BAB II SISTEM TELEKOMUNIKASI SELULAR UTRA-TDD

-4- 2.1 UTRA-TDD

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) adalah sistem yang pertama kali dikembangkan oleh ETSI (European Telecommunications Standard Institute) dalam kerangka IMT-2000 untuk layanan komunikasi bergerak generasi ketiga. ETSI telah melakukan kerja sama dengan badan-badan standar regional maupun nasional lain di seluruh dunia, untuk menghasilkan standar terperinci yang memberikan kepuasan terhadap kebutuhan pasar agar dapat melakukan global roaming dan peningkatan kemampuan layanan. Third Generation Partnership Project (3GPP), yang beranggotakan organisasi-organisasi standar telekomunikasi dunia seperti ETSI, T1, ARIB, TTA, dan CWTS, telah menspesifikasikan sistem radio bergerak generasi ketiga menjadi UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) yang terdiri dari mode TDD dan FDD. WCDMA digunakan sebagai teknik akses mode FDD (Frequency Division Duplex) sedangkan TD-CDMA dipakai sebagai teknik akses yang berbasis mode TDD (Time Division Duplex). Jadi, UTRA-TDD merupakan teknologi akses dengan mode TD-CDMA yang dipersiapkan untuk wireless generasi ketiga. Kelebihan mode TDD dapat dilihat pada uraian di bawah ini :

 Cocok untuk daerah perkotaan dengan kepadatan trafik yang tinggi dalam lingkungan mikrosel dan pikosel.

 Tidak membutuhkan duplex filter, kompleksitas sistem yang rendah, dan ukuran terminal (user equipment) relatif kecil.

 Akses simetrik dan asimetrik sehingga mendukung aplikasi layanan multimedia secara efisien dalam pita frekuensi tunggal.

 Hubungan imbal-balik antara kanal up dan downlink, berdasarkan penerimaan sinyal transmiter TDD dapat mengetahui status fast fading dari multipath kanal. Hal tersebut dikarenakan penggunaan frekuensi yang sama dari kedua link. Oleh karena itu berdasarkan penerimaan sinyal uplink dari mobile pada base station, dapat

ditentukan pemilihan antena yang paling tepat (preselection antenna diversity) untuk transmisi ke arah downlink.

 Menyediakan user bit rate sampai 2 Mb/s untuk lingkungan indoor/pikosel dan mikrosel dengan mobilitas pelanggan yang rendah (<10 km/jam) dan 384 kbps untuk pelanggan dengan mobilitas terbatas pada lingkungan mikrosel (<120 km/jam).

 Dapat diimplementasikan dengan mode FDD, aplikasi mode TDD pada semua coverage cell tidak efisien karena sel TDD mempunyai radius dan user mobility yang terbatas sehingga optimal dalam melayani daerah-daerah hotspot seperti perkantoran/bisnis center, bandara, pusat perbelanjaan dan hotel.

2.2 Konsep Sistem Komunikasi UTRA-TDD

Sistem IMT-2000 memiliki spektrum frekuensi 1885-2025 MHz dan 2110-2200 MHz untuk kebutuhan akses radio generasi ketiga yang telah ditetapkan oleh World Radio Conference-2000. Alokasi UTRA-TDD dioperasikan pada lebar pita 1900-1920 MHz dan 2010-2025 MHz.

2.2.1 Perbedaan Prinsip Operasi

Istilah duplex dapat didefinisikan sebagai cara berkomunikasi antara pengirim dan penerima. Penggunaan lebar pita frekuensi kedua mode duplexing (TDD dan FDD) mempunyai perbedaaan yang sangat mendasar, dengan prinsip sebagai berikut :

Downlinks

Uplinks

BS MS BS MS

f



f

 2

downlinks uplinks

f

 f

 _Guar

d band

uplink / downlink

f f

f

 2

Mode Transmisi FDD Mode Transmisi TDD

Guard Time

Gambar 2.1 Perbedaan Prinsip Operasi FDD dan TDD

FDD merupakan duplex berdasarkan frekuensi, dimana pengirim dan penerima dapat melakukan komunikasi dua arah (mengirim dan menerima) pada saat yang bersamaan tetapi dengan alokasi frekuensi yang berbeda untuk pengirim dan penerima. Saat transmisi uplink dan downlink terjadi, koneksi mobile dan base station menggunakan dua pita frekuensi yang terpisah secara berpasangan (paired) untuk metode duplexing- nya. Sepasang pita frekuensi yang dipisahkan secara spesifik akan terjadi pada setiap saat suatu koneksi terjadi.

