Mekanisme Vertical Handover Estimation Decision Berdasarkan Time Before Vertical Handover



Abstract— In a fourth generation (4G) communication system consisting of a diverse variety of wireless access standards, network availability, coverage and Quality of Service (QoS) may rapidly change relative to the speed and motion of the mobile station (MS). Thus, to ensure seamless roaming and efficient resource usage over dissimilar networks, intelligent Vertical Handover Decision (VHD) algorithms to minimizes the handover failures is needed. Each of which by using Time Before Vertical Handover (TBVH) and Time Threshold (T). TBVH provides a quantitative measure of the time the device has available to spend in the current network before it performs a vertical handover (VH). TBVH is estimated by using the coordinate of MS, the angle of MS’s motion, the velocity of the MS and radius of the Base Station. T is calculated based on the radius of the AP, the velocity of the MT, the handover latency, and the handover failure probability requirements. HNE then compares the estimated TBVH against T. A handover is necessary if TBVH greater than T. Simulation based performance evaluations demonstrate that to perform a HO failure probability (𝑃𝑓) 0.02, maximum velocity of MS is

below 25 km / h, with the angle of MS’s motion is 0 < 𝛼 ≤ 90𝑜_.

Keywords— Vertical Handover, Time before vertical handover, Time Threshold, Mobile Station.

1. PENDAHULUAN

omunikasi bergerak menjadi popular seiring dengan kebutuhan manusia untuk tetap berkomunikasi ketika bergerak dari suatu tempat ke tempat lain. Untuk menjaga kelangsungan komunikasi yang kontinyu pada saat pengguna bergerak diperlukan suatu mekanisme

handover yang baik.

Rizki Dian Rahayani adalah mahasiswa Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya, (tilp, e-mail: dianraha@ yahoo.com).

Eko Setijadi adalah staf pengajar Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya, (tilp, e-mail: ekoset@ee.its.ac.id)

Achmad Affandi adalah staf pengajar Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya, (tilp, e-mail: affandi@ee.its.ac.id)

Handover (HO) merupakan proses pengalihan kanal traffic secara otomatis pada Mobile Station (MS) yang

sedang digunakan untuk berkomunikasi tanpa terjadinya pemutusan hubungan. Hal ini menjelaskan bahwa

handover pada dasarnya adalah sebuah ‘’panggilan’

koneksi yang bergerak dari satu sel ke sel lainnya tanpa adanya pemutusan hubungan dan terjadi pemindahan frekuensi/kanal secara otomatis yang dilakukan oleh system [1].

Vertical handover (VH) terjadi pada jaringan dan

teknologi yang berbeda. Misalnya HO pada jaringan heterogen dari WLAN ke 3G maupun sebaliknya. Karena berbeda teknologi, sering kali pada vertical

handover mengalami banyak kendala, sehingga

memerlukan suatu mekanisme yang baik.

Pada proses HO secara vertikal, terdapat tiga sub proses di dalamnya [2]., yaitu :

 Network discovery. Pada fasa ini MS mencari jaringan wireless yang berada dalam jangkauannya.

 Handover Decision. Fasa ini memungkinkan MS untuk melakukan HO ke jaringan akses tertentu.

 Triggering HO yang memungkinkan MN terus bergerak sambil mempertahankan aliran data, dengan delay yang minimal.

Pada penelitian sebelumnya [3] telah dirancang suatu mekanisme optimasi VHD dengan memperkirakan

handover necessity estimation (HNE) , dimana dihitung

besarnya travel time estimation (TTE) yang dipengaruhi jarak MS dengan base station (BS), berdasarkan daya terima (RSS), kecepatan pergerakan MS. TTE kemudian dibandingkan dengan time threshold (T). Apabila TTE lebih besar dari TT maka VH akan dilakukan. Hal tersebut bertujuan untuk mengurangi kegagalan VH. Sedangkan pada [4,5], telah dirancang mekanisme estimasi waktu yang diperlukan MS sebelum terjadinya VH, dimana jarak pergerakan MS dihitung dengan

Mekanisme Vertical Handover Estimation

Decision Berdasarkan Time Before Vertical

Handover

Rizki Dian Rahayani, Eko Setijadi, Achmad Affandi

mempertimbangkan jarak MS awal , kecepatan pergerakan MS dan sudut pergerakannya. Hal tersebut berbeda dengan [3] yang menggunakan RSS sebagai salah satu parameter untuk mengukur jarak MS dari BS. RSS tidak efektif digunakan untuk mengukur jarak MS dari BS karena RSS sinyal yang bervariasi akibat

multipath fading dan shadowing, pergerakan dan

kecepatan MS sehingga sulit memprediksi kualitas sinyal dan RSS pada titik tertentu. [6].

