Jaringan Nir-Kabel ( Wireless Network )

PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS DIAN NUSWANTORO SEMARANG Jaringan Nir-Kabel (Wireless Network) Dr.Eng. Yuliman Purwanto, M.Eng.

Silabi • Pendahuluan : Sejarah Singkat • Standar-Standar • Masalah pada LAN Nir-Kabel : multipath propagationpath loss, interferensi, interoperabilitas sistem, keamanan jaringan. • Instalasi : Zona Fresnel, Wireless Fidelity • Arsitektur LAN Nir-Kabel : Jenis-Jenis Modulasi • Jenis-Jenis Jaringan Nir-kabel, Physical Layer, Carrier-Sence Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA)

Sejarah Singkat • Tahun 1971 : Universitas Hawaii berhasil menghubungkan komputer-komputer yang tersebar di Kep. Hawaii tanpa kabel telepon •  ALOHANET • Ada 7 kampus di 4 pulau berhasil membentuk jaringan lokal (LAN) dengan pusat di Oahu. • Sistem komunikasi : duplex, topologi bintang antara komputer pusat dengan komputer lainnya (remote computers).

Prof. Norm Abramson ALOHANET

Tahun 1980-an pehobi radio amatir di AS dan Kanada merancang terminal node controller (TNC) untuk interfacing komputer dengan perangkat radio amatir. • Cara kerjanya mirip modem telepon masa kini : mengubah sinyal data digital ke sinyal analog dan mengirimkannya lewat perangkat pemancar dengan teknik packet switching. • Para anggota amatir radio sudah terlebih dulu menggunakan sistem jaringan nir-kabel jauh sebelum pasar komersial menggunakannya. Sejarah Singkat (lanjut)

Contoh : MFJ 1278 Multi Mode Data Controller (TNC) • Features : • Interfacing radio dengan PC dengan RS232 atau TTL level serial port dan program terminal. • Mengirim dan menerima paket data di VHF, HF, AMTOR, CW, ASCII, RTTY, Facsimile, dan SSTV • Fasilitas Easy Mail Personal Mailbox • Precision Tuning Indicator (20-segmen, 10 Hz) untuk paket HF dan mode lain • Packet Collision Prevention • Laju paket : 300, 1200, dan 2400 bps

Sejarah Singkat (lanjut) • Tahun 1985: Federal Communications Commision (FCC) membuat peraturan yang memungkinkan penggunaan pita frekuensi untuk ISM (Industrial, Scientific, and Medical) untuk pemakaian LAN berbasis radio. • Alokasi frekuensi ISM : di pita 902 MHz, 2.45 GHz, dan 5.85 GHz. • Frekuensi ini bebas digunakan tanpa perlu izin dari siapapun (kecuali di Indonesia !!!).

Di bawah Vic Hayes, IEEE 802.11 Working Group membangun spesifikasi Wireless LAN Medium Access Control dan Physical Layer. • Kartu-kartu radio LAN pada saat itu (sebelum standarnya diratifikasi) menggunakan frekuensi 902 MHz dengan biaya per kartu yang cukup mahal (US$1,400). Sejarah Singkat (lanjut) Akhir tahun 1980-an : IEEE 802 Working Group (bertanggung-jawab pada pengembangan standar LAN), memulai pembangunan standar untuk LAN nir-kabel.

Sejarah Singkat (lanjut) • 18 Nov. 1997 : IEEE mempublikasikan standar yang sudah diperbaiki.  Sepanjang 1998 banyak vendor mulai memasarkan kartu nir-kabel dengan laju 1 Mbps dan 2 Mbps. • Des. 1999 : IEEE merilis standar 802.11a dan 802.11b untuk meningkatkan kinerja WLAN hingga 54 Mbps. • Tahun 2000 : vendor mulai memproduksi WLAN 11 Mbps yang relatif murah (US$200 per kartu radio). • Awal th. 2001 : mulai memasarkan 22 Mbps. • Akhir 2001 sudah tersedia kartu dengan laju 54 Mbps (IEEE 802.11a). • Pertengahan th. 2002 : tersedia kartu IEEE 802.11g. • Awal 2006 : proposal 802.11n disetujui dengan laju 200 Mbps.

