PERENCANAAN FEMTOCELL 4G LTE 1800MHz STUDI KASUS GEDUNG BARU ST3 TELKOM PURWOKERTO Fitri Kemala Utami Program Studi Diploma III Teknik Telekomunikasi Sekolah TInggi Teknologi Telematika Telkom Purwokerto 13201015@st3telkom.ac.id Alfin Hikmaturokhman Program Studi Sarjana Teknik Telekomunikasi Sekolah TInggi Teknologi Telematika Telkom Purwokerto alfin@st3telkom.ac.id Abstract, Keunggulan dari LTE di banding teknologi sebelumnya ialah kecepaatan akses data, coverage dan kapasitas layanan lebih besar. Ketika teknologi 4G berhasil diterapkan, pancaran sinyal dari enodeb akan menyebar dan masuk pada tiap gedung yang berada disekitar enodeb tersebut. Namun sinyal yang dipancarkan dari enodeb akan teredam oleh material bangunan pada gedung dan mengakibatkan sinyal dari enodeb terdekat tidak dapat menembus bangunan tersebut yang mengakibatkan pengguna telepon selular di dalam gedung tidak mendapatkan sinyal dengan baik. Berdasarkan hal tersebut Peneliti terdorong untuk membuat perancangan jaringan indoor 4G LTE dengan frekuensi 1800 MHz pada gedung ST3 Telkom Purwokerto. Dengan harapan dapat meningkatkan kualitas sinyal yang baik didalam gedung secara merata. Berdasarkan perancangan kapasitas, untuk dapat mencakup 475 orang pelanggan maka dibutuhkan 6 buah FAP. Sedangkan berdasarkan perancangan cakupan, untuk dapat mencakup gedung dengan luas 792 m2 maka dibutuhkan 12 FAP. Jumlah FAP sebanyak 6, 8, 10 dan 12 FAP akan dibandingkan untuk mengetahui jumlah FAP yang paling tepat berdasarkan skenario peletakan antena. Setelah mandapatkan jumlah FAP yang tepat, skenario pemilihan antena isotropic dan dipole akan digunakan untuk memilih jenis antena yang memiliki nilai RSRP dan SIR terbaik. Banyaknya jumlah FAP yang tepat ialah 12 FAP dengan posisi peletakan pada bagian tengah ruangan (skenario a2) dan menggunakan antena isotropic (skenario b1). Sehingga memperoleh nilai parameter RSRP sebesar -31.04 dbm dan SIR sebesar 1.82 db. Kata Kunci : Long Term Evolution (LTE), Indoor Building System (IBS), Femtocell I. PENDAHULUAN Untuk memperbaiki kualitas sinyal didalam gedung tersebut, perlu dibangun perancangan jaringan Long Term Evolution (LTE), Yang mana Teknologi (LTE) merupakan pengembangan dari teknologi sebelumnya, yaitu UMTS (3G) dan HSDPA (3.5) dengan kecepatan akses data saat uplink 100 Mbps pada sisi downlink 50Mbps. Keunggunalan dari LTE di banding teknologi sebelumnya ialah kecepaatan akses data, coverage dan kapasitas layanan lebih besar. Agar pengguna telepon selular didalam gedung dapat menikmati layanan komunikasi 4G LTE dengan maksimal perlu adanya penerapan in building coverage system, yang merupakan suatu sistem dengan perangkat pemancar dan peneriman dipasang didalam gedung yang bertujuan memperbaiki kualitas sinyal, memperluas coverage area, maupun kapasitas trafiknya. Perancangan jaringan 4G LTE ini disimulasikan menggunakan software Radio Propagation Simulator (RPS 5.4). Radio propagation simulator merupakan perangkat lunak yang dapat digunakan di desktop PC yang berfungsi untuk membuat simulasi pemasangan Femtocell Access Point (FAP) dan coverage area yang di jangkauan FAP tersebut. Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan tersebut, Peneliti mengambil topik Penelitian mengenai PERENCANAAN JARINGAN FEMTOCELL 4G LTE FREKUENSI 1800 MHz STUDI KASUS GEDUNG BARU ST3 TELKOM PURWOKERTO. II. DASAR TEORI A. Teknologi LTE[1] Long Term Evolution (LTE) merupakan suatu perkembangan dari jaringan sebelumnya yaitu dimulai dari teknologi GSM/GPRS/ EDGE (2G), dan UMTS/HSPA (3G). Tabel 1 Evolusi Teknologi Selular [1] WCDMA (UMTS) HSDPA/ HSUPA HSPA+ LTE Downlink Max Speed (bps) 384 kbps 14 Mbps 28 Mbps 100 Mbps Uplink Max Speed (bps) 128 kbps 5.7 Mbps 11 Mbps 50 Mbps Latency RTT 150ms 100ms 50ms (max) ~10ms 3GPP Release Rel 99/4 Rel 5/6 Rel 7 Rel 8 B. Multiple Access pada LTE Multiple access merupakan suatu teknik yang memungkinkan suatu titik (Base Station) untuk dapat diakses oleh beberapa titik yang saling berjauhan (Subscriber Station)
dengan tidak saling mengganggu. LTE menerapkan 2 multiple access pada saat upink dan downlink. Gambar 1 Proses Uplink dan Downlink pada LTE [2] C. Teknik Duplex Komunikasi full duplex merupakan kemampuan jaringan untuk melakukan komunikasi dalam dua arah secara simultan. Frequency Division Duplex (FDD) merupakan pentransmisian komunikasi secara uplink dan downlink menggunakan frekuensi yang berbeda. Jarak antara frekuensi uplink dan downlink disebut dengan duplex distance. Sedangkan Time Division Duplex (TDD) merupakan pentransmisian komunikasi secara uplink dan downlink menggunakan frekuensi yang sama dalam waktu yang berbeda. [3] Gambar 2 Perbandingan TDD dan FDD [4] D. Adaptive Modulation and Coding AMC merupakan salah satu teknologi pendukung pada LTE yang digunakan untuk menentukan skema coding dan modulasi yang akan digunakan. Gambar 3 Adaptive Modulation Coding (AMC) [4] Adaptive Modulation and Coding (AMC) terdiri dari 2 Komponen penting yakni skema modulasi dan code rate. Code rate Pemilihan code rate berdasarkan pada kondisi kanal, pada saat kondisi kanal buruk, digunakan code rate yang kecil dan pada saat kondisi kanal baik dapat digunakan code rate yang besar. [4] E. In-Door Building solution [5] IBS berfungsi mengatasi blankspot didalam cakupan area suatu sel, meng-cover daerah yang sulit diinstalasi BTS, memperluas area cakupan sel, dan mengatasi user yang padat didalam gedung. Macam macam IBS Dedicated BTS, Dedicated BTS merupakan perancangan yang menempatkan BTS dalam ruangan. Dedicated BTS digolongkan dalam dua jenis yaitu : 1. Picocell Perancangan dengan menempatkan suatu antena utama didalam gedung yang bertujuan untuk meng-cover seluruh user yang berada sekitar gedung. 2. Distribution Antenna System (DAS) Perancangan dengan mendistribusikan daya pancar ke seluruh ruangan dalam gedung. 2.1 Repeater Repeater untuk menguatkan sinyal di dalam gedung tetapi tidak untuk menangani kepadatan traffic/user. 2.2 Femtocell Perancangan femtocell dilakukan dengan menempatkan BTS kecil didalam gedung yang biasa disebut dengan Femtocell Access Point (FAP). F. Redaman Berbagai Penyekat Ruangan Setiap material bangunan memiliki nilai redaman yang berbeda dibanding material yang lain. G. FEMTOCELL Tabel 2 Nilai Redaman [5] Material Redaman (db) Glass 0,8 Wood 2,8 Brick 3,5 Metal 6 Metal door in brick wall 12,4 Plasterboard Wall 4 Bullet Proof Glass 10 Window 2 Wood Door 4 Cubical Wall 18 Steel Fire Door 13 Stucco 14,8 Cinder Block 7 Human Body 3 Free Space 0,24/feet Tree 0,15/feet Dry Wall 4 Glass with Metal Frame 6 Steel Rollup Door 11 Marbie 6 Plexiglass 0,94 Plywood 1,9 1. Konsep Dasar Femtocell [6] Femtocell merupakan solusi alternative bagi operator selular dalam memperluas jaringan aksesnya hingga perumaanperumahan atau perkantoran yang seringkali tidak terjangkau oleh BTS konvensional atau pada area dengan tingkat trafik pelanggan yang sangat tinggi.
