INTRODUCTION TO CELLULAR NETWORK

(1)

INTRODUCTION TO CELLULAR NETWORK

EEPIS – ITS June, 2011

PRIMA KRISTALINA By

1 Cellular 1

(2)

Outline

 Evolution of Mobile Broadband

 Early Mobile Telephony : MTS, IMTS

 Cellular Concepts : Cell, Cluster, Co-channel Interference Ratio, improving cell capacity

 1G Cellular : AMPS, NMT, NTACS, networks architecture

 2G Cellular : GSM, GPRS, EDGE, CDMA, CDMA2000-1x, network architecture

 Handoff Mechanism

(3)

EVOLUTION OF MOBILE BROADBAND

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₃

(4)

Evolution of Mobile Broadband

Data Mobility

HighSpeed

4 G

WPAN High speed

WLAN

Medium Speed

WiBro 802.16e

Wi-Max

1995 2000 2005

802.11n

2010+

1G

( Analog )

2G

( Digital )

( IMT2000 )3G

3G+

LowSpeed ^{2.4 GHz}^WLAN _802.11b

5 GHz WLAN

Bluetooth ZigBee RFID

AMPSETACS JTACS NMT

Wi-Fi

(5)

Mobile Telephony Awal

1. MTS (Mobile Telephony System)  1946

 Car-based mobile telephone

Beroperasi pada band 40 MHz

 Sistim analog (informasi suara berupa gelombang kontinyu)

Sistim Half Duplex (menggunakan carrier RF untuk modulasi / demodulasi)

 Menggunakan Base Station untuk meng-cover Area Operasi Besar  radius sekitar 50 km

 Seluruh BS menggunakan frekuensi yang sama

 Masing-masing BS harus berjauhan secara geografis untuk menghindari interferensi

 Untuk membatasi daya, menggunakan model relay

 Manual switching, hanya tersedia 3 channel

 Melayani 25 kota di USA

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₅

(6)

 MTS  Dikembangkan menjadi IMTS (Improved MTS) pada tahun 1960

 IMTS beroperasi pada band 150 dan 450 MHz

 Menggunakan Automatic Call Switching, Full Duplex, 23 channel

Arsitektur Mobile Telephony Awal

(7)

• Problem-problem IMTS

- Spectrum tidak efisien ( 1 user 1 channel) - Daya besar di BS disebabkan interferensi

pada sistim-sistim yang berdekatan

•Solusi ?  Konsep Seluler !

 Diusulkan oleh AT&T Bell Lab. kepada FCC (Federal Communication Commision), tahun 1971 sebagai konsep cellular

 Menggantikan Tx daya besar (coverage area besar) dengan beberapa Tx daya-kecil (coverage area kecil)

 Coverage area besar dibagi-bagi menjadi service

area kecil dengan mengoptimalkan spektrum frekuensi

 Menggunakan frekuensi re-use pada BS yang berbeda

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₇

(8)

Konsep Seluler

Sel Coverage area dari sebuah Base Station (BS)

Frequency Reuse

Pemakaian channel-channel radio dengan frekuensi carrier yang

sama untuk meng-cover area yang berbeda.

Area-area ini terpisah dengan jarak tertentu, sehingga tidak terjadi interferensi co-channel.

A B C

E D F

G

A B C

E D F

G A

B C

E D F

G

(9)

Sebuah sistim seluler mempunyai total S channel yang bisa digunakan, dimana setiap sel dialokasikan dalam sebuah grup yang terdiri dari k channel (k<S), sehingga :

S=k.N

N sel yang menggunakan sekumpulan frekuensi dinamakan Cluster

Tidak ada channel yang punya

frekuensi reuse dalam satu cluster Bentuk umum Cluster : N=4,7,12

A B C

E D F

G

A B C

E D F

G A

B C

E D F

G

CLUSTER dengan N=7

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₉

(10)

Jika dalam sebuah sistim seluler, ada M kali perulangan cluster, maka jumlah user yang bisa di-support :

**C=MkN = M*S**

 Untuk service area yang fixed, dimana ukuran sel relatif konstan, jika M naik, maka C juga bertambah.

