KONSEP BARU DESAIN HANDPHONE CERDAS MASA DEPAN. Judul : Konsep Baru Desain Handphone Cerdas Masa Depan

Proceeding Olimpiade Karya Tulis Inovatif (OKTI) 2009

KONSEP BARU DESAIN HANDPHONE CERDAS MASA DEPAN

Sub Kategori : 1B Judul : Konsep Baru Desain Handphone Cerdas Masa Depan Istas Pratomo SUPELEC Avenue de la Boulais, CS 47601, 35576 Cesson Sévigné - FRANCE Tel : +33646089383 E-mail : [email protected]

Abstract: The developments of wireless standards technology for radio communication nowadays are growing fast. It was started from 1G until now has reach 4G. Now, the trend is the merging of many radio applications inside a single equipment. The difference in terms of radio parameters for each standard pushes the industry to multiply radio interfaces electronic devices. But this arrives to its limit and it comes to researchers that it would be better to create flexible radio equipments that can adapt their processing to all radio applications. The idea is the radio equipments can adapt also to their environment. Cognitive Radio (CR) equipment is a radio terminal that support the smart facilities offered by future cognitive networks. It is necessary to integrate in CR equipments facilities for the CR support. We argue that management facilities are needed for that. We propose in our lab the HDCRAM (Hierarchical and Distributed Cognitive Architecture Management): an architecture management to be inserted inside CR equipments to add new features required. This paper describes the functionality and structure of the HDCRAM. The goal is to propose a comprehensive specification of the CR management of future CR equipments. A meta-model is a high level model of abstraction. HDCRAM consists of three levels of hierarchy in order to distribute the management across the electronic components of the CR phone. We created also a simulator of HDCRAM for simulating a wide variety of design scenarios and help CR designer to validate its design. Keywords: HDCRAM, Cognitive Radio, Meta-modeling.

1. PENDAHULUAN Perkembangan jumlah standar radio wireless pada perangkat handphone semakin meningkat. Hingga saat ini, produsen handphone (HP) masih menghadapi kesulitan ketika menambahkan circuit elektronik baru untuk radio interface yang diinginkan. HP saat ini terintegrasi dengan satu buah chip untuk 3G (UMTS di eropa dan jepang, CDMA-2000 di AS), satu buah chip untuk 2G (biasanya GSM), satu chip untuk Bluetooth dan terkadang satu buah chip untuk GPS. Dengan kata lain, tidak ada manfaat yang bisa diambil karena nyatanya pemrosesan radio tetap berbasis pada common computing dan bukan dengan standar radio. Hal ini berpengaruh linier terhadap kenaikan biaya pembuatan, konsumsi daya dan ukuran perangkat/handphone. Software Radio [1] menawarkan evolusi baru yang sama dengan 1


evolusi pada personal komputer yaitu menggunakan processor untuk komputasi radio, sehingga handphone dapat merubah standart radionya hanya dengan re-programming processornya. Ide sederhana ini memberi pengaruh dan tantangan tersendiri pada beberapa teknologi. Paradigma baru tentang software radio ideal dikenal dengan istilah Software Defined Radio (SDR) seperti yang dijelaskan pada 0. SDR menggunaan beberapa processing components (tidak hanya satu processor) untuk berbagi proses komputasi. Sehingga topik penelitian yang dibahas berkaitan dengan ini adalah tentang desain handphone masa depan berbasis microprocessor yang support dengan komplesitas radio. Selain itu, handphone harus support dengan standar baru di masa yang akan datang, kebutuhan daya yang rendah, bisa beradaptasi dengan fitur baru dan ekonomis dalam penggunaan bandwidth. Isue ini berefek dan memberi tantangan baru pada konsep Cognitive Radio (CR) [2]. Kami memfokuskan penelitian kami pada desain efisien manajemen arsitektur untuk kebutuhan rekonfigurasi pada hardware processing components yang dibutuhkan oleh fitur cognitive pada perangkat CR. Paper ini terdiri atas 5 bagian, bagian 2 sejarah singkat evolusi standar teknologi radio pada handphone. Section 3 tentang sistem cognitive radio, menjelaskan konsep radio, proses rekonfigurasi para perangkat CR, SDR dan pendekatan hardware dari SDR. Bagian 4 menjelaskan konsep yang kami tawarakan, manajemen arsitektur (HDCRAM) juga menampilkan desain meta-model dengan pendekatan high-level. Bagian 5 menjelaskan tentang simulator HDCRAM dan contoh sederahana dari desain skenario. Terakhir bagian 6 kesimpulan.

