BAB II SOFT HANDOFF. bergerak. Mobilitas menyebabkan variasi yang dinamis pada kualitas link dan tingkat

Transkripsi

1 BAB II SOFT HANDOFF II.1 Umum Handoff adalah komponen yang esensial dalam sistem komunikasi selular bergerak. Mobilitas menyebabkan variasi yang dinamis pada kualitas link dan tingkat interferensi pada sistem seluler, terkadang sebuah user (mobile station; BS) tertentu harus mengganti base station (BS) yang melayaninya. Pergantian ini dikenal sebagai handoff. Pada sistem seluler generasi pertama seperti Advanced Mobile Phone System (AMPS)[1], handoff relatif sederhana. Sistem seluler generasi kedua seperti Global System for Mobile Communications (GSM) dan Personal Access Communications System (PACS) lebih baik dari pada generasi pertama dalam banyak hal, termasuk algoritma handoff yang digunakan. Pemrosesan sinyal yang lebih modern dan prosedur melakukan handoff telah digabungkan pada sistem ini. Struktur kendali telah ditingkatkan sehingga dalam peningkatan dari networkcontrolled menuju Mobile Assisted Handoffs (MAHO) atau Mobile Controlled Handoffs (MCHO), delay handoff secara substansial telah dikurangi. Disebut soft handoff karena untuk membedakannya dari proses handoff lainnya (hard handoff tradisional). Dengan hard handoff, beberapa keputusan dibuat apakah handoff perlu dilakukan atau tidak. Pada keputusan positif, handoff diinisiasikan dan dieksekusi tanpa memerlukan pemakaian kanal secara simultan dengan dua base station. Pada soft handoff, sebuah keputusan yang dikondisikan dibuat apakah handoff perlu atau tidak. Dipengaruhi oleh perubahan dari kuat sinyal 6

2 pilot dari dua atau lebih base station yang terlibat, dan akhirnya keputusan handoff dibuat untuk berkomunikasi hanya dengan satu BS. Hal ini normal terjadi setelah diperoleh jelas bahwa sinyal dari satu BS lebih kuat dari yang lainnya. Pada prosesnya, MS menggunakan kanal secara simultan kepada setiap BS yang terlibat. Perbedaan soft handoff dengan hard handoff dapat diibaratkan dengan perbedaan antara lomba lari estafet dengan renang estafet. Pada lomba renang estafet, perenang selanjutnya harus menunggu sampai rekannya menyentuh dinding kolam, sementara pada lomba lari estafet, tongkat diserahkan beberapa detik setelah pelari kedua berlari sehingga ada situasi dimana mereka sama-sama berlari dan memegang tongkat pada periode waktu tertentu. II.2 Prosedur Handoff Prosedur handoff dapat dibagi menjadi tiga fase, yaitu: pengukuran, pengambilan keputusan dan eksekusi seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.1. Mengukur informasi yang dibutuhkan untuk keputusan handoff (contoh: E c /I 0, dan RSS) Fase Pengukuran Tidak Kriteria handoff terpenuhi? Ya Fase Pengambilan Keputusan Selesaikan proses handoff Meng-update parameter Fase Eksekusi Gambar 2.1 Prosedur Handoff 7

3 II.3 Konsep Soft handoff Soft handoff memungkinkan kedua sel, baik sel asal ataupun sel baru untuk melayani user (mobile station) secara bersama-sama selama transisi handoff. Transisinya adalah ketika MS bergerak dari sel asal ke sel baru dan akhirnya berada di sel baru. Hal ini dimungkinkan karena semua sel memakai frekuensi kerja yang sama. Soft handoff selain mengurangi kemungkinan putusnya pembicaraan juga menyebabkan proses handoff berjalan dengan halus sehingga tidak mengganggu pengguna. Dalam sistem analog dan digital TDMA dilakukan pemutusan hubungan sebelum fungsi switching berhasil dilakukan (break-before-make) sementara pada CDMA hubungan dengan sel lama tidak diputuskan sampai MS benar-benar mantap dilayani oleh sel baru (make-before-break). Setelah sebuah panggilan dilakukan, MS selalu mencek sel-sel tetangga untuk menentukan apakah sinyal dari sel yang lain cukup besar jika dibandingkan dengan sinyal dari sel asal. Jika hal ini terjadi, ini merupakan indikasi bahwa MS (Mobile station) telah memasuki daerah cakupan sel yang baru dan handoff dapat mulai dilakukan. Mobile station mengirim pesan kendali (control message) ke MTSO yang menunjukkan sinyal dari sel baru semakin menguat. MTSO melakukan handoff dengan menyediakan sebuah link kepada mobile station melalui sel baru tetapi link yang lama tetap dipertahankan. Sementara mobile station berada pada daerah perbatasan antara kedua sel, panggilan dilayani oleh kedua sel site, hal ini menyebabkan berkurangnya efek ping-pong atau mengulang permohonan untuk menangani kembali panggilan diantara kedua sel site. Sel asal akan memutuskan hubungan jika mobile station sudah sungguh-sungguh mantap dilayani oleh sel yang 8