 Semakin kecil ukuran cluster (N kecil), semakin besar M diperlukan untuk mencapai pertambahan C.

 N merepresentasikan seberapa dekat sel satu dengan sel lainnya yang menggunakan channel yang sama.

 Semakin kecil N, semakin tinggi interferensi co-channel.

Semakin besar N, semakin rendah interferensi co-channel.

 N disebut faktor reuse, dimana:

Faktor reuse = 1/N

(11)

Pola re-use N=3

Pola re-use N=7

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₁₁

(12)

SIFAT DAN FUNDAMENTAL GEOMETRI CELLULAR

R = radius sebuah sel

d= jarak antara titik tengah sel dengan titik tengah sel di sebelahnya D = jarak antara titik tengan sel dengan sel co-channel nya

Dari gambar :

CI=R/2 OI = d/2 OC=R Dengan phytagoras :

OC²= OI²+CI² R² = (d/2)²+(R/2)²

d =√3 * R (1)

(2)

(13)

Jarak antara pusat dan bagian terluar cluster (d) Misal :

koordinat sebuah sel= (0,0), koordinat sel co-channel = (i,j)

Dengan persamaan (2), maka jarak antara 2 sel tersebut adalah :

Radius dari cluster, Rc : R_C=D/√3 Luasan sebuah sel:

(3)

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₁₃

(14)

Dari (1) diketahui : d=√3.R, sehingga :

(4) Dengan cara yang sama, untuk luas cluster :

(5) Jumlah sel = Luas Cluster / Luas sel

Dengan asumsi d=1, maka didapatkan : Jumlah sel dalam sebuah cluster, N

Rasio reuse co-channel :

(6)

(7)

Dengan substitusi (7), (3), (1) dan asumsi d=1, maka :

(15)

Cellular 1 15

MENAIKKAN KAPASITAS SEL

(16)

SELULER GENERASI 1 (1G CELLULAR)

• Perbedaan utama Generasi ini terhadap MTS/IMTS adalah dalam pemakaian konsep seluler

– Meningkatkan pemakaian spektrum

– Merupakan revolusi di area mobile telephony

• Memakai pensinyalan analog untuk traffik user

• Masalah :

– Tidak menggunakan enkripsi: subyek mudah disadap, nomor identifikasi mudah dicuri

– Kualitas panggilan rendah: secara mudah terdegradasi oleh inteferensi,tidak ada coding atau error correction

– Ketidak efisiensi-an spektrum: setiap carrier RF didedikaskan

untuk sebuah user, meskipun user tersebut tidak sedang aktif

(17)

• AMPS (Advanced Mobile Phone System) – Sistim komersial analog pertama

– Sangat sukses, bahkan sampai hari ini masih jutaan pengguna AMPS di United States

– FDMA, masing-masing dengan lebar 30kHz – Kanal suara : FM, kanal kontrol : BFSK

– Frekuensi operasi : 2X25MHz (824-849, 869-894MHz)

USA

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₁₇

(18)

• Menggunakan bermacam-macam sistem

– Total Access Communications System (TACS) di United Kingdom, Italy, Spain, Austria dan Ireland

– Nordic Mobile Telephone (NMT) di beberapa negara – C-450 di Jerman dan Portugal

– Radiocom 2000 di Perancis

– Radio Telephone Mobile System (RTMS) di Italy

• Sistim paling populer – TACS and NMT

– Digunakan bebih dari 50% pelanggan seluler analog

• Semua sistim menggunakan FM (voice) dan FSK(control)

– Lebar channel: 25kHz(TACS, NMT-450, RMTS), 10kHz(C-450), 12.5kHz(NMT-900, Radiocom 2000)

EUROPE

(19)

• Allocated channel – 56MHz

– 860–885/915–940 MHz dan 843–846/898–901 MHz

• NTT (Nippon Telephone and Telegraph) system – Sistim analog pertama di Jepang 1979

– 600 duplex channel (spaced 25 kHz apart)

– 925–940 MHz (uplink) dan 870–885 MHz (downlink)

• NTT DoCoMo untuk national coverage

• 1987, ada dua operator baru (varian dari TACS) – IDO: NTACS,

– DDI cellular: JTACS/NTACS

– Cocok dipakai untuk komunikasi internasional, dengan mengabaikan roaming

JEPANG

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₁₉

(20)

