Komunikasi Satelit

Elemen Sistem Komunikasi Satelit

                       

 Elemen suatu sistem komunikasi satelit terbagi atas dua bagian yaitu ruas bumi (ground segment) dan ruas angkasa (space segment). Ruas angkasa terdiri dari satelit dan fasilitas stasiun bumi yang menyediakan fungsi tracking, telemetri, dan telekomando serta dukungan logistik untuk satelit. Sedangkan ruas bumi merupakan bagian sistem komunikasi satelit yang terutama diperankan oleh stasiun bumi yang digunakan untuk pengiriman dan penerimaan semua jenis sinyal trafik baik dari maupun ke satelit dan juga sebagai pembentuk antar muka dengan jaringan terrestrial.

Parameter Sistem Komunikasi Satelit

 Level Sinyal

Gambar berikut memperlihatkan level sinyal pada suatu sistem komunikasi satelit  dalam satuan dBm dari ujung pengirim (kiri) sampai ujung penerima (kanan).

 

EIRP (Effective Isotropically Radiated Power) Salah satu parameter kunci dalam perhitungan link budget adalah EIRP, yaitu daya keluaran perangkat pemancar menuju antena yang dipancarkan secara isotropis dan efektif.

Figure of Merit (G/T)

     (G/T) disebut juga dengan figure of merit dari suatu sistem penerima radio. Parameter ini umumnya digunakan dalam komunikasi angkasa untuk menunjukkan kemampuan sistem dalam hal penerimaan sinyal secara efektif.

Linearitas

             EIRP yang dipancarkan satelit merupakan fungsi dari level carrier uplink yang diterima pada input penerima satelit. Pada umumnya amplifier yang digunakan pada transponder satelit adalah TWTA atau SSPA.Hubungan input-output amplifier tersebut memiliki karakteristik tidak linier pada daerah yang mendekati titik saturasi. Yakni titik dimana pada harga input tersebut, harga output sudah tidak dapat lagi bertambah. Ketidaklinieran tersebut mengakibatkan timbulnya derau intermodulasi, yang cukup berarti pengaruhnya jika transponder tersebut diakses oleh lebih dari satu carrier.

 Solusi yang digunakan untuk mengurangi derau intermodulasi adalah dengan memperkecil level sinyal input, sehingga amplifier tersebut dapat beroperasi pada daerah linier. Yakni dengan mengurangkan harga input saturasi dengan suatu input backoff. Tetapi dengan konsekuensi, tidak seluruh daya transponder dapat dimanfaatkan.

 Keterbatasan Bandwidth dan Daya
 Bandwith dan daya merupakan parameter utama pengoperasian satelit. Keduanya memiliki ketersediaan yang terbatas. Sedangkan untuk mencapai kualitas link yang diinginkan diperlukan daya yang cukup dan bandwith yang sesuai untuk kualitas informasi yang ditransmisikan. Sebagian kasus merupakan bandwith limited dan sebagian yang lain merupakan power limited. Desain yang paling baik adalah jika persentase pemakaian daya sama dengan persentase pemakaian bandwith.

Jenis Carrier Layanan Satelit

            Trafik pada sistem komunikasi satelit dapat diasosiasikan dengan carrier-carrier layanan satelit. Dalam hal ini terdapat beberapa macam carrier yang dioperasikan oleh satelit Palapa B4 dan Telkom-1. Carrier digital terdiri dari IDR, VSAT, TDMA, MCPC, LBR, dan Internet. Sedangkan carrier analog terdiri dari SCPC dan TV.

Intermediate Data Rate (IDR)

            Sistem carrier IDR digunakan untuk menyalurkan informasi, baik itu berupa sinyal suara maupun non suara secara point to point. IDR menggunakan teknik multiplek TDM (Time Division Multiplex) dengan modulasi koheren QPSK pada metode akses FDMA (Frekuency Division Multiple Access). Range laju informasi antara 64 kbps sampai dengan 44,736 Mbps, yakni berupa kelipatan n x 64 kbps. ^[7] Laju informasi ini didefinisikan sebagai laju bit yang memasuki suatu unit kanal sebelum ditambahkan overhead sebesar 96 kbps dan aplikasi pengkodean FEC (Forward Error Correction). ^[4]

VSAT (Very Small Apperture Terminal)              

            Sistem ini menggunakan terminal satelit dengan antena ukuran kecil berdiameter 0,6 sampai dengan 2,4 meter. Hal inilah yang menyebabkan sistem VSAT tidak memerlukan biaya besar untuk pengoperasiannya.