Standar 802.11b merupakan peningkatan dari standar 802.11 DSSS yang beroperasi pada 2.4 GHz dengan laju hingga 11 Mbps. Kebanyakan sistem LAN nir-kabel yang ada saat ini telah memenuhi standar 802.11b. Teknologi LAN Nir-Kabel • a. Standar IEEE 802.11 • LAN nir-kabel bekerja pada frekuensi 2.4 GHz (pita ISM) dengan laju data 1 Mbps dan 2 Mbps. • Jenis modulasi : spread spectrum modulation dengan sistem loncatan frekuensi (frequency hopping, disebut standar 802.11 FHSS) dan sistem urutan langsung (direct sequence, disebut standar 802.11 DSSS). • Tambahan untuk IEEE 802.11 : 802.11a dan 802.11b.

Standar IEEE 802.11 (lanjut) • Standar 802.11a : laju 54 Mbps, modulasi orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), frek. 5 GHz.  Memiliki berbagai laju data berkecepatan tinggi : 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, dan 54 Mbps. • Standar 802.11g : laju 54 Mbps dengan modulasi OFDM dan frek. 2.4 GHz. • Standar 802.11n : laju hingga 200 Mbps, modulasi MIMO (Multiple Input Multiple Output), frek. 2.4 dan 5.8 GHz.

Wireless LAN Throughput by IEEE Standard

b. Standar HiperLAN • Lahir di Eropa tahun 1996 oleh European Telecommunications Standards Institute (ETSI). • Frekuensi 5 GHz, laju data hingga 24 Mbps, protokol connectionless. • Telah dibuat standar HiperLAN/2 54 Mbps, frek. 5 GHz, dan protokol connection-oriented. • HiperLAN/2 mampu membawa bingkai ethernet, sel ATM, dan paket IP.

Tahun 1998 HomeRF Working Group (HRFWG) mengumumkan Shared Wireless Access Protocol (SWAP) untuk komunikasi digital nir-kabel antara PC dan perangkat elektronik konsumen di dalam rumah. • Spesifikasi SWAP : laju 1 Mbps dan 2 Mbps untuk data dan suara menggunakan modulasi FHSS pada pita frekuensi 2.4 GHz. • HRFWG telah membangun SWAP versi 10 Mbps. c. HomeRF SWAP

Bluetooth berkecepatan 1 Mbps dengan frek. 2.4 GHz, daya sangat rendah, dan sistem modulasi FHSS. d. Bluetooth • Sistem Bluetooth bukanlah LAN nir-kabel, tetapi merupakan Personal Area Network (PAN) nir-kabel. • Bluetooth dipublikasikan oleh Bluetooth Special Interest Group (SIG) dengan sponsor utama dari 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia, dan Toshiba.

Masalah pada LAN Nir-Kabel • Implementasi jaringan nir-kabel cukup berbeda dibanding jaringan kabel tradisional, karena memiliki banyak parameter yang sangat mempengaruhi kinerja jaringan. • Beberapa masalah yang sangat potensial pada pembangunan LAN nir-kabel : • multipath propagation • path loss • interferensi • interoperabilitas sistem • keamanan jaringan, dlsb.

Rapat fluks daya (power flux density) pada perambatan di ruang bebas (free space) : Pt= daya keluaran pemancar, d = jarak. Multipath Propagation • Rapat fluks menurun secara kwadratis terhadap jarak. • Fakta : perambatan gelombang elektromagnetik dari pemancar ke penerima tidak melewati satu jalan, tetapi banyak jalan (multipath). • Sinyal yang menempuh jarak terpendek memiliki waktu tempuh terpendek  sinyal langsung (direct signal). • Sinyal lain menempuh jarak yang lebih panjang (melewati pantulan) dan waktu tempuhnya lebih lama  ada waktu tunda. • Waktu tunda menimbulkan beda fasa sinyal pada penerima  bisa merugikan karena bisa memperlemah sinyal (fading), bahkan bisa saling menghapuskan.