2. EVOLUSI TEKNOLOGI HANDPHONE Pada bagian ini kami ingin mengingatkan kembali tentang sejarah komunikasi bergerak (mobile phone). Generasi pertama teknologi telepon wireless dikenalkan pada tahun 1980. generasi pertama ini berbasis pada standar telekomunikasi analog dan hanya digunakan oleh kalangan profesional karena pertimbangan biaya. Perbedaan mendasar antara dua sistem telekomunikasi wireless 1G dan 2G adalah bahwa sinyal radio yang merupakan jaringan 1G menggunakan sistem analog, sedangkan jaringan 2G menggunakan sistem digital. Pada tahun 1990, generasi kedua (2G) sistem komunikasi bergerak seperti GSM, IS-136 (TDMA), iDEN dan IS-95 (CDMA) mulai dikenalkan. 2G juga mengenalkan layanan baru untuk komunikasi suara pada jaringan digital. SMS pesan berbentuk text dan akses ke media content dapat dilakukan melalui HP. 2G membuat sistem komunikasi wireless menjadi lebih murah, ukuran HP semakin kecil dan mobile. dengan 2G, HP menjadi semakin memasyarakat. Tidak lama setelah jaringan 2G berkembang, penelitian mulai fokus pada sistem generasi ketiga (3G). Tujuannya adalah untuk meningkatkan transfer data untuk mendukung layanan suara, data dan multimedia seperti video streaming. Selama perkembangan sistem 3G, juga berkembang sistem 2.5 seperti CDMA2000 1x di US, EDGE dan GPRS di eropa dan asia yang merupakan pengembangan dari sistem 2G. Generasi ke-empat (4G) dapat juga kita lihat sebagai 3G, yaitu merupakan sebuah sistem baru dengan jaringan baru dan teknik modulasi baru. Atau bisa juga dianggap sebagai alat yang menggabungkan fitur yang telah ada dengan wireless broadband acces, WiFi, Multimedia Messaging Service (MMS), video chat, mobile TV, HDTV content, Digital Video Broadcasting (DVB), Intelligence Transport System (ITS), Global Positioning System (GPS), dan layanan konvensional seperti suara dan data yangmenggunakan bandwidth. Sehingga handphone 4G merupakan perangkat multi-application bukan sekedar 2


telephone. Penambahan kecerdasan pada perangkat ini mengarahkan kita pada konsep Cognitive Radio (CR). CR merupakan kelanjutan dari 4G disisi kompleksitas standar radio. Hal ini kami jelaskan pada bab berikutnya tentang bagaimana pengaruh CR pada design telepon bergerak

3. SISTEM COGNITIVE RADIO 3.1. Software Defined Radio (SDR) Radio adalah semua perangkat yang bisa mengirim dan menerima signal wireless menggunakan radio frekuensi (RF) dari spektrum elektronik sebagai fasilitas untuk memindahkan informasi. Saat ini, radio lebih dikenal dengan perangkat seperti telepon seluler, telepon, komputer, remote mobil, kendaraan dan televisi. Perangkat radio memiliki fungsi yang terbatas dan hanya dapat dimodifikasi secara fisik. Akibatnya biaya produksi semakin meningkat dan fleksibilitas terbatas dalam menunjang berbagai standart radio. Sebaliknya, teknologi Software Defined Radio menawarkan efisiensi dan provides an efficient and relatif murah sebagai solusi dari kendala ini, memungkinkan multi-mode, multi-band dan atau multi-fungsi perangkat wireless yang dapat disempurnakan dengan meng-upgrade software. SDR mendefinisikan kumpulan hardware dan teknologi software dimana sebagian atau beberapa fungsi proses radio terimplementasi melalui modifikasi software atau firmware operating pada programmable processing technologies. Perangkat ini termasuk field programmable gate arrays (FPGA), digital signal processors (DSP), general purpose processors (GPP), programmable System on Chip (SoC) atau applikasi spesifik programmable processors lainnya. Penggunaan teknologi ini mengijinkan fitur wireless baru dapat ditambahkan kedalam radio system yang telah ada sebelumnya tanpa menggunakan hardware baru. Biaya yang dikeluarkan dengan cara ini sangat tinggi karena semua menggunakan komponen seperti yang di tunjukkan pada gambar 1.