               Setiap VSAT dalam suatu network harus mengakses sebuah terminal bumi besar yang disebut hub. VSAT biasanya beroperasi dengan topologi jaringan bintang dengan hub berada di pusatnya. Hub mengkompensasi kelemahan kinerja dari VSAT-VSAT yang berada di bawah kontrolnya. Dimana hub memiliki harga G/T dan EIRP yang jauh lebih besar dari harga tipikal suatu VSAT. Disamping itu hub juga bertugas untuk melakukan fungsi manajemen jaringan.

                                   

TDMA (Time Division Multiple Access) 

            Pada TDMA, setiap stasiun bumi menggunakan frekuensi yang sama, hanya setiap stasiun bumi menduduki celah waktu masing-masing yang berbeda satu sama lain. Dengan metode ini hanya satu user yang dapat melakukan transmit pada saat tertentu dengan menggunakan seluruh bandwith yang tersedia.

               TDMA dibedakan menjadi dua macam yakni TDMA Low Bit Rate (LBR) dan TDMA Medium Bit Rate (MBR). Keduanya memiliki prinsip yang sama, hanya dibedakan oleh kecepatan burst pancarnya. TDMA LBR atau dikenal dengan nama carrier LBR memiliki kecepatan burst pancar sebesar 1 sampai dengan 15 Mbps. Sedangkan TDMA MBR atau dikenal dengan nama carrier TDMA memiliki kecepatan burst pancar sebesar 15 sampai dengan 60 Mbps.

           

SCPC (Single Carrier Per Channel) 

   Sistem SCPC (Single Carrier Per Channel) menggunakan metode akses dalam bentuk FDMA (Frecuency Division Multiple Access). Pada sistem ini, stasiun bumi menggunakan satelit pada saat yang bersamaan tetapi dengan frekuensi yang berlainan. SCPC menggunakan sistem modulasi FM (Frequency Modulation),  karena efisiensinya dari segi bandwith dan juga C/N yang lebih rendah. Hanya saja jika diantarmukakan dengan switch digital, harus ditambahkan perangkat konverter analog ke digital (ADC).

 Penggunaan SCPC yang ditujukan untuk rute-rute ringan, menyebabkan tidak dilakukannya proses multipleksing pada kanal voice, karena setiap kanal langsung ditransmisikan dengan carriernya masing-masing . Dalam pengoperasian SCPC dikenal tiga mode operasi dengan karakteristik yang berbeda, yaitu : Permanent Assignment (PA), Demand Assignment (DA), dan Fast Re-Assignment Service (Fraser).

MCPC (Multi Carrier per Channel)

MCPC merupakan suatu carrier yang kapasitas koneksinya terbagi atas beberapa kanal dalam suatu waktu. MCPC mengggunakan modulasi digital QPSK dan melakukan proses multiplek terhadap beberapa sinyal pengguna yang akan ditransmisikannya.

TV Frekuensi Modulasi

            Carrier TV yang dioperasikan pada satelit Telkom-1 adalah TV Occassional dengan modulasi frekuensi, dengan alokasi bandwith satu transponder penuh. Sinyal pemodulasi video maksimum memiliki bandwith sekitar 5 MHz dan deviasi puncak sebesar 10 MHz. Maka bandwith yang diduduki adalah sebesar 30 MHz. Sedangkan bandwith yang dialokasikan sebesar 36 MHz. 

Internet

            Layanan internet merupakan salah satu bagian dari layanan multimedia, yang pada Telkom-1 dinamakan Telkomnet Turbo. Downstream dipancarkan langsung ke pelanggan dengan cara direct broadcast. Sedangkan upstream harus melewati jalur tereseterial, baik itu dengan dial up, leased line, atau radio. Layanan ini merupakan jenis carrier yang terbesar pertumbuhannya.

