BAB 2 DASAR TEORI
2.1 Konsep Seluler Sistem telekomunikasi yang cocok untuk mendukung sistem komunikasi bergerak adalah sistem komunikasi tanpa kabel (wireless) yaitu sistem komunikasi radio lengkap dengan antena pemancar dan perangkat radionya. Untuk dapat melingkupi cakupan yang begitu luas, dilakukan pembagian converage area menjadi sub-sub area yang disebut cell. Oleh karena itu sistem komunikasi bergerak disebut juga sistem komunikasi seluler. Suatu sel pada dasarnya merupakan pusat komunikasi radio yang berhubungan dengan Mobile Switching Center (MSC) yang mengatur panggilan masuk. Jangkauan pengiriman sinyal pada sistem komunikasi bergerak, seluler dapat diterima dengan baik tergantung pada kuat sinyal batasan sel para pemakainya. Ukuran sel yang berbeda-beda dipengaruhi oleh keadaan geografis (alam) dan besar trafik yang dilayani. Prinsip dasar dari arsitektur sistem seluler terdapat dalam dua fitur, yaitu frequency reuse dan cell splitting [7].
2.1.1 Frequency Reuse Frequency Reuse atau pengulangan frekuensi merupakan inti dari konsep sistem radio seluler yaitu pengulangan frekuensi yang sama pada area yang berbeda di luar jangkauan interferensinya. 6
Universitas Sumatera Utara
Dengan menggunakan sistem pengulangan frekuensi maka pemakai yang berada di wilayah lain dapat secara simultan menggunakan frekuensi yang sama. Kedua sel yang sama tersebut disebut sebagai sel co-channel. Dengan demikian, pengulangan frekuensi dapat meningkatkan efesiensi penggunaan spektrum frekuensi, akan tetapi apabila sistem tersebut tidak dirancang dengan baik dapat menimbulkan interferensi yang merupakan masalah utama dalam sistem seluler. Interferensi yang berasal dari sel lain yang menggunakan frekuensi yang sama disebut co-channel [7],[8].
2.1.2 Cell splitting Cell splitting merupakan proses pembagian sel yang besar menjadi sel yang lebih kecil. Sel-sel baru yang memiliki radius yang lebih kecil disebut microcells (mikro sel). Ketika jumlah Mobile Station (MS) meningkat dan mencapai jumlah maksimum yang dapat dilayani sebuah sel, maka sel-sel harus dipecah menjadi sel-sel yang lebih kecil, masing-masing mempunyai jumlah kanal yang sama seperti asalnya. Setiap sel dapat melayani jumlah MS yang sama seperti sel asal yang besar. Hal yang terpenting juga adalah mengurangi daya dari pemancar (transmitter) untuk memperkecil interference co-channel [8]. Pembelahan sel (cell splitting) dapat diperlukan pada saat kepadatan trafik dalam sel meningkat dan kanal yang ada tidak mampu melayani. Jika pada saat layanan melebihi jumlah saluran yang telah dialokasikan terhadap sel, maka pembelahan sel digunakan untuk membatasi trafik dengan sel tertentu [7],[8].
7
Universitas Sumatera Utara
Sekolompok sel bersebelahan yang masing-masing selnya memiliki seluruh alokasi frekuensi yang berbeda-beda dengan sel yang lain disebut cluster, dan jumlah sel yang terdapat pada satu kluster disebut ukuran cluster. Model sel yang digunakan pada sekelompok sel yang berbentuk heksagonal terdapat pada Gambar 2.1 [7],[9]
cell Base stasion
Gambar 2.1 Model sel berbentuk heksagonal 2.2 Fading Pada Lingkungan Bergerak Fading terjadi karena adanya fenomena lebih dari satu lintasan dan bahkan banyak/ganda lintasan (multipath fenomena). Istilah fading merujuk pada ragam waktu daya sinyal yang diterima yang disebabkan oleh perubahan-perubahan pada media atau jalur transmisi. Pada suatu lingkungan tetap, fading dipengaruhi oleh perubahan-perubahan dalam keadaan atmosfer, seperti curahan hujan. Tetapi dalam lingkungan bergerak, yaitu satu dari kedua antena bergerak relatif terhadap yang lain, lokasi relatif berbagai rintangan berubah sepanjang waktu, menciptakan efek-efek transmisi rumit [10]. 8
Universitas Sumatera Utara
Mekanisme propagasi sinyal antara pemancar dan penerima adalah bervariasi, tergantung pada profil daerah disekitar lingkungan komunikasi seluler. Mekanisme propagasi sinyal ini mengakibatkan sinyal yang diterima MS akan mengalami fluktuasi. Tiga mekanisme yang terjadi pada fluktuasi sinyal, yaitu refleksi, difraksi, dan scattering.
