QPSK, 16-QAM, dan 64-QAM dengan laju pengkodean yang berbeda. Dari hasil analisis terhadap kinerja modulasi dan pengkodean adaptif didapat bahwa bit rate dan throughput maksimum paling tinggi dicapai dengan modulasi dan pengkodean 64-QAM ¾, yakni sebesar 40,14 Mbps dan 45 Mbps . Sedangkan jarak paling jauh didapat dengan menggunakan modulasi dan pengkodean BPSK ½, yakni hingga 9,5 km.

(3)

KATA PENGANTAR

Puji dan Syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis diberikan kemampuan dan kesempatan untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.

Tugas Akhir ini berjudul : Analisis Kinerja Modulasi Dan Pengkodean

Adaptif Pada Jaringan WiMAX. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk

memperoleh gelar kesarjanaan pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Penulis menyampaikan rasa hormat, dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada kedua orang tua saya, Ayahanda dr. Ngguntur Sitepu dan Ibunda Adelina Ginting, yang telah membesarkan, mendidik, dan terus membimbing serta mendoakan saya. Juga rasa sayang kepada saudara-saudara saya dr. Maria Thessarina Sitepu, Adrian Yossiarta Sitepu, dan Marselita Kristianti Sitepu.

Dalam kesempatan ini, Penulis juga menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir. Arman Sani, MT, selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir, yang dengan ikhlas dan sabar memberikan masukan, bimbingan dan motivasi dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

2. Bapak Ir. Panusur S. M. L. Tobing, selaku Dosen Wali selama saya mengikuti perkuliahan.

3. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai, selaku Pelaksana Tugas Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

(4)

4. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Seluruh staf pengajar di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, yang telah memberikan bekal ilmu kepada saya selama mengikuti perkuliahan.

6. Seluruh karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

7. Terimakasih kepada teman-teman seperjuangan Angkatan 2004. Immanuelta Sen, Dedi Spy2, Eko “cib“ Prasetyo, Wiclif, Dody, Zonic, Juan Joielechong, Juan Khan, Agus P.P, Fahmi Vpn, Louise, Willy, Josua, Franklyn kTua, Batzz Sniper, dan seluruh teman-teman yang belum disebutkan namanya.

8. Teman-teman mahasiswa dan semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna, baik dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu, penulis siap menerima saran dan kritik dari pembaca yang sifatnya membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir ini.

Akhir kata, penulis berharap agar Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca dan penulis.

Medan, Nopember 2010 Penulis

(5)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... xi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Penulisan ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 2

1.5 Metode Penulisan ... 3

1.6 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II WiMAX 2.1 Umum ... 5

2.2 Perkembangan WiMAX ... 6

2.2.1 802.16... ... 6

2.2.2 802.16a ... 7

2.2.3 802.16-2004... 7

2.2.4 802.16e-2005 ... 7

(6)

2.4 Lapis Fisik ... 10

2.4.1 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)... 10

2.4.2 Subkanalisasi ... 11

2.4.3 Struktur Slot & Frame... 13

2.4.4 Modulasi dan Pengkodean Adaptif ... 16

2.5 Lapis MAC ... 16

2.5.1 Struktur Frame MAC ... 18

2.5.2 Mekanisme Akses Kanal ... 20

2.5.3 Kualitas Pelayanan (QoS) ... 21

2.5.3.1 Unsolicited Grant Service (UGS) ... 22

2.5.3.2 Real-Time Polling Service (rtPS) ... 22

2.5.3.3 Non-Real-Time Polling Service (nrtPS) ... 22

2.5.3.4 Best Effort (BE) Service ... 23

2.5.3.5 Extended Real-Time Variable Rate (ERT-VR) Service ... 23

2.5.4 Penghematan Daya ... 23

2.5.5 Fungsi Sekuritas ... 24

2.5.5.1 Privacy Support ... 24

2.5.5.2 Device/User Authentication... 25

2.5.5.3 Flexible Key-Management Protocol ... 25

2.5.5.4 Protection of Control Messages ... 26

2.5.5.5 Fast Handover ... 26

2.6 Sistem Advanced Antenna ... 26

2.6.1 Diversitas Transmisi ... 26

(7)

2.6.3 Spatial Multiplexing... 27

2.7 Hybrid-ARQ ... 28

2.8 WiMAX Forum ... 29

2.9 Topologi Jaringan WiMAX ... 30

2.9.1 Topologi Point-to-Point (P2P) ... 30

2.9.2 Topologi Point-to-Multipoint (PMP) ... 31

2.9.3 Topologi Mesh ... 31

BAB III MODULASI DAN PENGKODEAN ADAPTIF 3.1 Pendahuluan ... 33

3.2 Sistem Transmisi Adaptif ... 34

3.2.1 Pengkodean Kanal ... 36

3.2.1.1 Pengacakan ... 37

3.2.1.2 Forward Error Correction (FEC) ... 37

3.2.1.3 Interleaving... 38

3.2.1.4 Repetisi ... 38

3.2.2 Pemetaan Simbol ... 39

3.2.2.1 Binary Phase Shift Keying (BPSK) ... 40

3.2.2.2 Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) ... 41

3.2.2.3 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) ... 43

3.2.3 Kontrol Daya ... 45

3.2.4 Estimasi Kanal ... 46

3.2.5 Kanal Feedback ... 46

(8)

3.4 Perhitungan Kinerja Modulasi dan Pengkodean Adaptif ... 48

3.4.1 Perhitungan Link Budget ... 49

3.4.1.1 Perhitungan Rugi-Rugi Propagasi ... 49

3.4.1.1.1 COST-231 Hata Model ... 50

3.4.1.1.2 ECC-33 Path Loss Model ... 51

3.4.1.2 Perhitungan EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) ... 52

3.4.1.3 Perhitungan RSL (Receive Signal Level) ... 52

3.4.2 Perhitungan Bit Rate ... 53

3.4.3 Perhitungan Throughput ... 54

BAB IV ANALISIS KINERJA MODULASI DAN PENGKODEAN ADAPTIF PADA JARINGAN WiMAX 4.1 Model Sistem Yang Dianalisis... 56

4.2 Parameter – Parameter Yang Digunakan Dalam Analisis ... 57

4.3 Perhitungan Analisis Kinerja Modulasi dan Pengkodean Adaptif Pada Jaringan WiMAX ... 58

4.3.1 Perhitungan Link Budget ... 58

4.3.1.1 COST-231 Hata Model ... 59

4.3.1.2 ECC-33 Path Loss Model ... 60

4.3.1.3 Perhitungan EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) ... 63

4.3.1.4 Perhitungan RSL (Receive Signal Level) ... 63

4.3.1.5 Perhitungan Rss (Receiver Sensitivity)... 66

4.3.1.6 Perhitungan Batas Switching Point ... 68

(9)

4.3.3 Perhitungan Throughput Maksimum ... 74

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 79 5.2 Saran ... 80

DAFTAR PUSTAKA... 81 LAMPIRAN

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Implementasi Teknologi WiMAX ... 6

Gambar 2.2 Perbandingan OFDMA dengan SOFDMA ... 12

Gambar 2.3 Struktur Slot & Frame WiMAX ... 14

Gambar 2.4 Struktur Lapis MAC WiMAX ... 17

Gambar 2.5 Frame MAC PDU ... 19

Gambar 2.6 Topologi Point to Point ... 30

Gambar 2.7 Topologi Point to Multipoint ... 31

Gambar 2.8 Topologi Mesh... 32

Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Modulasi dan Pengkodean Adaptif ... 35

Gambar 3.2 Blok Diagram Sistem Pengkodean Kanal WiMAX ... 37

Gambar 3.3 Modulasi Digital (a) baseband (b) bandpass ... 39

Gambar 3.4 Konstelasi Sinyal BPSK ... 40

Gambar 3.5 Bentuk Gelombang BPSK (a) fc=2/T (b) fc=1,8/T ... 41

Gambar 3.6 Konstelasi Sinyal QPSK ... 41

Gambar 3.7 Bentuk Gelombang QPSK ... 43

Gambar 3.8 Konstelasi Sinyal 16-QAM ... 44

Gambar 3.9 Konstelasi Sinyal 64-QAM ... 45

Gambar 3.10 Sistem Quantized Precoding Feedback ... 47

Gambar 3.11 Adaptasi Link ... 48

Gambar 3.12 Propagasi NLOS ... 49

Gambar 4.1 Model Sistem ... 56

(11)

Gambar 4.3 Perbandingan Receive Signal Level Pada Model Propagasi COST 231-Hata dan ECC-33 Path Loss ... 66 Gambar 4.4 Perbandingan Bit Rate dan Throughput Maksimum pada Model

Propagasi COST-231 Hata ... 76 Gambar 4.5 Perbandingan Bit Rate dan Throughput Maksimum pada Model

(12)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Perbandingan Standar IEEE 802.16 ... 8

Tabel 3.1 Skema Modulasi dan Pengkodean pada WiMAX... 34

Tabel 3.2 Koordinat Sinyal QPSK ... 42

Tabel 4.1 Standar IEEE 802.16e untuk SNR ... 57

Tabel 4.2 Parameter Station ... 57

Tabel 4.3 Parameter OFDMA ... 58

Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Rugi – Rugi Propagasi COST-231 Hata Model ... 60

Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Rugi – Rugi Propagasi ECC-33 Path Loss Model ... 62

Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Receive Signal Level pada COST-231 Hata Model ... 64

Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Receive Signal Level pada ECC-33 Path Loss Model . 65 Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Receiver Sensitivity Perangkat ... 68

Tabel 4.9 Batas Switching Point Pada Model Propagasi COST-231 Hata ... 69

Tabel 4.10 Batas Switching Point Pada Model Propagasi ECC-33 Path Loss... 70

Tabel 4.11 Hasil Perhitungan Bit Rate Sistem Modulasi Dan Pengkodean Adaptif .... 73

(13)

ABSTRAK

(14)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada era teknologi informasi sekarang ini, kebutuhan akan akses data yang cepat, handal, serta dapat diakses kapan saja dan dimana saja telah menghasilkan perkembangan yang pesat dalam dunia telekomunikasi. Teknologi telekomunikasi terus dikembangkan dan disempurnakan untuk menjawab tantangan ini, salah satunya adalah teknologi WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access).

WiMAX merupakan teknologi yang dikembangkan dengan tujuan untuk pelayanan koneksi pita lebar secara nirkabel, dimana berdasarkan standar IEEE 802.16e teknik akses jamak yang digunakan adalah OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).