Teknologi Wireless Seluler HSDPA

Teknologi data dalam keluarga GSM diawali GPRS, EDGE, UMTS/WCDMA  dan HSDPA yang saat ini banyak dipakai. Berbagai teknologi ini menyediakan banyak kemampuan dan efisiensi spektrum. Implementasinya meningkatkan potensi pendapatan dan keuntungan serta pemenuhan kebutuhan bagi komunitas ICT (Information and Communication Technology). 

Evolusi dari GPRS menuju HSDPA memberikan jawaban terhadap kebutuhan coverage yang luas, throughput data yang tinggi, quality-of-service (QoS) dan efisiensi spektrum. Efisiensi spektrum secara khusus merupakan perhatian utama karena merupakan interpretasi throughput rata-rata yang lebih tinggi bagi lebih banyak user aktif di suatu coverage area.

HSDPA menghasilkan kecepatan puncak 14 Mbps dan meningkatkan kecepatan throughput rata-rata menjadi 1 Mbps. Suatu peningkatan kinerja 2,5 sampai 3,5 kali relatif terhadap teknologi 3G.

Alur GPRS menuju HSDPA

Secara umum evolusi kapabilitas data GPRS menuju HSDPA dilakukan dalam beberapa tahap , pertama dari GPRS, kemudian EDGE, WCDMA (Wideband - Code Division Multiple Access) diikuti oleh peningkatan kapabilitas 3G menjadi HSPDA.

Berbagai riset telah dilakukan untuk memenuhi kebutuhan komunikasi mobile nirkabel  tahap demi tahap. Pada tulisan ini tahapan perkembangan teknologi mobile nirkabel dimulai dari implementasi teknologi EDGE menuju  HSDPA.

 

Implementasi EDGE

Meskipun EDGE merupakan teknologi radio yang canggih namun EDGE menggunakan kanal radio dan timeslot dengan format sama sebagaimana GSM dan GPRS tanpa membutuhkan tambahan spektrum frekuensi dalam penyaluran informasi. Dengan implementasi EDGE, operator dapat memanfaatkan spektrum yang ada secara lebih efisien. Untuk area jaringan GSM/GPRS terbaru, EDGE merupakan hasil upgrade keseluruhan software BTS dan BSC agar  transceiver yang ada memiliki kemampuan EDGE. Infrastruktur paket yang sama mendukung GPRS dan EDGE. Peningkatan jumlah terminal handset GPRS juga mendukung EDGE, sehingga memungkinkan EDGE dalam meningkatkan jumlah pelanggan.

Banyak operator yang semula telah merencanakan hanya menggunakan UMTS bagi layanan data generasi berikutnya, sekarang sedang mengimplementasikan EDGE sebagai teknologi komplomen 3G. Beberapa alasannya meliputi :

·  EDGE  memberikan layanan data dengan kapabilitas tinggi mendahului UMTS.

·  EDGE memberikan kapabilitas data bagi “sweet spot” sebesar 100 kbps  sesuai kebutuhan  mayoritas komunikasi berorientasi layanan.

·  EDGE sudah terbukti di lapangan sebagai solusi biaya efektif dan kini sudah merupakan teknologi yang matang.

·  Operator sedang memanfaatkan asset spektrum yang ada dan menurunkan keseluruhan biaya capex (capital expenditures) 3G mereka.

·  EDGE memiliki spektrum sangat efisien dan memungkinkan operator melayani banyak user voice dan data melalui spektrum frekuensi yang ada. 

·  Operator dapat memelihara jaringan EDGE mereka sebagai layanan komplemen yang ditawarkan bahkan saat operator tersebut memulai UMTS. 

