ESTIMASI KAPASITAS TRAFIK BASE STATION MOBILE WIMAX BERBASIS TEKNOLOGI OFDMA PADA LEBAR PITA 5 MHZ DAN 10 MHZ

Transkripsi

1 ESTIMASI KAPASITAS TRAFIK BASE STATION MOBILE WIMAX BERBASIS TEKNOLOGI OFDMA PADA LEBAR PITA 5 MHZ DAN 10 MHZ Fharid Larashandy Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Islam 45 Bekasi Jl Cut Meutia No. 83 Bekasi 17113, Jawa Barat, Indonesia fharid.larashandy@gmail.com ABSTRAK Pada tahun 2009 Pemerintah Republik Indonesia telah melakukan lelang seleksi penyelenggaraan Jaringan Tetap Lokal Berbasis Packet switched yang menggunakan frekuensi radio frekuensi 2,3 GHz untuk keperluan layanan pita lebar nirkabel (Wireless Broadband). Permasalahan yang akan dialami oleh perusahaan penyelenggara layanan pita lebar nirkabel adalah bagaimana memperhitungkan penggunakan frekuensi yang terbatas sebesar 15 agar bisa memberikan layanan broadband. Berdasarkan permasalahan di atas, maka diperlukan suatu metoda yang sangat tepat untuk merencanakan dan menganalisa kapasitas penggunaan infrastruktur serta pemilihan strategi yang efisien untuk memanfaatkan sumber daya frekuensi yang sangat terbatas. Dalam penelitian ini dilakukan analisa kesesuaian pemilihan channel bandwidth untuk pita frekuensi 2,3 GHz, analisa dan rekomendasi penggunaan channel bandwidth yang paling efisien dengan ketersediaan spektrum frekuensi 15, serta dilakukan perbandingan ketelitian data terhadap data yang diberikan oleh wimax forum. Dari hasil analisa yang dilakukan, untuk band frekuensi 2,3 GHz yang paling sesuai adalah menggunakan channel bandwidth 5 dan 10. Dengan ketersediaan spektrum sebesar 15 maka yang paling optimal adalah menggunakan channel bandwidth 5. Hasil analisa standar deviasi terhadap data rekomendasi wimax forum, nilai deviasi terbesar terletak pada channel bandwidth 5 dengan modulasi QPSK1/2 yaitu sebesar 0,21% dengan rincian hasil analisa perhitungan 2,285 Mbps sedangkan wimax forum sebesar 2,28Mbps. Kata Kunci : Mobile WiMAX, OFDMA, Base Station, Channel Bandwidth, IEEE e, Broadband Wireless Acces 73 I. PENDAHULUAN Pengaturan spektrum frekuensi yang ada di Indonesia menetapkan beberapa blok frekuensi yang dapat digunakan untuk penerapan broadband wireless access seperti pada blok frekuensi 2,3 GHz, 2,5 GHz 3,3 GHz. Sesuai hasil seleksi penyelenggaraan jaringan tetap lokal berbasis packet switched yang menggunakan pita frekuensi 2,3 GHz untuk keperluan layanan pita lebar nirkabel (wireless broadband). Berdasarkan standar ITU (IMT 2000) pita frekuensi 2,3 GHz digunakan layanan broadband dan berdasarkan standar IEEE (wimax forum) pita tersebut digunakan untuk teknologi wimax mobile dengan layanan Nomadic atau Mobile. WiMAX sebagai salah satu standar teknologi yang dikembangkan oleh Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) dengan standar ieee d dan ieee e memanfaatkan udara sebagai media pengiriman data. WiMAX mempunyai nilai batasan dalam mengirimkan data sesuai dengan lebar kanal frekuensi yang digunakan. Untuk itu perlu dilakukan perhitungan perhitungan secara tepat sesuai standar yang digunakan agar penerapan di kondisi riil tidak mengalami penurunan performansi. II. LANDASAN TEORI a. Standar IEEE