OFDM pada Komunikasi Digital Pita Lebar

OFDM pada Komunikasi Digital Pita Lebar

Tito Ilyasa, 0404030806, Teknik Elektro, Universitas Indonesia

Abstrak- Teknik Multiplexing banyak digunakan untuk mengefisienkan proses pentransmisian data. Multiplexing dapat dikategorikan menjadi beberapa jenis berdasarkan parameter yang di-multiplex-nya, salah satunya frekuensi yang disebut dengan FDM (Frequency Division Multiplexing). Jika frekuensi-frekuensi yang digunakan saling tegak lurus, maka disebut Orthogonal FDM (OFDM). OFDM memiliki suatu keunggulan sehingga banyak digunakan pada sistem telekomunikasi modern. Pada paper ini akan dibahas mengenai karakteristik OFDM serta aplikasinya pada sistem telekomunikasi.

I. Definisi dan prinsip dasar OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) adalah sebuah teknik transmisi yang menggunakan beberapa buah frekuensi (multicarrier) yang saling tegak lurus (orthogonal). Masing-masing sub-carrier tersebut dimodulasikan dengan teknik modulasi konvensional pada rasio symbol yang rendah. Prinsip kerja dari OFDM dapat dijelaskan sebagai berikut. Deretan data informasi yang akan dikirim dikonversikan kedalam bentuk parallel, sehingga bila bit rate semula adalah R , maka bit rate di tiap-tiap jalur parallel adalah R/M dimana M adalah jumlah jalur parallel (sama dengan jumlah sub-carrier). Setelah itu, modulasi dilakukan pada tiap-tiap sub-carrier. Modulasi ini bisa berupa BPSK, QPSK, QAM atau yang lain, tapi ketiga teknik tersebut sering digunakan pada OFDM. Kemudian sinyal yang telah termodulasi tersebut diaplikasikan ke dalam Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT), untuk pembuatan simbol OFDM. Penggunaan IDFT ini memungkinkan pengalokasian frekuensi yang saling tegak lurus (orthogonal). Setelah itu simbol-simbol OFDM dikonversikan lagi kedalam bentuk serial, dan kemudian sinyal dikirim. [1][2]

Sinyal carrier dari OFDM merupakan penjumlahan dari banyaknya sub-carriers yang orthogonal, dengan data baseband pada masing-masing sub-carriers dimodulasikan secara bebas menggunakan teknik modulasi QAM atau PSK. [2]

Sinyal yang terkirim tersebut, dalam persamaan matematik bisa diekspresikan sebagai berikut,

Dimana Re(.) adalah bagian real dari persamaan, f(t) adalah respons implus dari filter transmisi, T adalah periode simbol, v _o adalah frekuensi pembawa (carrier frequency) dalam bentuk radian, j adalah fase pembawa (carrier phase), dan b_n adalah data informasi yang telah termodulasi yang menjadi input dari IDFT. [1]

Pada stasiun penerima, dilakukan operasi yang berkebalikan dengan apa yang dilakukan di stasiun pengirim. Mulai dari konversi dari serial ke parallel, kemudian konversi sinyal parallel dengan Fast Fourier Transform (FFT), setelah itu demodulasi, konversi parallel ke serial, dan akhirnya kembali menjadi bentuk data informasi.

Pada OFDM, frekuensi-frekuensi multicarrier tersebut saling tegak lurus, yang berarti bahwa crosstalk di antara sub-channels dihilangkan dan inter-carrier guard bands tidak diperlukan. Istilah orthogonal dalam Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) mengandung makna hubungan matematis antara frekuensi-frekuensi yang digunakan. Dengan persamaan matematika bisa diekspresikan sebagai berikut, dua buah kumpulan sinyal dikatakan orthogonal bila,

Pemakaian frekuensi yang saling orthogonal pada OFDM memungkinkan overlap antar frekuensi tanpa menimbulkan interferensi satu sama lain. Ada beberapa kumpulan sinyal yang orthogonal, salah satunya yang cukup sering kita gunakan adalah sinyal sinus, sebagaimana diperlihatkan pada gambar berikut :

