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

Radio Interface LTE

Jaringan selular telah berkembang selama bertahun-tahun. Awalnya disebut sebagai Generasi Pertama, atau sistem 1G. Pada sistem ini, selular dirancang untuk memanfaatkan jaringan analog. Yang termasuk teknologi 1G adalah AMPS (Advance Mobile Phone System).

Generasi Kedua adalah sistem mobile 2G, diperkenalkan memanfaatkan beberapa teknologi akses digital; TDMA (Time Division Multiple Access) dan CDMA (Code Division Multiple Access). 2G lebih dikenal menggunakan sistem GSM (Global System for Mobile). Selain itu juga menggunakan sistem CDMA, yang dikenal sebagai cdmaOne atau IS-95 (Interim Standard 95). Sistem GSM masih memiliki dukungan di seluruh dunia dan tersedia di beberapa band frekuensi, seperti 900, 1800, 850, dan 1900 MHz. Sistem CDMA di jaringan 2G menggunakan teknik spread spectrum dan memanfaatkan campuran kode dan waktu untuk mengidentifikasi sel-sel dan saluran. Dengan digital, 2G mampu meningkatkan kapasitas dan keamanan, sistem 2G juga menawarkan layanan, seperti SMS (Short Message Service) dan circuit switched (CS) data. Variasi yang berbeda dari Teknologi 2G dikembangkannya layanan paket data yang efisien, sehingga meningkatkan kecepatan data. GPRS (General Packet Radio System) dan EDGE (Enhance Data Rates for GSM Evolution) telah menjadi jalur evolusi GSM. Data rate teoritis dari 473,6 kbps memungkinkan operator untuk menawarkan layanan multimedia secara efisien. EDGE biasa juga dikenal sebagai generasi 2.75G.

3G (Generasi Ketiga) sistem didefinisikan oleh IMT2000 (International Mobile Telecommunications). IMT2000 mendefinisikan bahwa sistem 3G harus menyediakan tingkat transmisi yang lebih tinggi di kisaran 2Mbps digunakan saat stasioner dan 348 kbps dalam kondisi mobile.

Berikut adalah pendukung teknologi 3G:

• WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) - ini dikembangkan oleh 3GPP (Third Generation Partnership Project). WCDMA adalah radio interface 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Sistem UMTS telah didesain terintegrasi dengan Core Network (CN) pada GSM, tapi dengan akses radio yang sama sekali baru, yaitu akses radio yang didasarkan pada FDD (Frequency Division Duplex). Penyebaran saat ini terutama di 2,1 GHz band. Penyebaran di bawah frekuensi juga mungkin, seperti UMTS900. UMTS mendukung suara dan multimedia,

• TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access) - ini biasanya disebut sebagai UMTS TDD (Time Division Duplex) dan merupakan bagian dari spesifikasi UMTS. Sistem ini memanfaatkan kombinasi CDMA dan TDMA untuk memungkinkan alokasi sumber daya yang efisien.

• TD-SCDMA (Time Division-Syncronize Code Division Multiple Access) - ini memiliki hubungan dengan spesifikasi UMTS dan sering diidentifikasi sebagai UMTS-TDD chip rate yang rendah. Seperti TD-CDMA, juga cocok untuk skenario mobilitas rendah microcell atau picocells.

• CDMA2000 - Ini adalah standar teknologi multi-carrier yang menggunakan CDMA. Merupakan bagian dari standarisasi 3GPP2. CDMA2000 adalah satu standar termasuk CDMA2000 EV-DO (Evolution-Data Optimized) yang memiliki berbagai revisi. Hal ini kompatibel dengan cdmaOne.

• WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Accsess) - Ini adalah teknologi nirkabel lain yang memenuhi persyaratan IMT2000 3G. Radio interface merupakan bagian dari standar IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16 yang awalnya didefinisikan sistem PTP (Point-to-Point) dan PTM (Point-to-Multipoint). Ini kemudian ditingkatkan mampu memberikan mobilitas yang lebih besar. WiMAX Forum adalah organisasi yang dibentuk untuk mempromosikan interoperabilitas antara vendor.

Sistem 4G (Generasi Keempat) telah diperkenalkan sebagai versi terbaru teknologi mobile. 4G didefinisikan untuk memenuhi persyaratan yang ditetapkan oleh ITU (International Telecommunication Union) sebagai bagian dari IMT Advanced. Penggerak utama bagi evolusi arsitektur jaringan pada sistem 4G adalah: basis all-IP (Internet Protocol), mengurangi biaya jaringan, mengurangi latency data dan signalling, interworking mobility antara jaringan akses lainnya di 3GPP dan non-3GPP, always-on bagi user experience dengan kualitas layanan yang mendukung QoS (Quality of Services) , dan kemampuan roaming di seluruh dunia.