Dalam penelitian ini diperlukan acuan baku yang bersumber dari standar internasional, Adalah IEEE sebagai dasar acuan teknis dengan fokus pada standar 16x, IEEE d dan IEEE e. standar teknis tersebut mengarahkan kepada teknologi WiMAX. b. System Profile WiMAX Forum Melengkapi dokumentasi standar IEEE, tedapat aturan forum internasional dan dijadikan rekomendasi pengembangan teknologi berbasiskan WiMAX untuk komunikasi data. WiMAX forum merupakan forum internasional yang non profit yang ditujukan untuk pengembangan teknologi broadband wireless standar teknologi Saat ini telah memiliki ratusan anggota terdiri atas mayoritas operator, vendor komponen dan vendor peralatan dalam ekosistem telekomunikasi. Forum ini juga mengeluarkan standar teknis dan mensertifikasi perangkat agar bisa jadikan acuan standarisasi internasional kepentingan interoperability. c. Troughput dan Data Rate Konsep efisiensi saluran channel digunakan untuk mendapatkan throughput yang lebih tinggi dengan memanfaatkan channel bandwidth yang tersedia. Troughput dihitung berdasarkan porsi data date yang dapat digunakan untuk mentransfer data secara tepat (bukan termasuk sinyal atau bagian controling). Berikut rumus data rate di WiMAX OFDM lapisan fisik [2]. R = (1) dimana b m adalah jumlah bit per simbol modulasi, 1 untuk BPSK, 2 untuk QPSK dan 4 untuk 16-QAM dan

2 74 secara umum M adalah modulasi level dari M-QAM konstalasi, M = 2^b m. C r adalah coding rate untuk semua jenis burst profile. Simbol durasi T s [2]. T s = T g + T b = [G+1] T b (2) dimana G adalah rasio T g/t b nilainya bisa berupa : ¼, 1/8, 1/16 atau 1/32. Dan T b = 1/Δf [2]dimana spasi antar subcarriers Δf sebagai berikut, Δf = dan Fs =floor ( ) 8000 (3) Berikut channel bandwidth berdasarkan rekomenasi wimax forum [3] a. Bila channel bandwidth yang digunakan adalah kelipatan dari 1,75, maka sampling factor adalah 8/7. b. Bila channel bandwidth yang digunakan adalah kelipatan dari 1,25 atau 1,5 atau 2,75, maka sampling factor adalah 28/25. Bila channel bandwidth yang digunakan tidak spesifik dari kelipatan yang disebutkan point a dan b, maka sampling factor yang digunakan adalah 8/7. d. Adaptif Adaptive modulation and coding (AMC), Hybrid Automatic Repeat Request (HRQ) dan Fast Channel Feedback (CQICH) telah dikenalkan dalam Mobile WiMAX untuk meningkatkan coverage dan kapasitas untuk aplikasi dalam mobile WiMAX. WiMAX mendukung QPSK, 16QAM dan 64QAM sifatnya keharusan mandatory di bagian download, sedangkan upload sifatnya opsional. Convulitonal Code (CC) dan Convolutional Turbo Code (CTC) dengan variabel code rate dan pengulangan kode bisa dilakukan. Tabel 1 merupakan rangkuman dari jenis kode dan modulasi yang didukung profil mobile WiMAX [3]. Tabel 1. Kode dan modulasi yang didukung Download Upload QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM Code Rate CC 1/2, 2/3, 3/4, 1/2, 2/3, CTC 1/2, 2/3, 3/4, 1/2, 2/3, Repetition x2, x4, x6 x2, x4, x6 Standar profil WiMAX mendukung beberapa modulasi dan skema kode dan bisa berubah sesuai dengan kondisi kuat sinyal yang melewati lintasan udara yang ditunjukkan pada Gambar 1 tentang penyebaran modulasi sesuai tingkat energi yang ditransmisikan. Menggunakan