Salah satu teknologi penting pada WiMAX adalah penggunaan modulasi dan pengkodean adaptif (adaptive modulation and coding/ AMC). Modulasi dan pengkodean adaptif memungkinkan WiMAX mengatur pola sinyal modulasi dan teknik pengkodean sesuai kondisi signal-to-noise ratio (SNR) link radio, dimana pada kondisi link radio dengan kualitas yang baik, digunakan pola modulasi dan pengkodean yang terbaik pula, sehingga menghasilkan sistem dengan kapasitas yang lebih besar. Untuk kondisi link radio yang buruk, sistem dapat beralih ke pola modulasi dan pengkodean yang lebih rendah untuk menjaga kestabilan hubungan.

Tugas akhir ini membahas tentang kinerja modulasi dan pengkodean adaptif, khususnya mengenai hubungannya terhadap jarak, signal-to-noise ratio (SNR), bit rate

(15)

data, dan throughput maksimum sistem pada model propagasi COST-231 Hata dan ECC-33 Path Loss Model.

1.2 Rumusan Masalah

Dari latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan antara lain:

1. Bagaimana prinsip kerja WiMAX ?

2. Bagaimana prinsip kerja modulasi dan pengkodean adaptif ?

3. Bagaimana cara menganalisis kinerja modulasi dan pengkodean adaptif ? 4. Bagaimana hasil jarak dan bit rate sistem modulasi dan pengkodean adaptif ? 5. Bagaimana hasil throughput maksimum sistem modulasi dan pengkodean

adaptif ?

1.3 Tujuan Penulisan

Tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk menganalisis kinerja modulasi dan pengkodean adaptif pada WiMAX khususnya mengenai hubungannya terhadap jarak dan signal-to-noise ratio (SNR), bit rate, dan throughput maksimum.

1.4 Batasan Masalah

Agar masalah yang ditulis dalam Tugas Akhir ini tidak terlalu luas dan menyimpang dari topik yang ada, maka penulis perlu membatasi permasalahan sebagai berikut :

1. Tidak membahas aplikasi untuk keperluan selular. 2. Tidak membahas teknik enkripsi data.

(16)

3. Hanya membahas teknik koreksi error secara umum.

4. Studi dibatasi hanya untuk menganalisis kinerja modulasi dan pengkodean adaptif dengan hubungannya terhadap jarak, SNR, bit rate, dan throughput maksimum pada jalur downlink.

5. Propagasi dimodelkan sebagai COST-231 Hata dan ECC-33 Path Loss Model.

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 dan

artikel pendukung.

2. Studi diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai masalah-masalah yang timbul selama penulisan Tugas Akhir.

1.6 Sistematika Penulisan

Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II WIMAX

Bab ini memberikan penjelasan secara umum mengenai teknologi dan perkembangan WiMAX, lapisan PHY dan MAC, teknologi advanced antenna, serta topologi jaringan WiMAX.

(17)

BAB III MODULASI DAN PENGKODEAN ADAPTIF

Bab ini membahas tentang teknologi modulasi dan pengkodean adaptif, adaptasi link, model propagasi, serta kinerja modulasi dan pengkodean adaptif.

BAB IV ANALISIS KINERJA MODULASI DAN PENGKODEAN ADAPTIF PADA JARINGAN WIMAX

Bab ini menganalisis kinerja modulasi dan pengkodean adaptif pada jaringan WiMAX.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

(18)

BAB II

WIMAX

2.1 Umum

WiMAX atau Worldwide Interoperability for Microwave Access adalah teknologi berdasarkan pada standar Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) yang dikembangkan oleh IEEE 802.16 group dan diadopsi baik oleh IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) maupun oleh ETSI HiperMAN (European Telecommunications Standard Institute-High Performance Metropolitan Area Network). 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 BWA (Broadband Wireless Access). Fokus awal grup ini adalah pengembangan sistem point-to-multipoint LOS (Line of Sight) pita lebar nirkabel yang beroperasi pada frekuensi 10 – 66 GHz [1][2].

WiMAX merupakan evolusi dari teknologi BWA sebelumnya dengan fitur-fitur yang lebih canggih. Teknologi WiMAX secara umum dapat digunakan untuk mendukung akses pita lebar nirkabel bagi pelanggan bersifat tetap (fixed) maupun pelanggan bersifat nomaden (nomadic) dan memiliki pergerakan tinggi (mobile). WiMAX memungkinkan akses broadband wireless last mile sebagai alternatif pengganti pita lebar kabel dan DSL (Digital Subscriber Line). Gambar 2.1 menunjukkan implementasi teknologi WiMAX secara umum [1].

(19)

Gambar 2.1 Implementasi Teknologi WiMAX

Teknologi WiMAX juga menyediakan berbagai keuntungan bila dibandingkan dengan teknologi DSL, yakni kemampuan untuk menjangkau daerah pelanggan hingga radius 30 mil, bekerja pada kondisi NLOS (Non-Line of Sight) dengan kecepatan laju data hingga mencapai 75Mbps (tergantung spesifikasi yang digunakan). Kemampuan ini membuat WiMAX menjadi teknologi yang sangat berkembang di seluruh dunia [1].

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.

2.2.1 802.16

Diperkenalkan pada Desember 2001, berdasarkan lapis fisik (PHYsical) single-carrier dengan lapis MAC (Medium Access Control) menggunakan burst time division multiplexing (TDM). Konsep pada lapis MAC banyak diadopsi dari standar teknologi yang digunakan pada modem DOCSIS (Data Over Cable Service Interface

(20)

Specification). Teknologi ini digunakan pada kondisi LOS untuk pelanggan yang sifatnya tetap (fixed) dan bekerja pada frekuensi 10-66 GHz [1].

2.2.2 802.16a

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 [1].

2.2.3 802.16-2004

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 [1][2].

2.2.4 802.16e-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 bergerak (mobile) maupun nomaden (nomadic), sehingga sering disebut sebagai mobile WiMAX. Adapun perbandingan standar IEEE 802.16 dapat dilihat pada Tabel 2.1 [1].

(21)

Tabel 2.1 Perbandingan Standar IEEE 802.16

802.16 802.16-2004 802.16e-2005

Status Desember 2001 Juni 2004 Desember 2005

Frekuensi Kerja 10GHz-66GHz 2GHz-11GHz 2GHz-11GHz untuk fixed, 2GHz-6GHz untuk mobile Aplikasi Fixed LOS Fixed NLOS Fixed dan mobile NLOS Arsitektur MAC Point-to-multipoint, mesh Point-to-multipoint, mesh Point-to-multipoint, mesh

Skema transmisi Single carrier Single carrier, 256 OFDM atau 2048 OFDM

Single carrier, 256 OFDM atau scalable OFDM dengan 128, 512, 1024 atau 2048 subcarrier

Modulasi BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

Laju data kotor 32Mbps-134.4Mbps 1Mbps-75Mbps 1Mbps-75Mbps

Multiplexing Burst TDM/TDMA Burst

TDM/TDMA/OFDMA

Burst

TDM/TDMA/OFDMA Duplexing TDD dan FDD TDD dan FDD TDD dan FDD Lebar pita kanal 20MHz, 25MHz, 28MHz

1.75MHz,3.5MHz,7MHz, 14MHz,1.25MHz,5MHz, 10MHz,15MHz,8.75MHz

1.75MHz, 3.5MHz, 7MHz, 14MHz, 1.25MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 8.75MHz Implementasi

WiMAX

Tidak ada 256 – OFDM sebagai Fixed WiMAX

Scalable OFDM sebagai Mobile WiMAX

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]:

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 mencapai 75Mbps ketika beroperasi dengan lebar spektrum 20MHz. Dibawah kondisi

(22)

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) yang memanfaatkan diversitas frekuensi dan multiuser untuk 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.

(23)

9. Mendukung QoS (Quality of Service), 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 diantara dua sisi alat komunikasi (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].

Lapis fisik (PHYsical) WiMAX berdasarkan pada teknologi OFDM. OFDM merupakan teknik pilihan yang memungkinkan laju data, video, dan multimedia secara cepat, dan digunakan oleh berbagai macam sistem pita lebar komersil, termasuk DSL dan Wi-Fi (Wireless-Fidelity). OFDM adalah teknologi yang efisien dalam transmisi laju data secara cepat pada kondisi NLOS atau lingkungan radio multipath [1].

2.4.1 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

OFDM termasuk kedalam teknik transmisi modulasi multicarrier, dimana aliran data serial laju bit tinggi dibagi kedalam beberapa aliran data paralel dengan laju bit rendah. Masing-masing aliran data paralel ini dimodulasikan pada carrier yang terpisah-pisah, sering disebut sebagai subcarrier atau tones.

(24)

Teknik modulasi multicarrier mengeliminasi atau meminimalisasi intersymbol interference (ISI) dengan cara membuat durasi simbol cukup besar sehingga delay kanal menjadi tidak signifikan. Oleh karena itu, pada sistem dengan laju data tinggi dimana durasi simbol kecil, membagi aliran data menjadi banyak aliran paralel akan meningkatkan durasi simbol pada masing-masing aliran sehingga delay spread hanya merupakan fraksi kecil dari total durasi simbol.

OFDM adalah teknik modulasi multicarrier yang menggunakan spektrum secara efisien, dimana subcarrier diatur sehingga orthogonal satu dengan yang lain selama durasi simbol, dengan demikian menghindarkan kebutuhan akan subcarrier kanal non overlapping untuk mengeliminasi interferensi antar simbol.

Untuk mengeliminasi ISI secara sempurna, guard interval disisipkan diantara simbol-simbol OFDM. Dengan membuat guard interval lebih besar dari lebar waktu tunda multipath yang diperkirakan maka ISI dapat secara penuh dihilangkan. Penambahan guard interval akan tetapi meningkatkan pemborosan daya dan penurunan efisiensi lebar pita [1].

2.4.2 Subkanalisasi

Subkanalisasi adalah teknik pembagian subcarrier yang tersedia kedalam beberapa kelompok subcarrier yang dinamakan subkanal.

Fixed WiMAX yang menggunakan OFDM-PHY hanya membolehkan subkanalisasi untuk bagian uplink. Standarnya menggunakan 16 subkanal, dimana 1, 2, 4, 8 , atau 16 subkanal dapat diberikan untuk sebuah subscriber station (SS) pada uplink. Subkanalisasi pada bagian uplink mengizinkan pelanggan untuk mentransmisikan sejumlah kecil bagian (paling kecil 1/16) dari bandwidth yang

(25)

dialokasikan oleh base station. Teknik ini akan memberikan peningkatan link budget yang dapat digunakan untuk menaikkan performansi jarak dan/atau memperlama umur baterai [1].

