Very nduwe Blog

Modulasi Adaptif

Terdapat dua metoda dasar untuk memperoleh kapasitas kanal secara maksimum pada kondisi kanal terganggu multipath dan interferensi yaitu teknik adaptasi dan diversitas. Pada mode adaptasi, parameter transmisi seperti daya pancar, laju simbol, ukuran konstelasi, skema pengkodean atau kombinasi diantara parameter tersebut diubah mengikuti perilaku kanal nirkabel. Teknik diversitas mengambil keuntungan dari variasi level interferensi dan kanal dengan cara dekorelasi penuh atau sebagian kanal fading. Dalam hal ini, kinerja sistem bergantung pada korelasi kanal.

Adaptasi yang cepat, pada setiap level dan untuk semua sumber daya yang mungkin pada lintas lapisan sangat diperlukan dalam memenuhi kebutuhan laju data yang lebih tinggi pada berbagai kondisi kanal nirkabel. Adaptivity pada jaringan komunikasi dapat mengambil dua bentuk yaitu channel adaptivity dan QoS adaptivity. Channel adaptivity merupakan kemampuan jaringan untuk beradaptasi terhadap variasi kanal propagasi, kondisi trafik dan topologi jaringan. QoS adaptivity merupakan kemampuan jaringan untuk merespon pada berbagai persyaratan QoS pada komunikasi multimedia, seperti suara, data, video dan web.

Ide dasar dari modulasi adaptif adalah mengadaptasikan parameter-parameter transmisi agar tetap stabil apapun kondisi kanalnya. Parameter dasar yang dapat diadaptasikan adalah teknik modulasi, level modulasi, level daya (power control), spreading factors dan bandwith signalling. Saat ini modulasi adaptif telah dikenal sebagai sebuah solusi tepat untuk meningkatkan efisiensi spektral pada sistem nirkabel. Teknik modulasi adaptif dilakukan untuk menghadapi kondisi fading dan memperluas jangkaun serta kapasitas.

Tujuan dasar dari teknik modulasi adaptif adalah memanfaatkan perubahan kondisi kanal nirkabel (pada waktu, frekuensi dan ruang) dengan menyesuaikan secara dinamis parameter-parameter kunci dalam transmisi berdasarkan perubahan lingkungan dan kondisi interferensi yang terjadi antara base station dan subscriber. Dalam prakteknya, parameter-parameter transmisi yang akan diubah/diadaptasikan nanti akan dikelompokkan bersama-sama dalam sekumpulan mode. Misalnya ada sekumpulan mode, di mana 1 mode ini hanya terdiri dari dua parameter transmisi yaitu level modulasi dan coding rate. Setiap mode ini akan memiliki perbedaan dalam data rate (bits/s). Tiap mode ini akan bekerja secara maksimal untuk tiap kualitas kanal yang berbeda pula. Tujuan utama dari modulasi adaptif adalah untuk memastikan mode yang paling efektif yang akan digunakan untuk tiap-tiap variasi kondisi kanal nirkabel yang terjadi. Mode-mode yang paling efektif ini berdasarkan pada seleksi kriteria mode yang distandarkan (misal daya transmit minimum dan maksium data rate). Pada Gambar berikut diperlihatkan unjuk kerja modulasi adaptif pada kondisi kanal yang dipengaruhi oleh jarak dan SNR.

Kondisi sinyal sangat dipengaruhi oleh cuaca sehingga pada saat cuaca cerah sinyal dapat dengan baik diterima oleh SS namun pada kondisi cuaca buruk (hujan) kualitas sinyal yang diterima SS mengalami redaman. Hal ini diatasi oleh modulasi adaptif dengan menerapkan skema modulasi yang berbeda sesuai kualitas kanal sehingga reliabilitas komunikasi dapat dipertahankan.