indikator feedback terhadap kualitas kanal, perangkat terminal pelanggan subcriber station dapat memberikan informasi kepada base station untuk elakukan pengaturan modulasi dan kuat sinyal yang akan dikirim ke terminal pelanggan atau yang dikenal dengan modulasi downlink. Untuk uplink, base base station dapat melakukan estimasi kualitas kanal berdasarkan sensitivitas sinyal yang diterima dari terminal pelanggan. Base station dapat mengatur jenis modulasi yang diberikan kepada terminal pelanggan sesuai dengan kualitas sinyal yang diterima, kemudian dibandingkan dengan noise pada kanal atau yang disebut SNR (Signal to Noise Ratio). Semakin tinggi nilai SNR maka semakin tinggi orde modulasi yang digunakan sehingga berdampak padakenaikan kecepatan pengiriman data. Standar lapisan fisik wireless MAN-OFDMA, terdapat parameter kebutuhan transmit dan kebutuhan receive. Tabel 1 konstelasi relatif error dibandingkan data rate bisa menjelaskan kebutuhan kuat sinyal per modulasi [4]. Gambar 1. Sebaran modulasi Tabel 2. Relatif konstelasi error vs data rate Bust Type Retatif konstelasi untuk SS (db) Retatif konstelasi untuk BS (db) QPSK-1/ QPSK-3/ QAM-1/2-20,5-20,5 16QAM-3/ QAM-1/ QAM-2/ QAM-3/ Tabel 3. Kebutuhan sensitifitas sinyal SNR (db) QPSK-1/2 2,9 QPSK-3/4 6,3 16QAM-1/2 8,6 16QAM-3/4 12,7 64QAM-1/2 13,8 64QAM-2/3 16,9 64QAM-3/4 18,0 64QAM- 19,9 Semakin tinggi orde modulasi yang digunakan maka diperlukan signal to noise ratio lebih tinggi. Keunggulan dari WiMAX yang telah dilengkapi dengan adaptive modulasi yang ditentukan berdasarkan SNR, sehingga pelanggan dapat terlayani walaupun kekuatan sinyal Vol. 4 No. 2

3 75 berubah-ubah dan dapat disesuaikan dengan modulasi yang digunakan. Tabel 3 memberikan acuan nilai Signal to Noise Ratio (SNR) per modulasi pada adaptif modulasi. Adaptif modulasi dapat digunakan sebagai acuan rancangan penentuan kualitas layanan. Dalam radio frekuensi planning, model best signal serve ditentukan dari cakupan wilayah terhadap modulasi, begitu pula best serving sector dilihat berdasarkan cakupan wilayah berdasarkan modulasi yang diterima oleh pelanggan. Sebagai bahan pengingat, bahwa yang menentukan kecepatan transfer data adalah jenis modulasi yang digunakan, semakin tinggi order modulasi maka semakin tinggi kecepatan transfer datanya. III. METODE PENELITIAN Dalam metode penelitian ini yang menjadi objek adalah ketersediaan spektrum frekuensi dan parameter teknis penentu konfigurasi sistem yang didapat dari rekomendasi sistem profile wimax forum. Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2. Persiapan: 1. Studi literatur Pengumpulan data: 1. Profile dan fiture base station mobile wimax 2. Profile dan fiture subcriber station mobile WiMAX Pembuatan / Perumusan model perhitungan berdasarkan rekomendasi wimax forum Pengolahan data : 1. Input : Parameter teknis mobile wimax 2. Output : Estimasi sektoral base station Pembahasan & Analisa - Bila channel bandwidth yang digunakan adalah kelipatan 1,75, maka sampling factor adalah 8/7 - Bila channel bandwidth yang digunakan adalah kelipatan 1,25 atau 1,5 atau 2 atau 2,75, maka sampling factor adalah 28/25 - Bila chanel bandwidth yang digunakan