Gambar 1 - Blok diagram SDR pada sistem komunikasi 3.2. Konsep cognitive radio Konsep cognitive radio pertama di kenalkan oleh Mitola’s 0 and [2]. Mitola berpendapat bahwa radio akan semakin otonom. Untuk itu sebuah perangkat radio harus mampu memberikan respon tindakan yang berbeda, hal ini dikenal dengan cognitive cycle. Gambar 2 menjelaskan skematik dari cognitive radio cycle. Kami mengelompokkannya kedalam empat blok: 3


• • • •

Observe : mengumpulkan informasi dari semua sensor CR Learn : mengevaluasi dan menganalisa informasi dari sensor Decide : memilih rekonfigurasi terbaik Rekonfigurasi : melakukan rekonfigurasi pada reconfigurable device

Gambar 2 – Siklus cognitive 3.3. Proses rekonfigurasi pada perangkat cognitive radio Perangkat cognitive radio adalah peralatan radio yang menunjang fasilitas cerdas yang ditawarkan jaringan cognitive masa depan. Selain itu juga terintegrasi dengan unit baru yang menunjang kemampuan CR. Hal ini tentu berpengaruh terhadap kemampuan beradaptasi dan pengambilan keputusan dari alat tersebut dan juga kemampuan mendeteksi. Gambar 3 menunjukkan bagaimana informasi ditangkap dari lingkungan oleh berbagai jenis sensor (elektro-magnetik, jaringan, perangkat internal), proses cognitive radio dalam mengambil keputusan adalah bagaimana perangkat CR berkomunikasi dengan perangkat yang beroperasi sehingga dapat merubah mode sistem komunikasi yang digunakan. Tujuannya adalah mampu beradaptasi secara real-time pada parameter transmisi radio menyesuaikan dengan perubahan lingkungan. Saat ini, transmisi radio telah telah diimplementasikan pada mode yang fixed dan telah digunakan untuk menunjang berbagai kondisi lingkungan. Pendekatan baru CR dapat menghemat daya khususnya saat menyesuaikan dengan parameter radio yang diperlukan.

Gambar 3 - Schematic functional view of a cognitive radio system 4


Gambar 4 menunjukkan siklus cognitive yang dimasukkan kedalam perangkat CR. Sebuah handphone CR terdiri atas 3 box yaitu: - Peralatan sensor. - Perangkat rekonfigurasi - Arsitektur untuk manajemen antara keduanya setelah dianalisa dan diambil keputusan. Bagian selanjutnya merupakan bagian inti dari paper ini. Yaitu tentang bagian yang memungkinkan perangkat CR meinterpretasikan informasi dari lingkungan, dan juga bagian yang memungkinkan handphone merekonfigurasi diri sehingga hanphone tersebut dapat beroperasi di sistem operasi yang baru dan lingkungan yang baru.

Gambar 4 - Cognitive cycle inside a CR equipment

4. META-MODELING HDCRAM 4.1. Konsep HDCRAM HDCRAM merupakan hasil evolusi dari arsitektur reconfiguration-management untuk SDR menuju ke arsitektur cognitive radio management 0. Detail tentang HDCRAM dapat ditemukan di [4], dan juga rangkumannya di [5]. HDCRAM merupakan singkatan dari Hierarchical and Distributed Cognitive Architecture Management. Terdiri atas unit yang menyediakan lokal management bertujuan untuk mendistribusikan management ke seluruh perangkat SDR. Untuk mendapatkan rekonfigurasi yang cepat saat diperlukan missal jika hanya fokus pada bagian local peralatan (sebagai contoh level 3). Di sisi lain, HDCRAM juga memungkinkan melakukan managemen pada peralatan level 1. Untuk menggambarkan fungsinya, kami telah membuat meta-modeling. Ini memungkinkan kami menggunakan “standardized graphical description” (UML like – Unified Modeling Language) dari arsitektur yang kami tawarkan sehingga lebih mudah dimengerti. Bagian berikutnya berhubungan dengan meta-modeling HDCRAM.

