BAB II LANDASAN TEORI Dalam bab ini kami memberikan informasi mengenai latar belakang UMTS dalam bentuk arsitektur jaringan dan protokol stack yang digunakan. 2.1 Arsitektur Jaringan UMTS Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) merupakan salah satu generasi baru standar untuk 3G (generasi ketiga) pada komunikasi mobile. Gambar 2.1 menggambarkan komponen-komponen arsitektur jaringan UMTS. Arsitektur jaringan UMTS terbentuk dari tiga rangkaian logika: Core network, UTRAN dan UE. Rangkaian lokiga Ini memiliki beberapa node fungsional dalam diri mereka untuk melayani jaringan UMTS. Core Network terdiri dari GGSN (Gateway GPRS Support Node) dan SGSN (Serving GPRS Support Node), mereka bertanggung jawab untuk switching / routing panggilan dan koneksi data ke jaringan eksternal. Bagian UTRAN 7
dapat terdiri dari satu atau lebih Radio Network Subsystem (RNS). Sebuah RNS terdiri dari satu Radio Network Controller (RNC) dan satu atau lebih Node B (juga dikenal sebagai base station). Beberapa Node B tersebut berfungsi untuk melakukan pengolahan antarmuka udara (air interfacing) pada layer1 (channel coding dan penyisipan, tingkat adaptasi, penyebaran, dll) berdasarkan Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) teknologi. The RNC adalah elemen jaringan yang bertanggung jawab untuk mengendalikan sumber daya radio dari UTRAN. Secara umum Node B juga dapat dianggap sebagai perluasan dari RNC dengan interface radio terpasang. Node-node SGSN dan GGSN menyediakan fungsionalitas untuk layanan Packet Switched. Entitas ini dihubungkan dengan satu sama lain melalui interface terbuka yang secara singkat diuraikan sebagai berikut: - Interface Uu: merupakan interface WCDMA radio yang digunakan UE untuk mengakses bagian UTRAN dari sistem. - Interface Iu: interface ini menghubungkan UTRAN ke CN. Kenyataannya, dua jenis interface Iu tersebut ada karena IuCS berada diantara RNC dan MSC/VLR, yang digunakan untuk lalu lintas circuit switched dan IUP diantara RNC dan SGSN, digunakan untuk lalu lintas paket switch. - Iur interface: interface ini memungkinkan terjadinya serah terima antara RNCs dan ditempatkan diantara setiap dua RNCs. - Interface Iub: Iub menghubungkan Node B dan RNC. UMTS adalah sistem telepon mobile komersial pertama dimana interface antara base station dan controller didefinisikan sebagai interface terbuka. 8
2.2 Arsitektur Protokol UMTS Kami sudah memperkenalkan arsitektur dasar jaringan UMTS. Pada bagian ini, kami berikan gambaran secara singkat mengenai arsitektur protocol UMTS. Ada tiga lapisan yang terlibat dalam arsitektur : Network Layer, MAC layer dan data link layer. 2.2.1 Network Layer Layer jaringan Radio Resource Controller (RRC) dan Radio Link Control (RLC) terbagi dalam bidang Control dan User (lihat gambar 2.2). Semua informasi yang dikirim dan diterima oleh user, seperti panggilan suara atau paket dalam sambungan Internet diangkut melalui User plane. Kontrol signaling spesifik UMTS dikelola oleh Control plane. Gambar 2.2 Protokol Stack UMTS 9
Dari gambar 2.2 terlihat bahwa kanal UMTS diorganisasi dalam beberapa layer: Kanal Logika, kanal Transport dan Kanal Fisik. Kanal Fisik menyediakan media transmisi dengan frekuensi carrier tertentu, kode scrambling, kode pengkanalan dan durasi waktu. Kanal fisik menawarkan layanan pada layer MAC melalui kanal transport yang ditandai dengan bagaimana dan dengan apa karakteristik data yang ditransfer. MAC Layer menawarkan layanan ke lapisan RLC dengan menggunakan kanal logika. Kanal logika dikelompokkan atas jenis data yang akan dikirimkan. Kanal fisik terdapat antara UE dan Node