Gambar 4 HeNB Berbasis LTE [7] 2. Arsitektur Dasar Femtocell [8] Pada jaringan femtocell terdapat 3 elemen utama yang terdapat disetiap arsitektur jaringan, yaitu : 2.1 Femtocell Access Point Femtocell Access Point (FAP) merupakan node utama dalam suatu jaringan femtocell yang berada disisi pengguna 2.2 Security Gateway (SeGW) SeDW merupakan node jaringan yang mengamankan koneksi internet antara pengguna femtocell dan jaringan inti operator selular. [2] 2.3 Femtocell Device Management System (FMS) Manajemen sistem femtocell terletak pada jaringan operator, yang juga memiliki peran penting dalam manajemen pengadaan, aktivasi dan operasional femtocell. Gambar 4 Arsitektur Dasar Femtocell [8] H. Menentukan Jumlah Femtocell Access Point (FAP) [9] a. Perhitungan FAP berdasarkan capacity [9] Future Population = P0 [(1 + GF)] n...[1] Po = Jumlah Populasi Sekarang GF=Growth Factor (Faktor Pertumbuhan) n = Jumlah Tahun Throughput = Bearer Rate x Session Time x Session Duty Ratio x [1/(1/1-BLER)]...[2] Bearer Rate = Application layer Bit rate Session Time = Dutarion per service Session duty Ratio = Data Transmission Ratio per session BLER = Tolerated Block Error Rate Single User Troughput =...[3] BHSA = Busy Hour Service Attempt Penetration Ratio =How good service can affect customer PAR = Peak to Average Ratio = 35% Uplink Network Throughput (IP) = Total User Number x UL Single Throughput...[4] Downlink Network Throughput (IP) = Total User Number x DL Single User Throughput...[5] UL Single User Throughput = Total uplink throughput single user pada area layanan DL Single User Throughput = Total downlink throughput single user pada area layanan Tabel 3 Radio Overhead [8][9] Modulasi Protokol layer Average packet Size (Byte) Relative Efficiency Symbol IP 300 PDCP 302 0.993377483 A RLC 304 0.993421053 B MAC 306 0.993464052 C PHY AxBxC 0.980392157 A x B x C Tabel 4 Modulasi pada LTE [8][9] Code Bit Code Rate SINR (min)(db) SINR Probability (Pn) QPSK 1/3 2 0.3 1,5-0,3 0.28 QPSK ½ 2 0.5 0,3-2 0.25 QPSK 2/3 2 0.67 2-4,5 0.17 16 QAM ½ 4 0.5 4,5-6 0.13 16QAM 4/3 4 0.67 6-8,5 0.1 16QAM 4/5 4 0.8 8,5-10,8 0.05 64 QAM ½ 6 0.5 10,8-12,5 0.01 64 QAM 2/3 6 0.67 12,5-13,5 0.01 Cell Capacity + CRC = (168-36-12) x (Code bits) x (Code rate) x Nrb x C x 1000...[6] L Cell Capacity + CRC = (168-24) x (Code bits) x (Code rate) x Nrb x C x 1000...[7] DL Site Capacity atau DL Average Throughput = DL Cell Capacity x SINR Probability...[8] UL Site Capacity atau UL Average Throughput = UL Cell Capacity x SINR Probability...[9] Keterangan: Code bits = Efisiensi modulasi Code Rate = Channel Coding Rate C = Model antena MIMO Nrb = Number of Resource Block. Jumlah user Tiap Sel=...[10] Jumlah FAP =...