2.2.1 Refleksi Refleksi (pemantulan) terjadi ketika suatu sinyal elektromagnetik menemui permukaan benda yang relatif besar dibandingkan panjang gelombang sinyal tersebut. Redaman sinyal akibat refleksi dipengaruhi oleh frekuensi radio, sudut sinyal memantul, sifat-sifat material dan ketebalan bidang permukaan. Pemantulan sinyal ini mengakibatkan sinyal mengalami redaman. Mekanisme pantulan juga terjadi di atas permukaan yaitu oleh permukaan bumi itu sendiri. Lintasan terpantul oleh permukaan bumi juga sangat berperan dalam komunikasi seluler. Refleksi dapat terjadi melalui permukaan bumi, bangunan, dan permukaan dinding [1],[10].
2.2.2 Difraksi Difraksi (pembelokan) terjadi pada saat sinyal merambat diantara transmitter dan receiver, dihalangi oleh sisi permukaan tajam, sudut-sudut atau suatu permukaan batas (gelombang menyusur permukaan).
9
Universitas Sumatera Utara
Pembelokan sinyal dapat terjadi ke berbagai arah yang bersumber dari sisi penghalang yang dilalui oleh sinyal tersebut. Gelombang sekunder yang dihasilkan dari permukaan penghalang dapat mencapai ruangan, bahkan belakang penghalang. Sehingga terjadi lenturan gelombang disekitar penghalang. Pada frekuensi, difrakasi bergantung pada geometrik objek, fasa, amplitudo dan polarisasi gelombang dimana titik terjadinya difraksi [1].
2.2.3 Scattering Propagasi melewati objek yang kecil yang menyebabkan banyak pantulan untuk arah yang berbeda-beda disebut scattering. Mekanisme hamburan juga terjadi pada lingkungan seluler. Dalam hal ini, benda-benda penghambur dapat berupa pepohonan, tiang lampu, dedaunan, kendaraan, perabot dalam ruangan dan rambu-rambu lalu lintas. Sinyal yang terhalangi oleh benda-benda tersebut, tersebar menjadi beberapa sinyal yang menjadi lemah sehingga sinyal asli sulit untuk diprakirakan [10]. Ketika efek propagasi ini mempengaruhi kinerja sistem dalam berbagai cara bergantung kepada keadaan-keadaan lokal dan seiring pergerakan unit bergerak dalam suatu sel. Bila suatu unit bergerak memiliki line of sight (LOS) langsung ke pemancar, maka difraksi dan sebaran umumnya hanyalah masalah kecil, walaupun refleksi dapat berakibat besar. Apabila tidak ada LOS langsung, seperti dalam lingkungan urban di jalan-jalan, maka difraksi dan sebaran adalah cara-cara utama penerimaan sinyal [10]. Pada Gambar 2.2 memperlihatkan sketsa tiga mekanisme propagasi radio yaitu refleksi, difraksi, dan scattering [10]. 10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Sketsa Tiga Mekanisme Propagasi Radio
2.3 Model Propagasi Dalam sisitem komunikasi seluler, Mobile Station (MS) dapat menerima sinyal dari BTS secara bervariasi. Variasi sinyal ini dikelompokkan menjadi tiga komponen, yaitu model pathloss, shadowing, dan multipath [11]. 2.3.1 Pathloss Pada komponen pathloss, sinyal diterima MS dari BTS dipengaruhi oleh tiga sumber yaitu free space loss (rugi-rugi ruang bebas), rugi-rugi gelombang tanah, dan rugi-rugi difraksi. 11
Universitas Sumatera Utara