4 baru. Gambar 2.2 memperlihatkan perbandingan proses dasar dari hard dan soft handoff. Gambar 2.2 (a) Hard Handoff (b) Soft handoff Jika dibandingkan dengan hard handoff tradisional, soft handoff memperlihatkan banyak keuntungan, contohnya menghilangkan efek ping-pong dan menghaluskan transmisi (tidak ada break point pada soft handoff). Tidak ada efek ping-pong berarti beban signaling pada jaringan semakin menurun dan dengan soft handoff tidak ada data loss yang diakibatkan oleh pemutusan transmisi yang mana terjadi pada hard handoff. Terpisah dari masalah mobilitas, ada alasan lain kenapa soft handoff diimplementasikan pada CDMA. Alasannya adalah soft handoff bersama dengan kendali daya (power control) juga menggunakan mekanisme pengurangan interfensi. Gambar 2.3 memperlihatkan dua skenario. Pada bagian (a) hanya power control yang diaplikasikan. Pada bagian (b) power control dan soft handoff diaplikasikan. Misalkan mobile station (MS) bergerak dari BS1 menuju BS2. Pada posisinya seperti 9

5 pada gambar, sinyal pilot yang diterima dari BS2 sudah lebih kuat dari pada dari BS1. Ini berarti BS2 lebih baik dari BS1. (a) Tanpa SHO (b) Dengan SHO Gambar 2.3 Pengurangan interferensi dengan soft handoff pada uplink Pada (a), power control meningkatkan kuat sinyal kirim mobile station untuk menjamin QoS pada uplink ketika mobile station bergerak menjauhi BS yang melayaninya, yaitu BS1. Pada (b) mobile station ada dalam status soft handoff, yaitu BS1 dan BS2 terhubung dengan mobile station secara simultan. Sinyal yang diterima dikirimkan ke RNC. Pada arah uplink, pemilihan dilakukan pada soft handoff. Yang paling kuat akan dipilih dan yang lebih lemah akan diputuskan. Karena BS2 lebih baik dari BS1 dan untuk mencapai QoS yang diharapkan maka kuat sinyal kirim lebih rendah dibandingkan dengan skenario (a). Melalui hal diatas diperoleh bahwa interferensi yang dihasilkan oleh mobile station pada arah uplink lebih rendah pada 10

6 soft handoff karena soft handoff selalu menjaga agar mobile station terhubung dengan BS yang terbaik. Pada arah downlink, situasinya jauh lebih rumit. Meskipun kombinasi rasio maksimum memberikan penguatan makrodiversitas, dibutuhkan kanal downlink tambahan untuk mendukung soft handoff[2]. II.4 Inisiasi Soft handoff Inisiasi soft handoff yang digunakan akan menentukan penentuan handoff dan nilai dari active set. Ada beberapa inisiasi handoff yang digunakan[3]. Berikut ini adalah penjelasannya. 1. MCHO (Mobile Control Handoff): Mobile station (MS) melakukan pengukuran kualitas, memilih BS (Base station) yang terbaik, dan melakukan switch melalui koordinasi dengan jaringan (network). Handoff jenis ini biasanya dipicu oleh kualitas link yang rendah yang diukur oleh MS. 2. NCHO (Network Control Handoff): BS melakukan pengukuran dan memberi laporan kepada RNC, yang mana akan membuat keputusan untuk handoff atau tidak. Handoff jenis ini dilakukan bukan hanya untuk kendali link radio tetapi juga untuk mengatur distribusi trafik diantara sel-sel. Contohnya adalah TRHO (Traffic Reason Handoff). TRHO adalah algoritma berbasis beban yang mengubah nilai ambang (threshold) dari handoff untuk satu atau lebih sel yang berdampingan bergantung pada beban sel itu. Jika beban dari suatu sel melebihi level yang ditentukan dan beban sel tetangga dibawah level yang telah ditentukan, maka sel tersebut akan mengecilkan 11

