STUDI PERENCANAAN SATELIT BROADBAND NASIONAL MENGGUNAKAN KA-BAND

Transkripsi

1 1 STUDI PERENCANAAN SATELIT BROADBAND NASIONAL MENGGUNAKAN KA-BAND Prita Kandella, Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro, Institut Teknologi Bandung Abstrak Saat ini, kebutuhan akan layanan broadband di Indonesia semakin meningkat. Untuk pengguna yang berada di daerah pedalaman, yang tidak dapat dijangkau dengan perangkat terestrial, pengguna tersebut dapat menggunakan satelit sebagai media untuk mengakses layanan broadband. Setiap pengguna harus memiliki antena agar dapat menangkap sinyal dari satelit tersebut. Semakin besar antena maka harganya pun akan semakin mahal. Agar pengguna dapat menggunakan antena yang lebih kecil maka satelit harus beroperasi di daerah frekuensi yang tinggi. Ka-band merupakan salah satu daerah dengan frekuensi tinggi yang berada pada rentang 27 GHz 40 GHz dan memberikan banyak keuntungan kepada pengguna salah satunya adalah ukuran antena penerima yang kecil di ground segment. Namun, Ka-band memiliki kekurangan yaitu adanya pengaruh intensitas curah hujan terhadap kerja sistem. Di Indonesia, intensitas curah hujan akan memberikan nilai redaman yang besar karena sesui dengan letak geografisnya, Indonesia memiliki intensitas curah hujan yang tinggi. Dalam tugas akhir ini, akan dirancang satelit broadband nasional dengan menggunakan daerah frekuensi Ka-band yang dapat menanggulangi kekurangan daerah frekuensi ini agar Indonesia dapat memiliki satelit broadband sendiri. Index Terms Broadband, Ka-band, Satelit I. PENDAHULUAN eknologi layanan berbasis broadband merupakan salah Tsatu teknologi yang saat ini cukup diminati. Di Indonesia, layanan layanan yang mensyaratkan bit rate lebih dari 2 Mbps ini sudah menjangkau pelanggan perusahaan hingga ke pelanggan rumahan. Banyak perusahaan yang menggunakan layanan ini, terutama perusahaan perusahaan yang memberikan layanan yang mensyaratkan ketepatan dan kecepatan waktu, seperti perusahaan perusahaan yang bergerak pada bidang telekomunikasi dan perbankan. Untuk pelangan rumahan, rata rata teknologi ini digunakan pada layanan internet dan multimedia. Seiring meningkatnya permintaan atas layanan tersebut, kemampuan teknologi ini terus dikembangkan. Pengembangan teknologi ini dapat dilakukan dengan memperbaiki kinerja media yang digunakannya. Media yang akan dibahas pada tugas akhir ini merupakan satelit. Dalam kerjanya, satelit menggunakan suatu daerah frekuensi tertentu dimana setiap daerah frekuensi memiliki kekurangan dan kelebihan masing masing. Salah satu daerah frekuensi satelit, yang selanjutnya akan dibahas pada tugas akhir ini adalah daerah frekuensi Ka-band. Dalam tugas akhir ini, akan dirancang satelit broadband nasional yang menggunakan daerah frekuensi Ka-band. Rancangan satelit ini diberi nama ITBSAT. ITBSAT ini dibuat untuk menutupi kekurangan sistem komunikasi satelit yang menggunakan daerah frekuensi Ka-band agar pengguna media satelit di Indonesia dapat merasakan kelebihannya dikarenan banyaknya kelebihan yang diberikan. II. DAERAH FREKUENSI KA-BAND Daerah frekuensi Ka-band (Inggris: Ka-band atau Kurtzabove band) adalah band gelombang mikro dari spektrum elektromagnetik dengan jangkauan antara 27GHz 40GHz. Saat ini daerah frekuensi Ka-band diaplikasikan untuk telekomunikasi satelit, antara lain untuk keperluan internet, video conference, video telephone, data broadcasting, voice (telepon) pada daerah pedalaman, tele-medecine, teleeducation, local