tidak spesifik dari kelipatan yang disebutkan dalam sub (a dan b), maka sampling factor yang digunakan adalah 8/7 2. Perhitungan sampling Sampling = Channel Bandwidth x Sampling Factor (4) 3. Perhitungan Frekuensi Sampling (Fsc) Fsc = (5) 4. Perhitungan periode simbol (Tb) Tb = (6) 5. Perhitungan time guard (Tg) Tg = Tb x Tb (7) 6. Perhitungan OFDM Time Symbol (Ts) Ts = Tb + Tg (8) 7. Perhitungan Download Symbol per Frame Download symbol/ frame = (9) 8. Perhitungan over head symbol per frame. Untuk download dikurangi 4 symbol per frame sedangkan untuk upload dikurangi sebanyak 6 symbol per frame dan dibulatkan ke bawah. 9. Untuk analisa menggunakan TDD Rasio, maka nilai overhead dihilangkan kemudian dilakukan pentuan nilai rasio download dan upload. 10. Mendapatkan data Sub-Carries berdasarkan nilai FFT yang digunakan. Tabel 4 menjelaskan nilai subcarrire berdasarkan nilai FFT. Tabel 4 FFT berdasarkan channel bandwidth FFT Dowload Data Sub- Carrier Upload Data Sub- Carrier Kesimpulan & Saran Gambar 2. Metoda Penelitian IV. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Rumus 1. Menentukan nilai sampling factor Nilai sampling factor ditentukan berdasarkan channel bandwidth, dengan ketentuan sebagai berikut : 11. Untuk analisa yang dilengkapi TDD Rasio, maka proses simbol per frame dilakukan sebagai berikut : Download symbol/frame = xtdd Rasio (10) Upload symbol/frame = x TDD Rasio (11) 12. Perhitungan jumlah simbol per detik (symbol per second) (Fs+) F s+ = ( ) () (12) 13. Perhitungan konversi dari symbol per second ke bit per second dilakukan berdasarkan jenis modulasi yang digunakan. Kondisi riil, jenis modulasi sangat

4 76 ditentukan oleh nilai SNR yang diterima. Tabel 5 menjelaskan jumlah simbol berdasarkan modulasi [3]. Tabel 5. Jumlah simbol modulasi Pengulangan (Simbol) 64QAM 6 16QAM 4 QPSK 2 BPSK Perhitungan Bit Rate berdaarkan nilai FEC [3] Bit Rate = data bit per second x FEC (13) b. Hasil Simulasi Perumusan Tabel 6. Analisa tanpa TDD Rasio untuk kapasitas penuh Bandwidth Cyclic PreffixTg (Tb QPSK 1/2 16-QAM 3/4 64-QAM 3/4 () *n) DL UL DL UL DL UL 1/32 1,36 1,32 4,09 3,97 6,13 5,96 1/16 1,32 1,29 3,97 3,86 5,96 5,79 1/8 1,25 1,21 3,74 3,63 5,62 5,44 1/4 1,11 1,08 3,34 3,23 5,01 4,84 FFT : 256 1/2 0,92 0,88 2,76 2,65 4,15 3,97 5 1/32 3 2,56 10,58 7,67 15,88 11,51 1/16 3,38 2,45 10,15 7,34 15,23 11,02 1/8 3,17 2,28 9,50 6,85 14,26 10,28 1/4 2,81 2,01 8,42 6,04 12,64 9,06 FFT : 512 1/2 2,30 1,63 6,91 4,90 10,37 7, /32 7,06 5,26 21,17 15,79 31,75 23,69 1/16 6,77 5,04 20,30 15,12 30,46 22,68 1/8 6,34 4,70 19,01 14,11 28,51 21,17 1/4 5,62 4,14 16,85 12,43 25,27 18,65 FFT : /2 4,61 3,36 13,82 10,08 20,74 15, /32 14,69 11,20 44,06 33,60 66,10 50,40 1/16 14,11 10,75 42,34 32, ,38 1/8 13,39 10,19 40,18 30,58 60,26 45,86 1/4 11,95 9,07 35,86 27,22 53,78 40,82 FFT : /2 9,79 7,39 29,38 22,18 44,06 33,26 Bandwidth Tabel 7. Penggunaan TDD Rasio Cyclic Preffix () Tg (Tb *n) DL UL DL UL DL UL 1/32 5,88 1,38 17,63 4,15 26,44 6,22 1/16 5,76 1,32 17,28 3,97 25,92 5,96 1/8 5,41 1,27 16,24 3,80 24,36 5,70 1/4 4,84 1,09 14,52 3,28 21,77 4,92 FFT : 256 1/2 4,03 0,92 12,10 2,76 18,14 4,15 5 1/32 15,55 2,61 46,66 7,83 69,98 11,75 