Berikut sistem 4G termasuk teknologi akses-nya:

• LTE dan LTE-Advanced (Long Term Evolution) - Ini adalah bagian dari 3GPP. Sebelumnya LTE belum memenuhi semua fitur IMT Advanced. Namun, LTE-Advanced merupakan bagian dari yang telah dikeluarkan oleh 3GPP dan telah dirancang khusus untuk memenuhi kebutuhan 4G.

• WiMAX 802.16m - IEEE dan WiMAX Forum telah mengidentifikasi 802.16m sebagai sistem 4G.

• UMB (Ultra Mobile Broadband) - ini diidentifikasi sebagai EV-DO Rev C. Ini adalah bagian dari 3GPP2. Vendor dan operator jaringan telah memutuskan untuk mempromosikan LTE sebagai gantinya.

Sebelum masuk ke pembahasan arsitektur LTE, akan diperkenalkan terlebih dulu mengenai teknik-teknik Radio Interface pada sistem 3GPP, yaitu: FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA. Selain itu akan disinggung juga mengenai Radio Accsess Mode yaitu: FDD dan TDD.

Teknik Radio Interface dalam sistem 3GPP

Dalam sistem selular, pengguna ponsel maupun base station berbagi media akses untuk transmisi. Empat akses transmisi yang populer adalah adalah FDMA (Frekuensi division multiple akses), TDMA (Time Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access), dan OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).

1. Frequency Division Multiple Access (FDMA)

Dalam rangka mengakomodasi berbagai perangkat di jaringan wireless yang melakukan akses secara bersama-sama, FDMA membagi ketersediaan spektrum dalam sub-band atau saluran. Dengan menggunakan teknik ini, saluran khusus dapat dialokasikan ke pengguna, sedangkan pengguna lain menempati saluran atau frekuensi lain. Saluran FDMA dapat berpotensi mengalami gangguan interference. Mereka tidak bisa terlalu dekat bersama-sama karena energi dari satu transmisi mempengaruhi saluran lain yang berdekatan. Untuk menghindari hal tersebut, diberikan tambahan guard band antara saluran sehingga akan mampu mengurangi interference.

Gambar 1. Teknik FDMA

2. Time Division Multiple Access (TDMA)

Dalam sistem TDMA bandwidth saluran dibagi dalam domain waktu. Ini memberikan alokasi spektrum sempit untuk setiap pengguna. Penyaluran dari pengguna di band yang sama dicapai dengan pemisahan frekuensi dan waktu. Jumlah timeslots dalam bingkai TDMA tergantung pada sistem. Misalnya, GSM menggunakan delapan timeslots. Sistem TDMA adalah digital dan karena itu menawarkan fitur keamanan seperti pengkodean dan integritas. Selain itu, mereka dapat menggunakan deteksi dan skema koreksi kesalahan seperti FEC (Forwad Error Correction). Hal ini memungkinkan sistem untuk lebih tahan terhadap noise dan gangguan dan karena itu mereka memiliki efisiensi spektrum yang lebih besar daripada sistem FDMA.

Gambar 2. Teknik TDMA

3. Code Division Multiple Access (CDMA)

Konsep CDMA sedikit berbeda dengan FDMA dan TDMA. Bukan seperti keduanya yang berbagi sumber daya dalam domain frekuensi atau waktu, pada CDMA perangkat dapat menggunakan sistem pada saat yang sama menggunakan frekuensi dan waktu secara bersamaan. Hal ini dimungkinkan karena setiap transmisi dipisahkan menggunakan kode penyaluran unik yang direpresentasikan oleh power. UMTS/WCDMA, cdmaOne, dan CDMA2000 semua menggunakan CDMA sebagai teknik radio interface mereka. Namun, penggunaan kode dan bandwidth yang digunakan oleh masing-masing teknologi berbeda. Misalnya untuk UMTS/WCDMA menggunakan saluran bandwidth 5 MHz, sedangkan cdmaOne hanya menggunakan 1.25 MHz. Kode yang digunakan untuk mencapai orthogonality antara pengguna juga berbeda. Dalam sistem HSDPA pada WCDMA, misalnya, saluran yang membawa data ke pengguna memiliki total 16 kode di code tree. Jika ada beberapa pengguna dalam sistem di timeslot yang sama penjadwalannya,  maka pengguna lain akan menggunakan code di luar 16 kode yg digunakan untuk HSDPA tersebut, atau dengan kata lain berbeda code tree-nya. Dalam contoh ini kode yang digunakan untuk HSDPA, merupakan penggunaan code yang tinggi, sehingga tinggi juga tingkat data-nya. Hal tersebut merupakan keterbatasan pada code tree terhadap kapasitas, karena kapasitas terkait dengan alokasi kode. Penggunaan voice dan signalling mendapatkan prioritas tertinggi dalam kode, dan kemudian data pengguna lain memanfaatkan sisa code tree. Kapasitas menjadi tantangan pada WCDMA, karena semua pengguna menggunakan frekuensi dan waktu yang sama dalam sel. Oleh karena itu, pengaturan kontrol power dan penjadwalan waktu sangat penting untuk membatasi gangguan yang akan mempengaruhi kinerja sistem.