5


4.2. Meta-modeling Meta-model HDCRAM yang ditunjukkan pada gambar 5 dibawah ini menunjukkan dependensi serta kardinalitas (pada masing-masing class yang diimplementasikan di perangkat CR) pada diagram class nya. Meta-model ini mewakili perspektif industri pada arsitektur yang harus di implementasikan didalam sebuah perangkat cognitive radio sesuai dengan fungsi yang diharapkan oleh perancang. Bagian bawah adalah operator class yang terhubung dengan L3_CRMU dan L3_ReMU, dan juga terhubung dengan bagian atasnya. CRM dan ReM class merupakan super class yang berasal dari class lain.

Gambar 5 - Meta-model HDCRAM L1 adalah general manager dari peralatan CR. Terdiri atas sebuah L1_ReM yang bertanggung jawab merekonfigurasi semua peralatan elektronik. Yang terhubung dengan LI_ReM adalah L1_CRM yang bertanggung jawab pada proses pengambilan keputusan di seluruh perangkat, termasuk semua informasi dari sensor. L3_ReMU memanajemen proses pada operator di level yang paling bawah sehingga harus digabungkan. Ini merupakan local managers, terbatas dengan fungsi yang spesifik didalam perangkat. Filosofi yang sama, L3_CRM juga memanajemen sensor dan juga mengambil keputusan pada level bawah dengan fungsi yang juga terbatas. Jika diperlukan L3_CRM menginformasikan status mereka ke bagian CRM atau order mereka ke bagian ReM di level 1. level intermediate terdiri dari beberapa L2_ReM/L2_CRM unit, menghubungkan antara level 1 general manager dan semua level 3 manager. 4.3. Proses HDCRAM HDCRAM terdiri dari dua sisi yang berbeda. Sisi kanan merupakan reconfiguration management (ReM) yang mana melakukan transfer informasi dari level atas ke level bawah. Dan di sisi kiri merupakan cognitive management (CRM) dimana transfer informasi dari level bawah ke level diatasnya. Di level yang sama, kedua sisi tersebut juga terhubung satu sama lain. Level 1 merupakan general manager dan pada level bawah adalah operator sebagai bagian yang melakukan rekonfigurasi pada system cognitive radio. Proses HDCRAM dimulai ketika L3_CRMU menangkap metric informasi dari alat sensor yang juga merupakan bagian dari operator. Metric selanjutnya di evaluasi dan di analisa oleh L3_CRMU dan kemudian 6


hasilnya di kirim ke L2_CRMU. Jika diperlukan, L3_CRMU dapat merekonfigurasi operator dengan mengirim reconfiguration order melalui L3_ReMU. L2_CRMU menerima metric dari L3_CRMU dan setelah dianalisa diteruskan ke L1_CRMU dan L2_ReMU. Gambar 6 menunjukkan bagaimana HDCRAM dapat memanajemen siklus cognitive pada Gambar 2 pada level yang berbeda. Hal ini memungkinkan rekonfigurasi skala kecil dapat dilakukan dengan cepat (jika siklus hanya pada level 3) atau rekonfigurasi dengan skala luas dengan pengambilan keputusan yang komplek (jika siklus melalui level 1).

Gambar 6 – Siklus cognitive pada HDCRAM

5. SIMULATOR HDCRAM 5.1. Contoh skenario desain CR Simulator HDCRAM menawarkan keuntungan bagi perancang untuk mensimulasikan skenarionya. Pertama, perangkat dibangun dengan memilih skenario terlebih dahulu. Untuk menjelaskan kami mencoba membuat skenario CR yang sederhana dimana data rate dapat beradaptasi dalam fungsi kualitas dari radio link. Skenario ini terdiri dari satu buah sensor SNR untuk mengukur signal-to-noise-rasio dan satu buah reconfigurable operator yang dapat merubah kecepatan data dan merubah modulasinya untuk mengatasi noise. Inilah yang dimaksud dengan rekonfigurasi constalation mapper yaitu ketika melakukan rekonfigurasi modulation dari QPSK (low data rate tapi sangat robust), ke 16-QAM (higher data rate dengan robustness rendah) atau 64-QAM (high date rate tapi robust rendah). Gambar 7 menunjukkan bagaimana HDCRAM dapat di implementasikan untuk menunjang skenario CR skenario. Seperti yang ada pada HDCRAM, tiap operator, SNR_sensor dan Operator_mapper, telah terhubung dengan satu L3_ReMU untuk memanajemen dengan level yang lebih rendah (seperti reconfigurasi pada driver), dan satu L3_CRMU untuk memanajemen informasi sensor dan pengambilan keputusan yang berhubungan dengan 7