7 area cakupannya (coverage) kemudian menyerahkan sebagian trafik (handoff) kepada sel tetangga. Oleh karenanya, blocking rate dapat dikurangi dan meningkatkan utilisasi sel. 3. NCHO/ MAHO (Network Control Handoff/ Mobile Assist Handoff): Jaringan dan MS melakukan pengukuran. MS memberikan laporan pengukuran terkait BS disekitarnya dan kemudian jaringan yang mengambil keputusan apakah handoff diperlukan atau tidak. Berdasarkan pada standar regulasi yang dikeluarkan oleh TIA (Telecommunications Industry Asociations) yaitu IS-95, parameter yang digunakan untuk menginisiasi handoff adalah level dari E c /I 0 dari sinyal pilot. E c /I 0 adalah perbandingan Energi per chip per Total Interferensi kerapatan spektral. Pada tugas akhir ini, parameter yang digunakan bukanlah level E c /I 0 dari sinyal pilot, tetapi kuat sinyal pilot itu sendiri (RSS: Received Signal Strength). Pemilihan parameter inisiasi ini bertujuan untuk menyederhanakan sistem yang akan disimulasikan (sistem yang menggunakan level E c /I 0 dari sinyal pilot jauh lebih kompleks). II.5 Parameter Algoritma Soft handoff Soft handoff lebih sulit dan kompleks untuk diimplementasikan dibandingkan dengan hard handoff. Salah satu alasannya adalah sulitnya menentukan nilai yang optimal untuk masing-masing parameter soft handoff. Beberapa parameter yang mempengaruhi kinerja dari soft handoff yang berkaitan juga dengan algoritmanya adalah sebagai berikut[1]. 12

8 1. Add threshold (Hyst_add): batas selisih level sinyal yang digunakan untuk penambahan active set. 2. Drop threshold (Hyst_drop): batas selisih level sinyal yang digunakan untuk pengurangan active set. 3. T drop : untuk keluar dari active set, maka kuat sinyal harus dibawah drop threshold untuk jangka waktu selama T drop. 4. Soft handoff Window (SHW): adalah perbedaan antara add dan drop threshold. 5. Rasio a (rasio SHR) didefeninsikan sebagai perbandingan antara area soft handoff dengan area sel. II.6 Algoritma Soft handoff Algoritma handoff yang berbasis pada kuat sinyal pilot, biasanya akan membandingkan kuat sinyal pilot yang diterima dengan batas (threshold) yang telah ditentukan. Untuk menambah kehandalan dari algoritma, maka ditambahkan beberapa parameter, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Melalui parameter algoritma yang telah dijelaskan sebelumnya pada subbab 2.5, maka dapat dibuat algoritma yang dikondisikan dengan kebutuhan yang merupakan kombinasi dari beberapa parameter tersebut. Semakin banyak parameter yang ingin diimplementasikan, maka akan semakin kompleks sistem yang harus dibangun. 13

