BAB II SISTEM KOMUNIKASI SELULER 2.1 - Analisis Kinerja Algoritma Suboptimal Handover Pada Sistem Komunikasi Wireless

18 

Loading.... (view fulltext now)

Loading....

Loading....

Loading....

Loading....

Teks penuh

(1)

BAB II

SISTEM KOMUNIKASI SELULER

2.1 Arsitektur Sistem

Komponen fundamental dari suatu sistem GSM (Global System for Mobile Communication) dapat dilihat pada Gambar 2.1. Seorang pengguna memakai perangkat telekomunikasi yang kemudian disebut sebagai Mobile Station (MS), dimana MS berkomunikasi melalui udara dengan sebuah base station yang kemudian disebutBase Tranceiver Station (BTS)dalam GSM. Sebuah BTS terdiri dari perangkat transmitter dan receiver seperti antena, amplifier dan komponen lainnya yang berhubungan dengan sinyal dan pengolahan protokol. Sebagai contohnya, kode proteksi kesalahan (error protection coding) dilakukan di BTS, dan protokol level link untuk pensinyalan pada jalur radio diputuskan disini.

(2)

Untuk menjaga agar ukuran BTS tidak terlalu besar maka bagian kontrol yang penting dilakukan oleh Base Station Controller (BSC). Sebuah BSC terdiri dari fungsi kontrol untuk kanal radio, pengaturan kanal dan pengaturan handover. Umumnya beberapa BTS dikontrol oleh sebuah BSC. Pada prakteknya, BTS dan BSC dikoneksikan melalui hubungan kabel langsung (fixed lines) ataupun hubungan radio point-to-point. BTS dan BSC bersama-sama membentuk Radio Access Network (RAN).

Kumpulan trafik dari pengguna dirutekan melalui sebuah switch, yang disebut juga Mobile Switching Center (MSC). Pada MSC dilakukan pencarian jalur, pengolahan data dan segala fungsi switching dari sebuah node switching pada sebuah jaringan telepon tetap seperti pada jaringan Integrated Services Digital Network (ISDN). Perbedaan utama ISDN dan MSC adalah pada MSC harus diperhitungkan alokasi dan administrasi dari kanal radio dan mobilitas dari pengguna. Selain itu, sebuah MSC harus menyediakan fungsi tambahan untuk registrasi lokasi pengguna dan handover dari sebuah koneksi apabila pengguna bergerak dari sel yang satu ke sel lainnya.

(3)

Sambungan antara MS dengan jaringan internasional dilakukan oleh International Switching Center (ISC)dengan negara yang akan dihubungkan.[1]

Sebuah jaringan GSM juga memiliki beberapa jenis database. Home Location Register (HLR) danVisitor Location Register (VLR) menyimpan lokasi terkini dari sebuah MS. Ini diperlukan karena jaringan harus mengetahui dimana posisi sel yang digunakan oleh pengguna untuk membangun panggilan ke BTS yang tepat. Sebagai tambahan, registerini menyimpan profil dari pengguna, yang kemudian digunakan untuk keperluan administrasi dan pencatatan biaya penggunaan dari jaringan. Database lainnya berfungsi untuk tujuan keamanan seperti Authentication Center (AUC) yang menyimpan data yang berhubungan dengan keamanan seperti kunci yang digunakan untuk enkripsi dan autentikasi; Equipment Identity Register (EIR)menyimpan data peralatan.

Pengelolaan dan manajemen dari jaringan dilakukan di suatu tempat di pusat yang disebut sebagai Operation and Maintenance Center (OMC). Fungsi dari OMC adalah sebagai administrasi dari pengguna, terminal, data pembayaran, konfigurasi jaringan, operasi, pengawasan performa dan pemeliharaan jaringan. Bagian OMC bekerja berdasarkan konsep dari Telecommunication Management Network (TMN)yang distandarisasi oleh ITU-T seri M.30.

(4)

2.2 Prinsip Seluler

Karena keterbatasan band frekuensi yang bisa digunakan, jaringan radio hanya mempunyai sedikit kanal yang tersedia. Sebagai contohnya, sistem GSM mempunyai alokasibandwidth sebesar 25 Mhz pada jangkauan 900 Mhz, dimana kanal maksimum yang dapat dipergunakan hanya 125 kanal dengan bandwidth tiap kanal 200 khz. Dengan delapan kali multipleks dapat disediakan 1000 kanal yang kemudian dikurangi dengan kanal kontrol pada spektrum frekuensi dan overheadyang terjadi pada saatsignalling.Untuk melayani ratusan bahkan ribuan pengguna maka harus digunakanlah pembagian frekuensi atau biasa disebut dengan frequency reuse. Penggunaan dari frequency reuse telah membuat perkembangan yang signifikan pada nilai ekonomis dari frekuensi. Karakteristik dari jaringan seluler dapat dijelaskan sebagai berikut[1] :

a. Area yang dilayani oleh sebuah BTS dibagi menjadi sel. Sel ini biasanya dimodelkan dalam bentuk segi-enam (heksagonal) dengan BTS terdapat tepat di tengah dari setiap sel.

b. Dua sel yang saling bersebelahan tidak boleh menggunakan frekuensi yang sama karena dapat menyebabkanco-channel interference.