Mobile WiMAX yang menggunakan OFDMA-PHY akan tetapi membolehkan subkanalisasi pada bagian uplink dan downlink sekaligus. Disini subkanal membentuk frekuensi minimum yang dialokasikan oleh base station. Oleh karena itu, subkanal yang berbeda dapat dialokasikan untuk user yang berbeda seperti pada mekanisme akses jamak. Skema akses jamak ini dinamakan orthogonal frequency division multiple access (OFDMA), yang merupakan nama lapis PHY pada mobile WiMAX. Akses jamak OFDMA bukanlah satu-satunya spesifikasi dari OFDMA-PHY. Penggunaan teknik skalabilitas pada OFDMA menghasilkan Scalable OFDMA. Skalabilitas mengubah jumlah subcarrier pada transmisinya [1][2]. Gambar 2.2 menunjukkan perbandingan teknik akses jamak OFDMA dengan SOFDMA.

(26)

2.4.3 Struktur Slot & Frame

Lapis fisik WiMAX juga bertanggung jawab untuk pengalokasian slot dan frame. Waktu dan frekuensi minimum yang dapat dialokasikan oleh sistem WiMAX pada sebuah link transmisi disebut dengan slot. Masing-masing slot terdiri dari satu subkanal melalui satu, dua, atau tiga simbol OFDM, tergantung skema subkanalisasi yang digunakan. Urutan yang berdampingan dari slot yang diberikan kepada user dinamakan daerah data user; alogoritma penjadwalan mengalokasikan daerah data untuk pengguna yang berbeda, berdasarkan pada kebutuhan, syarat QoS, dan kondisi kanal [1].

Gambar 2.3 menunjukkan suatu frame OFDMA dan OFDM ketika beroperasi pada mode TDD (Time Division Duplexing). Frame tersebut dibagi kedalam dua subframe; satu subframe downlink diikuti dengan satu subframe uplink yang dibatasi oleh guard interval [1]. Proses framing TDD bersifat adaptif, dimana bandwidth yang dialokasikan untuk downlink dengan uplink dapat berubah. Pada mode TDD, transmisi uplink dan downlink menggunakan frekuensi yang sama (sharing) tetapi terjadi dalam waktu yang berbeda [2]. Rasio downlink terhadap uplink subframe dapat bervariasi, mulai dari rasio 3:1 hingga 1:1 untuk mendukung profil trafik yang berbeda. WiMAX juga mendukung frequency division duplexing (FDD), dimana struktur frame adalah sama kecuali pada downlink dan uplink yang ditransmisikan secara simultan melalui carrier yang berbeda [1]. Durasi frame tetap (fixed) digunakan untuk kedua jalur transmisi uplink dan downlink. Pada mode FDD, kanal uplink dan downlink dialokasikan pada frekuensi yang berbeda [2]. Beberapa dari sistem fixed WiMAX sekarang menggunakan mode FDD. Kebanyakan penerapan WiMAX akan tetapi menggunakan mode TDD karena keuntungannya. TDD membolehkan penggunaan

(27)

bandwidth sharing yang lebih fleksibel antara uplink dan downlink, tidak membutuhkan spektrum berpasangan, mempunyai kanal timbal-balik yang dapat dimanfaatkan untuk spatial processing, dan mempunyai desain transceiver yang lebih sederhana. Kekurangan TDD adalah kebutuhan sinkronisasi diantara base station untuk menjamin hubungan bebas interferensi [1].

Gambar 2.3 Struktur Slot & Frame WiMAX

Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3, subframe downlink dimulai dengan sebuah downlink premble yang digunakan sebagai prosedur lapis fisik, seperti sinkronisasi waktu dan frekuensi, serta awal estimasi kanal. Downlink preamble diikuti oleh frame control header (FCH), yang memberikan informasi konfigurasi frame, seperti panjang MAP message, skema modulasi dan pengkodean, juga subcarrier yang dapat digunakan. Beberapa pengguna dialokasikan kedalam daerah data pada frame, dan alokasi ini ditunjukkan pada uplink dan downlink MAP message (DL-MAP, dan UL-MAP) yang mengikuti FCH. Pesan MAP termasuk profil burst untuk masing-masing user, yang mendefenisikan skema modulasi dan pengkodean yang digunakan pada link

(28)

tersebut. Burst didefenisikan sebagai daerah data yang merupakan alokasi sejumlah kelompok slot dalam bidang dua dimensi. Karena MAP berisikan informasi kritis yang perlu mencapai semua pengguna, pesan ini sering dikirimkan melalui link yang sangat handal, seperti BPSK dengan laju pengkodean ½ dan pengkodean berulang. Pengiriman pesan MAP dapat juga dikirim secara terkompresi untuk efisiensi tambahan [1].

WiMAX sangat fleksibel dalam hal bagaimana beberapa pengguna dan paket dimultipleksikan dalam satu frame tunggal. Satu frame downlink tunggal dapat terdiri dari beberapa burst berbeda ukuran dan jenis yang membawa data untuk beberapa pengguna. Ukuran frame juga bervariasi mulai dari 2 ms hingga 5ms, dan setiap burst dapat mengandung serangkaian paket dengan ukuran tetap, variabel, atau fragmen yang diterima dari lapis diatasnya [1].

Subframe uplink terbuat dari beberapa burst uplink dari user yang berbeda. Sebagian subframe uplink disisihkan untuk akses yang bersifat contention yang akan digunakan untuk berbagai macam keperluan. Subframe ini biasa digunakan sebagai kanal ranging yaitu kanal untuk sinkronisasi simbol dan ekualisasi level daya diantara user yang aktif akibat dari setiap user mempunyai jarak yang unik dari base station. Kanal ranging dapat juga digunakan oleh subscriber station (SS) atau mobile station (MS) untuk melakukan permintaan bandwidth uplink. Sebagai tambahan, data yang bersifat best-effort dapat dikirimkan pada kanal yang bersifat contention ini, khususnya ketika jumlah data yang dikirimkan terlalu kecil untuk membenarkan permintaan kanal terdedikasi. Disamping kanal ranging dan trafik burst, subframe uplink mempunyai channel-quality indicator channel (CQICH) untuk SS yang gunanya untuk memberikan umpan balik (feedback) informasi kualitas kanal yang dapat digunakan oleh base station. Subframe uplink juga mempunyai kanal acknowledgement (ACK) untuk SS

(29)

yang berguna untuk memberikan umpan balik mengenai status penerimaan downlink [1].

Untuk menangani variasi waktu, WiMAX secara opsional mendukung perulangan preamble secara lebih sering. Pada uplink, preamble pendek, dinamakan midamble, dapat digunakan setelah 8, 16, atau 32 simbol. Sedangkan pada downlink, preamble pendek dapat disisipkan pada permulaan setiap burst. Diperkirakan bahwa dengan meggunakan midamble setiap 10 simbol akan memberikan mobilitas hingga 150 km/jam [1].

2.4.4 Modulasi dan Pengkodean Adaptif

WiMAX mendukung berbagai macam skema modulasi dan pengkodean dan membolehkan skema tersebut berubah tergantung pada kondisi kanal. Dengan menggunakan indikator umpan balik kualitas kanal, user dapat menyajikan base station dengan kualitas kanal downlink. Untuk uplink, base station dapat mengestimasi kualitas kanal berdasarkan pada kualitas sinyal yang diterima. Base station dapat memantau kualitas kanal dari setiap uplink dan downlink user dan menugaskan skema modulasi dan pengkodean yang memaksimalkan throughput untuk signal-to-noise ratio yang didapatkan pada saat itu. Modulasi dan pengkodean adaptif secara signifikan memperbesar kapasitas sistem secara keseluruhan karena mengizinkan pertukaran antara throughput dan robustness (kehandalan) pada setiap link [1][2].

2.5 Lapis MAC

Tugas utama lapis MAC (Medium Access Control) adalah memberikan antar muka antara lapis transport yang lebih tinggi dengan lapis fisik. Lapis MAC mengambil

(30)

paket dari lapis di atasnya, paket ini dinamakan MAC service data 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 [1].

Beberapa fungsi penting dari lapis MAC adalah [1]:

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 sekuritas (keamanan).

5. Mengatur operasi penghematan daya.

Gambar 2.4 Struktur lapis MAC WiMAX

Lapis MAC pada WiMAX, seperti terlihat pada Gambar 2.4 dibagi kedalam tiga komponen yang berbeda, yakni [2]:

1. Service Specific Convergence Sublayer (CS) CS melakukan fungsi sebagai berikut [2]:

(31)

• Menerima PDU dari protokol lapis yang lebih tinggi, seperti ATM, voice TDM, ethernet, IP, dan protokol masa depan yang belum diketahui.

• Mengelompokkan dan memetakan MSDU ke CID (Connection Identifier) yang sesuai.

• Memproses PDU lapis lebih tinggi berdasarkan klasifikasinya bila diperlukan.

• Payload Header Supression (PHS), yaitu proses penimpaan bagian yang berulang dari header payload pada sisi pengirim dan mengembalikannya pada sisi penerima.

• Mengantarkan CS PDU ke MAC SAP (Service Access Point) yang sesuai dan menerima CS PDU dari lapis yang setingkat.

2. Medium Access Control Common Part Sublayer (CPS)

CPS berada pada bagian tengah lapis MAC. CPS merupakan inti dari protokol MAC dan bertanggung jawab untuk [2]:

• Alokasi bandwidth.

• Pembangunan koneksi.

• Memelihara koneksi diantara pengirim dan penerima. 3. Security Sublayer

Sublayer ini berfungsi untuk memberikan autentikasi, mengamankan pertukaran key, serta mengatur enkripsi dan integritas data [2].

2.5.1 Struktur Frame MAC

MAC WiMAX didesain dari bagian bawah ke atas untuk mendukung laju bit puncak (peak bit rate) yang sangat tinggi dan sekaligus memberikan quality of service yang mirip dengan ATM dan DOCSIS. MAC WiMAX menggunakan MPDU dengan

(32)

ukuran panjang variabel dan menawarkan banyak fleksibilitas yang menghasilkan transmisi secara efisien. Contoh, beberapa MPDU dengan ukuran yang sama atau berbeda dapat dikumpulkan pada burst tunggal untuk menghemat overhead PHY. Mirip dengan itu, beberapa MPDU dari lapis yang sama dapat dirangkai pada MPDU tunggal untuk menghemat overhead MAC header. Secara berlawanan, MSDU dengan ukuran yang panjang dapat dipecah-pecah menjadi MPDU yang lebih pendek dan dikirim melalui beberapa frame [1].

