Peluangdan TantanganPengembangan …Seminar Nasional Teknologi Informasi Komunikasi dan Industri...

transcript

Seminar Nasional Teknologi Informasi Komunikasi dan Industri (SNTIKI 12)Pekanbaru, 1 Desember 2020

Gamantyo Hendrantoro

Departemen Teknik ElektroInstitut Teknologi Sepuluh Nopember

Peluang dan Tantangan PengembanganTeknologi Komunikasi 5G di Indonesia

Agenda1. Teknologi 5G

2. Peluang dan Tantangan Teknologia. Massive MIMO

b. Millimeter-wave

3. Peluang dan Tantangan dalam Pengembangana. Sumber daya

b. Kerjasama

Gamantyo Hendrantoro 2

Teknologi 5G

5G• Standar teknologi generasi

kelima untuk jaringan selularbroadband.• Perangkat 5G terhubung ke

jaringan telepon dan internet dengan laju sampai 10 Gbps.

• Mampu melayani telepongenggam dan computer/laptop.

• Memungkinkan aplikasi baruuntuk IoT dan komunikasi antarperangkat.

• Standar industri untuk 5G ditetapkan oleh konsorsium3GPP.

• Standar minimum ditetapkanoleh ITU.

Cellular + Wifi + IoT + some more = 5G

(Busari et al, 2018)

5G• Menggunakan 3 pita

frekuensi:1. Low-band:

• 600-700 MHz dengan laju unduh30-250 Mbps;

• Jangkauan BTS seperti 4G.2. Mid-band:

• 2.5-3.7 GHz dengan laju unduh100-900 Mbps;

• Radius sel beberapa kilometer.3. High-band:

• 25-39 GHz dengan laju unduhsampai beberapa Gbps;

• Sel kecil.

• 5G NR (5G new radio)• Air interface /radio access

technology (RAT) untuk 5G.• Menggunakan 2 pita frekuensi:

• FR1: 6 GHz ke bawah• FR2: 24-100 GHz

• ITU-R mendefinisikan 3 wilayah aplikasi utama:1. Enhanced Mobile Broadband (eMBB)

• Koneksi, throughput, dan kecepatan kendaraan lebih tinggidari 4G.

2. Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) • Untuk aplikasi komunikasi kritis (mission-critical), tidak boleh

terputus, latensi sangat rendah.3. Massive Machine-Type Communications (mMTC)

• Menyambungkan perangkat IoT, termasuk autonomous vehicle, sensor, dsb.

• Dapat digunakan dalam jaringan pribadi, seperti IoT untukindustri

Gamantyo Hendrantoro 5(Foukas et al, 2017)

Teknologi pendukung (1)• Massive MIMO

• Kombinasi antara multi-user MIMO dan beamforming

• MIMO dengan jumlah antena yang banyak, dikelompokkan dalam subarray untukbeamforming.• Meningkatkan kapasitas atau jumlah user.• Mengurangi efek fading• Memungkinkan tracking user yang bergerak.

• Millimeter-wave• Spektrum belum banyak digunakan.• Tersedia bandwidth lebih lebar.• Ukuran antena kecil, memungkinkan

antena array atau MIMO.• Rugi-rugi propagasi besar. → sel kecil

• OFDM-based waveform• Masalah yang perlu diselesaikan: OOB,

PAPR, ICI, mengkombinasikan denganMIMO.

• Kandidat: FBMC, GFDM, dll.

• NOMA (Non-orthogonal multiple access)• NOMA meningkatkan jumlah user

dibandingkan OMA (orthogonal multiple access) seperti TDMA, FDMA, CDMA.• Suatu blok waktu/frekuensi/kode

digunakan bersama dengan multiplexing.• Penggunaan bersama resource secara

non-orthogonal.• Power-domain NOMA: User dibedakan

berdasarkan daya dan dipisahkan dengansuccessive interference cancellation (SIC).

• Code-domain NOMA: User dibedakandengan kode.

• Multiplexing di domain lain atau multi domain.

Gamantyo Hendrantoro 6(Dai et al, 2018)

(Cai et al, 2018)

Teknologi pendukung (2)• Network slicing

• Berbagai jenis layanan harus dapatdiakomodasi oleh 5G.• eMBB, URLLC, mMTC.