(5)

Gambar 2.2Model dari jaringan seluler dengan penggunaanfrequency reuse[1]

d. Ketika pengguna yang sedang melakukan percakapan bergerak dari satu sel ke sel lainnya, akan terjadi pergantian frekuensi secara otomatis atau biasa disebut dengan handover dan akan tetap menjaga koneksi percakapan.

2.2.1 RasioCarrier-to-Interference

Kualitas sinyal dari suatu koneksi dihitung dengan membandingkan daya sinyal yang diterima dengan daya interferensi yang diterima karena co-channel dan dirumuskan dengan rasio Carrier-to-Interference (CIR atau C/I) pada persamaan 2.1 [1]:

(6)

Intensitas dari interferensi sangat bergantung pada jarak D dari frequency reuse. Dari sudut pandang MS, interferensi co-channel diakibatkan karena BTS yang berada pada jarak D dari BTS yang sedang melayaninya. Pada keadaan terburuk untuk level CIR, sebuah MS sedang berada pada jarak R yang merupakan ujung dari suatu area cakupan dari sebuah BTS dan diasumsikan enam dari sel yang bersebelahan mentransmisikan daya yang sama, dapat dilihat pada persamaan 2.2 :

(2.2)

Dengan daya yang dikirim adalah sama kita dapatkan kondisi terburuk dari CIR dengan fungsi jari-jari sel yaitu R, maka pada persamaan 2.3 jarak reuse D dan eksponen attenuasi adalah:

(2.3) Nilai dari CIR sangat bergantung pada rasio R/D. Dengan syarat ini untuk merancang suatu jaringan seluler, haruslah diperhitungkan jarak minimum untuk frequency reuse agar interferensi akibat co-channel dapat tetap berada di batas ambang.[1]

2.2.2 Formasicluster

(7)

Gambar 2.3 menunjukkan contoh dari cluster dan penggunaan frequency reuse dari setiapcluster.[1]

Gambar 2.3Formasiclusterdanfrequency reuse[1]

Karakteristik dari setiapcluster:

a. Sebuah cluster dapat berisi semua frekuensi yang terdapat dalam sistem komunikasi radio.

b. Dalam sebuah cluster tidak boleh digunakan frekuensi yang sama dalam setiap selnya.

c. Semakin besar ukuran sebuah cluster, maka jarak frequency reuse dan nilai CIR juga akan semakin besar dan semakin banyak nilai k, maka jumlah kanal yang tersedia akan semakin sedikit dan jumlah pengguna yang dapat dilayani di setiap sel akan berkurang.

Rumus jarak frequency reuse D dapat diperoleh dari persamaan 2.4 dengan model segi-enam dan bergantung pada nilai k dan jari-jari dari sel :

(8)

Nilai CIR dapat diperoleh sebagai persamaan 2.5:

(2.5)

Dengan hasil tersebut, kita dapat menentukan ukuran cluster yang optimum dengan memasukkan nilai (C/I) yang minimum dengan rumus pada persamaan 2.6:

(2.6)

Berdasarkan pada data perhitungan yang ada, kualitas percakapan yang bagus mempunyai nilai . Dengan mengasumsikan koefisien

propagasinya maka ukuran cluster minimumnya dapat diperoleh pada persamaan 2.7 dan 2.8:

(2.7)

(2.8)

(9)

Gambar 2.4Gambaran nyata dari sel[1]

2.3 Parameter Propagasi Sinyal

Gelombang elektromagnetik dari sinyal radio merambat dengan kondisi ideal di ruang bebas dengan pola radial simetris. Daya yang diterima berbanding terbalik dengan pangkat dua dari jarak dari pemancar. Secara spesifik, daya yang diterima dapat dijabarkan dalam model ruang bebas sebagai fungsi dari daya yang dipancarkan, jarak dan panjang gelombang dari sinyal radio sebagai persamaan 2.9 [1]:

(2.9)

(10)

sinyal yang dipantulkan dan kemudian dapat ditulis pada persamaan 2.10 merupakan fungsi linier dari dan gabungan dari gain kanal :

(2.10) Gainkanal dapat dibagi menjadi 3 komponen seperti pada persamaan 2.11 :

(2.11) dimana setiap komponen merupakan faktor utama dari parameter propagasi.

