OFDMA dan SC-FDMA

Sebagaimana telah dibahas sebelumnya, akses LTE berbeda dengan yang WCDMA. Dalam LTE, akses downlink didasarkan pada Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) dan akses uplink didasarkan pada Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). Artikel kali ini akan memperkenalkan latar belakang dan dasar untuk operasi OFDMA dan SC-FDMA. 

Latar belakang LTE Multiple Access

Single carrier (SC) berarti bahwa informasi dimodulasi hanya untuk satu carrier, menyesuaikan fase atau amplitudo pembawa atau keduanya. Frekuensi juga bisa disesuaikan, tetapi dalam LTE ini tidak terpengaruh. Semakin tinggi kecepatan data, semakin tinggi tingkat symbol dalam sistem digital dan dengan demikian bandwidth juga lebih tinggi. Misalnya dengan menggunakan Quadrature Amplitude Modulation (QAM) pemancar menyesuaikan sinyal untuk membawa jumlah yang diinginkan dari bit per simbol modulasi. Gelombang spektrum yang dihasilkan adalah pembawa spektrum tunggal, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar 1. SC-FDMA

Dengan prinsip Frekuensi Division Multiple Access (FDMA), pengguna yang berbeda akan kemudian akan menggunakan carrier yang berbeda atau sub-carrier, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut: 

Gambar 2. SC-FDMA dengan dua pengguna

Penggunaan prinsip multi-carrier ditunjukkan pada Gambar 3, dimana data dibagi pada sub-carrier yang berbeda dari satu pemancar. Contoh pada Gambar 3 memiliki filter Bank yang untuk solusi praktisnya biasanya diganti dengan Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) dimana jumlah subcarrier banyak. 

Gambar 3. Prinsip Multicarrier

Salah satu contoh pendekatan multi-carrier adalah dual carrier WCDMA (dual cell HSDPA), yang mana menggunakan dual carrier WCDMA namun tidak menggunakan prinsip-prinsip pemanfaatan spektrum tinggi. Untuk mengatasi-nya, digunakan pendekatan orthogonality diantara transmisi yang berbeda,untuk menciptakan sub-carrier yang tidak mengganggu satu sama lain, meskipun spektrum masih tumpang tindih dalam domain frekuensi. Ini adalah apa yang dicapai dengan prinsip Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDMA), di mana masing-masing frekuensi sub-carrier ini memiliki perbedaan dalam domain frekuensi, kemudian sub-carrier yang berdekatan memiliki nilai nol saat itulah dilakukan sampling dari sub-carrier yang diinginkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 berikut:

Gambar 4. sub-carrier orthogonality

Untuk LTE, perbedaan frekuensi antara sub-operator telah dipilih yaitu 15 kHz di Release 8 (alternatif dari 7,5 kHz direncanakan akan didukung dalam rilis yang akan datang sehubungan dengan aplikasi siaran seperti mobile TV). Prinsip dasar OFDMA sudah dikenal pada tahun 1950, pada saat sistem yang menggunakan teknologi analog, dan membuat sub-carrier orthogonal sebagai fungsi variasi komponen dan suhu bukan masalah sepele. Sejak meluasnya penggunaan teknologi digital untuk komunikasi, OFDMA juga menjadi lebih layak dan terjangkau untuk digunakan konsumen. Selama beberapa tahun terakhir teknologi OFDMA diadopsi secara luas di banyak sistem seperti di TV digital (DVB-T dan DVB-H) serta seperti dalam aplikasi Wireless Local Area Network (WLAN). Prinsip OFDMA telah digunakan di bagian uplink LTE multiple access sebagai SC-FDMA menggunakan prinsip OFDMA arah uplink untuk mencapai tinggi efisiensi spektrum, seperti yang dijelaskan pada bagian berikutnya. 

Keseluruhan motivasi untuk OFDMA di LTE sebagai berikut:

• kinerja yang baik di frekuensi selektif;

• kompleksitas rendah pada base-band penerima;

• sifat spektral yang baik dan bisa handle multiple bandwidth;

• adaptasi Link dan penjadwalan domain frekuensi;

• kompatibilitas dengan teknologi canggih receiver dan antena.