Gambar 2.5 Frame MAC PDU

Gambar 2.5 menunjukkan beberapa contoh dari frame MAC PDU (packet data unit). Setiap frame MAC diawali dengan generic MAC header (GMH) yang berisi sebuah connection identifier (CID), lebar dari frame dan bit untuk mengkualifikasikan kehadiran dari CRC (cyclic redudancy check), subheader, status enkripsi payload, dan key yang digunakan. Payload MAC dapat berupa pesan transport atau pesan manajemen. Selain MSDU, payload transport dapat berisi permintaan bandwidth maupun permintan retransmisi. Tipe dari payload transport diidentifikasi dari subheader

(33)

yang mendahuluinya. MAC WiMAX juga mendukung ARQ yang dapat digunakan untuk meminta retransmisi dari MSDU yang belum terfragmen maupun fragmen dari MSDU. Panjang frame maksimum adalah 2047 byte yang direpresentasikan dengan 11 bit pada GMH [1].

2.5.2 Mekanisme Akses-Kanal

Lapis MAC pada base station bertanggung jawab secara penuh untuk melaksanakan tugas alokasi bandwidth kepada semua user, baik untuk uplink maupun downlink. Satu-satunya waktu MS memiliki kontrol terhadap alokasi bandwidth adalah ketika MS memiliki beberapa sesi ataupun koneksi dengan BS. Dalam kasus ini, BS mengalokasikan bandwidth kepada MS secara keseluruhan dan diserahkan sepenuhnya kepada MS untuk membaginya ke dalam beberapa koneksi. Semua penjadwalan pada uplink dan downlink diatur oleh BS. Untuk downlink, BS dapat mengalokasikan bandwidth kepada MS berdasarkan kebutuhan dari trafik yang masuk, tanpa melibatkan MS. Untuk uplink, alokasi harus berdasar pada permintaan dari MS [1].

Standar WiMAX mendukung beberapa mekanisme dimana sebuah MS dapat meminta dan mendapatkan bandwidth uplink bergantung pada kualitas pelayanan (QoS) tertentu dan parameter yang berkenaan dengan pelayanan. Satu ataupun beberapa dari mekanisme ini dapat digunakan oleh MS. BS mengalokasikan resource yang ada secara dedicated ataupun shared secara periodik kepada setiap MS, yang nantinya dapat digunakan oleh MS untuk meminta bandwidth. Proses ini disebut dengan polling. Polling dapat dilakukan baik secara individu (unicast) maupun secara berkelompok (multicast). Polling secara multicast dilakukan ketika bandwidth yang diperlukan tidak mencukupi untuk melakukan poll setiap MS secara individual. Ketika polling dilakukan

(34)

secara multicast, slot yang dialokasikan untuk melakukan permintaan bandwidth adalah sebuah slot bersama (shared), dimana setiap MS yang dipoll akan berusaha menggunakan slot tersebut [1].

WiMAX memberikan suatu resolusi jika terdapat lebih dari satu MS berusaha menggunakan slot bersama tersebut. Jika sebuah alokasi sudah tersedia untuk mengirimkan trafik, maka MS tidak akan dipoll melainkan MS diperbolehkan untuk meminta bandwidth yang lebih banyak dengan cara :

1. Mentransmisikan MPDU yang berisikan permintaan bandwidth secara tersendiri. 2. Mengirimkan permintaan bandwidth melalui kanal ranging.

3. Menumpangkan permintaan bandwidth pada sebuah paket MAC generik [1].

2.5.3 Kualitas Pelayanan (QoS)

Dukungan terhadap QoS merupakan bagian penting dalam perancangan lapis MAC pada WiMAX. WiMAX mengadopsi ide dasar dari standar modem kabel DOCSIS. Pengendalian QoS yang baik dapat dicapai dengan menggunakan arsitektur MAC connection-oriented, dimana semua koneksi downlink dan uplink diatur sepenuhnya oleh BS. Sebelum transmisi data terjadi, BS dan MS membangun sebuah hubungan link logic satu arah, disebut dengan “koneksi”, diantara dua lapis MAC tersebut. Masing-masing koneksi diidentifikasi melalui connection identifier (CID) yang berfungsi sebagai alamat sementara untuk transmisi data melalui link tertentu [1].

WiMAX juga mengenalkan konsep service flow. Service flow adalah aliran paket satu arah dengan sejumlah parameter QoS dan diidentifikasikan dengan service flow identifier (SFID). Parameter QoS dapat berupa prioritas trafik, laju trafik maksimum secara terus-menerus (maximum sustained traffic rate), toleransi laju minimum, tipe

(35)

penjadwalan (scheduling type), tipe ARQ, delay maksimum, tipe dan ukuran service data unit, mekanisme permintaan bandwidth, aturan formasi PDU, toleransi jitter, dan sebagainya. Jitter adalah variasi delay yang terjadi akibat adanya selisih waktu atau interval antar kedatangan paket di penerima. Base station bertanggung jawab dalam mengeluarkan SFID dan menugaskannya pada CID yang sesuai. Berdasarkan sifat pelayanannya, maka QoS pada WiMAX dapat dikelompokkan menjadi lima jenis, yaitu [1][4]:

2.5.3.1 Unsolicited Grant Service (UGS)

Didesain untuk mendukung penggunaan pada ukuran paket data tetap (fixed-size) pada laju bit konstan (CBR). Contohnya pada aplikasi T1/E1 dan VoIP tanpa silence supression. QoS ini efektif untuk layanan yang sensitif terhadap throughput, latensi, dan jitter seperti layanan pada TDM (Time Division Multiplexing) [1][2].

2.5.3.2 Real-Time Polling Service (rtPS)

Didesain untuk mendukung layanan real-time dengan laju bit variabel, seperti aplikasi video MPEG dan video conference, yang menggunakan ukuran paket data variabel secara periodik. QoS ini efektif untuk layanan yang sensitif terhadap throughput dan latensi namun dengan toleransi yang lebih longgar bila dibandingkan dengan UGS [1][2].

2.5.3.3 Non-Real-Time Polling Service (nrtPS)

Didesain untuk mendukung aliran data yang bersifat toleransi terhadap delay dan membutuhkan aliran data ukuran variabel non-real time dengan laju minimum

(36)

bergaransi. QoS ini efektif untuk aplikasi yang membutuhkan throughput yang intensif seperti pada FTP (File Transfer Protocol) [1][2].

2.5.3.4 Best-Effort (BE) Service

Didesain untuk mendukung aliran data yang tidak memerlukan jaminan pelayanan minimum, seperti web browsing dan email. QoS ini tidak memberikan garansi terhadap laju data dan delay [1][2].

2.5.3.5 Extended Real-Time Variable Rate (ERT-VR) Service

Didesain untuk mendukung aplikasi real-time yang mempunyai laju data variabel dan memerlukan jaminan terhadap laju data dan delay, seperti VoIP dengan silence supression. Layanan ini hanya terdapat pada IEEE 802.16e-2005 dan sering juga disebut sebagai extended real-time polling service (ErtPS) [1][4].

2.5.4 Penghematan Daya

Untuk mendukung alat komunikasi porTabel berbasis baterai, WiMAX

menyediakan fitur handal yang menghasilkan pemakaian baterai yang lebih lama yakni penghematan daya. Penghematan daya dilakukan dengan menonaktifkan beberapa bagian dari MS secara terkontrol ketika bagian tersebut sedang tidak aktif mengirim ataupun menerima data. Hal ini dilakukan dengan metode pensinyalan yang membuat MS berada dalam kondisi tidur (sleep mode) maupun kondisi idle ketika sedang tidak aktif. Kondisi tidur (sleep mode) adalah kondisi dimana MS secara efektif mati dan tidak dapat mengirim/menerima data selama periode tertentu. Lama periode ini diatur

(37)

oleh BS. Sedangkan kondisi idle adalah kondisi dimana MS mati secara keseluruhan dan tidak terdaftar dalam base station manapun namun tetap menerima aliran trafik downlink. Ketika aliran trafik downlink tiba pada MS dalam kondisi idle, MS tersebut akan dipage (diberi nomor) oleh kelompok base station yang membentuk paging group. MS dimasukkan dalam paging group oleh BS pada saat sebelum masuk kedalam mode idle, dan MS secara periodik hidup/aktif untuk memperbaharui paging groupnya. Mode idle memberikan penghematan daya yang lebih baik, dan dukungan terhadap mode ini bersifat opsional. Penghematan daya yang lebih baik disebabkan karena MS tidak perlu lagi melakukan pendaftaran (register) dan handoff. Mode idle juga menguntungkan jaringan dan BS karena menghilangkan trafik handover dari MS yang tidak aktif [1][2].

2.5.5 Fungsi Sekuritas

Tidak seperti Wi-Fi, sistem WiMAX dirancang dengan memperhatikan faktor sekuritas. Standar ini meliputi metode untuk memastikan privasi data user dan mencegah akses yang tidak diotorisasi, dengan dukungan protokol tambahan untuk optimasi mobilitas. Sekuritas dikendalikan dengan sebuah sublapis privasi (privacy sublayer) didalam lapis MAC. Aspek utama dari fungsi sekuritas WiMAX adalah privacy support, device/user authentication, flexible key-management protocol, protection of control messages, dan fast handover [1].

2.5.5.1 Privacy Support

Data pengguna dienkripsi dengan menggunakan skema kriptografi yang menyediakan privasi. Mendukung baik AES (Advanced Encryption Standard) dan 3DES (Triple Data Encryption Standard). Kebanyakan teknologi yang

(38)

diimplementasikan adalah AES, karena standar ini telah mendapat persetujuan dari Federal Information Processing Standar (FIPS) dan faktor lebih mudah diimplementasikan. Kunci 128-bit maupun 256-bit yang digunakan untuk mendapatkan sandi rahasia dibangkitkan selama fase autentikasi dan secara periodik diperbaharui sebagai perlindungan tambahan [1][2].