2. METODE PENELITIAN

Dalam optimasi proses VHD, sebelum dilakukan inisialisasi perlu melakukan estimasi untuk memperhitungkan perlu atau tidaknya HO dilakukan. Estimasi tersebut bertujuan untuk mencegah HO yang gagal. Metode yang digunakan adalah dengan membandingkan parameter perhitungan waktu sebelum dilakukannya HO secara vertikal (TVBH) dengan waktu ambang (T) seperti yang ditunjukkan pada Gambar.1. Parameter TBVH antara lain; sudut pergerakan, kecepatan dan jarak antara BS dan MS. Probabilitas HO yang gagal dan latensi HO merupakan parameter dari waktu ambang yang nilai ditentukan. Apabila TVBH lebih besar dari T maka HO dilakukan.

Time Threshold TBVH Handover Necessity Estimation Handover latensi

Probabilitas HO yang gagal Kecepatan Sudut pergerakan

Jarak BS Koordinat MS

Koordinat BS

Gambar 1. Skema Handover Necessity Estimation

2.1. Time Before Vertical Handover (TBVH)

WLAN r d z A B a 3G q

Gambar 2. Pemodelan arah pergerakan MS dalam coverage WLAN dan Selular

Estimasi TVBH dilakukan dengan memperkirakan waktu minimum yang diperlukan oleh MS sebelum melakukan HO dengan jaringan yang lain.

Parameter yang digunakan dalam menentukan dan memodelkan TBVH adalah

1. Jarak antara MS dan BS WLAN 2. Kecepatan MS

3. Pergerakan MS

Arah pergerakan dari MS dapat dimodelkan [7]

Gambar 3. Pemodelan arah pergerakan MS

𝛼 𝑡𝑛 = 𝑐𝑜𝑠−1 𝑑(𝑡𝑛−1)2+ 𝑟(𝑡𝑛)2− 𝑑(𝑡𝑛)2 2𝑑(𝑡𝑛−1) 𝑟(𝑡𝑛) (1) Jika 𝑑(𝑡𝑛−1) = 𝑑(𝑡𝑛) = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠 = 𝑅, maka (1) dapat dituliskan 𝛼 = 𝑐𝑜𝑠−1 𝑧 2𝑅 𝑇𝐵𝑉𝐻 =𝑗𝑎𝑟𝑎𝑘 𝑝𝑒𝑟𝑝𝑖𝑛𝑑𝑎𝑕𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 Jarak perpindahan = z = 𝑟 𝑡𝑛 = 𝑇𝐵𝑉𝐻 × 𝑣 𝑇𝐵𝑉𝐻 =2𝑅 𝑣 𝑐𝑜𝑠𝛼 (2) (3) (4) Dengan:

𝑡𝑛 : waktu akhir pergerakan

𝑑(𝑡𝑛) : estimasi jarak MS ke AP pada 𝑡𝑛

𝑑(𝑡𝑛− 1) : estimasi jarak MS ke AP pada waktu

𝑡𝑛−1

𝑟(𝑡𝑛) : selisih jarak posisi awal dan akhir

𝑣 : kecepatan

a : sudut pergerakan

Probabiltas densitas dari arah pergerakan MS dari titik A ke B dapat dihitung sebagai berikut

𝑓𝛼 𝛼 = 1

2𝜋, 0 < 𝛼 < 2𝜋

(5)

yang berarti inisiasi HO dilakukan apabila MS bergerak dari A dengan sudut pergerakan 0,2𝛼 .

Probabilitas kesalahan inisiasi HO dihitung dengan substitusi persamaan (2) dan (4) kedalam persamaan

𝑃𝑎 = 1 − 𝑓𝛼 𝛼 𝑑𝛼 2𝛼 0 = 1 −1 𝜋𝛼 = 1 −1 𝜋𝑐𝑜𝑠 −1 𝑇𝑉𝐵𝐻 ×𝑣 2𝑅 (6)

Probabilitas kesalahan inisiasi HO tidak tergantung pada radius, namun tergantung pada kecepatan. Jika diasumsikan kecepatan = 0, maka probabilitas kesalahan inisiasi HO adalah sebagai berikut:

𝑃𝑎 = 1 − 1 𝜋𝑐𝑜𝑠 −1 ₀ = 1 −1 𝜋× 𝜋 2 =1 2= 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 (7) 2. 2. Time threshold (T)

Untuk menentukan T, digunakan rumusan cosinus dari Gambar. 2 yang melihat pergerakan MS terhadap koordinat BS WLAN.