ARSITEKTUR JARINGAN

AMPS

TG: Trunk Group

(21)

RANGKUMAN SELULER GENERASI 1

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₂₁

(22)

• Sistim seluler generasi ke-2 sudah digital

• Ada perbaikan di sisi :

– Pemakaian digital speech codec secara spektral

– Multiplexing beberapa user menggunakan teknik TDMA atau FDMA

– Mengurangi rasio interferensi carrier dari 18 dB menjadi hanya beberapa dB

• Contoh Generasi ke-2:

- GSM  Eropa

- IS-95, IS-54, IS-136  North America - PHS  China, Japan, Taiwan

SELULER GENERASI 2 (2G CELLULAR)

(23)

GSM dan Evolusinya

Sistim seluler di Eropa sebelum GSM:

NMT-400 dan NMT-900  negara-negara Scandinavia C-450  Jerman

TACS  Inggris

Radiocom  Perancis

Sistim 2 di atas tidak kompatibel satu dengan yang lain.

1982 --> beberapa negara Eropa membentuk pan-European

System for Mobile Services, dengan nama Groupe Special Mobile (GSM)

Tujuan : mendapatkan layanan suara dengan biaya murah antar negara Eropa.

1990  GSM Phase 1 (Global System for Mobile Communication)

23 Cellular 1

(24)

Spesifikasi GSM Interface udara :

TDMA dengan 8 user dimultiplex pada channel dengan

lebar frekuensi 200 kHz, dengan time slot berbeda tiap user.

Modulasi : GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Support :

• Voice dan SMS

• Circuit-Switched data 9,6 kbps.

• GPRS (General Packet Radio Systems)  data kecepatan lebih tinggi (8 kbps – 20 kbps per slot / 20 – 40 kbps)

• GPRS diperkenalkan pada pertengahan 1990.

• EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution)

diperkenalkan pada 1997, dengan kecepatan data 80 –

120 kbps

(25)

ARSITEKTUR JARINGAN

GSM

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₂₅

(26)

• Base Station System ( BSS)

terdiri dari :

- Base Transceiver Station (BTS),

menghubungkan MS (Mobile Station) dengan BSC melalui interface udara

- Base Station Controller (BSC)

perangkat yang mengontrol kerja BTS-BTS melalui interface yang berada di bawahnya

sebagai penghubung BTS dan MSC

BSC pada evolusinya di 3G menjadi RNC (Radio Network

Controllers)

(27)

• Network Switching Subsystem ( NSS) terdiri dari :

- Mobile Switching Center (MSC)

sebagai inti dari jaringan seluler, berperan untuk interkoneksi hubungan pembicaraan, baik antar selular maupun dengan jaringan kabel PSTN, ataupun dengan jaringan data

- Home Location Register (HLR)

berfungsi sebagai sebuah database untuk menyimpan

semua data dan informasi mengenai pelanggan secara permanen.

- Visitor Location Register (VLR)

berfungsi untuk menyimpan data dan informasi sementara dari pelanggandatang berkunjung di suatu MSC.

- Authentication Center (AuC)

diperlukan untuk menyimpan semua data yang dibutuhkan untuk memeriksa keabsahaan pelanggan.

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₂₇

(28)

Upgrading GSM  2.5G Cellular

Penambahan GPRS Core Network, terdiri dari

- Serving GPRS Support Node (SGSN)

untuk management mobility dan lokasi, dan berfungsi sebagai switching paket data (seperti MCS di sisi voice) - Gateway GPRS Support Node (GGSN)

berfungsi sebagai IP access router.

Menghubungkan jaringan GPRS ke Internet atau jaringan IP lain.

PCU  untuk handle data dari BTS

(29)

Cellular 1 29

UPGRADE GPRS

(30)

CDMA (IS-95) dan Evolusinya

• IS-95 (Interim Standard 95)  diproduksi pertama kali oleh Qualcomm

• Distandardisasi pada tahun1993, nama lain : cdmaOne

• Sistim komersial pertama kali diperkenalkan di Korea Selatan dan Hongkong tahun 1995

• Menggunakan Code Division Multiple Access (CDMA) – Masing-masing user diberi kode yang berbeda

– Menggunakan sebuah channel frekuensi secara simultan

 sel-sel yang bertetangga dapat menggunakan

frekuensi yang sama, tidak seperti standardisasi

sebelumnya.