Sistem modulasi adaptif menggunakan 2 parameter dalam satu mode yaitu jenis modulasinya dan coding rate. Sistem dapat melakukan optimasi lewat kanal Rayleigh dengan memanfaatkan perubahan fading. Saat fading rendah atau gain yang tinggi akan meningkatkan nilai SNR sehingga dapat digunakan teknik modulasi yang menghasilkan rate tertinggi dengan BER yang rendah. Saat fading tinggi akan menurunkan nilai SNR, sehingga memaksa penggunaan teknik modulasi dengan rate yang lebih rendah agar transmisi lebih bagus (robust).

Sistem tanpa modulasi adaptif didesain hanya beroperasi pada single mode untuk menjaga unjuk kerja penerimaan pada kondisi kanal terburuk untuk mendapatkan jangkauan terluas. Jadi sistem ini didesain secara efektif pada kondisi kanal terburuk, sehingga tidak memaksimalkan kapasitas sistem secara menyeluruh.

Quality of Service (QOS) pada WiMAX

Medium Access Control (MAC) pada WiMAX dapat menjalankan QoS dengan berbagai kebutuhan bandwidth dan aplikasi. Sebagai contoh aplikasi voice dan video memerlukan waktu tunda (latency) yang rendah tetapi masih bisa mentolelir beberapa error. Sebaliknya aplikasi-aplikasi data pada umumnya sangat sensitif terhadap error. Sedangkan latency bukan menjadi pertimbangan kritis. Kemampuan mengalokasikan besarnya bandwidth pada suatu kanal pada saat yang tepat merupakan konsep mekanisme penting pada standar WiMAX untuk menurunkan latency dan meningkatkan QoS.

Aspek lain yang tersedia pada QoS yang terdapat di WiMAX adalah kemampuan mengatur kecepatan data (data rate manageability) dimana ditentukan oleh analisis link antara dan SS. Kuat sinyal antara BS dan SS akan menetukan kecepatan data yang mampu dikirim ke sisi pelanggan. Besar kecilnya kecepatan data tersebut didasarkan pada jenis modulasi yang tersedia (apakah 64 QAM, 16 QAM, QPSK atau BPSK). Biasanya semakin jauh pelanggan (SS) dari BS, maka kecepatan datanya akan semakin kecil. Modulasi 64 QAM merupakan modulasi terbaik untuk mendukung kecepatan data yang paling besar.

WiMAX juga dapat mengoptimalkan kecepatan data di sisi user dengan cara menentukan tipe modulasinya. Bila user-nya cukup dekat ke BS, maka modulasinya dapat ditentukan 64 QAM sedangkan yang lebih jauh 16 QAM atau QPSK. Namun demikian WiMAX dapat menentukan tipe modulasinya mana yang berlaku secara otomatis tergantung dari kualitas link antara BS dan SS. Selain itu juga dapat dibedakan sisi UL (uplink) maupun DL (downlink).

Pada WiFi, sebagaimana OSI (Open System Interconection) Layer, adalah standar pada lapis kedua, medium access control (MAC) menggunakan metode akses kompetisi, yaitu dimana beberapa terminal secara bersamaan memperebutkan akses. Sedangkan MAC pada WiMAX menggunakan metode akses yang berbasis algoritma penjadualan (scheduling algorithm). Dengan metode akses kompetisi, maka layanan seperti Voice over IP atau IPTV yang tergantung kepada kualitas layanan (Quality of Service) yang stabil menjadi kurang baik. Sedangkan pada WiMAX yang menggunakan algoritma penjadualan, apabila sebuah terminal telah mendapat garansi untuk memperoleh sejumlah sumber daya (seperti timeslot), maka jaringan nirkabel akan terus memberikan sumber daya ini selama terminal membutuhkannya.

Perubahan parameter QoS dapat diminta oleh SS dan BS dengan sambungan masih tetap terjaga. Kemampuan ini memungkinkan WiMAX menjalankan layanan Bandwidth on Demand (BoD). Berdasarkan jenisnya, QoS pada MAC ini dapat dikelompokkan menjadi empat jenis yaitu: unsolicated grant service (UGS), real time polling (rtPS), non real time polling (nrtPS) dan best effort (BE).