1/16 15,12 2,61 45,36 7,83 68,04 11,75 1/8 14,26 2,45 42,77 7,34 64,15 11,02 1/4 4,84 1,09 37,58 6,36 56,38 9,55 FFT : 512 1/2 4,03 0,92 31,10 5,39 46,66 8, /32 31,10 5,38 93,31 16,13 139,97 24,19 1/16 30,24 5,38 90,72 16,13 136,08 24,19 1/8 28,51 5,04 85,54 15,12 128,30 22,68 1/4 25,06 4,37 75,17 13,10 112,75 19,66 FFT : /2 20,74 3,70 62,21 11,09 93,31 16,63 20 QPSK 1/2 16-QAM 3/4 64-QAM 3/4 1/32 62,21 11,09 186,62 33,26 279,94 49,90 1/16 60,48 10,75 181,44 32,26 272,16 48,38 1/8 57,02 10,42 171,07 31,25 256,61 46,87 1/4 50,98 9,07 152,93 27,22 229,39 40,82 FFT : /2 42,34 7,73 127,01 23,18 190,51 34,78 Analisa menggunakan kapasitas penuh untuk download dan upload tanpa menggunakan TDD Rasio dihasilkan seperti pada Tabel 6. Tabel UL merupakan bagian opsional dalam penggunaan. Untuk mengadopsi kebutuhan pembagian trafik antara download dan upload maka ditambahkan satu parameter TDD Rasio. Hasil analisa untuk beberapa model modulasi dengan menggunakan rasio 32:15 ditunjukkan pada Tabel 7. c. Pembahasan Dengan keterbatasan sumber daya frekuensi, maka dipelukan analisa yang mendalam untuk dapat memanfaatkan sumberdaya secara maksimal dan efisien. Perbandingan penggunaan channel bandwidth atau lebar kanal per sektor diperlihatkan pada Tabel 8. Tabel 8 Perbandingan antar Channel Bandwidth Lebar kanal per sektor Parameter Aggregate per sektor (Mbps) Jumlah Sektor Kapasitas BTS (Mbps) 26,50 47,88 32,16 - d. Analisa pemilihan kanal 2,5 Ch BW: f2 f3 f Ch BW: 5 Ch BW: 10 2,5 Ch BW: 20 5 f Gambar 2. Penggunaan kanal Ketersediaan hanya 15 spektrum frekuensi, maka dituntut untuk melakukan pemilihan lebar kanal yang sesuai agar dihasilkan sebuah base station yang menghasilkan kapasitas data rate paling efisien. Gambar 2 berikut memberikan penjelasan komperehensif perbandingan beberapa lebar kanal yang tersedia. Berdasarkan Gambar 2, maka yang memungkinkan adalah penggunaan kanal, 5 dan 10. Proses analisa selanjutnya dengan membandingkan data f2 2,5 2,5 Vol. 4 No. 2

5 77 perbandingan kapasitas seperti yang tertera pada Tabel 8, maka penggunaan kanal 5 adalah paling sesuai dan efektif. Penggunaan lebar kanal yang berbeda dalam satu sistem merupakan hal yang tidak direkomendasikan karena akan membuat kesulitan proses radio frequency planning. Nilai standar deviasi untuk tiap modulasi besarnya tidak lebih dari 0,21%. Maksimum deviasi Downlink untuk lebar kanal 5 dan 10 adalah sama sebesar 0,06%. Maksimum deviasi Uplink untuk lebar kanal 5 adalah 0,21% dan untuk 10 sebesar 0,09%. Pada channel bandwidth 5, rata-rata deviasi download sebesar 0,04% dan upload 0,06%. Sedangkan pada channel bandwidth 10, rata-rata deviasi download sebesar 0,02% dan upload sebesar 0,03%. 0.25% 0.20% 0.15% 0.10% 0.05% 0.00% -0.05% QPSK1/2 16 QAM1/2 64 QAM3/4 64 QAM Gambar 3. Analisa perbandingan dengan hasil rekomendasi wimax forum Trend standar deviasi cenderung turun untuk modulasi orde tinggi. Dari Gambar 3 terlihat bahwa nilai deviasi tertinggi terjadi pada orde modulasi terendah QPSK1/2. Hasil perhitungan dapat menunjukkan data lebih detil, karena bisa menunjukkan bilangan desimal tiga digit dibelakang koma. Hasil analisa menunjukkan maksimal deviasi antara perhitungan