BAB II DASAR TEORI 2. 1 Teknologi Radio Over Fiber Teknologi ROF adalah sebuah teknologi dimana sinyal microwave (elektrik) didistribusikan oleh komponen dan teknik optik [8]. Sistem ROF terdiri dari CU dan RAU yang dihubungkan oleh hubungan atau jaringan fiber optik. Pada aplikasi WLAN, CU merupakan headend sedangkan Radio Access Point (RAP) berperan sebagai RAU. Frekuensi sinyal radio yang didistribusikan oleh sistem ROF membentang pada range yang lebar dan tergantung pada aplikasi dan penggunaan. Sistem ROF biasanya digunakan sebagai media transportasi sinyal microwave dan untuk mendapatkan fungsi mobilitas pada CS. Sinyal microwave yang termodulasi merupakan input pada sinyal ROF, yang secara berurutan dikirimkan pada jarak yang sangat jauh ke RS dalam bentuk sinyal-sinyal optik. Pada RS sinyal microwave dibangkitkan kembali dan dipancarkan oleh antena. Sistem ROF sekarang ini, dirancang untuk menampilkan fungsi-fungsi sistem radio disamping fungsi transportasi dan mobilitas. Fungsi tersebut mencakup modulasi data, pemprosesan sinyal dan frequency conversion. Sinyal elektrik digunakan untuk memodulasi sumber optik. Hasilnya, sinyal optik dibawa menggunakan hubungan fiber optik ke remote station. Disini, data diubah kembali menjadi bentuk elektrik oleh fotodetektor. Pada sistem komunikasi RF, informasi baseband dimodulasi pada frekuensi carrier yang tepat. Baik skema modulasi dan frekuensi carrier diilustrasikan pada Gambar 2.1 [8]. Tujuan dari hubungan ROF adalah menyediakan kanal komunikasi dengan distorsi rendah untuk sinyal radio jarak jauh. 7
Gambar 2.1 Skema sistem Radio Over Fiber [8] 2.1.1 Kelebihan Sistem Radio Over Fiber Teknologi ROF memiliki beberapa keuntungan seperti mengurangi konsumsi daya, bandwidth lebar yang memungkinkan multipleksi beberapa kanal radio, kebal terhadap interferensi elektromagnetik, karena sinyal dikirimkan dalam bentuk cahaya melalui fiber, memiliki kemampuan untuk mengalokasikan kapsitas secara dinamis. Fiber optik menawarkan bandwidth yang sangat besar. Ada tiga transmisi window utama, menawarkan redaman rendah yaitu pada panjang gelombang 850nm,1310nm dan 1550nm. Untuk fiber optic single SMF, bandwidth gabungan dari ketiga window melebihi 50 THz. Namun, pada kebutuhan komersial sekarang ini hanya menggunakan sedikit dari kapasitas tersebut (1,6 THz). Tetapi, pengembangan untuk mengeksploitasi kapasitas optik per single fiber masih tetap berlanjut [9]. 2.1.2 Aplikasi Radio Over Fiber pada WLAN IEEE 802.11g WLAN sebenarnya hampir sama dengan jaringan LAN, akan tetapi setiap node pada WLAN menggunakan wireless device untuk berhubungan dengan jaringan. Node pada WLAN menggunakan channel frekuensi yang sama dan SSID (Service set identifier) yang menunjukkan identitas dari wireless device. Tidak seperti jaringan kabel, jaringan wireless memiliki dua mode yang dapat 8
digunakan : infrastruktur dan Ad-Hoc [10]. Konfigurasi infrastruktur adalah komunikasi antar masing-masing PC melalui sebuah access point pada WLAN atau LAN. Komunikasi Ad-Hoc adalah komunikasi secara langsung antara masing-masing komputer dengan menggunakan piranti wireless. Penggunaan kedua mode ini tergantung dari kebutuhan untuk berbagi data atau kebutuhan yang lain dengan jaringan berkabel. IEEE 802.11 merupakan generasi ketiga dari Wireless LAN. Bekerja pada 2,4 GHz. Skema modulasi yang digunakan IEEE 802.11g adalah orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) dengan data rate dari 3, 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s dan berbalik pada CCK untuk 5,5 dan 11 Mbit/s dan DBPSK/DQPSK+DSSS untuk 1 dan 2 Mbit/s. Walaupun 802.11g bekerja pada frekuensi yang sama dengan 802.11b namun memiliki data rate yang lebih tinggi karena merupakan turunan dari 802.11a. [3] Jaringan 802.11g mempunyai cakupan yang sama seperti 802.11b. 802.11b menggunakan modulasi CCK, sementara 802.11g menggunakan modulasi CCK untuk backward compatibility dan modulasi OFDM untuk mendapatkan throughput yang lebih baik. Standar 802.11a juga menggunakan modulasi OFDM, namun lebih banyak sinyal yang hilang ketika menjalar pada objek, hal ini disebabkan penggunaan frekuensi yang lebih tinggi. Gambar 2.2. Cakupan 802.11 [4] 9
2. 2 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) merupakan teknik modulasi untuk komunikasi wireless broadband karena tahan melawan frekuensi selective fading dan interferensi narrowband serta efisien menghadapi multi-path delay spread. Untuk mencapai hal tersebut, OFDM membagi aliran data high-rate mejadi aliran rate yang lebih rendah, yang kemudian dikirimkan secara bersama pada beberapa subcarrier [8]. Dengan melakukan hal tersebut, durasi simbol meningkat. Keuntungan dari hal tersebut adalah jumlah dispersi waktu yang disebabkan oleh multi-path delay spread menurun secara signifikan. Selain itu, pengenalan guard time pada setiap simbol OFDM meneliminasi Inter-Simbol Interference (ISI). Pada guard time, siklus simbol OFDM diperpanjang untuk mengurangi Inter-Carrier Interference (ICI). OFDM dapat dianggap baik sebagai multiplexing maupun metode modulasi. Seperti yang telah dijelaskan di atas, OFDM menggunakan subcarrier yang banyak untuk mengirimkan aliran data low rate secara paralel. Subcarrier dimodulasikan sendiri dengan menggunakan Phase Shift Keying (PSK) atau Quadrature Amplitude Modulation (QAM) dan dibawa pada microwave carrier berfrekuensi tinggi (5 GHz). Hal ini sama dengan Frequency Division Multiplexing (FDM) konvensional atau Subcarrier Multiplexing, kecuali untuk kebutuhan ke-orthogonal-an antara setiap subcarrier. Subcarrier secara orthogonal dapat dilihat dengan dua cara, dalam domain waktu dan frekuensi. Pada domain waktu, setiap subcarrier harus berupa bilangan integer dari siklus selama tiap interval (durasi) simbol OFDM. Dengan kata lain, jumlah siklus antara subcarrier berbeda yang bersebelahan berbeda seperti diilustrasikan gambar 2.3a. Pada domain frekuensi, spectra amplituda dari masing-masing subcarrier (baik modulasi PSK maupun QAM) overlap seperti diilustrasikan gambar 2.3b [11]. Bagaimanapun, pada setiap spektrum subcarrier dalam keadaan maksimum, spectra subcarrier lainnya berada pada nol. Penerima OFDM 10
menghitung nilai spektrum pada titik maksimum dari masing-masing subcarrier, hal ini dapat memulihkan setiap subcarrier tanpa interferensi ICI dari subcarrier lainnya. Gambar 2.3 Simbol OFDM a) tiga subcarrier orthogonal dalam satu; b )spectrum 3 OFDM subcarrier [11] Dasar sinyal OFDM dibentuk IFFT, penambahan cyclic extension dan menampilkan windowing untuk mendapatkan roll off yang lebih curam. Pada penerima, subcarrier dimodulasi dengan menggunakan FFT. Jika dibandingkan dengan sistem modulasi single carrier, OFDM lebih sensitif terhadap frekuensi offset dan noise fasa. 2.2.1 Transformasi Fourier Diskrit (TFD) Transformasi Fourier Diskrit (TFD) atau Discrete Fourier Transform (DFT) merupakan alat untuk menganalisis dan merancang sistem. Pada banyak situasi, analisis domain frekuensi dari sinyal waktu diskrit dan sistem menyediakan pengertian mengenai karakteristiknya yang tidak mudah ditetapkan oleh domain waktu. TFD merupakan versi diskrit dari transformasi Fourier waktu diskrit (TFWD); dimana TFWD merupakan sebuah fungsi dari variabel frekuensi kontinyu, sedangkan TFD adalah sebuah fungsi dari variabel frekuensi diskrit. TFD sangat berguna karena lebih bertanggungjawab terhadap implementasi digital. N pada persamaan dibawah merupakan panjang rangkaian x(n) terbatas [13] (2.4) 11
dapat dengan jelas dilihat pada persamaan (2.4), bahwa TFD merupakan versi sederhana dari TFWD. dimana (2.5) (2.6) TFD mempunyai transformasi balikan yang disebut Inverse TFD atau Inverse Discreate Fourier Transform (IDFT), dimana IDFT menyediakan pemulihan kembali panjang rangkaian x(n), terbatas menggunakan hubungan berikut, (2.7) dengan mempertimbangkan TFD dari sinyal waktu diskrit. Ketika membentuk blok dasar untuk membangkitkan sinyal-sinyal yang lebih kompleks. Dengan menggunakan persamaan 2.8, TFD dari sampel unit δ(n) menjadi, (2.8) (2.9) Menggunakan definisi dari unit step yang diberikan oleh persamaan (2.10), DFT menjadi, (2.10) (2.11) Hasil dari persaman di atas mengikuti aturan, dengan pengecualian n = 0, setiap eksponensial kompleks menjumlahkan pada nol pada perioda sampel dari panjang N. Akhirnya TFD dari eksponensial kompleks didapatkan dengan, (2.12) 12
2.2.1.1 FFT dan IFFT Sistem pengirim OFDM, data dibagi dalam domain frekuensi dan IFFT digunakan untuk memodulasi data menjadi domain waktu. Pada penerima, FFT digunakan untuk memulihkan data original. FFT mengijinkan sebuah implementasi yang efisien dari modulasi data menjadi multiple carrier. Sehubungan kesamaan antara forward dan reverse transform, rangkaian yang sama, dengan sedikit modifikasi, dapat digunakan baik sebagai modulasi dan demodulasi pada transceiver. Gambar 2.6 menunjukan blok diagram operasi IFFT/FFT dari pengirim dan penerima OFDM. Gambar 2.4 Skema IFFT/FFT [14] 2.2.2 Guard Interval Ke-orthogonalitasan subchannel OFDM dapat diperbaiki dan masingmasing dapat dipisahkan oleh FFT pada penerima ketika tidak ada ISI dan ICI ditunjukan oleh distorsi transmisi channel. Pada kenyataannya hal ini tidak dapat diperoleh. Distorsi linier seperti multipath menyebabkan setiap channel menyebarkan energi pada channel yang bersebelahan dan konsekuensinya menyebabkan ISI. Solusi sederhananya adalah dengan meningkatkan durasi simbol atau jumlah carrier sehingga distorsi menjadi tidak signifikan [8]. Bagaimanapun, metode ini sulit diimplementasikan berkenaan dengan kestabilan carrier, pergeseran Doppler, ukuran dan OFDM latency. Satu cara untuk mencegah ISI adalah membuat sebuah guard interval yang lebar secara siklus, dimana setiap simbol OFDM diawali oleh ekstensi periodik dari sinyal itu sendiri. Gambar 2.7 menunjukan guard interval dengan simbol. Jumlah durasi simbol adalah T Total =T g +T, dimana T g adalah guard interval dan T 13
adalah durasi simbol yang sebenarnya. Ketika guard interval lebih lebar daripada respon impuls channel, atau delay multipath, ISI dapat dieliminasi. Ratio guard interval terhadap durasi simbol yang sebenarnya tergantung pada aplikasi. Ketika penggunaan guard interval akan mereduksi throughput data, T g biasanya lebih kecil dari T/4. Gambar 2.5 Guard Interval [8] 2.2.3 Kelebihan dan Kekurangan OFDM OFDM mempunyai beberapa keuntungan seperti data rate yang tinggi pada kanal mobile wireless dan dapat diimplementasikan dengan mudah dengan operasi IFFT dan FFT. Bagaimanapun OFDM merupakan teknik modulasi yang efisien secara spektral dan dapat menangani frequency selective channel juga inter symbol interference (ISI). Walaupun OFDM mempunyai banyak keuntungan namun OFDM juga mempunyai kekurangan. Kekurangan paling jelas adalah kompleksitas, dimana OFDM adalah modulasi multicarrier yang lebih rumit daripada modulasi single carrier, selain itu OFDM membutuhkan lebih banyak linier power amplifier [8]. 2. 3 Modulasi Digital Binary Phase Shift Keying (BPSK) Pengembangan sistem komunikasi menghadapi beberapa kendala, seperti ketersediaan bandwidth, konsumsi daya dan level noise sistem. Modulasi digital menyediakan lebih banyak kapasitas informasi, kenyamanan jasa data digital, keamanan data lebih tinggi, kualitas komunikasi yang lebih baik dan ketersediaan sistem yang cepat. Dewasa ini terjadi transisi yang terjadi antara modulasi analog yang sederhana seperti Amplitudo Modulasi (AM) dan Frekuensi/Phasa Modulasi (FM/PM) menjadi teknik modulasi digital seperti M-Amplitude Shift Keying (M- 14
ASK), M-Phase Shift Keying (M-PSK), M-Frequency Shift keying (M-FSK) dan Quarature Amplitude Modulation (QAM) [10]. M-Phase Shift Keying (M-PSK) merupakan suatu bentuk modulasi dengan cara mengubah fasa dari frekuensi pembawa sesuai dengan informasi yang berupa data biner. Sinyal BPSK (Binary Phase Shift keying) dapat dinyatakan oleh dua buah sinyal dengan fasa berbeda. Level bit 1 diyatakan oleh sinyal dengan fasa 0 sedangkan level bit 0 dinyatakan oleh sinyal degan fasa 180. Jenis modulasi Phase Shift Keying (PSK) lebih sering dipakai pada transmisi digital jika dibandingkan dengan jenis modulasi yang lain, karena kelebihannya dalam performansi interferensinya yang lebih baik [15]. Diagram blok BPSK ditunjukan pada Gambar 2.6. Gambar 2.6 Blok Diagram BPSK [15] Jadi pada modulasi BPSK informasi yang dibawa akan mengubah fasa sinyal pembawa. Proses pembentukan sinyal BPSK dapat dinyatakan pada Gambar 2.7. Gambar 2. 7 Bentuk sinyal BPSK [11] 15
Pada sistem binary phase shift keying, sepasang sinyal S 0 (t) dan S 1 (t) digunakan untuk mewakili simbol biner 1 dan 0, hal tersebut di dapatkan dari (2.13) (2.14) dimana dan E b adalah energy sinyal yang dipancarkan per bit. 2. 4 Pemodelan Kanal Radio AWGN [7] Kanal AWGN adalah kanal ideal yang hanya memiliki noise AWGN (additive white Gaussian noise) didalamnya. Kanal ideal berarti kanal ini tidak menyebabkan distorsi pada sinyal yang dikirim, artinya kanal ideal memiliki bandwidth yang tidak terbatas dan respon frekuensi tetap untuk segala frekuensi. Kanal AWGN dapat diperjelas oleh Gambar 2.8. DATA TERKIRIM KANAL IDEAL DATA TERIMA + NOISE OUTPUT NOISE Gambar 2.8 Skema Kanal AWGN Noise AWGN adalah noise yang pasti terjadi dalam jaringan wireless manapun, memiliki sifat-sifat additive, white dan Gaussian, sifat additive artinya noise ini dijumlahkan dengan sinyal, sifat white artinya noise tidak tergantung dari frekwensi operasi sistem dan memiliki rapat daya yang konstan, dan sifat Gaussian artinya bersarnya tegangan noise meniliki rapat peluang terdistribusi Gaussian. Pengkanalan ini sangat erat hubungannya dengan Signal to noise ratio (SNR), dimana SNR mengukur seberapa besar daya noise mengganggu daya sinyal. [20] 16
(2-15) Dimana P merupakan daya rata-rata. Baik daya sinyal maupun noise harus diukur pada titik yang sama pada sistem dan antara bandwidth sistem yang sama. Jika sinyal dan noise diukur pada impedansi yang sama, kemudian SNR didapatkan dengan menghitung kuadrat dari rasio amplitudo [20] (2-16) Dimana A merupakan Amplitudo RMS (root mean Square). Dikarenakan banyak sinyal mempunyai dynamic range yang sangat lebar, SNR biasanya di ekspresikan dengan skala logarithmic decibel [20] (2-17) 17