Obyek Obyek Sinyal langsung RX TX GROUND Multipath propagation :

Pada penerima : Daya sinyal yang ditangkap oleh antena penerima : dengan l= c/f = panjang gelombang. Semakin tinggi frekuensi dan semakin jauh jarak, semakin menurun (secara kwadratis) daya sinyal yang sampai ke penerima.

Semakin jauh jarak antara pemancar dan penerima, semakin menurun sinyal yang diterima akibat rugi-rugi di sepanjang jalan yang ditempuh. Rugi-rugi untuk transmisi ruang bebas (free-space): c = cepat rambat cahaya, f = frekuensi, dan d = jarak antara pemancar dan penerima. Rugi-rugi meningkat dengan kwadrat jarak. Path Loss

Secara praktis, path loss bisa dihitung dengan rumus : • f dalam MHz dan d dalam km.  Path loss meningkat seiring meningkatnya jarak. Setiap kali jarak dilipat-duakan akan terjadi penurunan sinyal sebesar 6 dB (pada kondisi free space). • Kinerja sistem transmisi data nir-kabel diukur dengan laju kesalahan bit (bit error rate, BER).  BER dipengaruhi oleh signal to noise ratio (SNR) dari sistem penerima. • Derau (noise)bisa berasal dari dalam penerima atau dari luar penerima (misalnya sinyal liar, lecutan listrik di atmosfir, derau industri, dlsb).  Semakin besar derau, semakin rendah SNR, semakin tinggi BER.

Antena berperan sangat besar dalam mengirimkan dan menerima sinyal, karena semakin efektif tingkap antena (antenna aperture) akan semakin baik. • Ar = tingkap antena efektif • Besarnya tingkap antena efektif untuk jenis antena isotropik hipotetis yang banyak digunakan dalam LAN nir-kabel : • s = rapat fluks daya. •  Semakin tinggi frekuensi, semakin kecil efektifitas tingkap. Antena :

Penerimaan daya di penerima : Pt = daya keluaran pemancar (dBm atau dBW, sama untuk Pr) Lp = free space path loss antara kedua antena isotropik (dB) Gt= bati antena pemancar (dBi) Gr= bati antena penerima (dBi) Lt= rugi-rugi kabel transmisi antara pemancar dan antena (dB) Lr= rugi-rugi kabel transmisi antara penerima dan antena (dB)

Jenis Antena • Ada beberapa jenis antena yang lazim digunakan pada sistem Wi-Fi : • Antena segala arah (omnidirectional) : bati (gain) paling rendah dan memiliki pola radiasi 360o, biasanya digunakan di AP. • Antena sektoral : memiliki bati yang lebih tinggi dibanding antena omnidirectional tetapi hanya bisa meliput area antara 90o~180o. • Antena berpengarahan (directional): memiliki bati tertinggi dengan area liputan tersempit. Biasanya digunakan oleh client dan diarahkan ke AP. Bisa juga digunakan untuk menghubungkan dua buah LAN.

Pola horisontal Pola vertikal RFDG-140, 6.5 dBi 2.4GHz Antena Omnidirectional • Bati berkisar antara 3~12 dBi. • Digunakan untuk koneksi point-to-multipoint (P2MP). • Cukup baik untuk meliput hingga jarak 1~5 km, terutama jika client menggunakan antena berbati tinggi.

A2.45LP14, 180o Antena Sektoral • Bati berkisar antara 10~19 dBi. • Digunakan untuk koneksi point-to-multipoint (P2MP). • Cukup baik untuk meliput hingga jarak 6-8 km, terutama jika client menggunakan antena berbati tinggi.