[11] b. Berdasarkan coverage [9] Peritungan coverage dibutuhkan Luas gedung baru ST3 Telkom yang menjadi target perancangan, nilai link budget, besarnya nilai redaman dalam gedung, dan model propagasi. Tabel 5 MAPL Uplink [10] Transmitter Nilai Calculation Max TX Power (dbm) 23 a TX Antena Gain (dbi) 0 b Body Loss (db) 0 c EIRP (dbm) 23 d=a+b-c Receiver Nilai Calculation Noise Figure (db) 2 e Thermal Noise (dbm) -131.424504 f = KTB Receiver Noise Floor (dbm) -129.424504 g = e+f SINR (db) -7 h Receiver Sensitivity (dbm) -136.424504 i=g+h Load Factor (%) 0.7 j (70%) Interference Margin (db) 1 k Cable Loss (db) 0 l RX Antena Gain (dbi) 0 m
Fast Fade Margin (db) 0 n Maximum Path Loss 151.4245041 o=d-g-k+m-n Kemudian mengitung model COST 231 MWL mendapatkan hasil yang sesuai dengan kondisi ruangan. [11][12] C. Diagram Alir Pembuatan Simulasi pada RPS...[12] Untuk menentukan luas area yang akan dicakup femtocell yaitu dengan menghitung pada rumus berikut. [13][14]...[13] Sehingga untuk menghitung jumlah femtocell yang dibutuhkan dalam perencnaan coverage area yaitu sebagai berikut. [15] Jumlah FAP =...[14] III. PEMODELAN SISTEM A. WILAYAH PERANCANGAN Peneliti melakukan studi kasus jaringan 4G LTE pada gedung STT Telematika Telkom Purwokerto. Gedung tersebut memiliki 3 lantai dengan ketinggian total 15.59 meter. Walaupun disekitar kampus terdapat hotspot yang dapat diakses oleh mahasiswa maupun dosen, namun tidak sedikit user yang menggunkan jaringan selular dari handpone untuk mengakses internet. B. DIAGRAM ALIR PERANCANGAN JARINGAN FEMTOCELL 4G LTE Flowchart Pengerjaan Penelitian Flowchart pengerjaan Penelitian dibuat dengan tujuan untuk memberikan kemudahan mengenai gambaran pengerjaan Penelitian secara keseluruhan Gambar 5 Flowchart Penelitian IV. Gambar 6 Diagram Alir RPS ANALISA PERANCANGAN DAN HASIL SIMULASI A. Jumlah FAP Berdasarkan Kapasitas Dengan frekuensi 1800 MHz, bandwidth 20 MHz dan jumlah user 475 orang, untuk dapat meng-cover semua user dalam gedung maka membutuhkan 1 buah FAP pada kondisi uplink dan 6 FAP pada kondisi downlink. Maka jumlah FAP maksimum pada perhitungan kapasitas didapat 6 FAP. B. Perencanaan Berdasarkan Cakupan Nilai-nilai yang tercantum di Tabel 6 dan Tabel 7 didapat kan dari studi literature terhadap referensi [5],[8] dan [12] Tabel 6 MAPL Uplink Transmitter Nilai Calculation Max TX Power (dbm) 23 a TX Antena Gain (dbi) 0 b Body Loss (db) 0 c EIRP (dbm) 23 d=a+b-c Receiver Nilai Calculation Noise Figure (db) 2 e Thermal Noise (dbm) -131.4245041 f = KTB Receiver Noise Floor (dbm) -129.4245041 g = e+f SINR (db) -7 h Receiver Sensitivity (dbm) -136.4245041 i=g+h Load Factor 0.7 j (70%) Interference Margin (db) 1 k Cable Loss (db) 0 l RX Antena Gain (dbi) 0 m Fast Fade Margin (db) 0 N Maximum Path Loss 151.4245041 o=d-g-k+m-n Tabel 7 MAPL Downlink Transmitter Nilai Calculation Max TX Power (dbm) 20 A TX