television (broadcasting) satellite data relay services, Inter Satellite Links (ISL), news gathering dan PC Networks. Namun demikian, sebagian besar aplikasi yang akan dilayani oleh daerah frekuensi Ka-band adalah aplikasi internet dan multimedia. A. Kelebihan dan Kekurangan Daerah Frekuensi Ka-Band o Kelebihan daerah frekuensi Ka-band Tersedianya bandwidth frekuensi yang cukup besar. Tidak memerlukan antena berukuran besar. Kapasitas sistem yang lebih besar. Selalu tersedia akses pada lokasi yang tidak memungkinkan jaringan terestrial dibangun o Kekurangan daerah frekuensi Ka-band Memerlukan lebih banyak daya untuk mentransmisikan sinyal jika dibandingkan dengan satelit yang menggunakan daerah frekuensi dibawahnya. Semakin tinggi frekuensi Ka-band maka semakin rentan terhadap perubahan kondisi atmosfir B. Redaman yang Berpengaruh pada Daerah Frekuensi Diatas 3 GHz Pada daerah frekuensi tinggi seperti Ka-band, ada beberapa redaman yang cukup besar mempengaruhi sistem komunikasi satelit. Berikut ini merupakan redaman yang berpengaruh:

2 2 1) Redaman Gas Pengurangan amplituda sinyal yang dikarenakan oleh gas gas pada atmosfir bumi yang terdapat pada jalur transmisi. 2) Redaman Hidrometeor Pengurangan amplituda sinyal yang dikarenakan oleh hidrometeor (hujan, awan, kabut, salju, dan es) pada jalur transmisi. Redaman akibat hujan dapat berpengaruh cukup signifikan pada frekuensi diatas 10 GHz, sedangkan Redaman akibat awan dan kabut berpengaruh lebih kecil dibanding redaman akibat hujan, namun redaman tersebut tetap harus diperhitungkan pada link budget, khususnya pada frekuensi diatas 15 GHz. Redaman akibat salju kering dan partikel es biasanya sangat rendah dan tidak dapat diteliti pada jalur komunikasi luar angkasa dengan frekuensi dibawah 30 GHz. 3) Tropospheric Scintillation Diakibatkan oleh perbedaan small-scale index yang disebabkan oleh gangguan dari lapisan tropospher yang terjadi pada jalur komunikasi satelit. 4) Polarization Losses Perubahan pada karakteristik polarisasi gelombang radio yang disebabkan oleh hidreometeor (terutama hujan dan partikel es) dan multipath propagation. 5) Radio Noise Keberadaan sinyal atau daya yang tidak diharapkan pada daerah frekuensi di jalur komunikasi, yang disebabkan oleh manusia. 6) Variasi Sudut Kedatangan Perubahan pada arah propagasi gelombang radio yang disebabkan oleh perubahan index pembiasan pada jalur transmisi. 7) Bandwidth Coherence Batasan yang lebih tinggi pada bandwidth informasi atau kapasitas kanal yang dapat ditunjang oleh gelombang radio, disebabkan oleh atmosfir yang dispersif. 8) Pengurangan Gain Pengurangan gain pada receiving antenna yang disebabkan oleh dekolerasi amplituda dan fasa terhadap aperture. III. PERANCANGAN CAKUPAN SINYAL SATELIT ITBSAT ini direncanakan akan mengorbit pada garis bujur dengan frekuensi uplink berada disekitar 28 GHz dan frekuensi downlink berada disekitar 18 GHz. Pada stasiun bumi, diasumsikan diameter antena stasiun hub adalah 5 meter dengan efisiensi 70% dan G/T bernilai 28,5 db/ 0 K sedangkan antena pelanggan adalah Ultra Small Aperture Terminal () yang memiliki diameter 45 cm dengan efisiensi 70% dan G/T bernilai 12 db/ 0 K. Baik antena stasiun hub maupun pelanggan berpolarisasi sirkular dan menggunakan modulasi Quadrature Phase Shift Keying (QPSK). Dalam sistem komunikasi satelit ini, antena hub direncanakan berada di dan pelanggan yang menggunakan layanan broadband melalui ITBSAT ini tersebar di seluruh Indonesia. Pola perancangan sistem