2.5.5.2 Device/User Authentication

WiMAX menyediakan cara yang fleksibel untuk autentikasi subscriber station dan user untuk mencegah penggunaan ilegal. Sistem dari autentikasi berdasar pada Internet Engineering Task Force (IETF) EAP (Extensible Authentication Protocol), yang mendukung berbagai macam fungsi, seperti username/password, sertifikasi digital, dan smart card. Perangkat terminal WiMAX dilengkapi dengan built-in X.509 digital certificate yang berisi public key dan alamat MAC. Operator WiMAX dapat menggunakan sertifikat tersebut untuk proses autentikasi perangkat dan menggunakan username/password atau smart card untuk autentikasi user [1][2].

2.5.5.3 Flexible Key-Management Protocol

PKMv2 (Privacy and Key Management Protocol version 2) digunakan untuk mentransfer data penting dari base station ke mobile station secara aman, dan secara periodik kembali dilakukan otorisasi dan pembaharuan kunci. PKM adalah sebuah protokol klien-server, dimana MS bertindak sebagai klien, dan BS sebagai server. PKM menggunakan sertifikat digital X.509 dan algoritma public key RSA (Rivest-Shamer-Adleman) untuk secara aman melakukan pertukaran kunci [1].

(39)

2.5.5.4 Protection of Control Messages

Integritas dari pesan kontrol dilindungi dengan menggunakan skema pesan singkat seperti AES-CMAC (cipher-based message authentication codes) atau MD5 (message-digest 5 algorithm) berdasarkan HMAC (hash-based message authentication codes) [1].

2.5.5.5 Fast Handover

Untuk mendukung fast handover, WiMAX membolehkan MS untuk menggunakan pra-autentikasi dengan BS tertentu untuk mempercepat re-entry. Re-entry adalah masuk kembali kedalam daerah BS yang pernah dimasuki sebelumnya. Sebuah skema handshake tiga arah didukung oleh WiMAX untuk mengoptimasi mekanisme re-autentikasi untuk tujuan fast handover sekaligus mencegah infiltrasi ilegal secara bersamaan [1].

2.6 Sistem Advanced Antenna

Standar WiMAX memberikan dukungan yang luas terhadap implementasi advanced multiantenna dengan tujuan menaikkan unjuk kerja sistem. Peningkatan signifikan dalam kapasitas maupun efisiensi spektral sistem secara keseluruhan dapat dicapai dengan menggunakan advanced antenna system (AAS). AAS mendukung berbagai teknik multi antena, seperti diversitas transmisi, beamforming, dan spatial multiplexing [1].

2.6.1 Diversitas Transmisi

(40)

digunakan untuk menerapkan diversitas transmisi pada jalur downlink. Diversitas transmisi menggunakan dua atau lebih antena pengirim dan satu atau lebih antena penerima. Space-time block code (STBC) digunakan untuk antena 2×1 dengan kode Alamouti. Alamouti STBC sangat mudah diimplementasikan dan menawarkan gain diversitas yang sama dengan 1×2 diversitas penerima dengan kombinasi rasio maksimum. Diversitas transmisi memberikan keuntungan penting yakni menggeser kompleksitas perangkat pada sisi pemancar/base station yang membuat perangkat pada sisi penerima tetap sederhana sehingga menjaga harga perangkat penerima tetap rendah. WiMAX juga mendefenisikan STBC untuk penggunaan dengan tiga atau empat antena [1].

2.6.2 Beamforming

Beberapa antena pada WiMAX dapat digunakan untuk mentransmisikan sinyal yang sama, yang dibagi rata pada masing-masing elemen antena sehingga menghasilkan efek pemfokusan pancaran transmisi tepat pada arah antena penerima serta jauh dari interferensi. Hal ini akan meningkatkan SINR (signal-to-interference plus noise ratio) yang diterima. Beamforming menghasilkan peningkatan signifikan terhadap jarak cakupan (coverage), kapasitas, dan realibilitas. WiMAX mendukung beamforming pada kedua jalur uplink maupun downlink [1].

2.6.3 Spatial Multiplexing

WiMAX juga mendukung spatial multiplexing, dimana beberapa aliran data independen ditransmisikan melalui beberapa antena. Jika penerima juga mempunyai beberapa antena, aliran data yang diterima juga dapat dipisah-pisah dengan

(41)

menggunakan space-time processing. Teknik ini tidak untuk meningkatkan diversitas melainkan digunakan untuk meningkatkan laju data atau kapasitas sistem. Diasumsikan secara kasar pada lingkungan dengan banyak multipath, kapasitas sistem dapat dinaikkan secara linear dengan banyaknya jumlah antena yang digunakan ketika melakukan spatial multiplexing. Suatu sistem 2×2 MIMO akan menggandakan kapabilitas throughput puncak WiMAX. Pada mobile station yang hanya mempunyai satu antena, WiMAX masih tetap mendukung teknik ini dengan cara penggunaan coding pada beberapa user di jalur uplink. Teknik ini disebut multiuser collaborative spatial multiplexing. Tidak seperti diversitas transmisi dan beamforming, spatial multiplexing hanya bekerja pada kondisi SINR yang baik [1].

2.7 Hybird-ARQ

Hybird-ARQ adalah sebuah sistem ARQ yang diimplementasikan pada lapis fisik bersama-sama dengan FEC, menyediakan performansi link yang lebih baik dari ARQ 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 mendekodekan blok yang diterima. Ketika blok retransmisi diterima, maka akan dikombinasikan dengan kode blok yang sebelumnya terdeteksi dan diinput ke decoder FEC. Mengkombinasikan dua versi yang diterima dari kode blok meningkatkan peluang dekode secara benar. Tipe H-ARQ ini sering disebut dengan chase combining tipe I [1].

Standar WiMAX mendukung metode ini dengan mengkombinasikan sebuah N-kanal stop and wait ARQ bersamaan dengan sekumpulan protokol yang mendukung

(42)

kode FEC. Menggunakan beberapa kanal paralel dari H-ARQ pada saat bersamaan dapat meningkatkan throughput, karena ketika sebuah proses H-ARQ menunggu acknowledgement, proses yang lain bisa menggunakan kanal untuk mengirimkan data. WiMAX mendukung mekanisme signalling untuk memungkinkan operasi asinkron dari H-ARQ dan mendukung sebuah kanal acknowledgement khusus pada uplink untuk pensinyalan ACK/NACK [1].

Untuk lebih meningkatkan realibilitas dari retransmisi, WiMAX juga secara opsional mendukung tipe II dari H-ARQ, yang biasa disebut dengan incremental redundancy. Disini, tidak seperti tipe I dari H-ARQ, setiap retransmisi dikodekan secara berbeda untuk memperoleh peningkatan performansi. Secara umum, code rate secara efektif menurun setiap retransmisi. Oleh karena itu, bit parity tambahan dikirim untuk setiap pengulangan, ekivalen dengan coding antar retransmisi [1].

2.8 WiMAX Forum

Untuk mempercepat penerapan dan sosialisasi standar IEEE 802.16 di masyarakat dan kalangan industri, pada bulan Juni 2001, dibentuklah sebuah forum yang diberi nama WiMAX Forum. Tujuan pembentukan WiMAX Forum ini adalah untuk mempromosikan dan melakukan sertifikasi terhadap kompatibilitas dan interoperabilitas perangkat berbasis standar 802.16 dan standar turunannya.

Di samping itu, forum ini bertujuan mengembangkan perangkat-perangkat tersebut agar bisa memenuhi kebutuhan pasar. Forum ini beranggotakan berbagai produsen semikonduktor, vendor, network operator, akademisi, organisasi dan perusahaan telekomunikasi lainnya seperti Airspan, Alvarion, Analog Devices, Aperto

(43)

Networks, Ensemble Communications, Fujitsu, Intel, Nokia, OFDM Forum, Proxim, Wi-LAN, dan lain sebagainya [2].

2.9 Topologi Jaringan WiMAX

Topologi jaringan WiMAX dapat dibagi dalam dua kategori besar, yaitu point to point (P2P) dan point to multipoint (PMP), serta dapat dikembangkan menjadi jaringan berbentuk mesh.

2.9.1 Topologi Point to Point (P2P)

Topologi point to point merujuk hanya kepada sebuah hubungan khusus diantara sesama BS (base station) ataupun antara BS dengan pelanggan. Topologi jenis ini sangat tidak efisien dalam pemanfaatan sumber daya. Topologi ini biasanya dikhususkan untuk pelanggan dengan kebutuhan lebar pita yang sangat tinggi dan juga untuk backhaul antar BS, yakni jaringan utama yang mentransmisikan bandwidth yang sangat tinggi bahkan hingga keseluruhan bandwidth sistem. Untuk mengakomodasi hal tersebut, lebar pita dikonsentrasikan dalam satu hubungan untuk memberikan throughput yang lebih tinggi [1][2]. Topologi P2P dapat dilihat pada Gambar 2.6.

(44)

2.9.2 Topologi Point to Multipoint (PMP)

Topologi PMP digunakan untuk melayani akses langsung ke banyak pelanggan. Pelanggan terkoneksi secara terpisah terhadap BS. Dalam topologi ini BS digunakan untuk mengendalikan sejumlah pelanggan. Kemampuan dari jumlah pelanggan tergantung dari tipe QoS yang ditawarkan operator. Bila tiap SS mendapatkan bandwidth cukup besar maka kapasitas jumlah user juga akan semakin berkurang, dan sebaliknya. Topologi PMP adalah topologi tersentralisasi dimana BS merupakan sentral dari sistem [1][2]. Gambar 2.7 menunjukkan implementasi topologi PMP.

Gambar 2.7 Topologi Point to Multipoint

2.9.3 Topologi Mesh

Pada topologi ini, trafik data ditransmisikan dari BS ke pelanggan/SS, tetapi trafik data tidak berhenti sampai disini, melainkan SS tersebut dapat merutekan kembali trafik data tersebut kepada SS yang lain. Mode mesh dapat juga dilakukan diantara sesama SS tanpa melibatkan BS. Pada topologi ini BS tidak lagi menjadi sentral dari sistem. Setiap station dapat membentuk komunikasi tersendiri dengan station lain dalam jaringan dan tidak dibatasi untuk berkomunikasi hanya dengan BS. Sehingga keuntungan utama dari topologi ini adalah jangkauan BS dapat lebih luas, tergantung

(45)

pada jumlah hop hingga SS dengan jarak paling jauh. Elemen dari jaringan mesh dinamakan node [2]. Gambar 2.8 mengilustrasikan topologi jaringan mesh.