Antena Gain (dbi) 9 B Cable Loss (db) 2 C EIRP (dbm) 27 d=a+b-c Receiver Nilai Calculation UE Noise Figure (db) 7 E Thermal Noise (dbm) -101.4245041 f=ktb Receiver Noise Floor (dbm) -94.4245041 g=e+f SINR (db) -9 H Receiver Sensitivity (dbm) -133.4245041 i=g+h Load Factor 0.7 J Interference Margin (db) 2 K Control Channel overhead (%) 0.1 l (10%) RX Antena Gain (dbi) 0 M Body Loss (db) 0 N Maximum Path Loss 137.4245041 o=d-g-k+m-n
C. ANALISA JUMLAH FAP DAN PELETAKAN Gambar 12 Histogram RSRP antena Isotropic Lantai 2 Gambar 7, Nilai RSRP Berdasarkan Skenario Peletakan Gambar 13 Histogram RSRP antena Isotropic Lantai 3 Gambar 8. Nilai SINR Berdasarkan Skenario Peletakan Berdasarkan grafik perbandingan nilai RSRP dan SINR diatas, dari ketiga scenario peletakan FAP tersebut, jumlah FAP dengan nilai RSRP terbaik dibandingkan jumlah FAP yang lainnya yakni 12 FAP. 12 FAP tetap memiliki RSRP walaupun ditempatkan pada posisi manapun. D. PEMILIHAN JENIS ANTENA Pemilihan jenis antena dimaksudkan untuk memilih jenis antena yang tepat digunakan dalam bangunan ST3 Telkom Purwokerto. Jenis antena yang akan disimulasikan pada gedung ialah antena jenis isotopic source dan antena dipole yang kemudian akan diukur berdasarkan parameter RSRP dan SINR. Gambar 14 RSRP Isotropic Lantai 1,2,3 Antena Dipole, Posisi peletakan antena pada scenario kedua ini tetap sama dengan scenario peletakan pertama yakni pada posisi tengah ruangan. Gambar 15 Hasil Simulasi RSRP Antena dipole Tampilan 3D Gambar 9 Peletakan FAP pada Gedung (3D) Gambar 10 Hasil Simulasi RSRP antena Isotropic tampilan 3D. Gambar 16 Histogram RSRP Antena dipole Lantai 1 Gambar 11 Histogram RSRP Isotropic Lantai 1
Gambar 17 Histogram RSRP Antena dipole Lantai 2 Gambar 18 Histogram RSRPAntena dipole Lantai 3 Gambar 19 Histogram RSRP Antena dipole Lantai 1,2,3 V. KESIMPULAN 1. Perencanaan jumlah FAP berdasarkan kapasitas dengan jumlah pelanggan sebanyak 475 orang didapatkan jumlah FAP sebanyak 6 FAP. Masing masing FAP memilliki site capacity 33.695 Mbps dengan jumlah pelanggan tiap selnya sebanyak 79 orang. 2. Perencanaan jumlah FAP berdasarkan coverage dengan luas gedung penelitian sebesar 792 m 2 didapatkan nilai MAPL saat uplink sebesar 151.42 dan MAPL saat downlink bernilai 138.42 dengan Max Tx power dari femtocell yang digunakan sebesar 20dBm. Total loss pengalang dalam gedung sebesar 48.57 db sehingga nilai propagasi setelah melewati loss pengalang sebesar 86.85dB. Radius sel yang didapatkan dari suatu FAP sebesar 5.16 m dengan luas area sel 69.19 m 2 maka untuk dapat mencakup seluru gedung digunakan 12 FAP. 3. Jumlah FAP yang paling tepat digunakan sebanyak 12 FAP karena memiliki nilai RSRP yang lebih baik walaupun ditempatkan pada scenario peletakan manapun yakni bernilai RSRP mean -31.04 dbm dan SINR mean 1.82 db pada keseluruhan lantai 1,2,dan 3. 