 Implementasi UMTS /WCDMA

Untuk meningkatkan kapabilitas dan kapasitas ke depan, kini operator sedang mengimplementasikan UMTS di hamper seluruh dunia. Meskipun UMTS melibatkan jaringan radio akses baru, beberapa faktor akan memudahkan implementasi. Pertama karena banyak cell site UMTS dapat ditempatkan bersama (collocated) ke dalam cell site GSM, dalam hal ini disediakan oleh rak multi-radio yang dapat mengakomodasi operasional perangkat GSM/EDGE maupun UMTS. Kedua karena banyak core network GSM/GPRS dapat digunakan. Selama SGSN butuh untuk di-upgrade, MSC (Mobile Switching Center) hanya butuh upgrade sederhana dan GGSN dapat tetap menempati lokasi core network tersebut.  Setelah implementasi, operator telah mengurangi biaya operasional jaringan GSM dan UMTS karena banyak aspek telah disatukan bersama pada satu jaringan, meliputi  Arsitektur paket data  , Arsitektur Quality-of-Service (QoS) , Mobility management , Subscriber account management. Implementasi UMTS berlangsung dalam beberapa tahap, diawali dengan perbaikan coverage area pada UMTS, kemajuan berkelanjutan terhadap pemenuhan coverage UMTS  dan kemudian pencapaian operasi multi-radio.  

Teknologi  HSDPA

High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) adalah hasil upgrade kinerja paket data yang luar biasa terhadap WCDMA sehingga menghasilkan kecepatan puncak 14 Mbps  dan meningkatkan kecepatan throughput rata-rata sebesar 1 Mbps atau lebih 3½ kali WCDMA. HSDPA juga meningkatkan efisiensi spektrum dengan kelipatan yang sama. HSDPA memiliki kompatibilitas penuh terhadap WCDMA dan beberapa aplikasi yang dikembangkan bagi WCDMA akan beroperasi bersama HSDPA. Kanal radio yang sama dapat melayani voice maupun data user WCDMA secara simultan seperti juga pada data user HSDPA. Kemudian HSDPA juga memiliki network latency yang lebih rendah yaitu mencapai 100 ms. 

HSDPA menghasilkan kecepatan tinggi ini melalui teknik serupa dengan penguatan kinerja EDGE pasca GPRS. HSDPA membawa WCDMA menjadi teknologi sangat potensial dalam penyediaan layanan broadband  dan HSDPA merupakan penghasil kapabilitas data seluler dengan throughput tertinggi saat ini.

Efisiensi spektrum dan kecepatan yang lebih tinggi tidak hanya menyediakan tingkatan aplikasi yang baru tetapi juga meningkatkan akses terhadap jaringan. HSDPA menghasilkan gain (penguatan) kinerja yang dicapai dari fitur radio berikut :

·    Kanal berkecepatan tinggi dengan share domain waktu dan koding

·    Transmission Time Interval (TTI) yang pendek

·     Fast scheduling

·     Modulasi dengan orde lebih tinggi (Higher - order modulation)

·     Fast-link adaptation

·     Fast hybrid ARQ (automatic-repeat-request)

                  Fungsi fitur tersebut diterangkan berikut ini. Pertama, HSDPA memakai kanal data berkecepatan tinggi yang disebut High Speed - Downlink Shared Channels (HS-DSCH). Sebanyak 15 kanal HS-DSCH dapat beroperasi pada kanal radio WCDMA 5 MHz. Masing-masing kanal menggunakan spreading factor (SF) 16. Transmisi user ditentukan oleh satu atau lebih kanal HS-DSCH untuk TTI pendek 2 msec (secara signifikan nilai ini tentunya lebih pendek dari interval 10 sampai 20 msec pada WCDMA). Kemudian jaringan dapat mengatur ulang peruntukan HS-DSCH bagi user tertentu setiap 2 msec. Hasilnya berupa penentuan di dalam domain waktu (interval TTI) dan code (kanal HS-DSCH). Proses fast-scheduling mengusahakan TTI pendek dengan cara penetuan kanal terbaik bagi user berupa kondisi kanal yang paling siap. Karena kondisi kanal bervariasi secara random, kebanyakan user dapat dilayani dengan mencari kondisi radio optimum agar dapat memberikan throughput data yang optimum. Sistem ini juga menginformasikan setiap user ketika user menerima level throughput minimum. Hasil proses ini dinamakan proportional fair scheduling.