a. Gain berdasarkan jarak (path gain) : Komponen ini biasanya dimodelkan sebagai fungsi deterministik dari jarak antara pemancar dan penerima. memberikan nilai rata-rata yang diterima pada jarak dari pengirim (jika diasumsikan . Model umum daripath gain dapat dituliskan sebagai persamaan 2.12 :

(2.12)

Dimana adalah jarak referensi dan adalah eksponen attenuasi, tergantung pada lingkungan propagasi. Nilai biasanya diantara 3 dan 5. b. Gain karena efek shadowing ( shadowing gain )( ) : Shadowing

(11)

dengan model statistik, menjabarkangain shadowing( ) sebagai variabel acak terdistribusi log-normal. Untuk itu, gain shadowing dalam satuan desibel didistribusikan dengan distribusi Gaussian seperti pada persamaan 2.13 :

(2.13)

Standar deviasi menentukan seberapa besar pengaruh shadowing dan bergantung pada lingkungan yang akan dimodelkan. Berdasarkan data pengukuran, nilai yang umum untuk adalah diantara 5 sampai 10 dB. c. Gainkarena efekmultipath fading( : Sumber lain yang menyebabkan

fluktuasi daya yang diterima di sekitar nilai rata-ratanya diakibatkan oleh multipath fading. Pada lingkungan perkotaan, biasanya sinyal yang diterima berasal dari sinyal yang diterima dari beberapa jalur propagasi. Gabungan dari sinyal-sinyal yang diterima dari jalur propagasi yang berbeda-beda tersebut mengakibatkan timbulnya medan gelombang disekitar penerima. Panjang gelombang dari kuat sinyal yang diterima di medan gelombang ini berubah tergantung pada tempat-tempat dimana superposisi dari sinyal destruktif dan konstruktif terjadi. Hasil dari variasi sinyal yang diterima dimodelkan oleh variabel acak yaitu pada persamaan 2.14 :

(12)

2.4 Handover

Keleluasaan untuk melakukan dan menerima panggilan dimanapun dan kapan pun telah menciptakan sebuah dimensi baru dalam sistem komunikasi wireless dimana pengguna dapat bergerak dari satu tempat ke tempat lain ketika sedang melakukan panggilan.Handoveradalah bagian terpenting yang mendasari mobilitas dari pengguna.[6]

Handover adalah proses memutuskan suatu koneksi yang lama dan menggantikannya dengan koneksi yang baru dimana pengguna itu berada yang kemudian disebut sebagai sel tujuan. Umumnya handover dilakukan ketika kualitas sinyal yang diterima mobile daribase station berkurang di bawah batas tertentu.

Dari informasi mengenai kualitas sinyal radio yang diperoleh, dapat ditentukan kapan handover diperlukan ke sel lainnya. Pengetahuan mengenai alokasi ketersediaan sinyal radio pada sel tujuan dan pelepasan kanal yang tepat setelahhandoverselesai dilakukan sangatlah mendukung tingkat keberhasilan dari suatuhandover.

(13)

2.4.1 JenisHandover

Ada beberapa jenis handover yaitu hard handover, soft handover dan softer handover. Proseshandoverdimulai ketika MS mendeteksi sinyal pilot yang secara signifikan lebih kuat dibandingkan dengan kanal trafik forward lain yang ditujukan kepadanya. MS tersebut akan mengirimkan pesanpilot measurementke base station kandidat dengan sinyal terkuat sekaligus menginstruksikan untuk memulai proses handover. Cell tersebut akan mengirimkan pesan handover directionke MS, mengarahkan untuk melakukanhandover.Setelah mengeksekusi pesanhandovertersebut, MS akan mengirimkan pesanhandover completionpada kanal trafik yang baru. Perbedaan dari masing-masing jenishandover[6]:

a. Hard Handover

Hard handoverterjadi pada dua frekuensi yang berbeda. Pada hard handoverini, terjadi proses “break before make” yang berarti hubungan mobile station dengan base station yang lama harus diputuskan terlebih dahulu sebelum membangun hubungan kembali dengan base station yang baru. Hard handover dapat dilakukan pada sistem komunikasi analog, sistem FDMA (Frequency Division Multiple Access), sistem TDMA (Time Division Multiple Access), dan sistem OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).

b. Soft Handover

(14)

karena handover pada sistem CDMA terjadi antara dua code channel yang berbeda bukan dua frekuensi yang berbeda.

c. Softer Handover

Softer Handover hanya terjadi di antar sektor pada base station yang melayani mobile station. Softer handover merupakan proses “make before break” menggunakan perbedaan duacode channel.