9 Kinerja dari soft handoff sangat berhubungan dengan algoritmanya [2]. Gambar 2.4 memperlihatkan algoritma soft handoff berdasarkan IS-95A (sering disebut algoritma dasar cdmaone). Pilot Ec/Io T_ADD T_DROP Neighbor set (1) (2) (3) (4) (5)(6)(7) Waktu Candidate set Active set Neighbor set (1) Pilot Ec/Io Melewati T_ADD, mobile mengirim sebuah Pilot Strength Measurement Message (PSMM) dan mentransfer menjadi candidate set. (2) BS mengirim pesan Handoff Direction (Handoff Direction Message, HDM) (3) Mobile mentransfer pilot ke active set dan mengirim pesan Handoff Completion (Handoff Completion Message, HCM) (4) Pilot Eb/Io dibawah T_DROP, mobile memulai handoff drop timer. (5) Handoff drop timer selesai, mobile mengirim sebuah PSMM. (6) BS mengirim sebuah HDM (7) Mobile mentransfer pilot dari active set ke neighbor set dan mengirim sebuah HCM. Gambar 2.4 Algoritma Soft handoff IS-95A Active set adalah daftar dari sel-sel (BS) yang terhubung dengan Mobile station; Candidate set adalah daftar dari sel-sel (BS) yang awalnya tidak memiliki hubungan, namun memiliki pilot Ec/Io yang cukup kuat untuk dimasukkan ke dalam active set; Neighbouring set adalah daftar dari sel-sel (BS) dimana pilot diukur secara kontinu tetapi nilainya tidak cukup kuat untuk dimasukkan ke dalam active set. 14

10 Pada IS-95A, nilai ambang (threshold) adalah nilai yang tetap (fixed) dari kuat sinyal pilot E c /I 0 yang diterima. Sistem ini mudah untuk diimplementasikan, tetapi memiliki kesulitan jika berhadapan dengan perubahan beban yang dinamis. Berdasarkan pada algoritma IS-95A, beberapa algoritma cdmaone yang telah dimodifikasi telah diajukan untuk IS-95B dan system cdma2000 dengan nilai threshold yang dinamis. Pada WCDMA, algoritma yang digunakan jauh lebih rumit. Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.5. Ec/Io T T T AS_Th-AS_Th_Hyst AS_Th+AS_Th_Hyst AS_Rep_Hyst Terhubung ke sel 1 Time Kejadian 1A: Masukkan sel 2 Kejadian 1C: Gantikan sel 1 Dengan sel 3 Kejadian 1B: hapus sel 3 AS_Th Threshold untuk macro diversity AS_Th_Hyst Hystetresis untuk AS_Th AS_Rep_Hyst Hysteresis pengganti T Waktu untuk memicu (trigger) AS_Max_Size Ukuran maksimum dari active set Gambar 2.5 Algoritma soft handoff WCDMA. Algoritma soft handoff WCDMA dapat dijabarkan sebagai berikut: 1. Jika pilot_ec/io > Best_pilot_Ec/Io-(AS_Th-AS_Th_Hyst) selama periode waktu T dan active set tidak penuh, maka sel tersebut dimasukkan kedalam 15

11 active set. Ini disebut dengan kejadian 1A atau penambahan link radio (Radio Link Addition). 2. Jika pilot Ec/Io < Best_pilot_Ec/Io-(AS_Th + AS_Th_Hyst) selama periode waktu T, maka sel dihapus dari active set. Ini disebut kejadian 1B atau penghapusan link radio (Radio Link Removal). 3. Jika active set penuh dan Best_candidate_pilot_Ec/Io > Worst_Oldpilot_Ec/Io + AS_Rep_Hyst selama periode waktu T, maka sel yang paling lemah pada active set akan diganti dengan sel kandidat yang paling kuat. Ini disebut dengan kejadian 1C atau kombinasi penambahan dan penghapusan link radio (Combined Radio Link Addition and Removal) Dimana pilot_ec/io adalah kuantitas dari Ec/Io yang diukur; Best_pilot_Ec/Io adalah sel yang paling kuat yang ada pada active set; Best_Candidate_pilot_Ec/Io adalah sel yang paling kuat pada monitor set; Worst_Old_pilot_Ec/Io adalah sel yang paling lemah pada active set. Pada tugas akhir ini, algoritma yang digunakan tidak serumit algoritma yang telah dijelaskan sebelumnya. Seperti yang telah dijelaskan, parameter acuan yang digunakan dalam menginisiasi handoff pada tugas akhir ini adalah kuat sinyal terima rata-rata (Received Signal Strength) dari sinyal pilot. Jenis inisiasi yang digunakan adalah MCHO/MAHO dengan parameter algoritma yang digunakan adalah Threshold, Hyst_ADD, dan Hyst_DROP. Algoritma yang digunakan pada tugas akhir ini diperlihatkan pada gambar