4. Pemilihan jenis antena dilakukan dengan membandingkan nilai RSRP dan SINR yang didapat dari skenario pemiliah jenis antena. Skenario b1 menggunakan antena isotropic sedangkan skenario b2 menggunakan antena dipole dengan penempatan antena berada ditengah ruangan. dari ke dua skenario pemilihan antena tersebut, antena isotropic (skenario b1) memiliki nilai RSRP dan SINR yang lebih baik dibandingkan antena dipole (skenario b2) yakni sebesar -31.04 dbm dan SINR sebesar 1.82 db. DAFTAR PUSTAKA [1] Riyansah, Deris 2010 Analisa Kelayakan Migrasi BTS 3G Berbasis WCDMA Menuju Jaringan LTE di DKI Jakarta, Universitas Indonesia : Depok [2] Noviadi, Anggi. 2013 Analisa Mekanisme Hand-In Pada Sistem Jaringan Femtocell Berbasis Teknologi Long Term Evolution, Universitas Lampung : Bandar Lampung [3] Makodian, Nuraksa, 2010. Teknologi wireless communication dan wireless broadband, C.V ANDI : Yogyakarta [4] Hikmaturokhman, Alfin, Lingga Wardana. 4G Handbook Edisi Bahasa Indonesia Jilid 2..Jakarta: Penerbit nulis buku. 2015 [5] Hikmaturokhman, Alfin. K, Ni amah. ES Nugraha 2016. Perancangan Jaringan Indoor 4G LTE TDD 2300 MHz Menggunakan Radiowave Propagation Simulator.Prosiding Seminar Nasional IPTEK Terapan (SENIT), Poltek Tegal [6] Farhan Khan 2010, Muhammad, Femtocellular Aspects on UMTS Architecture Evolution. [7] Mersch, Todd., LTE Femtocell Roadmap From Concept to Reality, Hillsboro: Radisys Corporation, September 2011. [8] Mobile Comm Laboratory. 2013. Femtocell LTE Planning. Institut Teknologi Telkom. Bandung. [9] Fauzi Ridwan Muhamad, Sukiswo.2012. "Perencanaan Jaringan Lte (Long Term Evolution) Menggunakan Software Radio Planning (Atoll)",Universitas Diponegoro, Semarang [10] J. Deißner, J. Hübner, D. Hunold, J. Voigt. Radiowave Propagation Simulator (RPS).Radioplan GmbH, Germany [11] I Gede Agus Surya Negara. Teknologi Long Term Evolution (LTE) Universitas Telkom, Bandung. [12] Usman, Uke Kurniawan, Galuh Prihatmoko,dkk. 2012. Fundamental Teknologi Selular LTE (Long Term Evolution). Penerbit : Rekayasa Sains, Bandung, Indonesia. [13] Hikmaturokhman, Alfin, Lita Berlianti, and Wahyu Pamungkas. "Analisa Model Propagasi Cost 231 Multi Wall pada Perancangan Jaringan Indoor Femtocell HSDPA menggunakan Radiowave Propagation Simulator." Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi (SNATI). Vol. 1. No. 1. 2015. [14] Firmansyah 2010 Desain Perencanaan radio link untuk komunikasi dara radar satuan radar 242 TWR dengan kosek Hanudnas IV Biak Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya [15] Hikmaturokhman, A., Muayyadi, A., Susanto, I., & Wello, A. U. T. (2010, June). Analisis Performansi Pada Jaringan GSM 900/1800 Di Area Purwokerto. In Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi (SNATI).