3GPP Long Term Evolution atau yang biasa disingkat LTE adalah sebuah standar komunikasi akses data nirkabel tingkat tinggi yang berbasis pada jaringan GSM/EDGE dan UMTS/HSPA. Jaringan antarmuka-nya tidak cocok dengan jaringan 2G dan 3G, sehingga harus dioperasikan melalui spektrum nirkabel yang terpisah. Teknologi ini mampu download sampai dengan tingkat 300mbps dan upload 75mbps. Layanan LTE pertama kali diadopsi oleh operator seluler TeliaSonera di Stockholm dan Oslo pada tanggal 14 desember 2009.

3GPP Long Term Evolution (LTE) dan dipasarkan dengan nama 4G LTE adalah sebuah standard komunikasi nirkabel berbasis jaringan GSM/EDGE dan UMTS/HSDPA untuk aksess data kecepatan tinggi menggunakan telepon seluler mau pun perangkat mobile lainnya. LTE disebut-sebut sebagai jaringan nirkabel tercepat saat ini, sebagai penerus jaringan 3G. LTE bahkan diklaim sebagai jaringan nirkabel yang paling cepat pertumbuhannya.

LTE adalah teknologi yang didaulat akan menggantikan UMTS/HSDPA. LTE diperkirakan akan menjadi standarisasi telepon selular secara global yang pertama.

Walaupun dipasarkan sebagai teknologi 4G, LTE yang dipasarkan sekarang belum dapat disebut sebagai teknologi 4G sepenuhnya. LTE yang di tetapkan 3GPP pada release 8 dan 9 belum memenuhi standarisasi organisasi ITU-R. Teknologi LTE Advanced yang dipastikan akan memenuhi persyaratan untuk disebut sebagai teknologi 4G. Di Indonesia, operator pertama yang menggunakan teknologi 4G ini adalah Bolt yang diluncurkan oleh PT. Internux pada tanggal 14 November 2013.

https://www.youtube.com/watch?v=4YgGuK9cuSU

Sekilas LTE

LTE sudah mulai dikembangkan oleh 3GPP sejak tahun 2004. Faktor-faktor yang menyebabkan 3GPP mengembangakan teknologi LTE antara lain adalah permintaan dari para pengguna untuk peningkatan kecepatan akses data dan kualitas servis serta memastikan berlanjutnya daya saing sistem 3G pada masa depan.

3GPP LTE mewakili kemajuan besar didalam teknologi selular. LTE dirancang untuk memenuhi kebutuhan operator akan akses data dan media angkut yang berkecepatan tinggi serta menyokong kapasitas teknologi suara untuk beberapa dekade mendatang. LTE meliputi data berkecepatan tinggi, multimedia unicast dan servis penyiaraan multimedia. Selain itu LTE diperkirakan dapat membawa komunikas pada tahap yang lebih tinggi, tidak hanya menghubungkan manusia saja tetapi dapat juga menyambungkan mesin.

Kecepatan LTE

Kecepatan maksimum LTE bisa mencapai 299.6Mbps untuk mengunduh dan 75.4Mbps untuk mengunggah. Namun, operator seluler yang telah menyediakan jaringan ini, masih membatasi kapasitas dan kecepatan untuk pelanggannya. Pemerintahan di suatu negara juga punya cara yang berbeda mengatur pengalokasian rentang pita frekuensi.

LTE Duplex Mode

Duplexing adalah proses mencapai komunikasi dua arah melalui saluran komunikasi. Dibutuhkan dua bentuk: half duplex dan full duplex

1. Ada dua mode operasi duplex: (a) Half duplex dan (b) Full duplex.
Dalam setengah duplex, dua pihak yang berkomunikasi bergiliran transmisi melalui saluran bersama. Radio dua arah bekerja dengan cara ini. Sebagai pembicaraan satu pihak, yang lain mendengarkan. Pihak berbicara sering mengatakan “Over” untuk menunjukkan bahwa mereka sudah selesai dan sudah waktunya untuk pihak lain untuk berbicara. Dalam jaringan, kabel tunggal dibagi sebagai dua komputer berkomunikasi bergiliran mengirim dan menerima data.