operator. Sebagai catatan, SNR_sensor tidak melalukan rekonfigurasi, sehingga rekonfigurasi level 3 manager L3_ReMU_Sr.SNR is kosong. Level 3 manager dari SNR_sensor berhubungan langsung dan menerima informasi besaran nilai SNR_sensor untuk dikirmkan ke bagian cognitive management. Hal ini dilakukan L3_CRMU_Sr.SNR dengan merubah besaran SNR ke dB dan diumpamakan kedalam tulisan “high”, “medium” atau “low”. Informasi tersebut sekarang digunakan untuk mengambil keputusan pada pemilihan jenis modulasi sehingga menentukan jenis data rate dan robustness yang dipilih: QPSK, 16-QAM atau 64-QAM. Tapi L3 managers dari operator yang berbeda tidak dapat berkomunikasi secara langsung. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, SNR dan mapper management pada desain ini berkomunikasi melalui level 2. Sehingga L3_CRMU_Sr.SNR harus mengirimkan informasinya ke L2_CRMU_SNR untuk dianalisa. Jika nilai SNR tidak mengalami perubahan disbanding dengan nilai sebelumnya maka rekonfigurasi tidak diperlukan, dan proses menunggu hingga ada informasi baru. Atau jika nilai SNR berubah, maka kemudian L2_CRMU_SNR membuat keputusan berdasarkan threshold. Keputusan yang diambil L2_CRMU_SNR terdiri dari dua yaitu L2_ReMU_SNR mengirim order untuk merubah konfigurasi mapper dengan aturan sebagai berikut: • Pilih “low data rate” ketika SNR berubah menjadi “low”, • Pilih “medium data rate” ketika SNR berubah menjadi “medium”, • Pilih “high data rate”ketika SNR berubah menjadi “high”. Kemudian L2_ReMU_SNR mengirimkan order ini ke L3_ReMU_Op.Mapper agar dimengerti dan dirubah code nya oleh Operator_Mapper, bisa berbentuk (exe file pada sebuah processor, bistream untuk sebuah FPGA). L3_ReMU_Op.Mapper memilih code baru untuk berhubungan dengan modulasi QPSK untuk order “low data rate”, 16-QAM untuk “medium data rate” dan 64-QAM untuk “high data rate”. Setelah proses ini selesai, L3_CRMU_Op.Mapper mengirimkan ke level CRM yang lebih tinggi (hingga level 1 dimana merupakan general manager dari perangkat) beberapa informasi ditambahkan untuk menginformasikan bahwa reconfigurasi mapper telah berhasil dieksekusi.dan menginformasikan status baru dari jenis operasi yang sedang berjalan.

Gambar 7 - HDCRAM membantu perancang menspesifikasi kebutuhan CR Tentu saja skenario ini hanya akan mungkin jika beberapa sinkronisasi telah dilakukan dengan perangkat lain yang berhubungan. Artinya sebelum melakukan rekonfigurasi, transfer data harus sudah dilakukan untuk memberitahukan bahwa berikutnya frame dikirim melalui modulasi baru. Hal ini telah dijelaskan di artikel sebelumnya. 8