• Software-defined Networking (SDN) dan Network Function Virtualization (NFV) memungkinkan“mengiris” jaringan secarahorizontal (end-to-end) pada infrastruktur jaringan yang samauntuk jenis layanan yang berbeda-beda. → Network slicing

• Setiap irisan adalah suatu jaringanvirtual end-to-end yang independen yang diatursedemikian rupa untuk memenuhikebutuhan aplikasi layanantertentu.• Infrastruktur jaringan dikelola oleh

pemilik/operator infrastruktur.

• Setiap irisan dikelola oleh MVNO (mobile virtual network operator).

(Zhang, 2019)

(Samdanis et al, 2016)

(Khan et al, 2020)

microwave →Mid BandmmWave→ High Band

Gambaran implementasi

9Gamantyo Hendrantoro

(Adis Alifiawan, Kominfo)

Peluang dan Tantangan• Massive MIMO

• BTS massive MIMO akan banyak dibutuhkandi dalam gedung perkantoran, pertokoan, tempat hiburan, rumah sakit, sekolah, dsb.

• BTS massive MIMO memungkinkan sel kecilvirtual untuk melayani event di luar gedungyang bersifat sementara, seperti pasar malam, festival seni, dsb.

• Millimeter Wave• Sebagai pita FR2 untuk sel kecil dengan

kapasitas tinggi, mm-wave perlu diterapkandi Indonesia.→Kondisi khusus Indonesia: Daerah tropis maritim

memiliki curah hujan tinggi, berpotensimengganggu propagasi gelombang milimeter.

Peluang dan TantanganTeknologi:

Massive MIMO

Konsep Sistem Komunikasi MIMO• MIMO: multiple-input multiple-output.

• Sistem yang menggunakan pemancar jamak dan penerima jamak.• Syarat: Spasi antar antena di pemancar maupun di penerima memungkinkan

terbentuknya kanal-kanal yang independen.

• Spatial diversity adalah salah satu bentuk sistem komunikasi MIMO dengantujuan untuk meningkatkan kinerja probabilitas kesalahan, alias kualitas.

• Spatial multiplexing adalah bentuk sistem komunikasi MIMO yang lain dengantujuan untuk meningkatkan kapasitas.

• Prinsip spatial multiplexing:• Dengan pemancar dan penerima jamak yang bekerja pada pita frekuensi yang sama,

diharapkan terjadi sejumlah kanal yang saling independen pada pita frekuensi tersebutsehingga kanal-kanal tersebut dapat dialiri informasi yang berbeda-beda secarabersamaan. → Peningkatan efisiensi spektrum = peningkatan kapasitas kanal

• Semakin banyak obyek penghambur/pemantul dalam lingkungan Tx dan Rx, semakinbanyak lintasan yang menyusun tiap kanal antar Tx-Rx, semakin besar potensiterbentuknya kanal-kanal independen. 12Gamantyo Hendrantoro

Representasi sistem komunikasi MIMOJika sistem komunikasi MIMO menggunakan NT pemancar dan NR penerima: • maka akan terbentuk NR x NT

kanal SISO, masing-masingtersusun dari sejumlahlintasan.

• diperoleh matriks kanal MIMO H yang berukuran NR x NT .

𝑦1 = ℎ11𝑠1 + ℎ12𝑠2 +⋯+ ℎ1𝑁𝑇 + 𝜂1

𝑦2 = ℎ21𝑠1 + ℎ22𝑠2 +⋯+ ℎ2𝑁𝑇 + 𝜂2

𝑦𝑁𝑅 = ℎ𝑁𝑅1𝑠1 + ℎ𝑁𝑅2𝑠2 +⋯+ ℎ𝑁𝑅𝑁𝑇 + 𝜂𝑁𝑅

𝑦1⋮

𝑦𝑁𝑅

ℎ11 … ℎ1𝑁𝑇⋮ ⋱ ⋮

ℎ𝑁𝑅1 ⋯ ℎ𝑁𝑅𝑁𝑇

𝑠1⋮𝑠𝑁𝑇

𝜂1⋮

𝜂𝑁𝑅

𝐲 = 𝐇𝐬 + 𝛈13Gamantyo Hendrantoro

MIMO: Spatial Diversity vs Spatial Multiplexing

Spatial Diversity

• Kanal-kanal independen yang terbentuk digunakan untukredundansi sekaligus untukmeningkatkan SNR dalampengiriman suatu aliraninformasi.