Hal ini menyebabkan sinyal mengalami redaman yang tergantung pada beberapa variabel, yaitu variabel yang dapat dikontrol seperti frekuensi, tinggi antena, variabel yang dapat diukur seperti jarak, sedangkan variabel yang tidak dapat dikontrol dan tidak dapat diukur seperti iklim, topologi lingkungan, dan lembah. Faktor pathloss terjadi karena adanya sinyal yang mengalami rugi-rugi dari pemancar dan pengaruh propagasi dalam kanal radio [11]. 2.3.2 Shadow fading Shadowing merupakan efek peredaman sinyal ditimbulkan oleh penghalang yang berada diantara pemancar dan penerima akibat oleh gedung bertingkat, tembok, pengunungan, hutan, persimpangan jalan, dan lain-lain. Fluktuasi sinyal akibat shadowing ini adalah bersifat lambat (slow fading). Shadowing atau slow fading adalah fluktuasi daya rata-rata sinyal terima disekitar kejadian fluktuasi cepat, dengan perubahan sinyal yang lambat. Sinyal yang terhalangi akan mengalami redaman karena sinyal mengalami absorption, reflection, diffraction, dan scatter [1],[2],[12],[13]. 2.3.3 Fast Fading Fast fading disebut juga fading lintas jamak, terjadi karena adanya beberapa jalur propagasi yang disebut sebagai multipath. Hal ini disebabkan karena adanya pantulan gelombang dari benda-benda seperti rumah, bangunan, pengunungan, mobil, pohon, dan benda-benda lain disekitar Mobile Station (MS). Mulitipath ini dapat menyebabkan level sinyal yang diterima merupakan penjumlahan dari sinyal multipath yang mengalami perubahan amplitudo, dan fasa dari sinyal yang tiba di Mobile Station (MS). 12
Universitas Sumatera Utara
Fenomena multipath ini menyebabkan sinyal yang diterima mengalami fluktuasi daya cepat atau fast fading dalam keadaan waktu yang singkat [1],[10],[13].
2.4 Model Pengukuran Level Sinyal Pada komunikasi seluler, level sinyal dapat diterima Mobile Station (MS) berdasarkan model waktu diskrit ataupun dengan waktu kontinu, yang bertujuan untuk mengukur sampel kekuatan sinyal. Model pengkuran pada waktu kontinu merupakan pengukuran sebagai waktu yang kontinu, sedangkan pengukuran yang diukur dengan waktu diskrit adalah pengukuran yang berdasarkan unit sampel level sinyal pada interval waktu tertentu. Pengukuran level sinyal ini dapat dinyatakan pada Persamaan 2.1 dan 2.2 [14],[15]. ,
,
,
,
,
,
,
,
,t
0
2.1
,t
0
2.2
Dimana, ,
: level sinyal yang diterima MS dari
selama waktu kontinu t
,
: level sinyal yang diterima MS dari
pada unit sampel sinyal ke-k
m, W, Z : ketiga suku penjumlahan dari kedua Persamaaan masing-masing merupakan komponen pathloss, shadow fading, dan fast fading. Pada metode handoff, komponen fast fading diabaikan karena memiliki korelasi jarak yang singkat, yaitu dengan melewatkan sinyal melalui filter lowpass. Kemudian sinyal dirata-ratakan dengan metode rata-rata seperti metode rectangular dan eksponensial yang bertujuan untuk memperhalus sinyal yang berfluktuasi akibat shadow fading. 13
Universitas Sumatera Utara
