MHz, Mbps Pada Komunikasi Satellite dan Terestrial

Banyak orang yang menduga antara MHz dengan Mbps tidak berhubungan. Benarkah?

Sebenarnya MHz dan Mbps itu berhubungan. MHz adakah kecepatan informasi di transfer dalam ranah komunikasi radio (WAN), sedangkan Mbps adalah kecepatan informasi di transfer dalam ranah komunikasi data (LAN).

Jadi ada korelasi antara Hz (Hertz) dengan bit. Bit adalah informasinya, Hertz adalah pengangkutnya.


MHz Sebagai Pengangkut

Semua orang pasti sudah tahu tentang WiFi 2.4 GHz. Namun apakah speed datanya bisa 2.4 Gbps (asumsi efisiensi spectral 1 bit / Hz)? Tentu tidak kan. Tidak pernah Smartphone kita pakai WiFi bisa dapat speed segitu besarnya. Paling banter 25 Mbps.

Nah lalu gimana kaitannya?

Sebagaimana kita ketahui bahwa WiFi b/g memancarkan signal di range frekuensi 2.4 GHz. Dan ada beberapa channel 1 sd 11.

Jarak antar channel adalah 5 MHz. Sebagai contoh di tabel diatas jarak antara channel 1 dan 2 yaitu 2417 MHz - 2412 MHz = 5 MHz.

Demikian juga jarak antara channel 2 ke channel 3, juga 5 MHz

Nah 5 MHz inilah yang disebut Bandwidth.

Dengan teknik modulasi dll, didapatkan specral efisiensi perangkat WiFi 2.4 b, yaitu 5 bit/Hz, artinya:

Bandiwidth Wifi 2.4 sebesar 5 MHz, bisa mengangkut stream data sebesar:

        5 MHz x 5 bit/Hz per detik = 25 Mbps

Itulah speed yang biasa kita rasakan menggunakan Wifi 2.4 GHz, yaitu hanya 25 Mbps.


TEKNIK MODULASI

Komunikasi radio (dalam ranah Hz) jika jaraknya jauh maka rentan terhadap gangguan. Para ahli menemukan teknik modulasi, agar pengiriman data jarak jauh bisa lebih handal. Kenapa Modulasi Radio diperlukan, baca detailnya disini.

Modulasi yaitu teknik membungkus (mengkodekan) bit didalam Hertz. Teknik modulasi yang umum adalah QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Dimana 2 bit di-angkut oleh 1 Hertz. Dengan demikian efisiensi pengangkut adalah 2. Ada modulasi yang lebih efisien spt 256QAM, dengan efisiensi 8. Efisiensi modulasi disini adalah Gross. Artinya real yang didapatkan nanti kurang dari itu, karena ada guard band yang perlu diperhitungkan, termasuk bit-bit tambahan yang disisipkan untuk menambah kehandalan untuk koreksi error (FEC).


Spectral Efisiensi:

QPSK: 2 bit per symbol. Jika 1 symbol 1 Hz, maka Spectral Efisiensi QPSK 2 bit/Hz.
8PSK 3 bit/Hz
16PSK 4 bit/Hz
64QAM 6 bit/Hz
256QAM 8 bit/Hz

Jika di lihat di table diatas, kenapa tidak semua transmisi radio pakai 256QAM? Kenapa masih banyak yang pakai QPSK.

Tidak ada yang sempurna. QPSK sangat tahan terhadap gangguan. Sedangkan 256QAM sangat rentan gangguan interferensi. Sehingga untuk komunikasi jarak jauh ke satelit, tidak bisa (at least sampai saat ini) menggunakan teknik modulasi 256 QAM. Karena komunikasi jarak jauh banyak sekali interferensi radio, cuaca, petir, dll.

Contoh soal: Apabila kita akan mengangkut 64 kbps dengan QPSK, berapa lebar bandwith QPSK yang diperlukan (asumsi tidak ada FEC, dll)?

Jawab: 64 kbps, dengan QPSK 2 bit / Hz, maka dibutuhkan 32 kHz.

Contoh soal: Apabila kita akan mengangkut 64 kbps dengan QPSK, berapa lebar bandwith QPSK yang diperlukan (asumsi FEC 3/4)?

Jawab: 64 kbps data. Jika FEC 3/4 (3 data, 4 total bit), maka total bitrate 64 / (3/4) = 85.33 kbps. Jika spectral QPSK 2bit/Hz, maka diperlukan 42.67 kHz spectrum.

Contoh soal: Apabila kita akan mengangkut 64 kbps dengan QPSK, berapa lebar bandwith QPSK yang diperlukan (asumsi FEC 3/4, dan guard band 1.35)?

Jawab: 64 kbps data. Jika FEC 3/4 (3 data, 4 total bit), maka total bitrate 64 / (3/4) = 85.33 kbps. Jika spectral QPSK 2bit/Hz, maka diperlukan 42.67 kHz x 1.35 = 57.6 kHz spectrum.

Contoh soal: Apabila kita akan mengangkut 64 kbps dengan QPSK, berapa lebar bandwith QPSK yang diperlukan (asumsi FEC 3/4, guard band 1.35, Reed Solomon)?

Jawab: 64 kbps data. Jika FEC 3/4 (3 data, 4 total bit), maka total bitrate 64 / (3/4) = 85.33 kbps. Jika spectral QPSK 2bit/Hz, maka diperlukan 42.67 kHz x 1.35 = 57.6 kHz spectrum. Dengan Reed Solomon 188/204, maka spectrum bandwidth 57.6 / (188/204) = 62.5 kHz.