Dalam setengah duplex, dua pihak yang berkomunikasi bergiliran transmisi melalui saluran bersama. Radio dua arah bekerja dengan cara ini. Sebagai pembicaraan satu pihak, yang lain mendengarkan. Pihak berbicara sering mengatakan “Over” untuk menunjukkan bahwa mereka sudah selesai dan sudah waktunya untuk pihak lain untuk berbicara. Dalam jaringan, kabel tunggal dibagi sebagai dua komputer berkomunikasi bergiliran mengirim dan menerima data.

Frequency Division Duplex
FDD membutuhkan dua saluran komunikasi yang terpisah. Dalam jaringan, ada dua kabel. Ethernet full-duplex menggunakan dua pasang dipelintir di dalam kabel CAT5 untuk simultan mengirim dan menerima operasi.
Sistem nirkabel perlu dua band terpisah frekuensi atau saluran (Gambar. 2). Sebuah jumlah yang cukup guard band memisahkan dua band sehingga pemancar dan penerima tidak mengganggu satu sama lain. Baik filtering atau duplexers dan mungkin perisai adalah suatu keharusan untuk memastikan pemancar tidak menurunkan rasa mudah terpengaruh penerima yang berdekatan.

2. FDD membutuhkan dua segmen simetris spektrum untuk uplink dan downlink saluran.

Dalam ponsel dengan pemancar dan penerima yang beroperasi secara bersamaan dalam waktu dekat seperti, penerima harus menyaring sebanyak sinyal pemancar mungkin. Semakin besar pemisahan spektrum, yang lebih efektif filter.
FDD menggunakan banyak spektrum frekuensi, meskipun, umumnya setidaknya dua kali spektrum dibutuhkan oleh TDD. Selain itu, harus ada pemisahan spektrum yang memadai antara mengirim dan menerima saluran. Ini disebut band penjaga tidak bisa digunakan, jadi mereka boros. Mengingat kelangkaan dan biaya spektrum, ini adalah kerugian yang nyata.
Namun, FDD sangat banyak digunakan dalam sistem telepon seluler, seperti sistem GSM banyak digunakan. Dalam beberapa sistem band 25-MHz 869-894 MHz digunakan sebagai downlink (DL) spektrum dari situs sel menara ke handset, dan band 25-MHz 824-849 MHz digunakan sebagai uplink (UL) spektrum dari handset ke situs sel.
Kelemahan lain dengan FDD adalah sulitnya menggunakan teknik antena khusus seperti multiple-masukan multiple-output (MIMO) dan beamforming. Teknologi ini adalah bagian inti dari strategi Long-Term Evolution (LTE) 4G ponsel baru untuk meningkatkan kecepatan data. Sulit untuk membuat antena bandwidth yang cukup luas untuk menutupi kedua set spektrum. Sirkuit tala dinamis lebih kompleks diperlukan.
FDD juga bekerja pada kabel mana mengirim dan menerima saluran diberi bagian yang berbeda dari spektrum kabel, seperti dalam sistem TV kabel. Sekali lagi, filter yang digunakan untuk menjaga saluran terpisah.

Time Division Duplex
TDD menggunakan pita frekuensi tunggal untuk kedua mengirim dan menerima. Kemudian saham band yang dengan menetapkan bolak slot waktu untuk mengirim dan menerima operasi. Informasi yang akan dikirim-apakah itu suara, video, atau komputer data dalam format biner serial. Setiap slot waktu mungkin 1 byte panjang atau bisa menjadi kerangka beberapa byte.