Gambar 3. Teknik CDMA

4. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)

OFDMA pada dasarnya adalah FDM. Dalam sistem FDM konvensional, jarak antara saluran cukup lebar sehingga jumlah saluran kurang efisien. Pada OFDMA, jarak antara saluran didesain lebih rapat dengan metode orthogonal frequency atau frekuensi yang saling tegak lurus, sehingga mampu meningkatkan jumlah saluran. Hal tersebut membuat spektrum frekuensi lebih efisien. OFDMA dapat diimplementasikan pada berbagai spektrum frekuensi dengan sedikit saja modifikasi pada sistem. OFDMA terbukri dapat mengurangi efek dari Multipath Fading yang merugikan. Dengan sistem antena Multiple In Mulltiple Out (MIMO), dapat mencapai efisiensi spektrum yang tinggi. Selain itu kelebihan sistem OFDMA, saat semakin banyak pengguna terhubung dengan sistem, ukuran sel tidak akan mengempis seperti pada CDMA. Dengan kelebihan-kelebihan tersebut maka OFDMA menjadi pilihan untuk LTE.

Gambar 4. Teknik OFDMA

Operasi Radio Access Mode

Akses radio 3GPP untuk UMTS dan sistem LTE dirancang untuk beroperasi dalam dua mode operasi utama yaitu FDD (Frequency Division Duplex) dan TDD (Time Division Duplex). FDD adalah mode yang umum digunakan di seluruh dunia untuk UMTS dan LTE. Alokasi spektrum juga terikat dengan pilihan FDD atau TDD. Misalnya, operator WiMAX telah memanfaatkan spektrum WiMAX untuk berinvestasi dalam LTE TDD daripada FDD. Namun, dengan ketersediaan perangkat serta kesederhanaan penyebaran, FDD masih menjadi pilihan utama di seluruh dunia.

1. Frequency Division Duplex (FDD)

Dalam FDD, uplink terpisah dan downlink yang digunakan, yang memungkinkan perangkat untuk mengirimkan dan menerima data pada saat yang sama. Jarak antara uplink dan downlink saluran disebut sebagai jarak duplex. Saluran uplink beroperasi pada frekuensi yang lebih rendah. Hal ini dilakukan karena frekuensi yang lebih tinggi mengalami redaman lebih besar dari frekuensi yang lebih rendah , oleh karena itu, memungkinkan ponsel untuk memanfaatkan tingkat pengiriman lebih rendah.

Gambar 5. FDD mode

2. Time Division Duplex (TDD)

Modus TDD memungkinkan operasi full duplex menggunakan pita frekuensi tunggal dan pembagian waktu multiplexing uplink dan downlink sinyal. Salah satu keuntungan dari TDD adalah kemampuannya untuk memberikan asimetris uplink dan downlink alokasi. Keuntungan lainnya termasuk alokasi dinamis, peningkatan efisiensi spektral, dan meningkatkan penggunaan teknik beamforming. Hal ini disebabkan memiliki uplink dan downlink yang sama karakteristik frekuensi.

Gambar 6. TDD mode

Alokasi Spectrum UMTS dan LTE

Salah satu faktor utama dalam sistem selular adalah spektrum frekuensi yang digunakan. Sistem 2G, 3G, dan 4G menawarkan beberapa pilihan band frekuensi. Hal ini tergantung pada regulator di masing-masing Negara dan ketersediaan spektrum yang dibagi antara operator jaringan di suatu negara.

Dukungan perangkat dengan band frekuensi yang berbeda didorong oleh kemampuan hardware. Oleh karena itu, tidak semua band yang didukung oleh satu perangkat. Tergantung kebutuhan pasar, mana perangkat atau service yang sedang dikomersilkan.

LTE menggunakan saluran variabel bandwidth 1,4, 3, 5, 10, 15, atau 20 MHz. Yang paling umum digunakan di seluruh dunia adalah 5 atau 10MHz. LTE 20MHz mulai digunakan, terutama di band seperti 2,6 GHz serta 1,8 GHz setelah frekuensi re-farming.

LTE FDD-membutuhkan dua frekuensi, satu untuk downlink dan satu lagi untuk uplink. Frekuensi carrier ini masing-masing dinamakan frekuensi radio EARFCN (E-UTRA Absolute Frequency Channel Number). Sebaliknya, LTE TDD-hanya memiliki satu EARFCN. 

Tabel 1. Band Frekuensi UMTS FDD

Tabel 2. Band Frekuensi LTE FDD

Berikut artikel terkait lainnya:

Pengantar Teknologi 4G LTE

Arsitektur LTE

OFDMA dan SC-FDMA

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