(46)

BAB III

MODULASI DAN PENGKODEAN ADAPTIF

3.1 Pendahuluan

Pada sistem komunikasi nirkabel, fluktuasi acak akibat kondisi link propagasi yang berubah-ubah mencegah penggunaan modulasi tunggal dengan bandwidth besar dan efisien secara kontinu, oleh karena itu modulasi dan pengkodean adaptif (Adaptive Modulation and Coding/ AMC) telah menjadi standar utama pada perkembangan komunikasi nirkabel belakangan ini, termasuk WiMAX. Prinsip dasar penggunaan AMC adalah untuk secara dinamis mengadaptasi skema modulasi dan pengkodean sesuai kondisi kanal sehingga diperoleh efisiensi spektral setiap saat. AMC mengubah metode modulasi dan/ atau skema pengkodean berdasarkan informasi status kanal dan memilih skema terbaik sehingga ditransmisikan bit-rate maksimal pada kanal. Pada OFDMA, modulasi dan/atau pengkodean dapat dialokasikan secara berbeda untuk masing-masing sub-carrier, dan juga dapat berubah setiap saat. Sesuai dengan standar IEEE 802.16e, skema modulasi yang digunakan dimulai dari modulasi efisiensi rendah (BPSK dengan coding rate ½) hingga modulasi efisiensi tinggi (64-QAM dengan coding rate ¾) tergantung nilai SNR.

Tabel 3.1 menunjukkan variasi skema modulasi dan pengkodean yang didukung oleh WiMAX. Pada bagian downlink, BPSK, QPSK, 16 QAM, dan 64 QAM adalah teknik wajib untuk fixed dan mobile WiMAX; 64 QAM bersifat opsional pada uplink. FEC coding dengan menggunakan convolutional code adalah wajib. Reed-Salomon code hanya untuk OFDM-PHY. Standar WiMAX secara opsional mendukung turbo

(47)

code dan low-density parity check (LDPC) code dengan laju pengkodean yang bervariasi [1].

Tabel 3.1 Skema Modulasi dan Pengkodean pada WiMAX

Downlink Uplink

Modulasi

BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM;

BPSK opsional untuk OFDMA-PHY

BPSK, QPSK, 16 QAM; 64

QAM opsional

Pengkodean

Convolutional code dengan rate ½,

2 /3, ¾, 5/6

Opsional: convolutional turbo code

dengan rate ½, 2/3, ¾, 5/6; LDPC,

RS-Code untuk OFDM-PHY

Convolutional code dengan rate

½, 2/3, ¾, 5/6

Opsional: convolutional turbo

code dengan rate ½, 2/3, ¾, 5/6,

LDPC

3.2 Sistem Transmisi Adaptif

Sistem WiMAX menggunakan teknik modulasi dan pengkodean adaptif untuk mendapatkan keuntungan dari fluktuasi kanal. Prinsip dasarnya sangatlah sederhana : mentransmisikan data dengan laju data tinggi ketika kondisi kanal baik, dan mentransmisikan data dengan laju lebih rendah ketika kondisi kanal buruk, untuk menghindari kerusakan data yang berlebihan. Laju data rendah didapatkan dengan menggunakan konstelasi kecil, seperti QPSK dengan laju kode rendah. Laju data tinggi didapatkan dengan menggunakan konstelasi besar, seperti 64-QAM dengan laju kode tinggi. Ada terdapat 52 konfigurasi dari teknik modulasi dan tipe serta laju pengkodean yang memungkinkan, meskipun kebanyakan dari implementasi WiMAX hanya memakai sebagian kecil dari konfigurasi ini. Konfigurasi ini disebut juga sebagai burst profile. Blok diagram dari sistem Adaptive Modulation and Coding (AMC) ditunjukkan pada Gambar 3.1 [1].

(48)

Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Modulasi dan Pengkodean Adaptif

Tinjau sebuah sistem single-user yang berusaha mentransmisikan data secepat mungkin melalui kanal dengan SNR yang berubah-ubah. Tujuan dari pemancar (transmitter) adalah untuk mentransmisikan data secepat mungkin, dengan sasaran agar data yang di-demodulasi dan di-dekodekan tetap handal pada sisi penerima (receiver). Oleh karena itu kanal feedback memegang peranan yang sangat penting untuk AMC. Pemancar harus mengetahui “SNR kanal” γ, yang didefenisikan sebagai SNR yang diterima γr dibagi dengan daya pancar Pt. Dengan demikian SNR yang diterima γr = Pt. γ [1].

Pada prakteknya, feedback (umpan balik) akan menghasilkan sedikit waktu tunda (delay) dan mungkin degradasi sistem akibat estimasi kanal yang tidak tepat ataupun akibat terjadi error pada kanal feedback. Sistem WiMAX memproteksi dengan kuat kanal feedback dengan koreksi error, jadi sumber utama degradasi sistem biasanya adalah mobilitas user, yang menyebabkan estimasi kanal dengan cepat menjadi tidak terpakai. Secara kasar, user dengan kecepatan lebih dari 30 km/jam pada frekuensi pembawa 2100 MHz tidak akan mampu menyediakan informasi status kanal secara akurat dan tepat waktu pada sisi pemancar. Untuk menangani masalah ini, WiMAX secara opsional mendukung perulangan preamble secara lebih sering. Preamble ialah header subframe yang berisi prosedur lapis fisik, seperti sinkronisasi waktu dan

(49)

frekuensi, serta informasi awal estimasi kanal. Pada uplink, preamble pendek, dinamakan midamble, dapat digunakan setelah 8, 16, atau 32 simbol. Sedangkan pada downlink, preamble pendek dapat disisipkan pada permulaan setiap burst. Diperkirakan bahwa dengan meggunakan midamble setiap 10 simbol akan memberikan mobilitas hingga 150 km/jam [1].

Kunci utama pada AMC adalah secara efisien mengatur tiga faktor penting secara bersamaan, yaitu [1]:

1. Daya pancar (transmit power) 2. Transmit rate (konstelasi) 3. Laju pengkodean (coding rate)

3.2.1 Pengkodean Kanal

Link radio merupakan suatu link yang sangat cepat berubah, sering mengalami gangguan dari interferensi. Pengkodean kanal (channel coding) yang tugas utamanya ialah mencegah dan mengkoreksi error transmisi dari sistem nirkabel, harus memiliki kinerja yang baik agar mencapai laju data tinggi. Sistem pengkodean kanal pada WiMAX terdiri dari 4 tahapan, yakni [2]:

1. Pengacakan

2. Forward Error Correction (FEC) 3. Interleaving

4. Repetisi

Gambar 3.2 menunjukkan blok diagram dari sistem pengkodean kanal pada WiMAX.

(50)

Gambar 3.2 Blok Diagram Sistem Pengkodean Kanal WiMAX

3.2.1.1 Pengacakan

Pengacakan (randomisation) digunakan untuk meningkatkan keamanan data melalui teknik ketidakpastian informasi-teoritis, menghindari urutan panjang dari bit 1 ataupun bit 0. Pengacakan data dilakukan pada masing-masing data downlink dan uplink dengan menggunakan output dari urutan shift-register yang diinisialisasi pada permulaan setiap blok FEC. Urutan shift-register ini kemudian dijumlahkan dengan urutan bit informasi untuk menghasilkan suatu data acak. Kegunaan penting dari pengacakan adalah untuk memberikan enkripsi data dan mencegah pengguna ilegal mendekodekan data tersebut [1][2].

3.2.1.2 Forward Error Correction (FEC)

Forward Error Correction berfungsi untuk melakukan deteksi error dan mengkoreksi kesalahan bila error terjadi. Blok FEC terdiri dari sejumlah subkanal yang jumlahnya tergantung dari skema pengkodean kanal dan konstelasi modulasi. Jika jumlah subkanal yang dibutuhkan untuk blok FEC lebih besar dari batas maksimum, maka blok tersebut akan disegmentasi menjadi beberapa sub-blok FEC [1].

Bit-bit untuk keperluan deteksi error dan fungsi lainnya akan ditambahkan ke bit informasi asli sehingga jumlah total bit yang ditransmisikan secara keseluruhan menjadi

(51)

lebih besar. Laju pengkodean (coding rate) merupakan rasio dari jumlah bit informasi terhadap total bit yang ditransmisikan secara keseluruhan [7].

Teknik FEC coding yang dipakai pada WiMAX antara lain Concatenated Reed-Solomon Convolutional Code (RS-CC) dan Convolutional Code (CC). Beberapa teknik FEC lain seperti Convolutional Turbo Codes (CTC), Block Turbo Coding (BTC), dan Low-Density Parity Check codes (LDPC) juga didukung tetapi hanya bersifat opsional [2].

3.2.1.3 Interleaving

Interleaving digunakan untuk memproteksi transmisi dari urutan panjang error secara beruntun, dimana akan sangat sulit dikoreksi. Urutan panjang dari error ini dapat menyebabkan banyak rugi-rugi transmisi data. Interleaving dengan menerapkan teknik diversitas akan dapat melakukan koreksi terhadap error ini [2].

3.2.1.4 Repetisi

Repetisi ditambahkan sebagai amandemen IEEE 802.16e untuk OFDMA-PHY. Standar ini meningkatkan margin sinyal lebih jauh lagi. Dalam kasus repetisi coding, R = 2, 4, atau 6, jumlah slot yang dialokasikan (N) akan menjadi perkalian dengan faktor repetisi R pada uplink. Pada downlink, jumlah slot yang dialokasikan akan berada pada kisaran R × K, R × K + (R-1), dimana K adalah jumlah slot yang dibutuhkan sebelum repetisi. Sebagai contoh, ketika jumlah slot yang dibutuhkan sebelum repetisi 10 (K=10) dan faktor repetisi R=6, maka jumlah slot yang dialokasikan setelah repetisi berada pada kisaran 60 slot hingga 65 slot [2].

(52)

3.2.2 Pemetaan Simbol

Pemetaan simbol (symbol mapper) merupakan suatu proses modulasi digital. Pada tahap pemetaan simbol, urutan bit biner dikonversikan menjadi suatu urutan simbol bernilai kompleks. Simbol digital kemudian ditumpangkan pada suatu sinyal yang sesuai untuk transmisi. Sinyal ini dapat berupa sinyal pulsa (baseband modulation) maupun sinyal sinusoidal (bandpass modulation) [1][6].

Modulasi baseband biasanya digunakan untuk transmisi jarak pendek, dimana urutan simbol digital digunakan untuk membentuk gelombang pulsa persegi yang ditransmisikan secara langsung tanpa transformasi frekuensi [6].