YAGI PATCH PARABOLIC Antena Directional • Ada 3 jenis antena directional yang lazim digunakan pada sistem Wi-Fi : • Antena YAGI • Antena Panel Datar • Antena Parabolik

RFL-MANT19, 19 dBi Antena Directional • Bati berkisar antara 7-24 dBi. • Digunakan untuk koneksi point-to-multipoint (P2MP). • Cukup baik untuk meliput hingga jarak 6-8 km, terutama jika client menggunakan antena berbati tinggi.

E H H E E H Polarisasi • Sinyal RF terdiri dari 2 komponen medan : medan elektrik (E)dan medan magnetik (H) yang saling tegak lurus. • Polarisasi antena ditentukan dari medan E yang dihasilkan antena tersebut. • Polariasasi vertikal : medan E tegak lurus terhadap permukaan bumi. • Polariasasi horizontal : medan E sejajar terhadap permukaan bumi. • Seluruh client dalam sebuah sistem WLAN harus memiliki polarisasi antena yang sama.

Sepasang kartu WaveLAN bekerja pada 915 MHz digunakan untuk menghubungkan jaringan dengan jarak 10 km. Daya keluaran pemancar 0.25 watt (+24 dBm), antena jenis Yagi (juga pada penerima) dengan bati 10 dBi dan jalur transmisi kabel LMR-400 sepanjang 50 ft (juga pada penerima). Berapakah daya penerimaannya jika diandaikan kondisinya adalah free space ? Solusi : Dari tabel didapat rerugi kabel di frek. 915 MHz sebesar 1.95 dB (dibulatkan menjadi 2 dB). Dengan memasukkan semua parameter yang ada maka diperoleh path loss sebesar 111.6 dB (dibulatkan menjadi 112 dB). Maka besarnya daya penerimaan : Nilai ini secara praktik masih cukup baik karena untuk sebuah WaveLAN diperlukan spesifikasi penerimaan daya minimum sebesar –78 dBm agar bisa menjamin BER yang rendah. Contoh Soal :

Path Loss pada Rantai Line of Sight (LOS) • Rugi-rugi LOS terjadi karena refraksi, difraksi, dan refleksi. • Refraksi : terjadi di atmosfir bumi yang mengubah trayektori dari gelombang radio dan berubah-ubah menurut waktu. Ini hanya terjadi pada pita frekuensi VHF bagian bawah (sekitar 30-60 MHz). • Difraksi : terjadi akibat adanya obyek di sekitar jalur langsung. • Refleksi : terjadi sebagai akibat adanya obyek baik di sekitar jalur langsung maupun obyek yang jauh darinya. • Rugi-rugi akibat kondisi atmosfir (misalnya hujan, salju, dan kabut) hanya berpengaruh pada frekuensi yang lebih tinggi (microwave, di atas 3 GHz).

Menurut laporan CCIR, peredaman oleh hutan : • Tabel 2. Peredaman sinyal oleh hutan. • Pada frekuensi yang lebih rendah, peredaman sedikit lebih rendah untuk polarisasi horisontal dibanding vertikal. Ini berlaku hingga frekuensi 1 GHz. • Pepohonan dan hutan juga mempengaruhi perambatan sinyal, terutama pada kondisi basah.

Saluran Wi-Fi

 Merupakan volume ruang yang berbentuk elips di mana antena penerima dan pemancar berada pada titik fokus-fokusnya. • Representasi zona Fresnel dua-dimensi : • Walau zona Fresnel ada berlapis-lapis, tetapi yang paling berpengaruh adalah lapis terdalam. • Benda apa pun yang berada di zona Fresnel berpotensi menghasilkan multipath. Agar bisa menghasilkan kondisi yang mendekati free space, maka clearance di daerah Fresnel minimum = 60%. Zona Fresnel

Zona Fresnel (lanjut) Fresnel Zone Clearance (FZC) Wi-Fi yang bekerja di Saluran-1 (2.412 GHz) :