Metode rata-rata yang akan dibahas adalah dengan menggunakan metode eksponensial. Persamaan level sinyal setelah di rata-ratakan dengan metode eksponensial berdasarkan waktu diskrit ke-k dinyatakan pada Persamaan 2.3 [16],[17],[18]. ̅,
̅,
1
,
2.3
Dimana, ̅,
: sinyal rata-rata
,
/
;b=
: interval jarak sinyal sampel : jumlah sinyal sebanyak
dirata-ratakan
2.5 Handoff dalam Sistem Seluler Pada sistem komunikasi seluler bergerak, area cakupan atau pelayanan dibagi ke dalam sel-sel dengan sebuah Base Station (BS) yang melayani masingmasing sel tersebut. Proses pengalihan kanal trafik secara otomatis pada MS yang digunakan untuk berkomunikasi tanpa terjadinya pemutusan hubungan, disebut handoff. Hal ini merupakan bahwa handoff pada dasarnya adalah sebuah panggilan (call) koneksi yang bergerak dari satu sel ke sel lainnya. Apabila terjadi kegagalan handoff akan berakibat dropcall yaitu terputusnya hubungan saat percakapan sedang berlangsung [1],[3]. Dalam sistem seluler, handoff merupakan salah satu komponen penting karena proses handoff harus menjamin kualitas dan kelangsungan hubungan sebuah panggilan. Proses handoff terjadi karena kualitas atau daya ratio turun di bawah nilai yang dispesifikasikan dalam BSC. 14
Universitas Sumatera Utara
Penurunan level sinyal ini dideteksi dari pengukuran yang dilakukan MS maupun BTS. Akibatnya handoff akan ditujukan ke sel dengan sinyal yang lebih besar. Selain itu, handoff dapat terjadi jika trafik dari sel yang dituju sudah penuh. Ketika MS melewati sel, dialihkan ke neighbouring cell, dengan beban trafik yang lebih kecil. Faktor penyebab gagalnya handoff antara lain interferensi yang tinggi, dan area cakupan radio kurang baik [3]. Tujuan handoff yaitu mencegah terjadinya kegagalan panggilan (call termination) ketika user berpindah dari suatu area yang dilingkupi suatu sel dan memasuki kawasan yang dilingkupi sel lain, sehingga panggilan tersebut dapat berpindah ke sel kedua, dan melakukan pergantian kanal apabila terjadi gangguan interferensi yang besar.
2.5.1 Tipe handoff Handoff dapat diklasifikasikan ke dalam intracell handoff dan Inter-cell handoff. Intracell handoff merupakan transfer panggilan berlangsung dari saluran dalam satu sel ke saluran lain dalam sel yang sama, sedangkan inter-cell handoff adalah transfer panggilan atau sesi ke sel lain [1]. Ada beberapa metode untuk mengelompokkan proses handoff. Pada sub bagian berikut, dirangkum tiga metode yang umum digunakan.
2.5.1.1 Berdasarkan Transfer Kanal diantara BTS Berdasarkan transfer kanal diantara BTS, mekanisme handoff dibagi atas 2 macam, yaitu [1]. 15
Universitas Sumatera Utara
1. Hard handoff Tipe ini menggunakan metode break before make, yang berarti koneksi MS akan terputus dari BTS yang sedang melayaninya sebelum terkoneksi ke BTS baru. Hard handoff terjadi antara sektor atau sel dengan frekuensi pembawa yang berbeda. Pada prinsipnya, bahwa link lama akan terputus, dan
link
yang
baru
harus
terbangun
secepat
mungkin,
supaya
mempertahankan kualiatas pelayanan [1]. Pada Gambar 2.3 merupakan prinsip kinerja dari hard handoff.