OFDMA juga memiliki tantangan, seperti:

• Toleransi terhadap frekuensi offset. Hal ini ditangani dalam desain LTE dengan memilih subcarrier dengan jarak 15 kHz, yang memberikan toleransi yang cukup besar untuk pergeseran Doppler.

• Peak Average Ratio (PAR) dari sinyal yang ditransmisikan, yang membutuhkan tinggi linearitas pada pemancar. Amplifier linear memiliki efisiensi konversi daya rendah dan oleh karena itu tidak ideal untuk uplink mobile. Dalam LTE ini disolusikan dengan menggunakan SC-FDMA, yang memungkinkan efisiensi daya amplifier yang lebih baik.

OFDM berlandaskan pada operasi IFFT (Invers Fast Fourier Transform) yang merupakan kebalikan dari FFT (Fast Fourier Transform). FFT sendiri merupakan pengembangan dari DFT (Discrete Fourier Transform) yaitu algoritma tertentu dalam ilmu pemrosesan sinyal digital yang mengubah suatu sinyal dalam domain waktu ke dalam domain frekuensi, sehingga IDFT merupakan teknik komputasi yang mengubah suatu sinyal dalam domain frekuensi ke dalam domain waktu. Suatu sinyal yang ditransmisikan dapat dipetakan kedalam beberapa domain, baik domain waktu maupun domain frekuensi.

Gambar 5. FFT dengan berbagai input

Pemilihan OFDMA pada LTE dirasa mampu mengakomodir kebutuhan layanan. namun penggunaan OFDMA pada sisi uplnk belum optimal, salah satu faktornya adalah tingginya nilai PAPR (Peak Avarage Power Ratio). PAPR adalah tingkat perbandingan rata-rata dengan daya puncak. 

Gambar 6. PAPR

Dalam komunikasi OFDMA suatu informasi dibawa oleh suatu symbol yang berisikan bit-bit informasi. Symbol tersebut didefinisikan menurut diagram konstelasi berdasarkan skema modulasi yang digunakannya, bisa berupa QPSK, 16QAM, atau 64QAM. Penggunaan transmisi data berupa bit rate rendah dengan pita sempit akan sangat rentan terhadap variasi daya yang terjadi antar carrier yang disebabkan noise. Hal tersebut dapat meningkatkan BER (Bit Error Rate) yang berdampak pada kesalahan konstelasi. Noise akan mengganggu transmisi symbol dengan menyebarkan spektral kedalam spektrum yang lebih lebardari yang seharusnya, akibatnya akan terjadi adjacent channels.

Untuk mengatasi PAPR pada OFDMA dapat disiasati dengan diberlakukannya pengaturan titik kompresi tinggi pada power amplifiernya. Cara tersebut mengatur sedemikian rupa power yang dipancarkan pada beberapa titik yang menjadi nilai power tertinggi. Hal ini tidak begitu bermasalah untuk komunikasi downlink sebab alokasi daya yang digunakan bisa tak terbatas karena supply oleh jaringan listrik. Berbeda pada komunikasi uplink yang disupply daya hanya melalui baterai. Dengan kapasitas baterai yang terbatas waktu dan daya maka hal tersebut sangat bermasalah untuk mengirimkan informasi. Untuk mengatasi itu pada komunikasi uplink LTE menggunakan SC-FDMA.

Gambar 7. SC-FDMA dan OFDMA

Berikut artikel terkait lainnya:

Pengantar Teknologi 4G LTE 
Radio Interface LTE
Arsitektur LTE
MIMO-Multiple Input Multiple Output
Physical Layer
MODULASI
Resource Block
LTE RF Measurement
Coverage Planning
Opsi Spektrum Untuk LTE
Kapabilitas User Equipment (UE)
Mobility LTE - Idle Mode
Mobility LTE - Dedicated Mode
Pengukuran Performansi LTE
Pengukuran Performansi LTE - Bagian 2
Pengukuran Performansi LTE - Bagian 3
Deployment Optimization Process
LTE Capacity Monitoring
LTE Capacity Monitoring - Bagian 2
Opini Tentang Teknologi 4G LTE
Perspektif Kemerdekaan pada Teknologi ICT
Physical Layer Part-2
4G LTE REVOLUSI DIGITAL
LTE Quality of Service
Reference Signal
Happy New Year, Happy 4G LTE