3. TDD bergantian transmisi dan penerimaan data stasiun dari waktu ke waktu. Slot waktu mungkin variabel panjang.

Karena sifat kecepatan tinggi dari data, pihak berkomunikasi tidak bisa mengatakan bahwa transmisi yang berselang. Transmisi yang bersamaan daripada simultan. Untuk suara digital diubah kembali ke analog, tidak ada yang bisa mengatakan itu bukan full duplex.
Dalam beberapa sistem TDD, slot waktu bolak adalah dari durasi yang sama atau memiliki DL sama dan UL kali. Namun, sistem tidak harus 50/50 simetris. Sistem ini dapat asimetris seperti yang diperlukan.
Misalnya, di akses Internet, waktu download biasanya lebih lama dari kali meng-upload sehingga lebih atau slot time frame yang lebih sedikit ditugaskan sesuai kebutuhan. Beberapa format TDD menawarkan alokasi bandwidth yang dinamis di mana nomor waktu-slot atau jangka waktu berubah dengan cepat seperti yang diperlukan.
Keuntungan nyata dari TDD adalah bahwa ia hanya membutuhkan satu saluran spektrum frekuensi. Selanjutnya, tidak ada spektrum-boros penjaga band atau saluran pemisahan diperlukan. The downside adalah bahwa keberhasilan pelaksanaan TDD membutuhkan waktu dan sinkronisasi sistem yang sangat tepat baik pada pemancar dan penerima untuk memastikan slot waktu tidak tumpang tindih atau mengganggu satu sama lain.
Waktu sering synched untuk tepat standar jam atom GPS yang diturunkan. Kali penjaga juga diperlukan antara slot waktu untuk mencegah tumpang tindih. Kali ini umumnya sama dengan waktu penyelesaian send-menerima (mengirim-menerima waktu switching) dan keterlambatan transmisi (latency) atas jalur komunikasi.
Contoh aplikasi
Kebanyakan sistem telepon seluler menggunakan FDD. Yang lebih baru LTE dan 4G sistem menggunakan FDD. Sistem TV kabel sepenuhnya FDD.
Kebanyakan transmisi data nirkabel yang TDD. WiMAX dan Wi-Fi menggunakan TDD. Begitu juga Bluetooth ketika piconet dikerahkan. ZigBee adalah TDD. Kebanyakan telepon cordless digital menggunakan TDD. Karena kekurangan spektrum dan biaya, TDD juga sedang diadopsi dalam beberapa sistem seluler, seperti TD-SCDMA dan TD-LTE sistem Cina. Sistem selular TD-LTE lainnya diharapkan akan dikerahkan di mana kekurangan spektrum terjadi.
Kesimpulan
TDD tampaknya menjadi pilihan yang lebih baik secara keseluruhan, tetapi FDD yang jauh lebih banyak diterapkan karena tugas spektrum frekuensi sebelum dan teknologi sebelumnya. FDD akan terus mendominasi bisnis seluler untuk saat ini. Namun sebagai spektrum menjadi lebih mahal dan langka, TDD akan menjadi lebih banyak diadopsi sebagai spektrum dialokasikan kembali dan repurposed.

LTE Multiple Access Mode

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:

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:

Penggunaan prinsip multi-carrier ditunjukkan pada gambar di bawah, dimana data dibagi pada sub-carrier yang berbeda dari satu pemancar. Contoh pada gambar di bawah ini memiliki filter Bank yang untuk solusi praktisnya biasanya diganti dengan Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) dimana jumlah subcarrier banyak.

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  berikut:

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.

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.

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.

Arsitektur LTE

Arsitektur LTE dikenal dengan suatu istilah SAE (System Architecture Evolution) yang menggambarkan suatu evolusi arsitektur dibandingkan dengan teknologi sebelumnya. Secara keseluruhan LTE mengadopsi teknologi EPS (Evolved Packet System). Didalamnya terdapat tiga komponen penting yaitu UE (User Equipment), E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestial Radio Access Network), dan EPC (Evolved Packet Core).

User Equipment (UE)
User equipment adalah perangkat dalam LTE yang terletak paling ujung dan berdekatan dengan user. Peruntukan UE pada LTE tidak berbeda dengan UE pada UMTS atau teknologi sebelumnya.

E-UTRAN
Evolved UMTS Terresterial Radio Access Network atau E-UTRAN adalah sistem arsitektur LTE yang memiliki fungsi menangani sisi radio akses dari UE ke jaringan core. Berbeda dari teknologi sebelumnya yang memisahkan Node B dan RNC menjadi elemen tersendiri, pada sistem LTE E-UTRAN hanya terdapat satu komponen yakni Evolved Node B (eNode B) yang telah emnggabungkan fungsi keduanya. eNode B secara fisik adalah suatu base station yang terletak dipermukaan bumi (BTS Greenfield) atau ditempatkan diatas gedung-gedung (BTS roof top).