B, kanal transport dan kanal logika keluar diantara UE dan RNC. 2.2.2 Protokol RLC Protokol Radio Link Control (RLC) diimplementasikan pada data link layer yang terdapat pada interface WCDMA untuk memberikan layanan segmentasi dan retransmission pada user dan data control. Protokol RLC bekerja baik di RNC dan UE. Setiap data RLC dikonfigurasi oleh RRC sesuai dengan tiga mode berikut: Acknowledgement Mode (AM), mode ini terjadi pada saat permintaan ulang otomatis (ARQ) digunakan untuk mekanisme koreksi kesalahan. Apabila RLC tidak dapat mengirimkan data dengan benar, karena transmisi ulang maksimum mencapai atau melebihi waktu transmisi, Service Data Unit (SDU) dibuang dan diperoleh entitas peer. Segmentasi, Rangkaian, padding dan deteksi duplikasi disediakan oleh field header yang ditambahkan ke data. Entitas AM bidirectional mampu mendapatkan status link dalam arah yang berlawanan menjadi data pengguna. Dalam mode ini, RLC dapat dikonfigurasi untuk pengiriman berurutan dan tidak berurutan. Seperti modus yang digunakan untuk layanan paket seperti, web, email browsing, dll 10
Un-acknowledgement Mode (UM), mode ini terjadi pada saat tidak ada protocol retransmission yang digunakan sehingga menyebabkan keberhasilan pengiriman data tidak terjamin. Data yang diterima memiliki kemungkinan adanya error, data error tersebut dapat ditandai sebagai error atau dibuang tergantung pada konfigurasi lapisan fisik. Struktur Packet Data Unit (PDU) meliputi nomor urut sehingga integritas dari lapisan PDU yang lebih tinggi dapat diamati. Segmentasi, Rangkaian dan padding disediakan oleh sarana field header yang ditambahkan ke data. Sebuah entitas RLC dalam mode ini didefinisikan sebagai searah karena tidak ada hubungan antara uplink dan downlink yang diperlukan. Mode ini cocok untuk Voice over IP (VoIP) aplikasi. Transparent Mode (TM), mode ini terjadi di mana tidak ada lapisan bawah (RLC, MAC) overhead protokol ditambahkan ke lapisan yang lebih tinggi. PDU dengan beberapa error dapat ditandai sebagai error atau dibuang. SDU dapat ditransmisikan dengan atau tanpa segmentasi tergantung pada jenis data yang dikirim. 2.2.3 Protokol MAC Protokol Medium Access Control (MAC) bekerja diantara entitas UE dan RNC. Pada layer MAC beberapa kanal logika diarahkan pada kanal-kanal transport yang ada. Layer MAC juga bertugas untuk memilih format transportasi yang tepat untuk setiap kanal transportasi tergantung pada tingkat sumber kanal logika. Seperti yang terlihat pada gambar 2.3, layer MAC terdiri dari entitas logika berikut ini: MAC-b bertanggung jawab untuk menangani kanal broadcast (BCH). Ini tersedia dalam UE dan Node B. 11
MAC-c/sh bertanggung jawab untuk menangani kanal umum dan berbagi (FACH / Rach / DSCH). Ini tersedia dalam UE dan RNC. MAC-d bertanggung jawab untuk menangani kanal saluran khusus (DCH). Ini tersedia dalam UE dan RNC. BCCH PCCH BCCH CCCH CTCH MAC Control DCCH DTCH DTCH MAC-b MAC-c/sh MAC-d BCH PCH FACH RACH CPCH DSCH DCH DCH Gambar 2.3 Arsitektur MAC Layer Pelayanan transfer data pada layer MAC disediakan pada kanal-kanal logika. Kanal logika terbagi menjadi dua kelompok: Control Channel, digunakan untuk mentransfer informasi Control Plane. Contoh dari Control Channel: Broadcast Control Channel (BCCH), Pager Control Channel (PCCH), Dedicated Control Channel (DCCH) dan kanal kontrol Common (CCCH). 12