(𝑣𝑇𝐵𝑉𝐻)2_{= 2𝑅}2_{(𝑐𝑜𝑠𝜃) (8)}

Probabilitas arah pergerakan MS dilihat terhadap koordinat BS WLAN dirumuskan

𝑓𝜃 𝜃 =

1

2𝜋, 0 < 𝜃 < 2𝜋

(9)

TBVH dilihat dari pergerakan MS terhadap koordinat BS WLAN, dituliskan

𝑇𝐵𝑉𝐻 = 𝑔 𝜃 = 2𝑅2 𝑣2 (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃) (10) 𝑓 𝑇 = 𝑓 𝜃 𝑔′ 𝜃 (11)

Dimana 𝜃1… … 𝜃2 adalah fungsi akar dari 𝑔(𝜃) dan

𝑔′(. ) adalah turunan dari 𝑔(. ) 𝜃1= 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 1 − 𝑣2𝑇𝐵𝑉𝐻2 2𝑅2 (12) 𝜃2= 2𝜋 − 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 1 − 𝑣2𝑇𝐵𝑉𝐻2 2𝑅2 (13) 𝑔′ 𝜃 = 𝑅𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑣 2(1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃) (14) 𝑔′_(𝜃 1) = 𝑅𝑠𝑖𝑛(arccos⁡(1 −𝑣2𝑇𝐵𝑉𝐻_2𝑅2 2 𝑣 2 1 − cos⁡(arccos 1 −𝑣2𝑇𝐵𝑉𝐻2 2𝑅2 ) (15) 𝑔′_(𝜃 2) = 𝑅𝑠𝑖𝑛(2𝜋 − arccos⁡(1 −𝑣2𝑇𝐵𝑉𝐻2 2𝑅2 𝑣 2 1 − cos⁡(2𝜋 − arccos 1 −𝑣2𝑇𝐵𝑉𝐻_2𝑅2 2 ) (16) 𝑓 𝜃1 = 1 𝜋 1 − arccos 1 −𝑣2𝑇𝐵𝑉𝐻2 2𝑅2 ) 2𝜋 (17) 𝑓 𝜃1 = 1 𝜋 1 − 2π − arccos 1 −𝑣 2_{𝑇𝐵𝑉𝐻}2 2𝑅2 ) 2𝜋 (18) 𝑓 𝑇 = 𝑓 𝜃1 𝑔′ 𝜃₁ + 𝑓 𝜃1 𝑔′ 𝜃₁ 0 ≤ 𝑇 ≤ 2𝑅 𝑣 , 0 , 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑙𝑎𝑖𝑛 (19) 𝑓 𝑇 = 2 𝜋 4𝑅2_{− 𝑣}2_𝑇2 0 ≤ 𝑇 ≤ 2𝑅 𝑣 , 0 , 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑙𝑎𝑖𝑛 (20) 𝐹 𝑇 = 𝑓 𝑇 𝑑𝑇 = 𝑇 0 1, 2𝑅 𝑣 < 𝑇 2 𝜋arccos 𝑣𝑇 2𝑅 , 0 ≤ 𝑇 ≤ 2𝑅 𝑣 (21)

T, digunakan sebagai parameter perlu tidaknya HO ,

ketika 𝑇𝐵𝑉𝐻 ≥ 𝑇, maka HO bisa dilakukan, jika sebaliknya maka akan terjadi kegagalan HO.

Sehingga probabilitas kegagalan HO berdasarkan T dapat dituliskan [3] Dengan 𝑇 : waktu ambang 𝑃𝑓= 2 𝜋 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 𝑣𝜏 2𝑅 − arcsin 𝑣𝑇 2𝑅 0 ≤ 𝑇 ≤ 𝜏 0, 𝜏 < 𝑇 (22) 𝑇1= 2𝑅 𝑣 sin⁡ 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 𝑣𝜏𝑖 2𝑅 − 𝜋 2𝑃𝑓 (23)

𝜏 : delay handover dari WLAN ke jaringan selular 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 4 menunjukkan pengaruh kecepatan pergerakan MS terhadap probabilitas kesalahan inisiasi pada radius coverage WLAN 150 m. Berdasarkan persamaan (6) dapat dilihat bahwa besarnya probabilitas kesalahan inisiasi HO jika menggunakan TBVH dipengaruhi oleh kecepatan pergerakan MS, dimana semakin besar kecepatan maka probabilitas kesalahan inisiasi akan semakin besar tidak secara linear. Probabilitas kesalahan inisiasi semakin besar pada nilai TBVH yang besar. Sehingga sesuai dengan persamaan (23) , untuk meminimalisir kegagalan inisiasi perlu ditentukan besarnya 𝑇𝐵𝑉𝐻 < 𝜏. Dalam penelitian ini besarnya delay HO dari WLAN ke selular (𝜏) adalah 2 s. Dari Gambar 4. dapat disimpulkan bahwa kesalahan inisiasi HO masih dapat ditolelir jika MS bergerak dengan kecepatan dibawah 100 km/jam .