komunikasi ini dengan menggunakan sampel pelanggan pada setiap pulau besar di Indonesia dimana pada setiap pulau diambil satu kota untuk dihitung link budgetnya. A. Penghitungan Redaman Pada perancangan ITBSAT ini, penulis hanya mengambil beberapa redaman pada daerah frekuensi diatas 3 GHz. Dengan pertimbangan, sudut elevasi yang akan penulis ambil pada perancangan sistem komunikasi satelit ini lebih dari 10 0 dan penulis menggunakan daerah frekuensi Ka-band sehingga redaman selain yang akan penulis hitung tidak begitu berpengaruh. o Free Space Loss Hasil penghitungan diatas untuk jalur downlink bernilai 208,7 db. Sedangkan untuk jalur uplink L FS bernilai 212,5 db o Redaman Hujan Dari hasil penghitungan redaman hujan menggunakan model ITU-R. Didapatkan hasil seperti pada tabel I dan II. TABEL I Nilai Redaman Hujan Uplink dan Downlink di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Uplink dari Uplink Downlink Jakarta (Jawa) 30,6 14,7 30, ,6 19,9 30, ,6 14,2 TABEL II Nilai Redaman Hujan Uplink dan Downlink di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Downlink menuju Uplink Downlink Jakarta (Jawa) 30,5 14,4 32,8 14, ,4 37,4 14,4 28,3 14,4 o Tropospheric Scintillation Dari hasil penghitungan tropospheric scintillation menggunakan model ITU-R. Didapatkan hasil seperti pada tabel III dan IV.

3 3 TABEL III Nilai Tropospheric Scintillation Uplink dan Downlink di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Uplink dari Uplink Downlink Jakarta (Jawa) 0,057 0,088 0,057 0,089 0,057 0,085 0,057 0,085 0,057 0,098 TABEL IV Nilai Tropospheric Scintillation Uplink dan Downlink di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Downlink menuju Uplink Downlink Jakarta (Jawa) 0,113 0,052 0,114 0,052 0,108 0,052 0,109 0,052 0,127 0,052 o Redaman Gas Dari hasil penghitungan redaman gas menggunakan model ITU-R. Didapatkan hasil seperti pada tabel V dan VI. TABEL V Nilai Redaman Gas Uplink dan Downlink di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Uplink dari Uplink Downlink Jakarta (Jawa) 0,279 0,211 0,279 0,213 0,279 0,204 0,279 0,206 0,279 0,229 TABEL VI Nilai Redaman Gas Uplink dan Downlink di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Downlink menuju Uplink Downlink Jakarta (Jawa) 0,283 0,208 0,285 0,208 0,274 0,208 0,275 0,208 0,306 0,208 o Redaman Awan Dari hasil penghitungan redaman awan menggunakan model Salonen dan Upala. Didapatkan hasil seperti pada tabel VII dan VIII. TABEL VII Nilai Redaman Awan Uplink dan Downlink di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Uplink dari Uplink Downlink Jakarta (Jawa) 0,208 0,087 0,208 0,088 0,208 0,085 0,208 0,085 0,208 0,095

4 4 TABEL VIII Nilai Redaman Awan Uplink dan Downlink di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Downlink menuju Uplink Downlink Jakarta (Jawa) 0,211 0,086 0,212 0,086 0,204 0,086 0,205 0,086 0,023 0,086 B. Penghitungan Parameter Link Budget o Sudut Elevasi Nilai sudut elevasi dapat dilihat pada tabel IX. TABEL IX Nilai Sudut Elevasi Sudut Elevasi (derajat) Sudut Elevasi (derajat) Jakarta (Jawa) 75, , , , , , , , , ,94692 o Forward Error Correction (FEC) FEC pada perancangan sistem komunikasi satelit ini bernilai 0,75. o Overhead Overhead pada perancangan sistem komunikasi satelit ini bernilai 0,096 Mbps. o Gain to Temperature Ratio (G/T) Nilai G/T saat posisi uplink dari dapat dilihat pada tabel X. Sedangkan (G/T) satelit saat terjadi downlink ke bernilai 33,4 db/ 0 K. TABEL X Nilai G/T (G/T) satelit (db/k) (G/T) hub (db/k) (G/T) (db/k) Jakarta 23,4 28,5 12 (Jawa) 25,4 28, ,4 28,5 12 (Kalimanta n) 30,4 28, ,4 28,5 12 o Bit Rate Bit rate downlink sebesar 200 Mbps dan bit rate uplink sebesar 0,08 Mbps. o Carrier to Interference Ratio (C/I) Nilai C/I satelit adalah 15 db. Nilai tersebut sama baik untuk C/I uplink maupun downlink. o Carrier to Noise Density Ratio (C/N 0 ) dan Energy per bit to Noise Density Ratio (E b /N 0 ) NilaiC/N 0 dan E b /N 0 dapat dilihat pada tabel XI dan XII. TABEL XI Nilai C/N 0 dan E b /N 0 di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Uplink dari Jakarta (Jawa) (Kalimanta n) (dbhz) (dbhz) (dbhz) (db) 126,4 95,4 95,4 13,2 9,8 8,2 126, ,2 10,1 8,4 126,4 100,8 100,8 13,2 11,9 9,5 126,4 99,6 99,6 13,2 11,6 9,3 126,4 95,4 95,4 13,2 9,8 8,2 TABEL XII Nilai C/N 0 dan E b /N 0 di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Downlink menuju Jakarta (Jawa) (Kalimanta n) (dbhz) (dbhz) (dbhz) (db) 56,8 136,6 56,8 7,2 16, ,3 136,6 56,3 6,8 16,7 6,4 56,1 137,2 56,1 6,7 16,7 6,2 59,8 134,2 59,8 9,8 79,4 9,8 57,8 137,1 57,8 8,2 16,7 7,6

5 5 o Daya yang ditransmisikan (P t ) dan Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) Untuk EIRP satelit pada saat uplink dari dapat dilihat pada tabel XIII. Sedangkan untuk EIRP satelit pada saat downlink menuju adalah 89 dbw untuk P t yang sama yaitu 30 dbw TABEL XIII Nilai EIRP di Beberapa Kota di Indonesia (db) Jakarta(Jawa) o Margin Nilai margin dapat dilihat pada tabel XIV dan XV. TABEL XIV Nilai Margin di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Uplink dari Margin (db) Jakarta (Jawa) 2,5 2,7 3,8 3,6 2,5 TABEL XV Nilai Margin di Beberapa Kota di Indonesia Untuk Jalur Doenlink menuju Margin (db) Jakarta (Jawa) 1,1 0,7 0,5 1 1,9 o Link Availability Link availability yang direncanakan pada ITBSAT ini adalah 99,5%. C. Perancangan Footprint Pada ITBSAT terdapat dua macam antena untuk mengakomodasi wilayah pelanggan, yaitu Multi Beam Antenna (MBA) dan Active Phase Array Antenna (APAA), APAA ini jenis antena yang bergerak pada perioda waktu tertentu untuk mengakomodasi wilayah pelanggan yang tidak tercakup oleh multi beam antenna. Jumlah spotbeam ITBSAT adalah 174 spotbeams dimana 156 spotbeams tersebar di wilayah Indonesia, 17 spotbeams pada negara negara di Asia Tenggara lainnya, dan 1 spotbeam di negara Australia. Gambar 1. Footprint ITBSAT IV. PERANCANGAN KAPASITAS SATELIT Dari data yang didapatkan dari Departemen Komunikasi dan Informatika Republik Indonesia (DEPKOMINFO), diprediksikan pada tahun 2009 terdapat pelanggan layanan broadband. Dimana diasumsikan diantaranya merupakan pelanggan rumahan, pelanggan kantoran, 1500 BTS, dan ATM [16]. Dengan Over Subscribed Factor (OSF) yang disesuaikn dengan OSF yang diberikan PT. Telkom, yaitu untuk pelanggan rumahan sebesar 50, OSF untuk pelanggan kantoran sebesar 5, OSF untuk ATM sebesar 7, dan OSF untuk BTS sebesar 1, dan diasumsikan 20% dari total bandwidth yang didapat dilayani oleh satelit. Dari penghitungan dengan data diatas, didapat total bandwidth satelit yang dibutuhkan adalah sebesar 1,7 GHz. Sehingga untuk melayaninya dibutuhkan 48 transponder dengan bandwidth setiap transponder 36 MHz. Gambar 2. Grafik Jumlah Pelanggan Broadband Transponder uplink maupun downlink ITBSAT dibagi menjadi polarisasi horizontal dan polarisasi vertikal, maka ITBSAT dapat beroperasi pada jangkauan frekuensi uplink ITBSAT adalah 27,882 GHz ~ 28,858 GHz dan jangkauan frekuensi downlinknya adalah 17,882 GHz ~ 18,858 GHz.