Ortogonalitas juga memungkinkan efisiensi spektral yang tinggi, mendekati rasio Nyquist. OFDM secara umum mendekati spektrum ”white”, sehingga terdapat properti interferensi elektromagnetik terhadap pengguna co-channel yang lain. [2]

Satu prinsip kunci dari OFDM adalah dimana skema modulasinya dengan rasio symbol yang rendah sehingga hanya mendapat sedikit pengaruh intersymbol interference dari multipath fading. Oleh karena itu, maka dapat ditransmisikan sejumlah aliran low-rate dalam paralel, bukan aliran high-rate tunggal. Karena durasi dari tiap simbol panjang, maka memungkinkan untuk penyisipan guard interval di antara simbol-simbol OFDM, sehingga dapat menghilangkan intersymbol interference. [2]

Pada OFDM, sinyal didesain sedemikian rupa agar orthogonal, sehingga bila tidak ada distorsi pada jalur komunikasi yang menyebabkan ISI(intersymbol interference) dan ICI(intercarrier interference), maka setiap subchannel akan bisa dipisahkan stasiun penerima dengan menggunakan DFT. Tetapi pada kenyataannya tidak semudah itu. Karena pembatasan spektrum dari sinyal OFDM tidak strict, sehingga terjadi distorsi linear yang mengakibatkan energi pada tiap-tiap subchannel menyebar ke subchannel di sekitarnya, dan pada akhirnya ini akan menyebabkan interferensi antar simbol (ISI). Solusi yang termudah adalah dengan menambah jumlah subchannel sehingga periode simbol menjadi lebih panjang, dan distorsi bisa diabaikan bila dipandingkan dengan periode simbol. Tetapi cara diatas tidak aplikatif, karena sulit mempertahankan stabilitas carrier dan juga menghadapi Doppler Shift. Selain itu, kemampuan FFT juga ada batasnya. Berikut gambar penyisipannya :

Pendekatan yang relatif sering digunakan untuk memecahkan masalah ini adalah dengan menyisipkan guard interval (interval penghalang) secara periodik pada tiap simbol OFDM. Sehingga total dari periode simbol menjadi :

T total = T guard + T symbol (3)

Efek dari penyisipan tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :

Cyclic prefix yang ditransmisikan selama guard interval, terdiri dari akhir dari symbol OFDM yang dikopi ke guard interval, dan guard interval ditransmisikan diikuti dengan symbol OFDM. Alasan guard interval terdiri dari kopi dari akhir simbol OFDM adalah agar receiver nantinya mengintegrasi masing-masing multipath melalui angka integer dari siklus sinusoid ketika proses demodulasi OFDM dengan FFT. [1][2]

II. Properti OFDM

A. Performa Bit Error Rate

BER dari OFDM disini hanya dicontohkan pada lingkungan dengan fading. Kita tidak akan menggunakan OFDM sebagai straight line dari sight link seperti satellite link. Sinyal OFDM, dikarenakan variasi amplitudonya, tidak berlaku baik pada channel non-linier seperti yang dihasilkan high power amplifier pada board satelit. Penggunaan OFDM pada satelit akan membutuhkan backoff yang besar, sekitar 3 dB, sehingga harus ada alasan untuk pemaksaan penggunaannya seperti ketika sinyal digunakan untuk pengguna yang bergerak. [4]

B. Rasio daya Peak to Average

Jika sinyal OFDM merupakan penjumlahan dari N sinyal dengan amplitudo maksimum masing-masing 1 V, maka kita bisa mendapatkan amplitudo maksimum dari N ketika semua N sinyal dijumlahkan pada keadaan maksimum. Untuk sinyal OFDM yang mempunyai 128 carrier, masing-masing dengan daya normalisasi 1 W, maka maksimum PAPR adalah mencapai log (128) atau 21 dB. RMS dari PAPR akan didapatkan sekitar setengah dari jumlah tersebut atau 10-12 dB. [4]