Gambar 2.3 Hard handoff 2. Soft handoff Soft handoff merupakan handoff yang terjadi antara sel dengan frekuensi pembawa yang sama, dimana MS memulai komunikasi dan membentuk hubungan dengan BTS yang baru terlebih dahulu sebelum memutuskan hubungan dengan BTS asal [1]. 16
Universitas Sumatera Utara
Hubungan dengan cell lama hanya akan diputus apabila kekuatan sinyal pada sel lama semakin menurun, dan melemah. Sehingga pada MS tidak mendapat sinyal dari sel lama. Handoff terjadi secara sempurna, apabila link yang lama telah diputuskan. Hubungan akan diputuskan apabila proses penyambungan dengan BTS yang baru telah mantap, supaya menghindari terjadinya drop call. Proses soft handoff sering disebut make before break. Prinsip kinerja dari soft handoff ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Soft handoff 2.5.1.2 Handoff dalam Jaringan Seluler Global Sytem for Mobile Communication (GSM) merupakan standar yang diterima secara global untuk komunikasi seluler digital. Sebagian jaringan GSM beroperasi pada band 900 MHz – 1800 MHz. Handoff dalam GSM dapat melibatkan banyak elemen seperti Base Transceiver Station (BTS), Base Station Controlled (BSC), dan Mobile Switching Center (MSC) [1]. 17
Universitas Sumatera Utara
Elemen-elemen yang terlibat dalam proses handoff dalam jaringan GSM di tunjukkan pada Gambar 2.5 [1].
Gambar 2.5 Handoff dalam elemen jaringan seluler (a) Handoff intersel atau handoff intra-BSC (b) Handoff inter-BSC atau handoff intra-MSC (c) Handoff inter-BSC atau handoff intra sistem Handoff dikategorikan sebagai intra sel handoff dan inter sel handoff dengan mempertimbangkan sektor sel, yaitu [1]: 1) Handoff intra sel Handoff intra sel terjadi antara dua slot waktu atau saluran di BTS yang sama. 2) Handoff inter sel atau handoff intra BSC Handoff inter sel terjadi antara dua BTS yang terhubung ke BSC yang sama. 3) Handoff inter-BSC atau handoff intra-MSC 18
Universitas Sumatera Utara
Handoff yang terjadi antara dua base stasion yang tehubung ke BSC yang berbeda dengan MSC yang sama. 4) Handoff inter MSC atau handoff intra sistem Handoff antara dua BTS yang terkoneksi ke BSC yang berbeda dengan MSC yang berbeda. 5) Handoff inter sistem Handoff pada inter sistem terjadi antara dua BTS yang terhubung dengan MSC yang berbeda dari dua PCS jaringan yang berbeda.
2.5.1.3 Protokol Handoff Pada protokol handoff terdapat tiga jenis keputusan handoff, antara lain network controlled handoff (NCHO), mobile assisted handoff (MAHO), dan mobile controlled handoff (MCHO) [1],[19]. 1. Network Controlled Handoff (NCHO) Pada skema ini, bahwa jaringan akan menentukan suatu keputusan untuk handoff berdasarkan pengukuran level sinyal MS dari sejumlah BTS. Kadangkadang jaringan akan mengatur atau menjembatani koneksi antar sebuah BTS lama dengan BTS yang baru, yang bertujuan untuk meminimalkan durasi handoff. Secara umum, proses handoff (termasuk data, transmisi, perpindahan saluran, dan jaringan switching) membutuhkan waktu sekitar 100-200ms. Waktu handoff pada NCHO bisa lebih sampai 10 detik. 19
Universitas Sumatera Utara
2. Mobile Assisted Handoff (MAHO) Proses distribusi protokol MAHO, untuk mengurangi beban sebuah jaringan, MS akan memonitoring dalam pengambilan informasi pengukuran level sinyal yang diterima, dan secara berkala akan mengirim informasi level sinyal tersebut ke BTS. Berdasarkan level sinyal yang diterima MSC atau BTS akan memutuskan kapan terjadinya handoff. Dimana waktu yang diperlukan handoff pada MAHO sekitar 1 detik, pada skema ini MAHO digunakan pada jaringan GSM. 3. Mobile Controlled Handoff (MCHO) Pada skema ini, MS yang akan mengendalikan keputusan proses handoff, dimana MS dan BTS masing-masing mengukur informasi yang diperlukan. Hasil informasi dari BTS akan dikirim ke MS. Kemudian MS mengukur level sinyal dari BTS yang aktif dan memperoleh informasi level interferensi semua kanal. Jenis handoff ini memiliki waktu reaksi singkat (diurutan 0,1 detik), dan ini cocok digunakan pada sistem mikroseluler. MS tidak memiliki informasi tentang kualitas sinyal dari sinyal MS lain, namun keputusan handoff tidak menimbulkan gangguan terhadap interferensi ke MS lain. Keputusan handoff dapat terjadi, jika kekuatan sinyal BTS yang sedang melayani MS lebih rendah dari BTS lainnya, yang ditentukan berdasarkan threshold (ambang batas) tertentu.