Dalam banyak kasus, pantulan dari obyek yang jauh dari jalur langsung bisa meningkatkan multipath. • Karena jaraknya jauh, maka waktu tunda perambatan menjadi cukup berarti dan cukup potensial untuk menimbulkan gangguan pelemahan/penghapusan (fading) pada sinyal yang diterima. • Untungnya, path loss semacam ini sangat tergantung pada frekuensi sehingga bila digunakan lebar-pita yang besar maka hanya sebagian kecil sinyal saja yang akan terpengaruh oleh penghapusan (selective fading). Itulah sebabnya dalam WLAN digunakan teknik modulasi spektrum tersebar (spread spectrum). Waktu Tunda

Waktu tunda menimbulkan konsekuensi lain : penerimaan data yang tumpang tindih (overlap) dengan data tetangga/ sebelah dan menimbulkan inter-symbol interference (ISI). • Agar tidak terjadi ISI, waktu tunda harus jauh lebih kecil dibanding panjang simbol. Penambahan daya pemancar sama sekali tidak akan memperbaiki keadaan ! • Untuk mengatasinya : dilakukan peningkatan panjang simbol dengan menggunakan teknik modulasi multicarrier seperti OFDM (orthogonal frequency division multiplex). • Pada FHSS : penghapusan sinyal terjadi pada sebagian kecil waktu dan data bisa diperbaiki dengan teknik Forward Error Correction (atau dengan error detection and retransmission). • Pada DSSS : hanya sebagian kecil spektrum yang hilang akibat penghapusan, sehingga mudah diperbaiki. Tapi pada DSSS jumlah error lebih banyak dibanding FHSS karena walaupun waktu tunda yang terjadi hanya 10% dari panjang simbol, kinerjanya sudah menurun.

Waktu tunda di daerah perkotaan jauh lebih kecil dibanding di daerah pegunungan di luar kota.  Satu-satunya cara untuk mengatasi : penggunaan antena berpengarahan tinggi, baik untuk pemancar maupun penerima. • Untungnya : semakin tinggi frekuensi akan semakin baik pengarahan antenanya. • LAN nir-kabel untuk keperluan di dalam ruangan (jarak pendek), tidak memerlukan antena dengan pengarahan tinggi karena waktu-tundanya sangat kecil sehingga bisa dilakukan transmisi dengan kecepatan tinggi.

Interferensi • Terjadi bila dua buah sinyal atau lebih yang berfrekuensi sama muncul pada saat sama.  Jika sinyal penginterferensi cukup kuat : sinyal yang dikirim bisa ditindas (jammed) dan hilang.  Jika sinyal penginterferensi lebih lemah : akan timbul nada liar akibat adanya pelayangan frekuensi. • Interferensi sangat mungkin terjadi jika di sekitar jaringan ada LAN nir-kabel lain yang bekerja pada pita frekuensi (saluran) yang sama.

Interferensi (lanjut) • Pada sistem pita sempit : bisa fatal karena langsung berpengaruh pada seluruh muatan data. • Pada sistem pita lebar : pengaruhnya jauh berkurang karena pada umumnya hanya sebagian kecil spektrum saja yang terkena interferensi. • Untuk menghindarinya : LAN nir-kabel menggunakan sistem pita tersebar dengan menggunakan modulasi spektrum tersebar). • Kemungkinan interferensi terjadi lebih besar pada sistem komunikasi ke segala arah (broadcast), dan terjadi lebih kecil pada sistem komunikasi titik-ke-titik.

Interoperabilitas Sistem • Pada sistem LAN nir-kabel : bermacam vendor menghasilkan produk dengan bermacam spesifikasi. • Standar 802.11 sendiri menghasilkan spesifikasi yang berlainan : baik laju data (berbagai kecepatan, dari 1 hingga 54 Mbps) maupun teknik modulasinya (FHSS, DSSS, OFDM). • Vendor dari berbagai pabrik dan merk bisa tidak saling kompatibel sehingga bisa menyulitkan konsumen. • Yang paling aman : memilih produk dari satu vendor/merk baik untuk kartu radio maupun access point-nya.