UGS digunakan untuk layanan yang membutuhkan jaminan transfer data dengan prioritas paling utama. Dengan demikian layanan dengan kriteria UGS ini memiliki karakteristik :

- Seperti halnya layanan CBR (Constant Bit Rate ) pada ATM, yang dapat memberikan transfer data secara periodik dalam ukuran yang sama (burst).

- Untuk layanan-layanan yang membutuhkan jaminan real time.

- Efektif untuk layanan yang sensitif terhadap jitter seperti layanan pada TDM (Time Division Multiplexing).

- Maksimum dan minimum bandwidth yang ditawarkan sama.

- Contohnya untuk aplikasi VoIP, T1/E1 atau ATM CBR.

Untuk kelas Real Time Polling Service (rtps) mempunyai karakteristik sebagai berikut:

- Efektif untuk layanan yang sensitif terhadap throughput latency namun dengan toleransi yang lebih longgar bila dibandingkan dengan UGS.

- Garansi kecepatan dan syarat delay telah ditentukan.

- Contohnya MPEG video, VoIP, video conference.

- Parameter service: commited burst, commited time

Untuk Non-Real-Time Polling Service (nrtPS) mempunyai karakteristik sebagai berikut:

- Efektif untuk aplikasi yang membutuhkan throughput yang intensif dengan garansi minimal pada latency-nya.

- Layanan non real time dengan regular variable size burst.

- Layanan mungkin dapat di-full bandwidth (bandwidth yang tersedia dipakai secara keseluruhan) namun dibatasi pada kecepatan maksimum yang telah ditentukan.

- Garansi kecepatan diperlukan namun delay tidak digaransi.

- Contohnya aplikasi seperti video dan audio streaming.

- Parameter layanan: committed burst, committed time excess burst.

Sedangkan untuk kelas tipe Best Effort (BE) mempunyai karakteristik sebagai berikut:

- Untuk trafik yang tidak membutuhkan jaminan kecepatan data (best effort).

- Tidak ada jaminan (requirement) pada kecepatan atau delay-nya.

- Contohnya aplikasi internet (web browsing), email, FTP.

Dengan kemampuan memberikan QoS yang beragam, maka akan sangat menguntungkan baik bagi operator (service provider) maupun pelanggan. Bagi operator dapat memberikan diversifikasi layanan dan tarif berdasarkan tipe QoS yang dikirim ke pelanggan. Selain itu kualitas layanan yang diberikan ke pelanggan juga lebih terjamin karena masing-masing tipe QoS sangat sesuai dengan layanan tertentu. Sedangkan bagi pelanggan dapat memilih layanan sesuai dengan pertimbangan kebutuhan (misalkan biaya, tipe layanan yang akan diperoleh menyangkut throughput-nya).

Propagasi LOS dan NLOS pada WiMAX

Pada kondisi LOS maka sinyal pengirim dan penerima tembus pandang secara langsung tanpa rintangan, jika ini tidak terpenuhi maka penerimaan sinyal akan menurun drastis. Sedangkan pada NLOS sinyal akan sampai pada penerima setelah melalui pemantulan (reflections), pemencaran (scattering) dan pembiasan (diffraction). Sinyal yang diterima merupakan gabungan dari direct path, multiple refrected paths, scattered energy dan directed propagation paths. Kondisi multipath ini akan memberikan perbedaan polarisasi, redaman, delay pancar dan ketidakstabilan dibandingkan dengan sinyal yang diterima secara langsung melalui direct path.