20
Universitas Sumatera Utara
2.6 Proses Handoff Poses handoff dapat dibagi ke dalam tiga tahap yang berbeda, yaitu [6]: 1. Tahap inisiasi yaitu membahas tentang masalah link radio termasuk proses monitoring dan efisiensi pengukuran kualitas link radio. 2. Tahap eksekusi yaitu mengacu pada efisiensi manajemen sumber radio dan mencakup strategi pengalokasian kanal. 3. Transfer panggilan actual, dengan tetap memenuhi persyaratan kualitas layanan bagi user. Adapun beberapa variasi parameter dalam mengeksekusi handoff antara lain, berdasarkan intensitas trafik jaringan, bit error rate, level sinyal, perbandingan carrier interferensi, jarak, daya transmisi dan kecepatan [20]. Beberapa metode inisiasi handoff berdasarkan informasi level sinyal, yaitu relatif level sinyal dengan threshold, relatif level sinyal dengan histeresis, dan relatif level sinyal dengan histeresis dan threshold tetap [17],[21],[22]. Suboptimal SDH menginisiasi handoff berdasarkan sinyal degradasi.
2.7 Suboptimal Signal Degradation Handoff Signal Degradation Handoff dideskripsikan sebagai gabungan nilai ekspektasi total jumlah sinyal terdegradasi dan jumlah handoff dengan memvariasikan nilai c untuk mencapai parameter kinerja berdasarkan fungsi keputusan handoff [2].
21
Universitas Sumatera Utara
Metode handoff yang optimal dapat didesain berdasarkan gabungan antara nilai ekspektasi sinyal terdegradasi
] dan ekspektasi jumlah handoff
],
masing-masing dinyatakan pada Persamaan 2.4 dan 2.5 [16]. ̅,
∑ ]=∑
E
{
2.4 = 1}
2.5
Dimana, ̅,
: probabilitas kejadian ̅ , berada dibawah : level sinyal minimum yang masih dapat melayani MS : fungsi keputusan handoff Apabila handoff
=
0
handoff
,
,…,
sinyal terdegradasi
= 1 menyatakan apabila handoff terjadi, sebaliknya jika tidak
terjadi.
Fungsi
proses
keputusan
handoff
, didesain supaya memperoleh tradeoff antara ekspektasi dan ekspektasi jumlah handoff E
], dinyatakan
dengan formulasi Bayes pada Persamaan 2.6 [4]. Dimana, c
2.6
0 adalah parameter yang dapat divariasikan sesuai perubahan
lingkungan. Secara praktis, lintasan MS tidak dapat diketahui seluruhnya. Dengan membatasi keputusan handoff hanya pada waktu k dan k+1, maka diperoleh solusi suboptimal yang dinyatakan dengan Persamaan 2.7 [2],[16]. 22
Universitas Sumatera Utara
1,
̅
̅
,
|
,
|
2.7
0, Dengan
adalah informasi yang dibutuhkan pada waktu-k. Karena ̅,
distribusi bersyarat
yang terdiri dari
,
dan ̅ , adalah Gaussian, maka
probabilitas pada Persamaan 2.7 ditentukan oleh syarat mean dan variansi, masing-masing dinyatakan pada Persamaan 2.8 dan 2.9 [2]. ̅,
̅,
1
1
,
̅,
log 1
,
/ ,
1
2.8 2.9
Rumus keputusan suboptimal diatas disebut sebagai suboptimal Signal Degradation Handoff, yang ditulis menjadi Persamaan 2.10 [2],[16]. 1,
,
,
2.10
0, dimana,
,
̅,
≜ ≜
1 √2
/
23
Universitas Sumatera Utara