• Target kinerja: Kualitas• Indikator: Pb

Spatial Multiplexing

• Kanal-kanal independen yang terbentuk digunakan untukmengirimkan sejumlah aliraninformasi yang berbeda secarabersamaan.

• Target kinerja: Kapasitas• Indikator: C

“The diversity–multiplexing tradeoff (DMT) is essentially the tradeoff between the error probability and the data rate of a system.” (Zheng dan Tse, 2003)

Massive MIMOKonsep Massive MIMO adalah gabungan beberapa ide:1. Semakin banyak pemancar dan penerima yang

digunakan, semakin besar kapasitas kanal berkatadanya spatial multiplexing.

2. Pada pita gelombang milimeter (mm-Wave) 30–300 GHz, panjang gelombang berkisar dari 1–10 mm . • Contoh: pada f = 30 Ghz, = 1 cm, sehingga untuk

memperoleh kanal-kanal independen hanyadiperlukan spasi antar antena sebesar /2 = 5 mm.

• Pemancar MIMO konfigurasi antena 10x10 (100 pemancar) hanya butuh area seluas ~ 5 cm x 5 cm.

3. Sebagian antena dapat “dikumpulkan” menjadi satu“subarray” yang bekerja sebagai phased-array.• Phased-array terdiri dari sejumlah antena

“elemen” yang memancarkan sinyal yang sama(dengan power splitter) dan arah radiasinya dapatdiatur dengan memberi beda fase tertentu antarelemen (beamforming).

• Subarray gain = jumlah elemen subarray (ideal).

Kapasitas Massive MIMO

𝐶mMIMO ≈ 𝑁𝑅log2 1 +𝐸𝑠

𝑁𝑜bps/Hz

𝐶mMIMO ≈ 𝑁𝑇log2 1 +𝐸𝑠𝑁𝑜

𝑁𝑅𝑁𝑇

Jika NT sangat banyak dan NT >> NR

Jika NR sangat banyak dan NR >> NT

Bandingkan dengan MIMO biasa,dimana NT > 1 dan NR > 1

Efisiensi spektrum berbanding lurusdengan banyaknya antena!

Sub-array terhubung

ke Tx #1

4 sub-array terhubung

ke 4 Tx

00000 0 2 43

Tx #NT

⁝ ⁝

Phased-array 5 elemen

Beda fase antar elemen = 0 Beda fase antar elemen = 0

Sistem pemancar MIMO dengan NT pemancar dan subarraySubarray

Contoh sebuah antena mMIMO mikrostrip

• Analog beamforming:• Tujuan:

1. Meningkatkan gain sinyal ke araharea/lokasi pengguna yang dikehendaki sehingga mengurangiefek fading.

2. Menekan interferensi dari arahpengguna yang lain.

• Diterapkan dengan phase shifter analog yang dipasang di tahap RF (sebelumantena).

• Alternatif: Digital beamforming / pre-coding• Tujuan sama dengan beamforming analog.• Diterapkan dengan pengkodean /

pengolahan sinyal pada tahap baseband.

Multi-user Massive MIMO

Virtual Small Cells

• Peluang:• Pengembangan BTS massive MIMO indoor untuk sel kecil dalam

gedung bagi gedung-gedung di Indonesia.

• Pengembangan BTS massive MIMO outdoor dengan kemampuanVSC untuk melayani trafik dari event-event khusus

• Analog beamforming:• Massive MIMO menembakkan

beam dengan kapasitas tinggi kelokasi-lokasi event yang bersifatsementara dengan banyakpengunjung yang berpotensimembangkitkan trafik.

(Liu et al, 2020)

Peluang dan TantanganTeknologi:

Millimeter-Wave

Karakteristik perambatan mm-wave• f = 30 – 300 GHz = 1 - 10 mm

• Beberapa karakteristik khas mm-wave:1. Rugi-rugi ruang bebas (free-space loss)

2. Transmisi dan refleksi (propagasi and reflection loss)

3. Rugi-rugi difraksi (diffraction loss)

4. Rugi-rugi absorbsi atmosfir (atmospheric absorption loss)

5. Redaman oleh hujan (rain attenuation)

6. Dimensi antena

• Free-space loss

𝐿𝑓𝑠 = 20 log4𝜋𝑑

𝜆dB

d (m) f = 2.5 GHz 6 GHz 30 GHz 60 GHz 80 GHz

250 88,4 96,0 109,9 116,0 118,5

500 94,4 102,0 116,0 122,0 124,5

1000 100,4 108,0 122,0 128,0 130,5

2000 106,4 114,0 128,0 134,0 136,5

Rugi-rugi ruang bebas (dB)