5.2. Skenario lain CR HDCRAM yang telah dijelaskan diatas membantu perancang mensimulasikan skenario rancangan masa depan CR. Skenario yang dimaksud bisa sederhana atau bisa juga skenario yang lebih kompleks, dalam hal ini gabungan dari beberapa skenario. Tujuannya adalah mengenalkan langkah demi langkah kebutuhan perangkat CR. Oleh sebab itu dibutuhkan desain sederhana sebagai awalan, tetapi juga nantinya desain CR masa depan yang lebih komplek. Lima contoh lain dari skenario yang diimplementasikan oleh HDCRAM dan simulatornya dapat dilihat pada Gambar 8: • Skenario “battery”: skenario ini menganalisa informasi dari alat sensor baterai untuk melakukan re-konfigurasi bagian perangkat di FPGA yang berhubungan dengan daya listrik. • Skenario “ISI”: skenario ini menganalisa informasi dari alat sensor ISI (Inter Symbol Interference) untuk melakukan re-konfigurasi bagian equalizer (apakah harus di aktifkan atau tidak). • Skenario “spectrum access”: skenario ini menganalisa informasi dari alat sensor bandwidth, Wigner Ville transform dan alat ukur karakteristik cyclostationarity untuk melakukan re-konfigurasi pada perangkat akses radio. • Skenario “MIMO”: skenario ini menganalisa informasi dari alat sensor SNR untuk melakukan re-konfigurasi pada perangkat constellation mapper, transmisi MIMO transmission dan pengkodean kanal. • Skenario “adaptation rate”: skenario ini menganalisa informasi dari alat sensor SNR untuk melakukan re-konfigurasi kecepatan datanya.

Gambar 8 - Contoh skenario rancangan CR 9


contoh diatas menunjukkan berbagai desain skenario yang diramalkan untuk masa depan dari peralatan CR. Skenarios tersebut masih mendasar dan akan ditingkatkan pada penilitian selanjutnya.

6. KESIMPULAN Kami telah menunjukkan bagaimana fasilitas manajemen pada HDCRAM ditambahkan kedalam perangkat cognitive radio masa depan sehingga dapat mensupport kemampuan seperti yang diharapkan dari perangkat CR. Prototype dari proses pada level manajemen reconfigurasi juga telah selesai dikerjakan dan juga telah di validasi di laboratorium kami sehingga kami yakin fitur baru untuk perangkat CR tersebut bisa digunakan. HDCRAM juga telah kita meta-modelkan untuk membantu industry dalam mendesain standar baru. Walaupun demikian, HDCRAM saat ini masih marupakan tool desain pada abstraksi high-level dimana hanya digunakan pada high level untuk me-investigasi kebutuhan desain. Untuk menjadikannya sebuah tool setelah fase desain diperlukan kelengkapan lainnya untuk melengkapi kebutuhan fitur yang berhubungan dengan implementasi. Pekerjaan kedepan adalah kami akan mentransformasi meta-model HDCRAM kedalam modeling language level menengah seperti systemC, yang mana akan membantu dalam menyempurnakan spesifikasi CR. Ini karena systemC memungkinkan digunakan di beberapa level abstraksi (timed or not timed for instance).

REFERENSI J. Mitola (1992), “The Software Radio”, IEEE National Telesystems Conference, – Digital Object Identifier 10.1109/NTC.1992.267870 J. Mitola, G. Maguire. (1999) “Cognitive radio: making software radios more personal, Personal Communication”, IEEE, Vol. 6, No. 4. pp. 13-18. J. Mitola, (2000) “Cognitive Radio: An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio”, Ph.D. dissertation, Royal Inst. Of Tech., Sweden. J.-P. Delahaye, J. Palicot, P. Leray. (2005) "A Hierarchical Modeling Approach in Software Defined Radio System Design," SIPS, Athens-Greece. A. Kountouris, C. Moy, (2002) “Reconfiguration in Software Radio System”, Second Karlsruhe Workshop on Software Radios, Karlshruhe, Germany. A. Kountouris, C. Moy, L. Rambaud. (2000) “Reconfigurability: A Key Property in Software Radio System”, First Karlsruhe Workshop on Software Radios, Karlshruhe, Germany. L. Godard, C. Moy, J. Palicot, (2006) "From a Configuration Management to a Cognitive Radio Management of SDR Systems", CrownCom'06, Mykonos, Greece. Loig GODARD, (2008) "Modèle de Gestion Hiérarchique Distribuée pour la Reconfiguration et la Prise de Décision dans les Equipments de Radio Cognitive" Ph.D Thesis, Supelec, France. L. Godard, C. Moy, J. Palicot, "An Executable Metamodel of a Hierarchical and Distributed Architecture Management of Cognitive Radio Equipments", Annals of Telecommunicatios, July-August 2009. 10

KONSEP BARU DESAIN HANDPHONE CERDAS MASA DEPAN. Judul : Konsep Baru Desain Handphone Cerdas Masa Depan

Recommend Documents