dan data rekomendasi WiMAX Forum sebesar 0,21% dapat dikatakan nilai tersebut sangat mendekati hasil sebenarnya. VI. KESIMPULAN 5 Downlink 5 Uplink 10 Downlink 10 Uplink Linear (5 Downlink) Linear (5 Uplink) Hasil penelitian ini memberikan kesimpulan : a Dengan ketersediaan lebar frekuensi 15 dan dengan memadukan standarisasi internasional yang direkomendasikan oleh WiMAX forum [5], dimana band 2300 s.d 2400 terletak pada grup kelas 1.B. Pada grup kelas 1.B, ditetapkan hanya dapat menggunakan channel bandwidth 5 dan 10. b Untuk memanfaatkan lebar band frekuensi 15, dari hasil pemetaan pembagian kanal, hanya tiga macam kanal (channel bandwidth) yang memungkinkan untuk digunakan yaitu (, 5 dan 10 ) sedangkan kanal 20 tidak bisa digunakan karena alokasi frekuensi yang digunakan tidak mencukupi. Perhitungan menunjukkan hasil bahwa penggunaan lebar kanal dengan menggunakan total 4 sektor didapatkan aggregate troughput sebesar 26,50 Mbps, bila menggunakan lebar kanal 5 dengan total 3 sektor didapatkan aggregate troughput 47,88 Mbps dan bila menggunakan kanal 10 dengan total 1 sektor maka didapatkan aggregate troughput 32,16 Mbps. Dengan demikian, maka penggunaan lebar kanal 5 adalah paling efisien karena menghasilkan aggregate troughput paling besar. c Hasil perhitungan didapat ketelitian lebih detil karena bisa menunjukkan angka dibelakang koma lebih banyak dari data WiMAX Forum. Penggunaan lebar kanal 5 nilai deviasi aggregate troughput tertinggi terjadi pada modulasi QPSK1/2 Uplink, dimana standar rekomendasi wimax forum adalah 2,28 Mbps sedangkan dalam perhitungan didapatkan 2,285 Mbps sehingga deviasinya sebesar 0,21% hal ini terjadi karena dalam perhitungan dapat dilakukan ketelitian di belakang koma yang lebih besar. Sedangkan pada lebar kanal 10 maksimum deviasi adalah 0,91% pada modulasi QPSK1/2 Uplink dimana nilai rekomendasi wimax forum 4,7 Mbps dan hasil perhitungan sebesar 4,704 Mbps. Penelitian lebih lanjut sangat berpeluang dilakukan, terutama dalam mengoptimalkan pembelajaran melalui simulasi, virtual, mobile, maupun gamification dengan bantuan Internet of Things. DAFTAR PUSTAKA [1] G omeza, Jorge, Juan F. Hueteb, Oscar Hoyosa, Luis Perezc, Daniela Grigorid. Interaction System Based on Internet of Things as Support for Education. The 4th International Conference on Emerging Ubiquitous Systems and Pervasive Networks (EUSPN-2013) [2] International Telecommunication Union. Internet of Things. ITU Internet Reports [3] Sankey M.D., D. Birch and M.W. Gardiner. The impact of multiple representations of content using multimedia on learning outcomes across learning styles and modal preferences. International Journal of Education and Development using Information and Communication Technology (IJEDICT), 2011, Vol. 7, Issue 3, pp Url: [4] Shahin, Ghassan Omar, Diljit Singh, and Teh Ying Wah. An Activity-Level Internet-Based elearning Model For University Level Courses. URL Adress: P28SEARCC_AnActivityLevelInternetBased.pdf [5] Yusuf, Mudasiru Olalere. Information and communication technology and education: Analysing the Nigerian national policy for information technology. International Education Journal, 2005, 6(3), Url: