BAB 2 KONSEP MOBILE WiMAX

BAB 2 KONSEP MOBILE WiMAX 2.1. Pengertian WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) merupakan standar industri yang bertugas menginterkoneksikan berbagai standar teknis yang bersifat global menjadi satu kesatuan. WiMAX dan WiFi dibedakan berdasarkan standar teknik yang bergabung didalamnya. WiFi menggabungkan standar IEEE 802.11 dengan ETSI HiperLAN yang merupakan standar teknis yang cocok untuk keperluan WLAN, sedangkan WiMAX merupakan penggabungan antara standar IEEE 802.16 dengan ETSI HiperMAN. Standar keluaran IEEE banyak digunakan secara luas di daerah asalnya, yaitu Eropa dan sekitarnya. Untuk dapat membuat teknologi ini digunakan secara global, maka diciptakan WiMAX. Standar global yang dipakai di dunia dapat digambarkan sebagai berikut. Gambar 2.1. Standar-standar yang ada dengan spesifikasi yang mendukung komunikasi sampai tingkat MAN disatukan dengan standar WiMAX [9] 5

Kedua standar yang disatukan ini merupakan standar teknis yang memiliki spesifikasi yang sangat cocok untuk menyediakan koneksi berjenis broadband lewat media wireless atau broadband wireless access (BWA). Pada masa mendatang, segala sesuatu yang berhubungan dengan teknologi BWA kemungkinan akan diberi sertifikasi WiMAX. Standar WiMAX dibentuk oleh gabungan industri perangkat wireless dan chip-chip komputer diseluruh dunia. Perusahaan besar ini bergabung dalam suatu forum kerja yang merumuskan standar interkoneksi antar teknologi BWA yang mereka miliki pada produkproduknya. Forum kerja tersebut dikenal dengan nama WiMAX Forum. 2.2. Perkembangan Standar WiMAX Grup IEEE 802.16 dibentuk pada tahun 1998 dengan tujuan mengembangkan standar air-interface untuk broadband wireless. Pada awalnya, grup ini mengembangkan sistem broadband wireless point-to-multipoint dengan sifat koneksi LOS (line of sight) yang beroperasi pada pita frekuensi 10 66 GHz. Pada bulan Desember 2001 standar 802.16 pertama terbentuk, standar tersebut menggunakan single-carrier dan TDM (Time Divison Multiplexing). Grup IEEE 802.16 kemudian membentuk standar 802.16a yang merupakan amandemen dari standar sebelumnya. Standar ini menggunakan teknologi OFDM (Orthogonal Frequency Divison Multiplexing), bekerja pada pita frekuensi 2 11 GHz, dan mendukung aplikasi NLOS (non line of sight). Standar 802.16 terus berkembang sampai akhirnya terbentuk standar IEEE 802.16d atau 802.16-2004 yang menggantikan standar-standar sebelumnya. Standar ini merupakan standar dari WiMAX yang sekarang kita kenal. Standar ini ditujukan untuk aplikasi fixed dan nomadic. Pada bulan Desember 2005, IEEE mengeluarkan standar IEEE 802.16e atau kita kenal dengan Mobile WiMAX yang merupakan amandemen standar sebelumnya untuk mendukung aplikasi mobile. Dan terakhir, pada akhir tahun 2005 disahkan 802.16e atau dikenal dengan nama Mobile WiMAX yang merupakan pengembangan dari standar sebelumnya 6

sehingga dapat mendukung aplikasi portable. Dua standar terakhir merupakan 2 versi utama WiMAX dengan kebutuhan yang berbeda. Tabel 2.1. Karakteristik Standar IEEE 802.16 [1] Deskripsi 802.16 802.16a 802.16d 802.16e Frekuensi 10-66 GHz 2-11 GHz 2-11 GHz 2-6 GHz Topologi LOS, point to Near LOS, point point to multipoint LOS dan NLOS Near LOS Spektrum Licensed Licensed dan Licensed dan Licensed dan Unlicensed Unlicensed Unlicensed (OFDM 256) Modulasi QPSK 16 QAM 64 QAM QPSK 16 QAM 64 QAM BPSK QPSK 16 QAM 64 QAM QPSK 16 QAM 64 QAM Bit Rate Bandwidth kanal Jangkauan 32-134 Mbps pada kanal selebar 28 MHz 20, 25, dan 28 MHz 1,6-4,8 km <75 Mbps pada kanal selebar 20 MHz Dalam range 1,25-20 MHz 4,8-8 km, maksimum 48,27 km 75 Mbps pada kanal selebar 20 MHz < 15 Mbps pada kanal selebar 5 MHz 20, 25, 28 MHz 20, 25, 28 MHz Hingga 50 km Akses Fixed Fixed Fixed 1,6-4,8 km Metropolitan Mobile Roaming Tabel 2.2. Tipe Akses Jaringan WiMAX [5] Berikut ini adalah keunggulan yang dimiliki oleh Mobile WiMAX yang tidak didapat pada versi-versi sebelumnya : 7

Mobilitas Produk 802.16e dikembangkan untuk medukung mobilitas dan handoff pada kecepatan sampai dengan 120 km/jam. Mendukung penghematan daya dan terdapat mode sleep dan idle untuk menghemat umur baterai. Coverage di indoor lebih baik Dengan sub-kanalisasi dan opsi AAS (Adaptive Antenna System), maka 802.16e dapat melayani CPE (Custumer Premise Equipment) indoor, baik fixed maupun mobile, dimana pelanggan lebih sering dalam kondisi NLOS. Fleksibel dalam pengaturan alokasi sumber daya spektrum Sub-kanalisasi juga membawa pada kemampuan jaringan untuk secara cerdas mengalokasikan sumber daya spektrum pada saat dibutuhkan. Sehingga meningkatkan efisiensi spektrum dan meningkatkan throughput. Pilihan variasi perangkat pelanggan Bila outdoor dan indoor CPE, serta laptop PCMCIA card mendominasi pasar 802,16-2004, maka laptop PCMCIA card, mini card, indoor modem, PDA dan telepon akan muncul sebagai CPE pada 802.16e. Hal ini akan membuat diversifikasi layanan dan segmen pasar pengguna. Dengan potensi besar tersebut, perangkat CPE akan menjadi lebih murah. 2.3. Teknologi Mobile WiMAX Mobile WiMAX yang berdasarkan atas standar IEEE 802.16e memungkinkan sistem WiMAX diterapkan pada aplikasi portable dan mobile maupun fixed dan nomadic. Mobile WiMAX memperkenalkan teknologi OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Multiple Access) dan mendukung beberapa fitur lain untuk menyediakan layanan mobile broadband bagi pengguna dalam keadaan bergerak sampai dengan kecepatan 120 km/jam. Fitur-fitur tersebut meliputi : 8

Toleransi pada multipath dan self-interference dengan ortogonalitas sub-kanal, baik untuk DL (downlink) maupun UL (uplink). Scalable Channel Bandwidth dari 1.25 sampai 20 MHz. Time Division Duplex (TDD) memberikan efisiensi yang mendukung trafik asimetris, pertukaran kanal, dan didukung oleh sistem antena yang maju. Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ) memberikan tambahan ketahanan pada cepatnya perubahan kondisi path pada pengguna dengan kecepatan tinggi. Frequency Selective Scheduling dan subkanalisasi dengan beberapa pilihan permutasi, memberikan kemampuan pada Mobile WiMAX untuk mengoptimalkan kualitas koneksi berdasarkan atas kuat sinyal relatif pada setiap pengguna. Power Conservative Management memastikan efisiensi daya baterai pada perangkat mobile dan portable dengan mode sleep dan idle. Network-Optimized Hard Handoff (HHO) menggabungkan fitur-fitur DVB-H, MediaFLO dan 3GPP E-UTRA untuk : 1. Data rate tinggi dan coverage luas menggunakan Single Frequency Network. 2. Pengalokasian sumber daya frekuensi yang fleksibel. 3. Konsumsi daya rendah pada perangkat mobile. 4. Durasi switching kanal yang singkat. Smart Antenna didukung oleh subkanalisasi dan pertukaran kanal memungkinkan penggunaan yang luas dari sistem antena termasuk beamforming, space-time coding dan spatial multiplexing. Fractional Frequency Reuse mengendalikan co-channel interference untuk mendukung pengulangan frekuensi dengan degradasi efisiensi spektrum yang minimal. Pita frekuensi dan bandwidth kanal yang dipilih oleh WiMAX Forum untuk versi awal mencakup mencakup banyak pengalokasian frekuensi yang ada 9

di dunia. Tabel nerikut adalah rangkuman dari profil sistem Mobile WiMAX yang dikeluarkan WiMAX Forum. Pita frekuensi lain, bandwidth kanal dan FDD akan ditinjau untuk profil berikutnya. Tabel 2.3. Profil Sistem release-1 untuk Mobile WiMAX [15] 2.3.1. Gambaran Lapisan Fisik Mobile WiMAX 2.3.1.1.Teknologi OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) merupakan suatu teknik multiplexing yang membagi-bagi bandwidth menjadi beberapa frekuensi sub-carrier. OFDM merupakan bentuk khusus dari multi-carrier modulation (MCM). Dalam sistem OFDM, aliran data input dibagi menjadi beberapa aliran data paralel dengan data rate yang lebih rendah dari data rate sebelumnya (durasi simbol bertambah) dan masing-masing aliran data pararel tersebut dimodulasi dan ditransmisikan melalui sub-carrier terpisah yang saling ortogonal. Karena sinyal OFDM dikirimkan pada beberapa carrier berpita sempit (narrowband) yang saling orthogonal, frequency selective fading terlokalisasi pada sekelompok carrier sehingga relative lebih mudah untuk diekualisasi. Gambar berikut menunjukkan perbandingan antara sinyal OFDM dan sinyal single-carrier, sinyal OFDM dikirimkan secara paralel dan sinyal single-carrier dikirimkan secara serial. 10

Gambar 2.2. Perbandingan Sinyal Single-Carrier dengan Sinyal OFDM [16] Kemampuan untuk mengatasi delay spread, multipath, dan Inter-Symbol Interference (ISI) memungkinkan kita untuk dapat mengirim data rate yang lebih tinggi dan dapat bekerja pada lingkungan NLOS. Sebagai contoh, sangat mudah untuk mengekualisasi satu carrier OFDM dibandingkan dengan mengekualisasi sinyal single carrier dengan bandwidth yang lebih lebar. Gambar 2.3. Perbandingan Sinyal Single Carrier dan Sinyal OFDM di Penerima [16] 11

Dalam sistem OFDM, Cyclic Prefix (CP) memegang peranan penting untuk menjaga keortogonalitasan sub-carrier OFDM pada situasi kanal yang frekuensi selektif. CP adalah deretan bit yang dibentuk dengan menyalin ulang sebagian bit-bit suatu simbol OFDM, kemudian menempatkan bit-bit tersebut di depan simbol tersebut. Dengan adanya tambahan CP ini, sinyal OFDM tidak akan mengalami ISI selama besar delay spread kanal lebih pendek dari durasi CP. ISI hanya akan berpengaruh pada bagian simbol yang berupa CP saja, sedangkan data payload OFDM tidak mengalami distorsi akibat ISI. Gambar 2.4. Penyisipan Cyclic Prefix [14] 2.3.1.2.OFDMA Pada sistem OFDM, sumber daya yang dapat digunakan dibagi dalam domain waktu (simbol OFDM) dan domain frekuensi (sub-carrier). Pada Mobile WiMAX sumber daya waktu dan frekuensi tersebut dapat dibagi lagi menjadi beberapa sub-kanal untuk dialokasikan pada pengguna. Sistem OFDM tersebut disebut OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA adalah skema yang memungkinkan proses multiplexing pada aliran data dari beberapa pengguna ke arah downlink dan uplink sub-kanal. 2.3.1.3.Struktur Simbol OFDMA dan Subkanalisasi Struktur simbol OFDMA terdiri dari tiga tipe sub-carrier seperti ditunjukkan pada gambar: Data sub-carrier, yaitu untuk transmisi data 12

Pilot sub-carrier, yaitu untuk estimasi dan sinkronisasi Null sub-carrier (tidak untuk transmisi); digunakan sebagai guard band dan DC carrier. Gambar2.5. Struktur sub-carrier OFDM [14] Sub-carrier aktif (data dan pilot) dikelompokan ke dalam sub-set dalam sub-carrier yang disebut sub-kanal. Mobile WiMAX mendukung subkanalisasi untuk DL maupun UL. Unit minimum sumber daya frekuensi-waktu dari subkanalisasi adalah satu slot, sama dengan 48 sub-carrier. Pada subkanalisasi terdapat dua macam tipe permutasi sub-carrier, yaitu diversity dan contiguous. Permutasi diversity mengambil sub-carrier secara pseudo-random untuk membentuk sebuah sub-kanal. Permutasi tersebut memberikan diversitas frekuensi dan merata-ratakan inter-cell interference. Yang termasuk dalam jenis permutasi ini adalah DL FUSC (Fully Used Sub-carrier), DL PUSC (Partially Used Sub-carrier), UL PUSC, dan beberapa pilihan permutasi tambahan. Sedangkan permutasi contiguous mengelompokkan subcarrier yang berselahan menjadi sebuah sub-kanal. Yang termasuk dalam jenis permutasi ini adalah DL dan UL AMC (Adaptive Modulation and Coding). Secara umum, permutasi diversity bekerja dengan baik pada aplikasi mobile, sedangkan permutasi contiguous sesuai untuk lingkungan fixed, portable, dan mobilitas rendah. 13

Gambar 2.6. Perbedaan OFDM dan OFDMA [13] Gambar 2.7. UL OFDM dan OFDMA [13] 2.3.1.4.Scalable OFDMA OFDMA yang digunakan pada Mobile WiMAX didasarkan pada konsep dari Scalable OFDMA (S-OFDMA). S-OFDMA mendukung pengalokasian bandwidth yang luas untuk digunakan secara fleksibel sesuai dengan kebutuhan dan persyaratan sistem yang digunakan. Skalabilitas dilakukan dengan menyesuaikan jumlah titik FFT dengan mempertahankan jarak antar sub-carrier sebesar 10.94 khz. Karena bandwidth sub-carrier dan durasi simbol yang digunakan tetap, efek ke lapisan di atasnya menjadi minimal saat sedang 14

menskalakan bandwidth. Dua profil bandwidth sistem yang sedang dikembangkan untuk scalable OFDMA adalah 5 dan 10 MHz. Tabel 2.4. Parameter Scalable OFDMA [14] 2.3.1.5.Struktur Frame TDD Mobile WiMAX mendukung TDD, Full dan Half-Duplex FDD. Pada profil awal Mobile WIMAX hanya terdapat TDD. Pada profil berikutnya akan disertakan FDD untuk memenuhi beberapa kebutuhan pasar spesifik. Untuk mengatasi masalah interferensi TDD membutuhkan sinkronisasi sistem secara luas, tetapi TDD merupakan mode duplexing yang lebih banyak digunakan karena beberapa alasan berikut : TDD mendukung trafik DL/UL asimetrik, sehingga rasio DL/UL dapat diatur secara efisien. Sementara rasio DL/UL pada FDD tetap, bandwidth DL sama dengan bandwidth UL. TDD menjamin pertukaran kanal sehingga dapat mendukung link adaptation, MIMO (Multiple Input Multiple Output), dan teknologi antena close loop lainnya. Tidak seperti FDD yang membutuhkan sepasang kanal, TDD hanya membutuhkan satu kanal untuk DL maupun UL sehingga lebih fleksibel dan dapat beradaptasi pada pengalokasian spektrum global yang bervariasi. Implementasi tranceiver untuk TDD lebih sederhana dan murah. 15

Gambar berikut ini adalah gambar struktur frame OFDM untuk implementasi TDD. Setiap frame dibagi kedalam DL dan UL sub-frame yang dipisahkan oleh Transmit/Receive dan Receive/Transmit Transtition Gaps (TTG dan RTG) untuk menghindari tabrakan transmisi. Gambar 2.8. Struktur Frame OFDMA WiMAX [14] 2.3.1.6.Fitur Lapisan Fisik Lainnya Adaptive Modulation and Coding (AMC), Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ), dan Fast Channel Feedback (CQICH) juga diperkenalkan pada Mobile WiMAX untuk meningkatkan coverage dan kapasitas. QPSK, 16QAM, dan 64 QAM adalah format modulasi yang harus ada pada arah DL. Sedangkan pada arah UL, 64QAM menjadi format modulasi opsional. Mobile WiMAX medukung Convolutional Code (CC) maupun Convolutional Turbo Code (CTC) dengan berbagai pilihan code rate dan repetition coding serta Code dan Low Density Parity Check Code (LDPC) sebagai fitur opsional. Tabel berikut berisi skema coding dan modulasi yang digunakan pada profil Mobile WiMAX. Kode dan modulasi opsional untuk UL ditunjukkan dengan tulisan miring. 16

Tabel 2.5. Kode dan Modulasi pada Mobile WiMAX [14] Kombinasi antara modulasi dan code rate menghasilkan resolusi data rate yang optimal, seperti ditunjukkan pada tabel berikut. Tulisan yang ditandai menunjukkan data rate untuk pilihan opsional 64QAM pada arah UL. Tabel 2.6. Data Rate Mobile WiMAX pada Sub-kanal PUSC [14] 2.3.2. Manajemen Mobilitas Daya tahan baterai dan handoff adalah dua masalah utama dalam aplikasi mobile. Mobile WiMAX mendukung Sleep Mode dan Idle Mode untuk efisiensi 17

daya pada MS (Mobile Station). Mobile WiMAX juga mendukung handoff dimana MS dapat berpindah base station pada kecepatan kendaraan tanpa mengganggu koneksi. 2.3.2.1.Manajemen Daya Mobile WiMAX mendukung dua mode untuk operasi efisiensi daya, yaitu Sleep Mode dan Idle Mode. Sleep Mode adalah keadaan atau periode dimana kehadiran MS menjadi tidak terdeteksi oleh base station yang melayaninya. Sleep Mode ini bertujuan untuk meminimalisasi penggunaan daya pada MS dan untuk meminimalisasi penggunaan sumber daya kanal. Sleep mode juga menyediakan fleksibilitas pada MS untuk memeriksa informasi dari base station lain untuk mendukung proses handoff selama Sleep Mode. Idle mode menyediakan mekanisme pada MS untuk secara periodik menerima trafik broadcast tanpa regristrasi pada base station tertentu. Idle Mode memberikan keuntungan pada MS dengan menghilangkan proses handoff dan operasi lainnya. Idle Mode juga memberikan keuntungan pada base station dengan mengurangi sumber daya kanal untuk proses handoff untuk MS yang tidak aktif sementara base station tetap menyediakan metoda yang sederhana untuk memberitahukan MS mengenai trafik DL yang tertunda. 2.3.2.2.Handoff Pada Mobile WiMAX terdapat tiga metoda handoff, yaitu Hard Handoff (HHO), Fast Base Station Switching (FBSS), dan Macro Diversity Handoff (MDHO). Dari ketiga metode tersebut, HHO merupakan metoda wajib, sedangkan FBSS dan MDHO merupakan metoda opsional. WiMAX Forum telah mengembangkan beberapa teknik untuk optimalisasi hard handoff pada Mobile WIMAX. Pengembangan tersebut dilakukan dengan tetap menjaga delay handoff kurang dari 50 milidetik. 18

2.3.3. Keamanan Kemanan merupakan salah satu masalah utama dalam komunikasi wireless, Mobile WiMAX mendukung fitur kemanan terbaik yang ada saat ini untuk menghadapi masalah keamanan tersebut. Aspek-aspek kemanan yang digunakan adalah autentifikasi perangkat/pengguna, key management protocol yang fleksibel, enkripsi trafik, proteksi informasi plane kontrol dan manajemen, dan optimalisasi protokol keamanan dalam proses fast handover. 2.3.4. Teknologi Smart Antenna Tenologi smart antenna melibatkan operasi vektor dan matriks yang rumit pada sinyal karena penggunaan multiple antenna. OFDMA membuat operasi smart antenna dapat bekerja dengan baik pada flat-vector sub-carrier sehingga tidak diperlukan proses ekualisasi yang rumit untuk mengkompensasi frequency selective fading. Penggunaan OFDMA sangatlah sesuai dengan teknologi smart antenna dan penggunaan MIMO-OFDM/OFDMA ini menjadi landasan untuk sebuah generasi baru dalam teknologi sistem komunikasi broadband. Mobile WiMAX memanfaatkan teknologi smart antenna secara luas untuk meningkatkan kinerja sistem. Teknologi-teknologi smart antenna yang digunakan adalah : Beamforming : membantu meningkatkan coverage, kapasitas dan megurangi error pada sistem multiple antenna. Space-Time Code (STC) : teknik diversitas seperti kode Alamouti didukung untuk menyediakan diversitas spasial dan mengurangi fade margin. Spatial Multiplexing (SM) : teknik multiplexing spasial didukung untuk meningkatkan data rate dan throughput. Dengan multiplexing spasial, beberada aliran data dapat dikirimkan melalui multiple antenna. Jika penerima juga menggunakan multiple antenna, aliran yang berbeda-beda tersebut dapat dipisahkan untuk memperoleh throughput yang lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan single antenna. 19

2.3.5. Pengulangan Frekuensi Fraksional Mobile WiMAX mendukung satu pengulangan frekuensi dimana semua sel atau sektor menggunakan kanal frekuensi yang sama untuk meningkatkan efisiensi spektral. Dengan pengulangan frekuensi tersebut, pengguna yang berada pada ujung sel akan mengalami penurunan kualitas koneksi sebagai akibat dari co-channel interference (CCI). Dalam Mobile WiMAX, pengguna menggunakan sub-kanal, dimana hanya menempati sebagian kecil dari bandwidth kanal. Dengan subkanalisasi, masalah tersebut dapat dengan mudah diatasi dengan mengkonfigurasikan penggunaan sub-kanal pada ujung sel. Gambar 2.9. Pengulangan Frekuensi Fraksional [14] 2.4. Alokasi Frekuensi Mobile WiMAX Untuk mendapatkan berbagai keuntungan yang dihadirkan oleh Mobile WiMAX dibutuhkan alokasi blok spektrum yang besar. Dengan alokasi blok spektrum yang besar sistem dapat dibangun dalam mode TDD dengan bandwidth kanal yang besar, pengulangan frekuensi yang fleksibel dan dengan minimal inefisiensi untuk guard-band untuk menghindari adjacent interference. Salah satu kegiatan utama yang dilakukan oleh WiMAX Forum adalah meggabungkan standar dan badan regulasi yang ada di seluruh dunia agar dapat menggunakan frekuensi rendah (< 6 GHz). Harmonisasi alokasi frekuensi juga akan meminimalisasi jenis perangkat untuk dapat memenuhi kebutuhan pasar secara luas. 20

Profil sistem awal yang dikembangkan oleh WiMAX forum akan menggunakan frekuensi kerja 2.3 GHz, 2,5 GHz, 3.3 GHz, dan 3.5 GHz. Frekuensi kerja 2.3 GHz sudah digunakan oleh layanan WiBro di Korea Selatan, teknologi ini didasarkan pada teknologi Mobile WiMAX. Dengan alokasi bandwidth 27 MHz untuk setiap operator, bandwidth frekuensi tersebut dapat mendukung pengembangan TDD dengan 3 kanal per base station dengan masingmasing bandwidth sebesar 8.75 MHz. Frekuensi 2.5 dan 2.7 GHz sudah dapat digunakan untuk layanan wireless mobile dan fixed di US. Frekuensi ini juga tidak digunakan dan berpotensial untuk digunakan di beberapa negara di Amerika Selatan, Eropa, dan Asia Pasifik. Frekuensi 3.3 GHz dan 3.5 GHz sudah dialokasikan untuk layanan wireless fixed di beberapa negara di dunia dan juga sesuai untuk layanan WiMAX fixed dam mobile. Di Indonesia sendiri baru sampai pada tahap perencanaan alokasi frekuensi WiMAX. Frekuensi yang diperkirakan digunakan untuk WiMAX adalah 2.3 GHz dan 5.8 GHz. Frekuensi 2.5 GHz dan 3.5 GHz sudah digunakan untuk layanan satelit. Untuk Mobile WiMAX sendiri tampaknya masih sangat jauh untuk direalisasikan. 21