Modulasi bandpass digunakan untuk transmisi nirkabel dan jarak jauh seperti WiMAX, dimana urutan simbol digital digunakan untuk mengubah parameter sinyal sinusoidal frekuensi tinggi yang disebut carrier[6]. Gambar 3.3 menunjukkan perbandingan modulasi baseband dengan bandpass. Empat teknik modulasi digital untuk sistem modulasi adaptif telah ditetapkan dan didukung standar IEEE 802.16e, yaitu BPSK, QPSK, 16-QAM, dan 64-QAM [1].

(53)

3.2.2.1 Binary Phase Shift Keying (BPSK)

Data biner ditunjukkan oleh dua sinyal dengan fasa yang berbeda pada BPSK. Dua sinyal ini adalah :

, 2 cos )

(

1 t A f t

s = π _c 0 ≤ t ≤ T, untuk data 1 (3.1) ,

2 cos )

(

2 t A f t

s =− π _c 0 ≤ t ≤ T, untuk data 0

Sinyal ini disebut sebagai antipodal. Semua sinyal PSK dapat ditunjukkan secara grafis melalui suatu konstelasi sinyal dalam koordinat sistem 2-dimensi, yaitu :

, 2 cos 2 ) (

1 f t

t π c

φ = 0 ≤ t ≤ T (3.2)

dan

, 2 cos 2 )

(

2 f t

t π _c

φ =− 0 ≤ t ≤ T

Konstelasi sinyal BPSK dapat dilihat pada Gambar 3.4, dimana s1(t) dan s2(t) ditunjukkan oleh dua titik pada sumbu horizontal, dimana :

T A

E = (3.3)

Gambar 3.4 Konstelasi Sinyal BPSK

Bentuk gelombang sinyal BPSK yang dihasilkan untuk aliran data {10110} ditunjukkan pada Gambar 3.5. Bentuk gelombangnya mempunyai frekuensi konstan dan fasanya secara umum tidak kontinu pada garis batas bit [6].

(54)

Gambar 3.5 Bentuk Gelombang BPSK (a) fc=2/T (b) fc=1,8/T

3.2.2.2 Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)

QPSK adalah teknik modulasi yang paling sering digunakan diantara teknik modulasi M-ary PSK lainnya karena tidak mengalami penurunan bit error rate (BER) ketika efisiensi bandwidth ditingkatkan. Sinyal QPSK didefenisikan sebagai :

), 2

cos( )

( c i

i t A f t

s = π +θ 0 ≤ t ≤ T, i = 1,2,3,4 (3.4) dimana,

4 ) 1 2

( π

θi = i− (3.5)

Fasa sinyal awal adalah π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4. Frekuensi pembawa dipilih sebagai kelipatan dari symbol rate (laju simbol). Oleh karena itu, pada setiap interval simbol [kT,(k+1)T], fasa sinyal awal juga merupakan salah satu dari empat fasa sinyal QPSK.

(55)

Pada QPSK, bit data dibagi menjadi kelompok dari dua bit, disebut dibit. Ada empat kemungkinan dibit, yaitu 00, 01, 10, dan 11. Masing-masing dari empat sinyal QPSK melambangkan salah satu dibit. Konstelasi sinyal QPSK pada Gambar 3.6 menggunakan Gray coding. Koordinat dari titik-titik sinyal ditunjukkan pada Tabel 3.2 [6].

Tabel 3.2 Koordinat Sinyal QPSK

Dibit Fasa θi

i E

s1 = cosθ si2 = Ecosθi

11 π/4 ₊ _E_/₂ ₊ _E_/₂

01 3π/4 ₋ _E_/₂ ₊ _E_/₂

00 -3π/4 ₋ _E_/₂ ₋ _E_/₂

10 -π/4 ₊ _E_/₂ ₋ _E_/₂

Sinyal QPSK untuk setiap saat pada sumbu t dapat ditulis sebagai :

, 2 cos ) ( 2 2

cos ) ( 2 )

(t A I t fct A Q t fct

s = π − π -∞ < t < ∞ (3.6)

dimana I(t) dan Q(t) adalah deretan pulsa yang ditentukan oleh bit-urutan ganjil dan bit-urutan genap secara berturut-turut.

∑

₌∞_−∞ − =

kp t kT I

I( ) ( ) (3.7)

∑

₌∞_−∞ − =

kp t kT Q

Q( ) ( ) (3.8)

dimana Ik = ±1 dan Qk = ±1. Pemetaan diantara logic data dan Ik atau Qk adalah 1 → 1

dan 0 → -1. p(t) adalah fungsi pembentukan sinyal rektangular yang didefenisikan pada [0, T]. Bentuk gelombang sinyal QPSK dengan menggunakan konstelasi sinyal pada Gambar 3.6 ditunjukkan pada Gambar 3.7 berikut ini [6].

(56)

Gambar 3.7 Bentuk Gelombang QPSK

3.2.2.3 Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

Sinyal QAM dinyatakan sebagai : ), 2

cos( )

( _i _c _i

i t A f t

s = π +θ i = 1, 2, …M (3.9)

Untuk sinyal M-ary square QAM (seperti 16-QAM dan 64-QAM), persamaan sinyal juga dapat dinyatakan sebagai :

) ( 2 ) ( 2 2 sin ) ( 2 cos ) ( ) ( 2 1 t Eo Q t Eo I t f t p Ep Eo Q t f t p Ep Eo I t s i i c i c i i φ φ π π − = − = (3.10)

Dimana Eo adalah energi sinyal dengan amplitudo terendah, dan (Ii, Qi) adalah sepasang

bilangan bulat yang menunjukkan lokasi titik sinyal pada konstelasi. Nilai minimum dari (Ii, Qi) adalah (±1, ±1). Pasangan (Ii, Qi) adalah elemen dari matriks L × L :

(57)

(3.11)

dimana L = M, M = 4n, n = 1, 2, 3, …

Konstelasi sinyal dapat secara jelas dinyatakan dalam bentuk (Ii, Qi). Fasor

untuk M-ary square QAM adalah :

) 2 , 2

(I Eo Q Eo

s_i = _i _i i = 1, 2, …M (3.12)

Magnitudo dari fasor adalah :

) (

2 2

i i

i I Q

s = + (3.13)

Gambar 3.8 Konstelasi Sinyal 16-QAM

Konstelasi sinyal 16-QAM ditunjukkan pada Gambar 3.8, sedangkan untuk 64-QAM ditunjukkan pada Gambar 3.9 [6].

(58)

Gambar 3.9 Konstelasi Sinyal 64-QAM

3.2.3 Kontrol Daya

Agar dapat menjaga kualitas link radio antara pemancar dan penerima serta mengontrol interferensi sistem, suatu mekanisme kontrol daya diterapkan pada jalur uplink dengan prosedur kalibrasi awal dan disesuaikan secara berkala. Pemancar menggunakan MAC management messages khusus untuk memberitahu penerima tentang penyesuaian level-daya yang diperlukan. Persyaratan dasar dari mekanisme sistem kontrol daya yakni :

• Sistem kontrol daya harus dapat menangani fluktuasi daya sebesar 30 dB/s.

• Pemancar harus dapat memperhitungkan efek dari berbagai macam profil burst terhadap saturasi amplifier ketika sedang mengeluarkan perintah kontrol daya.

• Penerima harus menjaga rapat daya yang ditransmisikan tetap sama, tanpa menghiraukan jumlah subkanal aktif yang diberikan. Sehingga, ketika jumlah subkanal yang dialokasikan pada sebuah penerima naik atau turun, level daya pancar secara proporsional naik atau turun tanpa perlu power-control messages tambahan.

(59)

Pemancar dapat mengatur level daya dengan tujuan menjaga rapat spektral daya dan SNR pada sisi penerima konsisten dengan modulasi dan laju kode yang sedang digunakan. Dalam beberapa situasi, akan tetapi, penerima dapat secara temporer mengatur level daya tanpa diperintah oleh pemancar [1].

3.2.4 Estimasi Kanal

Proses kontrol daya serta adaptasi modulasi dan laju kode semuanya dilakukan berdasarkan estimasi kualitas kanal dalam bentuk RSL (received signal level) atau RSSI (received signal strength indicator) dan SNR (signal-to-noise ratio). Penerima menggunakan channel quality feedback (CQI) untuk memberitahukan pemancar informasi ini. Berdasarkan CQI, pemancar dapat melakukan hal sebagai berikut :

• Mengubah modulasi dan/atau laju pengkodean untuk transmisi; disebut juga mengubah profil burst.

• Mengubah level daya dari transmisi downlink yang bersesuaian.

Dalam standar operasi TDD (time division duplexing), diatur suatu mekanisme channel-sounding dimana pemancar mengestimasi kondisi kanal downlink dari kualitas kanal uplink yang diterima, dan dapat diukur secara langsung berhubung sifat kanal yang timbal-balik (channel reciprocity) [1].

3.2.5 Kanal Feedback

Terdapat dua metode untuk memperoleh informasi kondisi kanal. Pertama, informasi kondisi kanal dikirim kembali oleh receiver ke transmitter melalui kanal feedback. Kedua, melalui channel-sounding dalam sistem TDD. Teknik yang dipakai

(60)

oleh standar WiMAX dalam kanal feedback ialah linear precoding dengan quantized feedback [1].

Pengembangan teknik quantized precoding disebabkan kebutuhan untuk mengurangi laju kanal feedback pada sistem linear precoding yang biasanya membutuhkan banyak bit supaya dapat memberikan hasil yang akurat. Teknik quantized precoding memberikan solusi untuk masalah ini dengan mengkuantisasi precoder secara optimal pada sisi receiver. Precoder dikelompokkan kedalam satu grup yang dinamakan precoding codebook. Jika precoding codebook dari N matriks diketahui oleh pemancar dan penerima, hanya log2N bit feedback yang diperlukan untuk menunjukkan

indeks dari matriks precoder yang tepat. Jumlah bit feedback yang diperlukan biasanya kecil, berkisar 3 sampai 8 bit. WiMAX mendefenisikan precoding codebook untuk berbagai macam konfigurasi kanal [1]. Gambar 3.10 menunjukkan sistem quantized precoding feedback.

Gambar 3.10 Sistem Quantized Precoding Feedback

3.3 Adaptasi Link

Sel WiMAX yang dibagi ke dalam r bagian, i = 1…r, yang dimodelkan sebagai lingkaran konsentris sebagai penyederhanaan ditunjukkan oleh Gambar 3.11. Pada masing-masing bagian, user mendapatkan skema modulasi dan laju pengkodean yang

(61)

sama dan memperoleh bit rate yang sesuai dimana bit rate akan berkurang ketika user semakin jauh dari base station (BS) [5].