Kemampuan NLOS pada WiMAX ditunjang oleh penerapan inovasi teknologi antara lain adalah:

· Teknologi OFDM dan sub-kanalisasi (Sub-Channelization)

· Antena direksional (Directional Antenna)

· Diversitas pada pemancar dan penerima (transmite and receive diversity)

· Modulasi adaptif (Adaptive Modulation) dan Error Correction Techniques

· Pengendalian daya (Power Control)

OFDM merupakan teknologi yang terbukti dapat digunakan untuk mengatasi berbagai permasalahan propagasi (multipath), termasuk NLOS antara BS dan SS. OFDM juga dapat mengatasi permasalahan delay spread dan intersymbol interference (ISI). Sinyal OFDM dibentuk oleh beberapa sinyal sempit yang dipancarkan secara paralel untuk setiap informasi yang dikirim.

Subkanalisasi diterapkan pada sinyal uplink dan bersifat optional pada WiMAX. Fasilitas ini secara konsep mengurangi pengiriman jumlah carrier dari SS, tetapi dikompensasi dengan tingkat daya (power level) dari pengiriman. Tanpa penggunaan sub-channelization, sistem yang direncanakan akan menjadi asimetris atau uplink limited. Tetapi pada umumnya justru membuat SS menjadi lebih efektif.

Antena direksional bertujuan untuk meningkatkan fade margin dengan penambahan penguatan (gain) dibandingkan dengan antena omni-directional. Bahkan dapat menurunkan waktu tunda pancar, baik di BS maupun di SS, karena pola (pattern) antena ini dapat menekan sinyal-sinyal multipath yang diterima di sisi samping (sidelobe) dan dari belakang (backlobe). Penggunaan antena direksional untuk kondisi NLOS sudah terbukti sangat efektif. Inovasi lain untuk mengatasi kondisi NLOS yang digunakan sebagai optional pada standar WiMAX adalah adaptive antenna system (AAS). Antena ini memberikan pengarahan yang lebih fokus, seperti spotlight, baik pada saat pemancaran sinyal maupun sebagai penerima. AAS juga digunakan untuk meningkatkan spektrum re-use dan kapasitas jaringan WiMAX, karena mempunyai karakteristik yang dapat menekan interferensi co-channel.

Transmit dan receive diversity digunakan untuk memanfaatkan sinyal-sinyal multipath dan sinyal pantul yang terjadi pada kondisi NLOS. Diversity juga menjadi fasilitas optional pada standar WiMAX. Tujuannya adalah untuk meningkatkan ketersediaan penerima dan pengirim dari sistem yang dibangun. Transmit diversity menggunakan space time coding untuk memancarkan sinyal secara terpisah. Teknik ini dapat menekan kebutuhan fade margin dan juga menekan interferensi. Pada receive diversity, beberapa teknik kombinasi diterapkan seperti misalnya maximum ratio combining (MRC), memanfaatkan dua atau lebih penerimaan untuk mengatasi fading dan menekan pathloss.

Modulasi adaptif secara efektif dapat mengatur keseimbangan kebutuhan bandwidth dan kualitas sambungan (link quality) atau biasa diukur dengan Signal to Noise Ratio (SNR). Apabila kualitas sinyal cukup baik, maka digunakan modulasi yang lebih tinggi untuk memberikan kapasitas bandwidth yang lebih besar. Apabila kualitas link menurun, sistem modulasinya digeser menjadi lebih rendah untuk menjaga kestabilan dan kualitas sambungan. Perpindahan modulasi dapat diukur secara dinamis dari 64-QAM, 16-QAM, QPSK dan BPSK.

Teknik pengkoreksian kesalahan (error correction techniques) diterapkan pada sistem WiMAX untuk menurunkan kebutuhan minimal SNR dan meningkatkan throughput. Kemampuan Automatic Repeat Request (ARQ) digunakan untuk mengkoreksi error yang tidak dapat dikoreksi oleh suatu metode pengkoreksian kesalahan. Teknik ini cukup berarti dalam meningkatkan performansi Bit Error Rate (BER) pada batas penerimaan yang sama.

Power control algorithms digunakan untuk meningkatkan performansi sistem secara keseluruhan. BS mengirimkan informasi power control pada semua SS untuk pengaturan level daya pancar sedemikian sehingga level sinyal yang diterima BS sama dengan level referensi yang telah ditentukan sebelumnya. Pengaturan ini dimaksudkan agar SS dapat secara dinamis memancarkan daya sesuai kondisi fading, sehingga konsumsi daya bisa lebih efisien.