Gambar 4. Hubungan Kecepatan dan Probabilitas Kesalahan Inisiasi

Dari persamaan (4) dan (23) dapat ditentukan besarnya TBVH dan T pada perubahan kecepatan pergerakan MS. Gambar 5. menunjukkan hubungan kecepatan dengan TBVH maupun T, pada bermacam sudut pergerakan MS.

Gambar 5. Hubungan Kecepatan MS terhadap TBVH dan T

HO dilakukan jika TBVH lebih besar dari T. Kegagalan HO terjadi apabila HO tetap dilakukan pada kondisi 𝑇𝐵𝑉𝐻 < 𝑇. Pada penelitian ini probabilitas kegagalan HO ditetapkan pada nilai 𝑃𝑓 = 0,02. Dengan

nilai 𝑃𝑓= 0,02, dapat dilihat bahwa kecepatan

pergerakan MS maksimum pada sudut pergerakan 0 < 𝛼 ≤ 90𝑜 _{yang dapat ditolelir untuk mengatasi}

kegagalan HO adalah dibawah 25 km/jam. Perilaku ini dapat disimpulkan bahwa sudut pergerakan MS mempengaruhi kegagalan HO. Semakin besar sudut pergerakan pada kecepatan diatas 25km/jam, probabilitas kegagalan HO yang terjadi semakin besar. Hal tersebut sesuai dengan pemodelan simulasi pada Gambar 2. Dimana jika sudut pergerakan MS diatas 90 derajat, MS sudah masuk berada pada jangkauan selular sebelum terjadinya HO dari WLAN dan selular.

Jumlah kegagalan HO yang terjadi per kenaikan kecepatan pergerakan MS pada sudut 0 < 𝛼 ≤ 90𝑜

dapat dilihat pada Gambar. 6.

Gambar 6 Pengaruh Kecepatan MS terhadap Jumlah Kegagalan Handover pada Pf=0.02 0 50 100 150 200 250 300 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 Kecepatan MN(km/jam) P ro b a b ili ta s K e g a g a la n I n is ia s i TBVH = 0,5 s TBVH = 1 s TBVH = 2 s 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Kecepatan (Km / Jam) W a k tu ( d e ti k

TBVH pada Sudut Pergerakan : 30 TBVH pada Sudut Pergerakan : 45 TBVH pada Sudut Pergerakan : 60 TBVH pada Sudut Pergerakan : 90 Time threshold 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Kecepatan MN (km/jam) J u m la h K e g a g a la n H a n d o v e r

4. KESIMPULAN

Dari penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa probabilitas kesalahan inisiasi dipengaruhi oleh kecepatan MS, namun probabilitas kesalahan inisiasi dapat diredam jika TBVH jauh lebih kecil dari delay () VH yang dalam penelitian ini ditetapkan  = 2s. Kecepatan dan sudut pergerakan MS yang menentukan besarnya TBVH juga berpengaruh terhadap keberhasilan HO. Jika ditetapkan probabilitas kegagalan HO 0.02, kecepatan maksimum MS yang dapat ditolelir untuk menimalisir kegagalan HO adalah 25 km/jam, dengan sudut pergerakan MS 0 < 𝛼 ≤ 90𝑜.

5. SARAN

Pada penelitian selanjutnya perlu dianalisa besarnya TBVH pada kondisi sel dengan tingkat redaman daya yang berbeda, sehingga bentuk sebaran daya pancar dari BS tidak isotropik.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Politeknik Caltex Riau yang telah memberi dukungan financial terhadap penelitian ini.

DAFTARPUSTAKA

[1] Raj Jain, 2010, Media Independent Handover (MIH) ,

http://www.cse.wustl.edu/~jain/cse574_10. diakses tgl 17 Juli 2011.

[2] I. F. Akyildiz and W. Wang., 2002, A dynamic location management scheme for next-generation multitier PCS sistems, Journal of IEEE

Transactions on Wireless Communications, 1(1):178–189.

[3] Xiaohuan Yan, 2010, Optimization of Vertical Handover Decision Processes for Fourth Generation Heterogeneous Wireless Networks,

Thesis of Doctor of Philosophy, Monash University, Australia

[4] Fatema Shaikh, Glenford Mapp, Aboubaker Lasebae, 2007, Proactive Policy Management using TBVH Mechanism in Heterogeneous Networks, Journal of IEEE NGMAST’07.

[5] Fatema Shaikh , 2010, Intelligent Proactive Handover and QoS Management using TBVH in Heterogeneous Networks, Thesis of

Doctor of Philosophy, Middlesex University.

[6] Makela, J., Ylianttila, M. And Pahlavan, K, 2000, Handoff decision in multi-service networks . Proceeding of 11th IEEE International

Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications.

Vol. 1, 655-659.

[7] Yang, X., Yap, J.H., Ghaheri-Niri, S. And Tafazolli, 2001, R. Enhanced position assisted soft handover algorithm for UTRA, Proceedings of