𝜆cm =30

𝑓GHz

Transmisi dan Refleksi• Transmisi pada batas permukaan medium

• Hasil pengukuran 40 GHz (Alejos et al, 2008)

Rugi-rugi pada frekuensi 30 GHz

Brick 15 cm

Limestone15 cm

Glass0.5 cm

Lref (dB) -10.3 -7.7 -10.9

Lpro (dB) 0.42 0.82 0.36

• Propagasi dalam medium𝐿𝑝𝑟𝑜 =

ln 10𝛼𝑑 dB

• Refleksi pada permukaan medium

𝐿𝑟𝑒𝑓 = 20 log( Γ ) dB

Rugi-rugi Difraksi dan Absorbsi Atmosfir• Difraksi

• Model difraksi Lee

• Absorbsi atmosfir

~ 0.1 dB/km @30 GHz

d1 (m) d2 (m) h (m) Ldif (dB)

5 5 0.1 13.4

20 20 0.1 9.7

20 20 1 26.0

f = 30 GHz

Statistik Redaman oleh Hujan pada mm-Wave Link

• Jika diinginkan link availability a%, maka dalam link budget harusdisediakan rain fade margin sebesar Ap dB, di mana p = 100-a.• Contoh: Untuk mencapai availability 99.99% (kinerja link di bawah batas

kinerja yang diinginkan selama total 52 jam dalam setahun), maka diperlukanrain fade margin sebesar A0.01 dB yang dapat diprediksi dengan metoda ITU-R.

• Berdasarkan ITU-R Rec. P.530 diperoleh tabel berikut (30 GHz, V-pol)

Panjang linkd (meter)

R0.01 = 100 mm/jam R0.01 = 125 mm/jam

A0.1 A0.01 A0.1 A0.01

250 1.35 3.72 1.66 4.56

500 2.62 7.21 3.22 8.84

1000 4.95 13.60 6.07 16.67

2000 8.89 24.42 10.91 29.95

Rain fade margin (dB) untuk availability 99.9% dan 99.99%

Kesimpulan mm-wave • Free-space loss besar• Tidak mampu menembus tembok. Mampu

menembus kaca dan kayu dengan redaman yang relatif besar.

• Daya terpantul relatif besar• Diffraction loss besar• Demi availability 99.99% diperlukan rain fade

margin yang besar untuk link > 250 m di daerahtropis maritim Indonesia.

• Untuk link yang lebih panjang diperlukanalternatif-alternatif solusi tambahan:• Phased array →Massive MIMO• Modulasi adaptif• Cell-site diversity

Aplikasi:• Indoor dengan

dinding sebagaibatas sel.

• Outdoor jarakpendek

→ Sel kecil

Peluang dan Tantangan Pengembangan:

Sumber Daya

Sumber: KemristekBRIN

steksatLA

Peluang dan Tantangan Pengembangan:

Kerja Sama

Sumber: Presentasi MenristekBRIN pada sidang MSA PTNBH, 2020

Jaringan dan Kemitraan

Perlunya Kerjasama Riset: Sudut Pandang Industri• Mengatasi keterbatasan sumber daya litbang (R&D)

• Meningkatkan daya saing melalui inovasi produk

• Super tax deduction• PP 45/2019

• PMK 153/2020

Program Pendukung bagi PerguruanTinggi1. Lokal

• Program riset universitas.

2. Nasional• Program riset nasional (semua tahap TKT),

termasuk KRUPT.

• Beasiswa BPPDN/PMDSU.

3. Program Pendukung Lain• Program Pascasarjana Jalur Riset

• Program Pascasarjana Jarak Jauh.

Konsorsium Riset yang Sedang Berjalan

Penutupa. Indonesia perlu memanfaatkan peluang pengembangan teknologi 5G, khususnya dalam mencapai

kemandirian dan memenuhi kebutuhan yang menjadi konsekuensi dari kondisi geografis dan sosial Indonesia.

b. Tantangan dalam pengembangan teknologi perlu diselesaikan bersama-sama melalui kerjasama perguruantinggi dan industri dengan dukungan pemerintah.

Terima kasih

☺gamantyo@yahoo.com

Peluangdan TantanganPengembangan …Seminar Nasional Teknologi Informasi Komunikasi dan Industri...

Documents