C. Sinkronisasi

Sinkronisasi dibutuhkan pada OFDM. Sering pilot tones digunakan pada ruang sub-carrier. Tujuannya untuk mengunci fasa dan menyeimbangkan channel. [4]

D. Coding

OFDM secara tidak tetap digunakan pada konjungsi dengan channel coding (forward error detection), dan hampir selalu menggunakan interleaving frekuensi dan/atau waktu. Tipe umum dari error correction coding yang digunakan pada sistem berbasis OFDM adalah convolutional coding, yang sering disambung dengan Reed-Solomon coding. Convolutional coding digunakan sebagai inner code dan Reed-Solomon coding digunakan untuk outer code. Alasan digunakannya kombinasi error correction coding ini adalah karena Viterbi decoder yang digunakan untuk convolutional decoding menghasilkan burst error singkat ketika terdapat konsentrasi eror yang tinggi, dan Reed-Solomon code sangat cocok untuk mengoreksi burst error. [2]

III. KEUNGGULAN DAN KELEMAHAN

A. Keunggulan

Untuk memperjelas perbedaan OFDM, baik dalam operasi dasarnya maupun dalam segi efisiensi spektrumnya, dengan sistem single carrier, dan juga dengan sistem multicarrier konvensional, bisa dilihat pada Gambar.3. Dari gambar tersebut bisa dilihat, bahwa OFDM adalah salah satu jenis dari multicarrier (FDM), tetapi memiliki efisensi pemakaian frekuensi yang jauh lebih baik. Pada OFDM overlap antar frekuensi yang bersebelahan diperbolehkan, karena masing-masing sudah saling orthogonal, sedangkan pada sistem multicarrier konvensional untuk mencegah interferensi antar frekuensi yang bersebelahan perlu diselipkan frekuensi penghalang (guard band), dimana hal ini memiliki efek samping berupa menurunnya kecepatan transmisi bila dibandingkan dengan sistem single carrier dengan lebar spektrum yang sama. Sehingga salah satu karakteristik dari OFDM adalah tingginya tingkat efisiensi dalam pemakaian frekuensi. Selain itu pada multicarrier konvensional juga diperlukan band pass filter sebanyak frekuensi yang digunakan, sedangkan pada OFDM cukup menggunakan FFT saja.

Karakter utama yang lain dari OFDM adalah kuat menghadapi frequency selective fading. Dengan menggunakan teknologi OFDM, meskipun jalur komunikasi yang digunakan memiliki karakteristik frequencyselective fading (dimana bandwidth dari channel lebih sempit daripada bandwidth dari transmisi sehingga mengakibatkan pelemahan daya terima secara tidak seragam pada beberapa frekuensi tertentu), tetapi tiap sub carrier dari sistem OFDM hanya mengalami flat fading (pelemahan daya terima secara seragam). Pelemahan yang disebabkan oleh flat fading ini lebih mudah dikendalikan, sehingga performansi dari sistem mudah untuk ditingkatkan. Teknologi OFDM bisa mengubah frequency selective fading menjadi flat fading, karena meskipun sistem secara keseluruhan memiliki kecepatan transmisi yang sangat tinggi sehingga mempunyai bandwidth yang lebar, karena transmisi menggunakan subcarrier (frekuensi pembawa) dengan jumlah yang sangat banyak, sehingga kecepatan transmisi di tiap subcarrier sangat rendah dan bandwidth dari tiap subcarrier sangat sempit, lebih sempit daripada coherence bandwidth (lebar daripada bandwidth yang memiliki karakteristik yang relatif sama). Perubahan dari frequency selective fading menjadi flat fading bisa diilustrasikan seperti gambar berikut :

Keuntungan yang lainnya adalah, dengan rendahnya kecepatan transmisi di tiap subcarrier berarti periode simbolnya menjadi lebih panjang sehinnga kesensitifan sistem terhadap delay spread (penyebaran sinyal-sinyal yang datang terlambat) menjadi relatif berkurang. [1]

