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.
Gamantyo Hendrantoro 4
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).
Gamantyo Hendrantoro 7
(Zhang, 2019)
(Samdanis et al, 2016)
Gamantyo Hendrantoro 8
(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.
Gamantyo Hendrantoro 10
Peluang dan TantanganTeknologi:
Massive MIMO
2a
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)
14Gamantyo Hendrantoro
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!
15Gamantyo Hendrantoro
Sub-array terhubung
ke Tx #1
4 sub-array terhubung
ke 4 Tx
00000 0 2 43
Tx #1
Tx #2
Tx #NT
⁝
S/P
⁝ ⁝
Phased-array 5 elemen
Beda fase antar elemen = 0 Beda fase antar elemen = 0
Sistem pemancar MIMO dengan NT pemancar dan subarraySubarray
#1
#2
#NT
Bea
mfo
rmin
g
16Gamantyo Hendrantoro
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
17Gamantyo Hendrantoro
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
Gamantyo Hendrantoro 18
• 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
2b
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
Gamantyo Hendrantoro 20
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)
Gamantyo Hendrantoro 21
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 =
20
ln 10𝛼𝑑 dB
• Refleksi pada permukaan medium
𝐿𝑟𝑒𝑓 = 20 log( Γ ) dB
Rugi-rugi Difraksi dan Absorbsi Atmosfir• Difraksi
• Model difraksi Lee
• Absorbsi atmosfir
Gamantyo Hendrantoro 22
~ 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)
Gamantyo Hendrantoro 23
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
Gamantyo Hendrantoro 24
Aplikasi:• Indoor dengan
dinding sebagaibatas sel.
• Outdoor jarakpendek
→ Sel kecil
Peluang dan Tantangan Pengembangan:
Sumber Daya
3a
Sumber: KemristekBRIN
Sum
be
r: S
INTA
Sum
be
r: Pu
steksatLA
PAN
Peluang dan Tantangan Pengembangan:
Kerja Sama
3b
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.