Gambar 3.11 Adaptasi Link

Untuk menghitung area wilayah yang dicakup masing-masing skema modulasi dan pengkodean, harus terlebih dahulu ditentukan jarak maksimal antara base station (BS) dan user untuk teknik modulasi dan pengkodean yang bersesuaian. Jarak ini ditentukan dengan menggunakan signal-to-noise ratio (SNR) minimum yang harus diterima user tanpa data loss (kehilangan data). Nilai SNR minimum untuk skema modulasi dan laju pengkodean yang berbeda telah ditetapkan dan distandarisasi oleh IEEE [5].

3.4 Perhitungan Kinerja Modulasi dan Pengkodean Adaptif

Parameter-parameter yang digunakan untuk menganalisa performansi sistem antara lain : perhitungan link budget (perhitungan loss atau redaman propagasi, perhitungan EIRP, perhitungan RSL), perhitungan kualitas sinyal transmisi meliputi perhitungan bit rate, dan throughput.

(62)

3.4.1 Perhitungan Link Budget

Perhitungan link budget merupakan perhitungan level daya yang dilakukan untuk memastikan bahwa level daya penerimaan lebih besar atau sama dengan level daya threshold ( RSL ≥ Rth ). Tujuannya untuk menjaga keseimbangan gain dan loss untuk mencapai SNR yang diinginkan di receiver.

Perhitungan link budget juga berguna untuk menghitung luas daerah jangkauan sinyal dari base station, seberapa jauh sinyal masih dapat diterima oleh pelanggan dengan baik.

3.4.1.1Perhitungan Rugi-Rugi Propagasi

Kanal radio untuk sistem komunikasi wireless dibedakan untuk kondisi LOS dan NLOS. Pada keadaan LOS, sinyal merambat langsung melalui udara tanpa melewati suatu obstacle atau hambatan dari pengirim ke penerima [7].

Gambar 3.12 Propagasi NLOS

Pada kondisi NLOS seperti ditunjukkan Gambar 3.12, sinyal yang ditangkap di penerima (receiver) adalah sinyal yang telah mengalami proses refleksi, scattering, dan difraksi. Sinyal datang yang ditangkap penerima merupakan gabungan dari sinyal langsung, multipath, energi hamburan, dan sinyal propagasi yang telah terdifraksi.

(63)

Sinyal ini mempunyai delay pola sebaran yang berbeda, redaman, polarisasi, dan kestabilan relatif dari sinyal langsung [7].

Untuk mengetahui rugi-rugi propagasi pada kondisi NLOS dapat digunakan berbagai macam model propagasi NLOS antara lain model propagasi Okumura – Hatta, COST–231 Hata, SUI (Standford University Interim), ECC–33 dan Walfish – Ikegami. Model propagasi ini telah dikembangkan menyesuaikan karakter lingkungan RF (Radio Frequency) dan memperkirakan kuat sinyal RF. Model tersebut diperoleh dari pengukuran empiris di lapangan yang digunakan untuk meprediksikan cakupan area dalam skala besar pada sistem komunikasi radio broadband wireless access (BWA) [1][3]. Pada Tugas Akhir ini akan digunakan model propagasi COST-231 Hata dan ECC-33 Path Loss Model.

3.4.1.1.1 COST-231 HATA Model

Hata Model telah digunakan secara luas untuk jaringan seluler pada pita frekuensi 800MHz/ 900MHz. Karena sistem Personal Communication Service (PCS) menggunakan pita frekuensi 1800MHz/ 1900MHz, Hata Model kemudian dimodifikasi oleh badan European COST (Cooperation in the field of Scientific and Research), dan model path loss yang dikembangkan tersebut disebut sebagai COST-231 Hata Model. Model ini merupakan rekomendasi dari WiMAX Forum untuk model sistem dan perencanaan jaringan untuk daerah urban (bagian pusat kota) maupun suburban (bagian pinggir kota) [1][3].

Path loss untuk COST-231 Hata Model adalah [3]:

F r t t propagasi C h a d h h f dB L + − − + − + = ) ( log ) log 55 , 6 9 , 44 ( log 82 , 13 log 9 , 33 3 , 46 ]

[ ₁₀ ₁₀ ₁₀ ₁₀

(64)

(rural) suburban f h f h a urban h h a r r r r untuk ) 8 , 0 log 56 , 1 ( ) 7 , 0 log 11 , 1 ( ) ( untuk 97 , 4 )) 75 , 11 ( (log 20 , 3 ) ( 10 10 2 10 − − − = − = (3.15) dimana :

f = frekuensi operasi (MHz) ht = tinggi antena pemancar (m)

hr = tinggi antena penerima (m)

d = jarak pemancar dan penerima (km)

   = urban suburban CF daerah dB 3 daerah dB 0

a(hr) = faktor koreksi antena penerima

3.4.1.1.2 ECC-33 Path Loss Model

Meskipun Hata-Okumura Model secara luas digunakan untuk band UHF, ketelitiannya masih dipertanyakan untuk frekuensi yang lebih tinggi. Teknik pendekatan yang berbeda kemudian dikembangkan oleh Electronic Communication Committee (ECC) dari pengukuran awal yang dilakukan oleh Okumura dan mengubahnya sehingga sangat mendekati sistem Fixed Wireless Access (FWA). Model path loss yang dikembangkan tersebut dikenal sebagai ECC-33 Model. ECC-33 Path Loss Model didefenisikan sebagai [3]:

r t bm fs

propagasi dB A A G G

L [ ]= + − − (3.16)

dimana Afs, Abm, Gb, Gr berturut-turut adalah free space attenuation, basic median path

loss, faktor gain ketinggian antena pemancar (Base Station), dan faktor gain ketinggian antena penerima. Faktor-faktor ini didefenisikan sebagai [3]:

) ( log 20 ) ( log 20 4 ,

92 ₁₀ d ₁₀ f

(65)

2 10 10

10( ) 7,894log ( ) 9,56[log ( )] log 83 , 9 41 ,

20 d f f

Abm = + + + (3.18)

} )] ( [log 8 , 5 958 , 13 ){ 200 / (

log10 h 10 d 2

Gt = t + (3.19)

dan untuk daerah medium city environment [3]: ] 585 , 0 ) ( )][log ( log 7 , 13 57 , 42

[ + ₁₀ ₁₀ −

= r

r f h

G (3.20)

dimana :

f = frekuensi (GHz)

d = jarak pemancar dan penerima (km) ht = ketinggian antena pemancar (m)

hr = ketinggian antena penerima (m)

3.4.1.2 Perhitungan EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)

EIRP merupakan besaran yang menyatakan kekuatan daya pancar suatu antena di bumi, dapat dihitung dengan rumus [7]:

Ltx Gtx Ptx dBm

EIRP[ ]= + − (3.21)

dimana :

Ptx = daya pancar (dBm)

Gtx = penguatan antena pemancar (dBi) Ltx = rugi-rugi pada pemancar (dB)

3.4.1.3 Perhitungan RSL (Receive Signal Level)

RSL (Receive Signal Level) adalah level sinyal yang diterima di penerima dan nilainya harus lebih besar dari sensitivitas perangkat penerima (RSL ≥ Rss). Sensitivitas

(66)

perangkat penerima merupakan kepekaan suatu perangkat pada sisi penerima yang dijadikan ukuran threshold. Nilai RSL dapat dihitung dengan Persamaan 3.22 [7]:

Lrx Grx Lpropagasi EIRP

RSL= − + − (3.22)

dimana :

EIRP = Effective Isotropic Radiated Power (dBm)

Lpropagasi = rugi-rugi gelombang saat berpropagasi (dB) Grx = penguatan antena penerima (dBi)

Lrx = rugi-rugi saluran penerima (dB)

Standar WiMAX untuk menghitung nilai Receiver sensitivity adalah [4]:

F imp FFT

used

RX loss N

N N Fs R

SNR dBm

Rss + +

  

 ⋅ +

− +

−

= 114 10log 10log

]

[ (3.23)

dimana :

SNRRX = signal-to-noise ratio threshold penerima

R = faktor repetisi

Fs = frekuensi sampling (MHz) Nused = jumlah subcarrier aktif

NFFT = jumlah FFT

lossimp = rugi-rugi implementasi

NF = noise figure

3.4.2 Perhitungan Bit Rate

Besarnya bit rate untuk sistem modulasi dan pengkodean adaptif dapat dihitung dengan persamaan [4]:

(1)

6. Throughput maksimum sistem adalah sebesar 45Mbps yang dicapai dengan

sinyal 64-QAM ¾ .

5.2 Saran

Beberapa saran yang dapat penulis berikan adalah sebagai berikut:

1. Analisis kinerja modulasi dan pengkodean adaptif dapat dibahas lebih mendalam dengan menggunakan metode simulasi dengan menggunakan bahasa pemrograman yang ada.

2. Diperlukan analisis lebih lanjut dengan melakukan pengukuran secara langsung pada jaringan WiMAX yang telah diimplementasikan.

(2)

DAFTAR PUSTAKA

1. G. Andrews, Jeffrey, Arunabha Ghosh, and Rias Muhamed. Fundamental of

WiMAX – Understanding Broadband Wireless Networking. Prentice Hall,

Massachusetts, 2007.

2. Nuaymi, Loutfi. WiMAX – Technology for Broadband Wireless Access. John Wiley & Sons, England, 2007.

3. Abhayawardhana, V. S., I. J. Wassel, D. Crosby, M. P. Sellars, and M. G. Brown. Comparison of Empirical Propagation Path Loss Models for Fixed

Wireless Access Systems. BT Mobility Research Unit, United Kingdom.

4. IEEE Std 802.16e-2005. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless

Access Systems – Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Band. IEEE, Dec. 2005.

5. Tarhini, Chadi, and Tijani Chaded. On capacity of OFDMA-based IEEE802.16

WiMAX including Adaptive Modulation and Coding (AMC) and inter-cell interference. GET/Institut National des Télécommunications, France.

6. Xiong, Fuqin. Digital Modulation Techniques 2nd Edition. Artech House, Massachusetts, 2007.

7. Freeman, Roger L. Telecommunications Transmission Handbook. John Wiley & Sons, 1998.

(3)

(4)

SPESIFIKASI BASE STATION

(5)

(6)

Analisis Kinerja Modulasi Dan Pengkodean Adaptif Pada Jaringan WiMAX

TUGAS AKHIR