TDD merupakan duplex berdasarkan waktu dimana pengirim dan penerima dapat melakukan komunikasi dua arah (mengirim atau menerima) tetapi tidak pada waktu yang bersamaan. Hubungan komunikasi terjadi dengan mengalokasikan waktu yang berbeda-beda untuk pengirim dan penerima. Transmisi uplink dan downlink dalam pita frekuensi yang sama (unpaired) dengan menggunakan sinkronisasi interval waktu. Pita frekuensi tunggal akan dibagi-bagi menjadi beberapa time slot, dimana pada physical channel akan terbagi menjadi bagian untuk pengiriman dan penerimaan (uplink dan downlink).

2.2.2 Arsitektur Jaringan

Arsitektur jaringan UTRA baik mode TDD maupun FDD terdiri dari jaringan inti (core network), jaringan UTRA (UTRAN), dan perangkat pengguna/handphone (User Equipment).

UTRAN berisi beberapa sub sistem dan elemen jaringan dengan fungsinya masing- masing sebagai berikut :

Core Network

UTRAN

RNS RNS

RNC RNC

node B node B node B node B

UE Iur

Iub Iub Iub

Uu

Iub Iu

Gambar 2.2 Arsitektur Jaringan

 Radio Network Subsystem (RNS)

RNS dikoneksikan pada jaringan inti (core network) melalui antarmuka Iu dan diinterkoneksikan dengan antarmuka Iur. Interkoneksi ini mengijinkan jaringan inti berdiri sendiri dengan prosedur antar RNS yang berbeda, sebagai contoh, prosedur mobilitas pengguna. RNS terbagi menjadi beberapa elemen jaringan RNC dan base station yang disebut node B.

 Radio Network Controller (RNC)

RNC ini memiliki level sama dengan BSC (Base Station Controller) pada GSM, berfungsi untuk mengontrol sejumlah node B pada UMTS dan sebagai interface ke arah MSC (Mobile Switching Centre) dan OMC (Operations Maintenance Centre) yang terdapat di jaringan inti. RNC juga bertanggung jawab terhadap proses handover.

 Node B

Node B ini seperti halnya BTS pada GSM, bertanggung jawab dalam transmisi radio, perangkat radio dan perangkat interface transmisi yang diperlukan di dalam radio site. Node B dihubungkan ke RNC oleh antarmuka Iub. Satu node B dapat menangani satu atau beberapa sel.

 Terminal Pengguna (UE)

UE mempresentasikan peralatan komunikasi bergerak pelanggan untuk mengakses layanan UMTS. Terminal ini mempunyai angka Identitas Internasional (International Mobile Equipment Identify/IMEI) dan nomor pelanggan (International Mobile Subscriber Identify/IMSI). Keduanya dipadukan dalam suatu smart card yang dikenal dengan UMTS Subscriber Identity Module (USIM). UE berkoneksi dengan jaringan UTRA melalui antarmuka Uu.

Gambar 2.3 User Equipment

UTRAN mendukung baik mode FDD maupun TDD pada antarmuka radio. Untuk kedua mode digunakan arsitektur jaringan dan protokol yang sama, hanya layer fisik dan antarmuka radio Uu yang dipisahkan secara khusus.

USIM TE MT

Uu Cu

Mobile Equipment

2.2.3 Metode Akses

UTRA-TDD menggunakan teknik akses jamak TD-CDMA dengan metoda duplex TDD. TD-CDMA adalah penggabungan (hybrid) antara akses jamak TDMA (Time Division Multiple Access) dengan CDMA (Code Division Multiple Access) yang ide dasarnya adalah meletakkan teknik multiple akses CDMA pada TDMA. Sistem akses TDMA membagi kanal dalam waktu (pengguna memakai secara bergantian waktu) sedangkan CDMA membagi kanal berdasarkan kode (setiap pengguna berkomunikasi menggunakan kode tertentu).

Panjang Frame 10 ms dengan 16 time slot

waktu frekuensi

t f

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

4,096 Mcps Energi

1-16 kode

1

Downlink Uplink

Gambar 2.4 Metode Akses UTRA-TDD

Sebuah resource pada TD-CDMA dalam gambar 2.4 merupakan kombinasi antara kode spreading, waktu dan frekuensi pembawa. Dengan kata lain dapat dikatakan bahwa kanal fisik TD-CDMA ialah kode spreading yang berbeda-beda dalam lebar frekuensi yang sama yang dikirimkan dalam waktu yang berbeda-beda (discountinous transmission). Dalam domain waktu, panjang frame sebesar 10 ms dibagi menjadi 16 timeslot yang dapat digunakan untuk transmisi uplink maupun downlink. Masing- masing slot dapat secara simultan mentransmisikan sampai dengan 16 kode secara acak (code spreading yang berbeda).