12 Kuat Sinyal Pilot (db) S d S d HYST_ADD HYST_DROP S min BS 1 BS 1 + BS 2 BS 2 Jarak Gambar 2.6 Skema algoritma soft handoff. Algoritma tersebut dapat dijabarkan sebagai berikut: a. Jika active set berisi BS 1 dan > dan selisih absolut dari dan lebih besar dari HYST_ADD maka active set tetap berisi BS 1. b. Jika dan > dan selisih absolut dari dan lebih kecil dari HYST_ADD maka active set berisi BS 1 dan BS 2. c. Jika dan > dan selisih absolut dari dan lebih besar dari HYST_DROP maka active set berisi BS 2 (Terjadi soft handoff). d. Jika dan < maka active set tidak berisi BS 1 maupun BS 2. MS tidak akan memiliki koneksi dengan BS 1 dan BS 2. Kondisi ini disebut sebagai outage (kegagalan). Jika disusun dalam bentuk flowchart, maka algoritma tersebut dapat dibuat seperti pada gambar

13 Mulai Pengukuran Active set: BS 1 Merata-ratakan RSS>Threshold T Outage Y Active set: BS 1 + BS 2 Y S d S d >Hyst_Add T Active set: BS 2 S d S d <Hyst_Add Handoff T S d S d >Hyst_Drop Y Gambar 2.7 Flowchart handoff berbasis kuat sinyal dengan threshold dan hysteresis. II.7 Kinerja Soft handoff Kinerja soft handoff merupakan ukuran penting yang menjadi acuan baik tidaknya suatu proses handoff. Pada [1] disebutkan bahwa indikator kinerja soft handoff terdiri atas dua jenis, yaitu: 1. Indikator Kualitas Link a. Rata-rata level E c /I 0 downlink untuk beban sistem yang diberikan. b. Rata-rata level E c /I 0 uplink untuk beban sistem yang diberikan. 2. Idikator Alokasi Sumber daya a. Trafik sel; jumlah kanal yang digunakan pada masing-masing sel. 18

14 b. Probabilitas blocking panggilan baru. c. Probabilitas semua kanal sedang penuh pada sel baru pada sebuah handoff. d. Jumlah BS yang diharapkan pada active set. e. Trunking resource efficiency; efisiensi sistem dimana efisiensinya adalah 1/(ukuran active set). f. Nilai pergantian (update) yang diharapkan pada active set. Namun tidak semua indikator kinerja tersebut dapat digunakan dalam model analisa pendekatan. Hal ini bergantung kepada model sistem yang digunakan. Mengacu pada [4], tugas akhir ini menggunakan indikator kinerja sebagai berikut: 1. Jumlah handoff; yaitu banyaknya handoff yang terjadi. Perhitungan jumlah handoff mengikuti persamaan, { [ ]} (3.1) 2. Laju perubahan active set ( ; laju perubahan active set. Perubahan nilai dari active set mengikuti persamaan, (3.2) (3.3) (3.4) 3. P outage (Probabilitas outage); adalah probabilitas dimana kuat sinyal terima berada dibawah nilai threshold yang ditetapkan. Outage adalah situasi dimana MS sama sekali tidak terhubung dengan BS. Nilai probabilitas outage dapat dideskripsikan sebagai kualitas pelayanan[4]. 19

15 Karena sinyal yang diterima pada jarak d adalah variabel acak, fungsi analitis Q atau fungsi kesalahan (ERF) dapat digunakan untuk menentukan probabilitas outage[4]. Probabilitas outage (Po) pada jarak d diberikan oleh[4,5,6], ( ) (3.5) dimana adalah kekuatan sinyal terbesar di antara yang tersedia rata-rata sinyal dari BSS pada jarak d, S min adalah threshold, dan adalah standar deviasi. 4. Rasio soft handoff region (SHR), merupakan rasio dari area soft handoff terhadap area sel (a). Nilai dari rasio SHR diberikan oleh[7], ( ) (3.6) Seperti diperlihatkan pada gambar 2.8. Dimana R h adalah radius awal area soft handoff sel dan R s adalah radius sel. R s R h Gambar 2.8 Gambar radius sel 20