        HSDPA menggunakan modulasi QPSK (Quadrature Phase Shift Keying ) sebagaimana pada WCDMA, serta suatu jenis modulasi orde tinggi 16-QAM (16 Quadrature Amplitude Modulation) dalam kondisi sistem radio yang baik. Keuntungan modulasi 16-QAM adalah adanya pengiriman 4 bit data di setiap simbol radio sehingga meningkatkan throughput data. Pada QPSK terdapat 2 bit data terkirim dan pengiriman berlangsung dalam kondisi sistem radio yang kurang menguntungkan.   

Tergantung pada kondisi kanal radio, adanya perbedaan level koding kanal FEC (forward error correction) dapat juga dibuat. Sebagai contoh, kecepatan koding ¾ berarti bahwa ¾ bit terkirim merupakan bit user, sisanya ¼ bit untuk pemakaian koreksi error. Proses pemilihan dan updating modulasi dan kecepatan koding disebut fast link adaptation. Hal ini dilakukan melalui koordinasi penuh dengan proses fast scheduling. Tabel-2 menunjukkan perbedaan kecepatan throughput sebagai hasil modulasi, kecepatan koding dan banyaknya pemakaian kode HS-DSCH. Sebagai catatan bahwa kecepatan puncak 14,4 Mbps terjadi saat kecepatan koding 4/4, 16 QAM dan pemakaian keseluruhan 15 kode. 

        Tabel-2: Kecepatan Throughput HSDPA

Modulasi	Coding  Rate	Throughput dengan 5 code	Throughput dengan 10 code	Throughput dengan 15 code
QPSK	¼	600 kbps	1,2 Mbps	1,8 Mbps
	2/4	1,2 Mbps	2,4 Mbps	3,6 Mbps
	¾	1,8 Mbps	3,6 Mbps	5,4 Mbps
16 QAM	2/4	2,4 Mbps	4,8 Mbps	7,2 Mbps
	¾	3,6 Mbps	7,2 Mbps	10,7 Mbps
	4/4	4,8 Mbps	9,6 Mbps	14,4 Mbps

Teknik HSDPA lainya disebut FH-ARQ (Fast Hybrid - Automatic Repeat Request). “Hybrid” menunjukkan adanya kombinasi transmisi data yang berulang dengan transmisi berorientasi peningkatan peluang keberhasilan decoding, sedang “fast” berarti mekanisme error correction dilakukan di Node-B (beserta scheduling dan link adaptation), hal yang sebaliknya pada BSC di GPRS/EDGE. Pengaturan dan respon terhadap variasi real-time radio di Base Station berlawanan dengan proses reduksi delay di node jaringan internal dan akhirnya diperoleh peningkatan throughput data keseluruhan.

Peneliti dan pengembang terus meningkatkan kekurangan kapabilitas HSDPA yang ada. Perangkat tahap awal mendukung 5 kode berkecepatan puncak 3,6 Mbps. Kemudian perangkat berikutnya akan mendukung 10 sampai 15 kode berkecepatan puncak 10,7 Mbps.

Peningkatan lain meliputi penerimaan sinyal berdiversity cabang ganda (two-branch diversity) dan adanya equalizer di bagian pesawat handset. Peningkatan ini akan terjadi 1 sampai 2 tahun setelah tahap awal implementasi HSDPA. Hal ini semua menggambarkan peningkatan kecepatan data user dan peningkatan kapasitas jaringan. Sesuai dengan WCDMA Rel’99, fitur-fitur yang dihasilkan menaikkan kinerja HSDPA dari 2,5 sampai 3,5 kali. Evolusi kecepatan data puncak HSDPA berikutnya dapat diperoleh dengan teknik antena MIMO (multiple-input multiple-output) sesuai ketentuan 3GPP Rel.'6. Hal ini dilakukan tanpa melalui pergantian jaringan tetapi melalui peningkatan kapasitas infrastruktur guna mendukung tersedianya bandwidth yang lebih tinggi.