2.2.4 Struktur Frame

Struktur frame UTRA-TDD hampir sama dengan UTRA-FDD. Sebuah frame UTRA-TDD panjangnya 10 ms dan terdiri dari 16 time slot dengan panjang masing- masing 0,625 ms.

10 ms

Frame

N Data Symbol Midamble N Data Symbol Guard

N Data Symbol Midamble N Data Symbol Guard

Kode 1

Kode 16

0,625 ms

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 15

Gambar 2.5 Struktur frame UTRA-TDD ^[1]

Struktur resource terdiri dari midamble, data symbol dan guard. Midamble ialah simbol referensi atau pilot pada TD-CDMA. Data symbol ialah simbol yang berisi informasi.

Guard ialah selisih waktu antar resource pada satu slot dengan slot yang lain yang masih diperbolehkan.

2.2.5 Fleksibelitas Alokasi Time Slot

Dengan menggunakan metoda duplex TDD, maka UTRA-TDD akan menggunakan pita frekuensi yang sama untuk uplink dan downlink. Hal ini menyebabkan sebuah frame UTRA-TDD akan digunakan untuk uplink dan downlink sekaligus. Bila jumlah time slot yang dialokasikan untuk uplink dan downlink sama maka disebut simetris, sedangkan bila berbeda disebut asimetris. Pada mode TDD, alokasi time slot dialokasikan secara fleksibel dimana dapat secara berubah-ubah dialokasikan di kedua arah. Aplikasi multimedia bergerak mempunyai dua macam karakteristik trafik asimetris dan simetris, dengan demikian strategi alokasi time slot yang fleksibel merupakan solusi tepat dalam mengatasi permasalahan ini. Fleksibelitas ini dapat meningkatkan kemampuan mode TDD beroperasi pada daerah yang tidak

terkoordinasi, biasanya area-area dengan tingkat trafik tinggi dan mobilitas rendah (daerah urban/indoor). Perbedaan penggunaan lebar pita frekuensi antara ke dua link dalam beberapa aplikasi multimedia bergerak dapat ditingkatkan efisiensinya melalui alokasi time slot asimetris, contohnya seperti akses internet mobile dimana short command (biasanya beberapa puluhan bytes) ditransmisikan lewat uplink, sedangkan file relatif besar (biasanya puluhan sampai ratusan kilobytes) ditransmisikan melalui downlink.

Alokasi Simetri UL / DL dengan Multiple Switching 10 ms

Alokasi Asimetri UL / DL dengan Multiple Switching (12 : 4) 10 ms

Alokasi Simetri UL / DL dengan Switching Tunggal 10 ms

Alokasi Asimetri UL / DL dengan Switching Tunggal (13 : 3) 10 ms

Gambar 2.6 Alokasi UL/DL

2.3 Layanan Seluler Generasi Tiga

Seluler multimedia bergerak generasi ke-tiga memberikan layanan konvergen dengan berbagai macam kecepatan dan sifat layanan. Keenam pengelompokan bit rate, faktor asimetrik dan mode switching (circuit/packet switching) dari layanan tersebut diperoleh dari market forecast yang dilakukan oleh UMTS Forum terdapat pada tabel berikut :

Tabel 2.1 Karakteristik Layanan

jenis layanan jenis

Trafik

Maksimum bit rate

(kbps)

Coding Faktor

faktor asimetrik

(s)

Bandwidth Layanan

UL/DL

mode switch

HIMM High Interactive Multimedia simetri 128 2 1/1 256/256 circuit

HMM High Multimedia asimetri 2000 2 0.005/1 20/40 packet

MMM Medium Multimedia asimetri 384 2 0.026/1 20/768 packet

SD Switched Data simetri 14,4 3 1/1 43.2/43.2 circuit

SM Simple Messaging simetri 14,4 2 1/1 28.8/28.8 packet

S Speech simetri 16 1.75 1/1 28.8/28.8 circuit

Layanan-layanan dibagi menjadi 6 jenis layanan utama dengan ketiga jenis layanan terakhir digunakan untuk layanan baru mobile multimedia sebagai berikut :