Evolved Packet Core (EPC)
EPC adalah sebuah system yang baru dalam evolusi arsitektur komunikasi seluler, sebuah system dimana pada bagian core network menggunakan all-IP. EPC menyediakan fungsionalitas core mobile yang pada generasi sebelumnya (2G, 3G) memliki dua bagian yang terpisah yaitu Circuit switch (CS) untuk voice dan Packet Switch (PS) untuk data. EPC sangat penting untuk layanan pengiriman IP secara end to end pada LTE. Selain itu, berperan dalam memungkinkan pengenalan model bisnis baru, seperti konten dan penyedia aplikasi. EPC terdiri dari MME (Mobility Management Entity), SGW (Serving Gateway), HSS (Home Subscription Service), PCRF (Policy and Charging Rules Function), dan PDN-GW (Packet Data Network Gateway). Berikut penjelasan singkatnya:

Mobility Management Entity (MME)
MME merupakan elemen control utama yang terdapat pada EPC. Biasanya pelayanan MME pada lokasi keamanan operator. Pengoperasiannya hanya pada control plane dan tidak meliputi data user plane. Fungsi utama MME pada arsitektur jaringan LTE adalah sebagai authentication dan security, mobility management, managing subscription profile dan service connectivity.

Home Subscription Service (HSS)
HSS merupakan tempat penyimpanan data pelanggan untuk semua data permanen user. HSS juga menyimpan lokasi user pada level yang dikunjungi node pengontrol jaringan. Seperti MME, HSS adalah server database yang dipelihara secara terpusat pada premises home operator.

Serving Gateway (S-GW)
Pada arsitektur jaringan LTE, level fungsi tertinggi S-GW adalah jembatan antara manajemen dan switching user plane. S-GW merupakan bagian dari infrastruktur jaringan sebagai pusat operasioanal dan maintenance. Peranan S-GW sangat sedikit pada fungsi pengontrolan. Hanya bertanggungjawab pada sumbernya sendiri dan mengalokasikannya berdasarkan permintaan MME, P-GW, atau PCRF, yang memerlukan set-up, modifikasi atau penjelasan pada UE.

Packet Data Network Gateway (PDN-GW)
Sama halnya dengan SGW, PDN-GW adalah komponen penting pada LTE untuk melakukan terminasi dengan Packet Data Network (PDN). Adapun PDN GW mendukung policy enforcement feature, packet filtering, charging support pada LTE, trafik data dibawa oleh koneksi virtual yang disebut dengan service data flows (SDFs).

Policy and Charging Rules Function (PCRF)
PCRF merupakan bagian dari arsitektur jaringan yang mengumpulkan informasi dari dan ke jaringan, sistem pendukung operasional, dan sumber lainnya seperti portal secara real time, yang mendukung pembentukan aturan dan kemudian secara otomatis membuat keputusan kebijakan untuk setiap pelanggan aktif di jaringan. Jaringan seperti ini mungkin menawarkan beberapa layanan, kualitas layanan (Quality of services), dan aturan pengisian. PCRF dapat menyediakan jaringan solusi wireline dan wireless dan juga dapat mngaktifkan pendekatan multidimensi yang membantu dalam menciptakan hal yang menguntungkan dan platform inovatif untuk operator. PCRF juga dapat diintegrasikan dengan platform yang berbeda seperti penagihan, rating, pengisian, dan basis pelanggan atau juga dapat digunakan sebagai entitas mandiri.

Pengukuran Performansi LTE

Dua aspek penting yang harus diperhitungkan selama proses optimasi performansi adalah:

• User perceived experience: hal yang dirasakan langsung oleh pelanggan, seperti battery lifetime, speed data downlink dan uplink, seberapa lama melakukan call setup, dropcall experience
• Network KPI: terkait indikator network yang ditargetkan seperti accessibility, retainability,  mobility, traffic growth, congestion.

Semua aktivitas optimisasi mengacu pada target KPI yang telah ditentukan. Target KPI ditentukan menyesuaikan dengan kriteria desain jaringan. Pada setiap fase optimasi jaringan, KPI yang berbeda digunakan untuk RF maupun service performance. Untuk sistem 4G, yang terkait KPI, baik user maupun network dapat kategorikan seperti pada tabel berikut:

Kekurangan LTE