6 6 V. PERANCANGAN KONFIGURASI FISIK SATELIT A. Perancangan Communication Payload ITBSAT terdiri dari 48 transponder yang masing masing memiliki bandwidth 36 MHz dan dua macam antena, yaitu MBA dan APAA. Onboard Processing dari ITBSAT ini adalah ATM baseband switching. Gambar 3. Spesifikasi Communication Payload [8] Loo, Suem P., System Design of An Integrated Terrestrial Satellite Communication Network for Disaster Recovery, Thesis for Master Degree in Electrical Engineering at Faculty of The Virginia Polytechnic Institute and State University, [9] Dissanayake, Assoka., A Prediction Model That Combines Rain Attenuation and Other Propagation Impairments Along Earth-Satellite Paths, Published Paper, [10] European Space Agency Agence Spatiale Europeenne, Cost Action 255 Radiowave Propagation Modelling for Satellite Communication Services at Ku-Band and Above (Final Report), [11] Recommendation ITU-R P.618-7, Propagation Data and Prediction Methods Required for The Design of Earth-Space Telecommunication Systems. [12] Rekomendasi ITU-R P.838. [13] Rekomendasi ITU-R P.839. [14] Rekomendasi ITU-R P.840. [15] Module Palapa-C Satellite System [16] PT. Elektronika Utama, Eigen Satellite, ITB. [17] Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Overview of WINDS, [18] Slide Kuliah Joko Suryana, Skenario Trafik WIMAX untuk ISP, ITB. [19] [20] [21] Biro Pusat Statistik Indonesia, B. Pemilihan Bus Satelit Bus satelit ITBSAT merupakan keluaran Boeing dengan platform 601HP. Boeing 601HP ini akan membawa 48 transponder. Berat ITBSAT ini adalah kg. C. Pemilihan Kendaraan Peluncur Satelit Kendaraan peluncur untuk ITBSAT ini dipilih Ariane 5. VI. KESIMPULAN ITBSAT merupakan rancangan satelit broadband nasional yang beroperasi pada daerah frekuensi Ka-band dengan jangkauan frekuensi uplink 27,882 GHz sampai dengan 28,858 GHz dan jangkauan frekuensi downlink 17,882 GHz sampai dengan 18,858 GHz. ITBSAT terdiri dari 48 transponder dan dua macam antena, yaitu Multi Beam Antenna yang memiliki EIRP maksimum 89 dbw dan Active Phase Array Antenna yang memiliki EIRP maksimum 78dBW, dengan bit rate downlink 200 Mbps dan bit rate uplink 0,08 Mbps. Dari simulasi dengan parameter ITBSAT, dapat disimpulkan bahwa, sistem komunikasi satelit dengan menggunakan daerah operasi Ka-band dapat diterapkan di Indonesia REFERENSI [1] Suryana, Joko., Study of Ka-Band Satellite Link Performance at High Intense Rain Cities in Indonesia Using WINDS, Paper ini telah dipublikasikan dalam International Symposium on Space Technology and Science (ISTS), [2] Ippolito Jr, Louis J., Radiowave Propagation in Satellite Communication, Van Nostrand Reinhold company, [3] Agrawal, Brij N., Design of Geosynchronous Spacecraft, Prentice- Hall, [4] Haykins, Simon., Communication Systems (4th Edition), John Willey and Sons Inc, [5] Elbert, Bruce R., Satellite Communication Applications Handbook (2nd Edition), Artech House Inc, Boston, [6] Jones, Robert W., Handbook on Satellite Communication (HSC) (3rd Edition) [7] Gedney, Richard T. ACTS-Technology Description and Results NASA (National Aeronautics and Space Administration), 2000.