(31)

Skema modulasi menggunakan QPSK

 Ada dua jenis coding yang digunakan : - Orthogonal Walsh codes

- PN spreading codes

Orthogonal codes :

- mengkodekan bentuk gelombang

- digunakan untuk pembedaan transmisi di dalam sebuah sel

 PN spreading codes :

- kode untuk menyebarkan sinyal

- digunakan untuk mengisolasi sel-sel (BS-BS) yang berbeda, yang menggunakan frekuensi yang sama - PN sequence yang sama digunakan di seluruh BS

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₃₁

(32)

Keuntungan pemakaian IS-95

 Kapasitas user lebih banyak daripada sistim yang lain

 Pelemahan transmisi karena ketergantungan frekuensi tidak berlaku di sini

 Pemakaian chipping code menunjukkan cross correlation dan autocorrelation rendah  resisten terhadap mutipath

 Soft handoff

 Konsumsi daya rendah (6-7 mW)

 Kemampuan sistim berangsur-angsur menurun seiring

bertambahnya user yang mengakses sistim

(33)

Cellular 1 33

Arsitektur Jaringan CDMA

Prima K - PENS

(34)

CDMA 2000 – 1x

• Dikenal sebagai standart IMT 2000

• Dua fasa CDMA : CDMA 2000 1x dan CDMA 2000 3x.

• Flexi didukung oleh CDMA 2000 1x yang merupakan transisi dari CDMA One.

• CDMA 2000 1x termasuk generasi 2.5 G yang standarisasinya berdasarkan spesifikasi IS 2000.

• CDMA 2000 mampu mengakomodasi layanan data kecepatan tinggi bisa mencapai 153,6 Kbps dan bandwith dengan lebar frekuensi 1,25 MHz.

• Pada sisi arsitektur jaringan terdapat pengembangan Base Station

Controller (BSC) dengan kemampuan IP routing dan pengenalan

Packet Data Serving Node (PDSN).

(35)

Cellular 1 35

Arsitektur Jaringan CDMA 2000 – 1x

(36)

Mekanisme Hand Off

• Handoff

– MS berganti layanan BS karena bergerak atau karena variasi radio channel-nya

– Proses handover = berpindah tangan

(37)

– Empat jenis Handover pada sistim GSM

1. HO antar channel (slots) pada sel yang sama

terjadi saat user berpindah dari satu sektor ke sektor yang lain dalam satu sel.

2. HO antar sel di bawah kontrol BSC yang sama

Terjadi saat user berpindah dari satu sel ke sel yang lain, namun masih di bawah wilayah kontrol BSC yang sama 3. HO antar sel di bawah kontrol BSC yang berbeda, pada

MSC yang sama

Terjadi saat user berpindah dari satu sel ke sel yang lain, pada BSC berbeda, namun masih dalam kontrol MSC yang sama.

4. HO antar sel pada MSC yang berbeda

Terjadi saat user berpindah dari satu sel ke sel yang lain

pada wilayah dengan kontrol MSC yang berbeda.

_{Cellular 1} ₃₇

(38)

HO Antar channel pada sel yang sama

BSC

Sektor A

Sektor B

Sektor C

(39)

1. Intersektor atau Softer Handoff

Terjadi ketika MS (mobile station) berkomunikasi pada dua sector dalam satu sel.

2. Intercell atau Soft Handoff

Terjadi ketika MS (mobile station) berkomunikasi pada dua atau tiga sektor dari sel yang berbeda.

BS (Base Station) yang memiliki kontrol langsung pada MS tersebut dinamakan BS primer dan yang tidak

memiliki kontrol langung disebut BS sekunder.

– Empat jenis Handoff pada sistim CDMA

Prima K - PENS _{Cellular 1} ₃₉

(40)

INTRODUCTION TO CELLULAR NETWORK