Modulasi pada WiMAX

Modulasi adalah proses perubahan suatu gelombang periodik sehingga menjadikan suatu sinyal mampu membawa suatu informasi. Dengan proses modulasi, suatu informasi (biasanya berfrekeunsi rendah) bisa dimasukkan ke dalam suatu gelombang pembawa, biasanya berupa gelombang sinus berfrekuensi tinggi.

Modulasi yang dipakai pada WiMAX adalah BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) dan 64 QAM. Dalam binary phase shift keying (BPSK), hanya ada dua fase keluaran yang mungkin akan keluar dan membawa informasi (binary dimaksudkan adalah 2). Satu fase keluaran (0⁰ misalnya) mewakili suatu logika 1 dan yang lainnya (misalnya 180⁰) logika 0. Sesuai dengan perubahan keadaan sinyal masukan digital, fase pada keluaran pembawa bergeser diantara dua sudut yang keduanya terpisah 180⁰ (180⁰ out of phase). Nama lain untuk BPSK adalah phase reversal keying (PRK) dan biphase modulation. BPSK adalah suatu bentuk suppresed carrier (pembawa yang diturunkan levelnya sampai minimum), dimana square wave (gelombang kotak) dimodulasi oleh suatu sinyal continuous wave (gelombang kontinyu) atau CW.

QPSK atau quadrature phase shift keying adalah bentuk lain dari modulasi digital selubung konstan termodulasi sudut. QPSK adalah teknik pengkodean M-ary dimana M = 4 (karenanya dinamakan quaternary yang berarti 4). M-ary adalah suatu bentuk turunan dari kata binary. M berarti digit yang mewakili banyaknya kondisi yang mungkin. Dalam QPSK ada empat fasa keluaran yang berbeda, maka harus ada empat kondisi masukan yang berbeda. Karena masukan digital ke modulator QPSK adalah sinyal biner, maka untuk menghasilkan empat kondisi masukan yang berbeda harus dipakai bit masukan lebih dari satu bit tunggal. Menggunakan dua bit, ada empat kondisi yang mungkin yaitu: 00, 01, 10 dan 11. Karena itu dalam QPSK data masukan biner dikelompokkan dalam kelompok yang terdiri dari dua bit yang disebut dibit. Setiap kode dibit membangkitkan salah satu dari fase keluaran yang mungkin. Oleh karena itu setiap dibit (dua bit) masuk ke dalam modulator, terjadi satu perubahan keluaran, sehingga kecepatan perubahan keluaran adalah setengah kecepatan bit masukan.

Quadrature amplitude modulation (QAM) adalah sebuah skema modulasi yang membawa data dengan mengubah (memodulasi) amplitudo dari dua gelombang pembawa. Kedua gelombang tersebut biasanya sinusoid, berbeda fase dengan yang lainnya sebesar 90⁰. Variasi QAM antara lain 16 QAM dan 64 QAM.

Modulasi-modulasi tersebut digunakan secara adaptif, artinya disesuaikan dengan kondisi SNR dari radio link. Ketika radio link pada kualitas yang baik, modulasi terbaiklah yang digunakan, sehingga memberikan kapasitas bandwidth yang lebih besar pada sistem. Sedangkan pada kondisi yang lebih jelek, sistem WiMAX mengubah skema modulasi yang lebih rendah untuk mempertahankan kualitas koneksi dan stabilitas link. Modulasi adaptif ini dapat mengatasi masalah time selective fading.

Tabel 1 Modulasi WiMAX beserta SNR dan daya yang diterima.

Sedangkan standar throughput untuk tiap-tiap modulasi menggunakan lebar pita kanal yang berbeda adalah seperti pada tabel berikut:

Tabel 2 Standar throughput untuk modulasi berbeda menggunakan lebar pita kanal berbeda