INTRODUCTION TO CELLULAR NETWORK By PRIMA KRISTALINA EEPIS – ITS June, 2011 Cellular 1
1
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 Prima K - PENS
Cellular 1
2
EVOLUTION OF MOBILE BROADBAND
Prima K - PENS
Cellular 1
3
Evolution of Mobile Broadband Mobility 1995
2000
2005
2010+
4G 3G+ High Speed
3G
( IMT2000 ) WiBro 802.16e
2G
Medium Speed
( Digital )
Wi-Max
High speed WLAN
1G
( Analog )
Low Speed
AMPS ETACS JTACS NMT
~ 14.4 kbps
802.11n
Wi-Fi 2.4 GHz WLAN
144 kbps
WPAN
5 GHz WLAN
802.11b Bluetooth
384 kbps Cellular 1
ZigBee RFID
<50 Mbps
<100 Mbps
Data Rates 4
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
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 Prima K - PENS
Cellular 1
6
• 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
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. Prima K - PENS
Cellular 1
G
G F
B A E
F C D
B A E G F
C D B A E
C D
8
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
G
G F
B A E
F C D
B A E G F
C D B A E
C D
CLUSTER dengan N=7
Bentuk umum Cluster : N=4,7,12 Prima K - PENS
Cellular 1
9
Jika dalam sebuah sistim seluler, ada M kali perulangan cluster, maka jumlah user yang bisa di-support : C=M*k*N = 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
Prima K - PENS
Cellular 1
10
Pola re-use N=3
Pola re-use N=7
Prima K - PENS
Cellular 1
11
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) Prima K - PENS
Cellular 1
12
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 : (3) Radius dari cluster, Rc : RC=D/√3
Luasan sebuah sel:
Prima K - PENS
Cellular 1
13
Dari (1) diketahui : d=√3.R, sehingga : (4) Dengan cara yang sama, untuk luas cluster : (5) Jumlah sel = Luas Cluster / Luas sel (6) Dengan asumsi d=1, maka didapatkan : Jumlah sel dalam sebuah cluster, N (7) Rasio reuse co-channel : Dengan substitusi (7), (3), (1) dan asumsi d=1, maka :
Prima K - PENS
Cellular 1
14
MENAIKKAN KAPASITAS SEL
Cellular 1
15
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
Prima K - PENS
Cellular 1
16
USA • 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)
Prima K - PENS
Cellular 1
17
EUROPE •
•
•
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)
Prima K - PENS
Cellular 1
18
JEPANG • 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 Prima K - PENS
Cellular 1
19
ARSITEKTUR JARINGAN
AMPS
TG: Trunk Group BSTG: Base Station TG Prima K - PENS
Cellular 1
20
RANGKUMAN SELULER GENERASI 1
Prima K - PENS
Cellular 1
21
SELULER GENERASI 2 (2G CELLULAR) • 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 Prima K - PENS
Cellular 1
22
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) Cellular 1
23
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 Prima K - PENS
Cellular 1
24
ARSITEKTUR JARINGAN
GSM
Prima K - PENS
Cellular 1
25
• 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)
Prima K - PENS
Cellular 1
26
• 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
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
Prima K - PENS
Cellular 1
28
UPGRADE GPRS
Cellular 1
29
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. Faktor reuse = 1 Prima K - PENS
Cellular 1
30
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
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
Prima K - PENS
Cellular 1
32
Arsitektur Jaringan CDMA
Prima K - PENS
Cellular 1
33
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). • Kompatibel dan roaming dengan jaringan IS-95 Cellular 1
34
Arsitektur Jaringan CDMA 2000 – 1x
Cellular 1
35
Mekanisme Hand Off • Handoff – MS berganti layanan BS karena bergerak atau karena variasi radio channel-nya – Proses handover = berpindah tangan
Prima K - PENS
Cellular 1
36
– 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
HO Antar channel pada sel yang sama Sektor B
BSC
Sektor A
Prima K - PENS
Sektor C
Cellular 1
38
– Empat jenis Handoff pada sistim CDMA 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.
Prima K - PENS
Cellular 1
39
3. Soft-Softer Handoff Terjadi ketika suatu MS berkomunikasi pada dua sektor dari suatu sel dan satu sektor dari sel lainnya. Pada keadaan ini akan terjadi soft handoff antar sel dan softer handoff dalam satu sel. 4. Hard Handoff Tipe ini menggunakan metode break before make yang berarti harus terjadi pemutusan hubungan dengan kanal trafik lama sebelum terjadi hubungan baru. Hard handoff dilakukan untuk menangani transisi antar CDMAone dan CDMA2000 ketika menggunakan carrier yang berbeda.
Prima K - PENS
Cellular 1
40
RANGKUMAN SELULER GENERASI 2
Prima K - PENS
Cellular 1
41