1. Speech (S), (simetrik)

 Layanan simple seorang pelanggan ke seorang pelanggan lain atau ke banyak pelanggan (teleconferencing)

 Kotak suara (voice mail) 2. Simple Messaging (SM), (simetrik)

 SMS dan paging

 Pengiriman/penerimaan email

 Broadcast dan pesan informasi umum

 Pemesanan/pembayaran (untuk simple e-commerce) 3. Switched Data (SD), (simetrik)

 Akses dial up LAN kecepatan rendah

 Akses Internet / Intranet

 Fax

4. Medium Multimedia (MMM), (asimetrik)

 LAN dan akses Intranet / Internet

 Interactive games

 Simple online shopping dan banking (layanan e-commerce)

 Applications sharing

 Informasi layanan jasa

5. High Multimedia (HMM), (asimetrik)

 Fast LAN dan akses Intranet / Internet

 Video clips on demand

 Audio clips on demand

 Online shopping

6. High Interactive Multimedia (HIMM), (simetrik)

Merupakan layanan simetrik yang memerlukan hubungan terus menerus dan data kecepatan tinggi dengan delay minimum. Aplikasi ini termasuk :

 Video telephony dan video conferencing

 Collaborative working dan telepresence 2.4 Kapasitas Seluler CDMA

Kapasitas sistem dan efisiensi spektrum didefinisikan hampir sama, perbedaan mendasar terletak pada efisiensi spektrum dinormalisasi terhadap besarnya lebar pita (kapasitas tiap MHz). Kapasitas sistem seluler dapat ditinjau dari beberapa definisi dibawah ini :

a. Kapasitas sel yaitu perhitungan jumlah maksimal dari user yang dapat dilayani secara simultan.

b. Kapasitas trafik yaitu perhitungan jumlah maksimum trafik yang dapat terlayani.

Dihitung dengan rumusan erlang-B dari kapasitas sel, dimana kapasitas sel menyatakan jumlah dari kanal-kanal yang dapat disediakan pada rumusan erlang-B untuk probabilitas bloking yang diberikan.

c. Kapasitas informasi yaitu perhitungan jumlah maksimum total laju data yang terlayani (kbps tiap sel). Pernyataan ini lebih tepat digunakan khususnya pada perhitungan kapasitas jika kanal-kanal merupakan campuran antara beberapa laju data berlainan yang dapat dilayani oleh sistem. Dalam kasus ini jika semua kanal- kanal mempunyai laju data yang telah ditetapkan dengan nilai yang sama, kapasitas informasi akan sama dengan kapasitas sel dikalikan terhadap laju bit kanal layanan.

Pada lingkungan komunikasi seluler, kapasitas CDMA dapat ditentukan dengan energi bit terhadap ratio noise density-nya (Eb/No), dimana Eb merupakan energi dari satu bit informasi dan No menyatakan total daya noise spectral density yang termasuk

didalamnya interferensi dari mobile pada sel yang sama dan adjacent sel serta background thermal noise. Jika diasumsikan sistem CDMA sel tunggal dengan N user mengaplikasikan kontrol daya sempurna yang diterima pada base station oleh semua mobile, maka masing-masing sel mempunyai level sinyal S dan N-1 sinyal penginterferensi sehingga signal to interference noise power (SNR)[1,2],

SNR =

  

¹



1

1  

 S N

N

S (2.1)

Dari rumusan diatas jumlah user dibatasi oleh per user SNR, apabila dinyatakan dengan energi bit terhadap ratio noise density-nya menjadi :



1







1





 N

WR SW

N SR No

Eb (2.2)

dengan :

R = laju bit informasi W = total bandwidth spread W/R = G = processing gain

Untuk lingkungan multisel akan memperhitungkan nilai I yang merupakan daya interferensi eksternal dan η sebagai background thermal noise maka [1,2] :





 



  



 











 1

1 N

i

I Si Xi

R W Sj

No Eb



(2.3)

Xi adalah faktor aktivitas, jika diasumsikan semua koneksi pada user selalu aktif, yaitu Xi = 1, dan menggunakan power kontrol sempurna maka Sj = S untuk semua user.

Dengan demikian persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi :

  

^N

 

^{I S}

 

^S



WR I

S N

WR S No

Eb



    





 

1 1

.

(2.4)

Apabila jumlah user (N) dari persamaan diatas meningkat, maka (Eb/No) akan berkurang sehingga jumlah user dapat maksimal apabila (Eb/No) mencapai nilai minimum yang memenuhi persyaratan performansi dari receiver dan transmitter.