Wireless Fidelity : • WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), organisasi non profit yang didukung oleh lebih dari 100 perusahaan pembuat komponen LAN nir-kabel, melakukan pengujian interoperabilitas produk IEEE 802.11b dan IEEE 802.11a dari anggotanya. • Produk yang lolos uji akan mendapatkan sertifikat Wi-Fi(untuk IEEE 802.11b) dan Wi-Fi5 (untuk IEEE 802.11a). • Tujuan pengujian : menjamin interoperabilitas hardware dari berbagai vendor.

Faktor/parameter yang diuji : a. Interval beacon. b. Elemen traffic indication map (TIM). c. Dukungan untuk muatan data yang terenkripsi dan yang tak terenkripsi. d. Mode power save. e. Dukungan untuk protokol enkripsi Wired Equivalent Privacy (WEP). f. Dukungan untuk penerimaan sinyal RTS (request to send) dan pembangkitan sinyal CTS (clear-to-send). g. Penanganan paket terfragmentasi. h. Waktu tanggapan paket. i. Laju data. j. Penanganan kesalahan (error handling). k. Notifikasi AP (access point) untuk jembatan saat sebuah stasiun melakukan roaming dari satu AP ke AP lainnya.

Keamanan Jaringan • Gelombang radio tidak bisa dibatasi seperti halnya pengkabelan, karena mustahil mengendalikan pola pancar dengan akurat. • Seseorang yang tidak berhak bisa dengan mudah menerima sinyal dari WLAN tanpa sepengetahuan siapapun, dan membajak/mencuri isinya. • Misalnya : seseorang dengan mudah memasang kartu NIC nir-kabel yang sama dengan yang digunakan pada sebuah jaringan, dan dengan mudah bisa memperoleh kode akses untuk bergabung dengan jaringan. • Metoda pengamanan dengan enkripsi data mungkin cukup menolong, walaupun hackers bisa saja dengan mudah membongkarnya.

Keamanan Jaringan (lanjut) • Celah bisa timbul di empat layer : physical layer, network layer, userlayer, dan application layer. • Celah di physical layer : berupa gelombang radio yang secara bebas bisa ditangkap oleh siapa saja. • Celah di network layer : terdapat di Access Point (AP) yang bersifat terbuka dan tidak diverifikasi dan dikontrol dengan baik. • Celah di user layer : ada pada sistem adminstrasi yang mengatur pengguna jaringan. • Celah di application layer : ada pada sistem administrasi yang mengatur penggunaan aplikasi di jaringan.

Masalah Konektivitas Aplikasi • Masalah konektivitas timbul terutama jika terminal yang mengakses berada di daerah pinggiran daerah layanan.  Sinyal radio sudah melemah sehingga sedikit saja gangguan pada transmisi akan mengakibatkan putusnya koneksi antara user dengan access point.  Kejadian terburuk jika user menggunakan terminal yang selalu bergerak dan sering melakukan roaming dari satu IP subnet ke IP subnet lainnya.  Pergantian dari satu IP subnet memerlukan proses yang cukup rumit dan memerlukan konektivitas yang baik, sementara pergerakan terminal justru menurunkan konektivitas.

Masalah Instalasi • Banyak faktor yang bisa menurunkan kinerja sinyal radio atau bahkan menggagalkan sama sekali jaringan yang dibuat. • LAN nir-kabel yang sederhana (kecil) biasanya tidak memiliki masalah yang serius, tetapi WLAN yang besar (WMAN) biasanya memiliki masalah yang cukup berat. • Kontur tanah dan kondisi bangunan serta lingkungan sangat menentukan kinerja sistem nir-kabel. Interferensi dengan sistem lain, juga merupakan faktor yang sangat penting. • Instalasi sebuah jaringan LAN nir-kabel memerlu-kan percobaan dan bongkar-pasang terminal tertentu agar bisa dicapai kondisi yang terbaik.

Contoh LAN Nir-kabel standar di dalam sistem jaringan : Arsitektur LAN Nir-Kabel

Jaringan Nir-Kabel ( Wireless Network )