SATELIT  Mbps to MHz

Misal kita punya butuh menyalurkan datacom throughput 64 kbps over Satelit.

Berapa MHZ transponder satelit yang akan terpakai?

Jawab:
Modulasi: QPSK (power factor (PF) = 2), FEC 3/4, Roll-off factor 0.35 (RO = 1.35).
Data Rate (DR) = 64 kbps.

Symbol Rate (SR) = DR / (FEC * PF)                                       [1]
SR = 64 / (0.75 * 2) = 42.67 ksps

Bandwidth (BW) = SR * RO                                                     [2]
BW = 42.67 * 1.35 = 57.6 MHz                                             

Apabila pakai Reed Solomon 188/204 maka BW akan menjadi:

BWr = BW / (188/204)                                                              [3]
Bandwidth 57.6 / (188/204) = 62.5 MHz                               

Spectral efisiensi (SE) = DR / BW                                            [4]

SE = 64 kbps / 62.5 MHz = 1.024 bit /Hz ( ~ 1 bit /Hz)

Artinya jika komunikasi data kita 64 kbps, maka jika modulator kita set FEC 3/4, Red Solomon 188/204, dan modulasi QPSK maka kita sewa BW transponder +/- 64 kHz (karena spectral efisiensi 1 bit / Hz) 

SATELIT MHz to Mbps

Bandwidth 1 transpoder adalah 34 MHz
Berapa Speed / Data Rate (Mbps) yang bisa di-salurkan dalam satu transponder satelit tsb?

Jawab:

Modulasi: QPSK (power factor (PF) = 2)

Symbol rate (SR) = BW / RO                                                 [2']

SR = 34/1.35 = 25.2 Msps (roll-off factor 0.35).

Roll off factor ini perlu di masukkan karena ada bandwidth terpakai diluar bandpass filter, lihat disini.

Bisa dibanyangkan dengan demikian BW 34 MHz, usable 25.2, artinya ada 4.4 MHz di kiri dan di kanan sinyal carrier yang diperuntukkan untuk ketidak linieran bandpass filter maupun untuk guard band dengan sinyal carrier disebelahnya.

Data Rate (DR) = SR * (FEC * PF)                                      [1']

DR = 25.2 * 0.75* 2 = 37.78 Mbps

Asumsi pakai Reed Solomon 188/204

DRr = DR * (188/204)                                                           [3'] 
DRr = 37.78 * (188/204) = 34.8 Mbps


Jadi dengan BW satelit 34 MHz , maka Effective Information Rate = 34.8 Mbps

Spectral Efisiensi 1 bit / Hz (compare ke QPSK 2 bit/Hz).

Apa artinya? Artinya kalau komunikasi jarak jauh pakai satelit walau kita pakai modulasi QPSK dengan efisiensi 2 bit/Hz, pada kenyataannya kita hanya dapatkan efisiensi sebesar 1 bit/Hz. Kenapa? Karena ada bit-bit yang di korbankan untuk mengangkut informasi tambahan supaya jalur komunikasi jadi lebih kebal terhadap interferensi.

Singkat kata rule of thumb bagi komunikasi satelit: Jika pakai QPSK 3/4, maka MHz XPDR yang disewa ke provider Satelit, maka segitu Mbps yang akan di dapat. Misal disewa 10 MHz, akan dapat troughput 10 Mbps. 

Ongkos penyiaran PayTV Satelit

Apabila 1 channel SD menggunakan codec H264 bandwdith per channel 2 Mbps, maka untuk 1 transponder sebesar 36 MHz (setara 36 Mbps), dapat menyiarkan 36Mbps / 2 Mbps = 18 channel.Apabila ingin membawa 60 channel perlu 4 transponder. Dengan harga sewa 1 juta USD per transponder per tahun maka biaya per tahun 4 juta USD, sekitar Rp. 4.5 milyar per bulan. Apabila harga jual layanan Rp. 100 ribu dan alokasi biaya transpoder 22,5% alias Rp. 22,5 ribu, maka minimal untuk bisa impas harus ada 200 ribu pelanggan (Rp. 4.5 milyar / Rp. 22.500). Apabila kurang dari itu maka, perusahaan akan "bleeding" tiap bulannya. 


KABEL (HFC/ADSL)

Misal kita punya Bandwidth di dalam kabel coaxial 8 MHz
Berapa Speed / Data Rate (Mbps) yang bisa didapat?

Jawab:

BW = 8 MHz
FEC = 3/4
PF = 6 (64QAM)
RO = 1.1636 (0.636 roll off)

Symbol Rate (SR) = BW / RO                         [1]
SR = 8 / 1.636 = 6.875 Msps

Data Rate (DR) = SR * (FEC * PF)                [2]
DR = 6.875 * ((3/4)  *  6) = 30.9 Mbps

Dengan demikian bitrate yang bisa diangkut pada TV Digital dalam jaringan HFC adalah sekitar 30 Mbps per 8 MHz kanal.

Catatan: Biasanya spek perangkat CMTS menyebutkan Symbol Rate DS yaitu 6.875 Msps dan memberikan tabel dengan speed maksimal (tidak ada FEC). Sebagai contoh, apabila menggunakan 256QAM (8 bit/Hz), pada spek CMTS disebutkan akan mendapatkan throuput 6.875 * 8 = 55 Mbps.