B. Kelemahan

Sebagai sebuah sistem buatan menusia, tentunya teknologi OFDM pun tak luput dari kekurangan-kekurangan. Diantaranya, yang sangat menonjol dan sudah lama menjadi topik penelitian adalah frequency offset dan nonlinear distortion (distorsi nonlinear). [1]

Ø Frequency Offset

Sistem ini sangat sensitif terhadap carrier frequency offset yang disebabkan oleh jitter pada gelombang pembawa (carrier wave) dan juga terhadap Efek Doppler yang disebabkan oleh pergerakan baik oleh stasiun pengirim maupun stasiun penerima.

Ø Distorsi Non-linier

Teknologi OFDM adalah sebuah sistem modulasi yang menggunakan multi-frekuensi dan multi-amplitudo, sehingga sistem ini mudah terkontaminasi oleh distorsi nonlinear yang terjadi pada amplifier dari daya transmisi.

Ø Sinkronisasi sinyal

Pada stasiun penerima, menentukan start point untuk memulai operasi Fast Fourier Transform (FFT) ketika sinyal OFDM tiba di stasiun penerima adalah hal yang relatif sulit. Atau dengan kata lain, sinkronisasi daripada sinyal OFDM adalah hal yang sulit.

IV. OFDMA

Pada sekitar tahun 1994, ada beberapa paper yang mengusulkan kombinasi antara teknologi OFDM dengan teknologi CDMA (Code Division Multiple Access) yaitu menggunakan OFDM untuk modulasi tiap stasiun dan menggunakan CDMA untuk multiple access, disebut OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), yaitu penggabungan sinyal-sinyal dari beberapa stasiun pengirim pada sebuah jalur komunikasi yang harus digunakan secara bersama.

Alasan utama banyaknya perhatian terhadap teknologi ini, karena kemampuannya untuk menggabungkan keistimewaan dari CDMA yang terkenal sangat tahan terhadap interferensi, dengan keistimewaan-keistimewaan dari OFDM seperti yang sudah disebutkan diatas. Metode OFDMA ini juga memungkinkan pemakaian CDMA untuk pengiriman data berkekecapatan tinggi. [1][3]

V. APLIKASI OFDM DALAM KOMUNIKASI DIGITAL

A. ADSL

OFDM digunakan pada koneksi ADSL yang mengikuti standar G.DMT, dimana kabel tembaga yang sudah ada digunakan untuk penerimaan koneksi data kecepatan tinggi. [2]

B. Teknologi Powerline

OFDM digunakan oleh divais powerline untuk memperluas koneksi Ethernet ke ruangan lain pada suatu residen melalui power wiring. [2]

C. WLAN dan MAN

OFDM digunakan pada beberapa aplikasi WLAN dan MAN, mencakup IEEE 802.11a/g dan WiMAX. [2]

D. Radio dan Televisi Digital

Banyak Negara-negara Eropa dan Asia yang mengadopsi OFDM untuk broadcast radio dan televise digital terrestrial, seperti DVB-T, T-DMB, DAB, HD Radio, dll. [2]

E. Ultra Wideband

Teknologi UWB wireless personal area network juga memanfaatkan OFDM, seperti Multiband OFDM. [2]

F. FLASH-OFDM

FLASH-OFDM adalah system berbasis OFDM dengan spesifikasi protocol layers yang lebih tinggi. FLASH-OFDM telah menghasilkan packet-switched cellular bearer, yang areanya akan bersaing dengan jaringan GSM dan 3G. [2]

REFERENSI

[1] Sigit Puspito W.J., “Mengenal Teknologi Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) pada Komunikasi Wireless”, Elektro Indonesia, Nomor 24, Tahun V, Januari 1999

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_Frequency_Division_Multiplexing

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_Frequency_Division_Multiple_Access

[4] Charan Langton, ”Orthogonal Frequency Division Multiplexing Tutorial”, www.complextoreal.com, 2002