2.4.2 KeputusanHandover

Dalam kehidupan sehari-hari sering terjadi suatu mobile yang sedang melakukan panggilan bergerak menjauhi base station yang sedang melayaninya. Begitumobilebergerak menuju batas terluar dari area cakupan yang dilayanibase station maka kualitas dan kuat sinyal yang diterima oleh mobile akan menurun. Pada saat yang sama, ketika mobile berada di batas terluar dari cell, mobile tersebut menerima sinyal yang lebih kuat dari base station di sekitarnya. Pada tahap ini kontrol dari mobile akan dialihkan ke base station baru, peristiwa ini disebut jugahandover.Terdapat beberapa jenis keputusanhandoverdalam sistem seluler yaitu[3]:

1. Network Controlled Handover (NCHO)

(15)

2. Mobile Assisted Handover (MAHO)

Pada NCHO beban dari jaringan akan sangat berat karena jaringan menangani seluruh keputusan handover sendiri. Untuk mengurani beban pada jaringan, pada sistem MAHO mobile bertanggung jawab untuk melakuan pengukuran kuat sinyal yang diterima dan mengirimkannya kepada base station. Dengan berdasarkan pada pengukuran yang diterima, base station atau MSC(Mobile Switching Center) akan memutuskan apakah handover akan dilakukan atau tidak. Sistem MAHO digunakan pada sistem GSM (Global System for Mobile Communication).Pelaksanaanhandoverakan berlangsung selama satu detik.

3. Mobile Controlled Handover (MCHO)

Pada sistem MCHO, peran dari mobile diperbanyak dengan memberikan fungsi kontrol pada mobile. Mobile dan base station bersama-sama melakukan pengukuran dan base stationakan mengirimkan hasil pengukuran kepada mobile. Kemudian mobile akan memutuskan kapan dilakukan handover berdasarkan informasi yang diterima daribase station. Sistem MCHO digunakan pada DECT (Digital European Cordless Telephone) dengan lama pelaksanaan handover selama 100-500 milisekon.

2.4.3 Jenis-jenis AlgoritmaHard Handover

(16)

dari base stationyang lama (BS1) kebase stationyang baru (BS2) dan melewati base station yang berada di antara BS1 dan BS2. Kuat sinyal rata-rata dari BS1 menurun ketika MS menjauh dari BS1. Kuat sinyal rata-rata dari BS2 meningkat ketika MS mendekati BS2. Sedangkan kuat sinyal rata-rata dari BS3 meningkat pada pertengahan dari jalur yang dilalui oleh MS. Melalui Gambar 2.5 , beberapa pendekatan akan dijelaskan sebagai berikut[10] :

a. Relative signal strength, selalu memilih sinyal terkuat yang diterima dari BS. Keputusan berdasarkan pada rata-rata pengukuran sinyal terima. Pada Gambar 2.5,handoverakan terjadi pada posisi A. Karena adanya fluktuasi sinyal yang diterima maka metode ini terlihat menimbulkan terlalu banyak handover yang tidak penting ketika sinyal dari BS sekarang masih memadai. Handover yang tidak perlu ini disebut juga sebagai efek ping-pongyang membuat beban dan biaya dari trafik bertambah.

(17)

c. Relative signal strength dengan hysteresis, membolehkan user untuk handover hanya jika BS baru cukup lebih kuat daripada BS sekarang sebesar nilaihysteresisyang sudah ditetapkan. Pada kasus ini, apabila MS saat ini dikelola oleh BS1 maka handover akan terjadi pada titik C dan apabila MS dikelola oleh BS3 maka handover akan terjadi pada titik E. Teknik ini mencegah “efek ping-pong”, yaitu handover yang terjadi berulang kali di antara base stationakibat fluktuasi yang cepat pada kuat sinyal terima daribase stationyang ada.

d. Relative signal strength dengan hysteresis dan threshold, meng-handoverkanuserke BS baru hanya jika kuat sinyal sekarang jatuh / turun di bawahthresholddan BS target lebih kuat daripada BS sekarang dengan hysteresis marginyang diberikan. Pada Gambar 2.5,handoverakan terjadi pada titik D jikathresholdyang digunakan T2.

Gambar 2.5Pergerakan MS dari BS1 ke BS2 melewati BS3

Hysteresis Kuat Sinyal

Pilot (dB)

Jarak T1

T2

(18)

e. Teknik prediksi, keputusan handover berdasarkan pada perkiraan nilai kuat sinyal terima untuk waktu berikutnya. Sebuah teknik yang telah diusulkan dan disimulasikan untuk menunjukkan hasil yang lebih baik, pada pengurangan jumlah handover yang tidak penting, daripada metode relative signal strengthbaik dengan atau tanpahysteresisdanthreshold. f. Penggunaan pendekatan nonstandard untuk mekanisme handover seperti

neural network, fuzzy logic, uji hypotesis, dynamic programming dan lain-lain.

Pada Tugas Akhir ini, akan dibahas tiga pendekatan nonstandard yaitu Suboptimal Signal Degradation Handover (SDH), Suboptimal Delay Handover

Figur

Memperbarui...

Referensi

Memperbarui...