Traffic Channel, digunakan untuk mentransfer informasi User Plane. Contoh Traffic Channel: Dedicated Traffic Channel (DTCH) dan Common Traffic Channel (CTCH). 2.2.4 Layer Fisik Layer ketiga yang terdapat pada jaringan UMTS adalah layer fisik. Sebagai contoh, pada UTRAN data yang dihasilkan pada layer yang lebih tinggi akan dilewatkan melalui interface udara melalui kanal transportasi dan dipetakan ke kanal fisik yang berbeda pada layer fisik. Pada gambar 2.4 dapat dilihat bahwa beberapa kanal transport dibawa oleh kanal fisik yang identic atau bahkan sama. Selain itu terdapat beberapa kanal fisik yang hanya membawa informasi yang relevan dengan prosedur layer fisik. 13
2.3 HSDPA pada UMTS High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) adalah sebuah pengembangan dari jaringan end to end UMTS yang telah ada. HSDPA ditargetkan dapat memberikan peningkatan kecepatan data, troughput yang lebih tinggi dengan mengurangi delay, dan meningkatkan efisiensi spektral downlink asimetris dan layanan paket data. Ada tiga jalur transportasi downlink didefinisikan dalam spesifikasi 3GPP: - Forward Akses Channel (FACH) - Downlink Shared Channel (DSCH) - Dedicated Channel (DCH) HSDPA memerlukan pengembangan lebih jauh pada DSCH, dengan implementasi High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH), dan tersedianya dukungan tambahan berupa: kapasitas data yang tinggi, penekanan Delay, kecepatan data yang tinggi. Meskipun mirip dengan DSCH, HS-DSCH memiliki: Modulasi Tingkat Tinggi, memungkinkan kecepatan data yang lebih tinggi. Adaptasi Fast link, pemilihan parameter transmisi dapat disesuaikan dengan seketika mengikuti kondisi kanal radio, dengan tujuan untuk mendapatkan kapasitas yang maksimum. Pemakaian Fast Channel dependent, tergantung, keputusan pemakaian kanal dapat disesuaikan dengan kondisi kanal radio yang terjadi, dengan tujuan kembali untuk mendapatkan kapasitas yang lebih tinggi. 14
Fast Hybrid ARQ melakukan pengabungan yang pas, mengurangi jumlah, dan waktu antara, transmisi, mengurangi delay dan menambah ketahanan untuk adaptasi link. 2.3.1 Radio Interface dan Arsitektur Jaringan untuk HSPDA Pada HSPDA, ada sub layer MAC baru yang dikenal sebagai MAC-hs (lihat gambar 2.5) yang dapat mengurangi delay pada Hybrid-ARQ dan memperkirakan kualitas kanal frekuensi, MAC-hs terletak di base station, bersama dengan Transmission Time Interval (TTI) yang lebih kecil dari 2ms untuk HS-DSCH. HSDSCH, seperti halnya DSCH, terkait dengan uplink dan downlink dari DPCH, namun semua informasi kontrol downlink untuk HS-DSCH tidak dilakukan pada downlink DPCH, tetapi pada pada Shared Control Channel yang baru, HS SCCH. Sinyal uplink yang berkaitan dengan HS-DSCH terjadi pada HS-DPCCH. Sebuah frame HS-DPCCH terdiri dari tiga slot: satu slot untuk transmisi acknowledgement HARQ dan dua slot untuk Channel Quality Indicator (CQI). CQI mencerminkan kondisi downlink kanal radio dan dapat digunakan oleh base station (Node B) dalam pemilihan format transportasi yang tepat dan penjadwalan antar user. 15
2.3.2 HSDSCH Arsitektur MAC Implementasi HSDPA membutuhkan tambahan sub layer MAC untuk diterapkan di Node B, yang dikenal sebagai MAC-hs. Gambar 2.5 menunjukkan arsitektur MAC secara keseluruhan untuk HSPDA. Data yang diterima di HS-DSCH dipetakan ke MAC-hs, dan kemudian dikonfigurasi melalui kontrol MAC. Konfigurasi ini memastikan bahwa parameter yang diberikan tepat, seperti kombinasi format transportasi, yang ditetapkan untuk HS-DSCH. Sinyal Downlink membawa informasi yang memungkinkan HS-DSCH benar-benar terdeteksi dan diproses, sementara sinyal uplink terkait membawa informasi umpan balik yang berguna untuk konfigurasi HS- DSCH selanjutnya. Gambar 2.6 menunjukkan gambaran yang lebih rinci tentang entitas yang ada di MAC-hs pada UE. Entitas HARQ bertanggung jawab untuk menangani protokol HARQ, hal ini akan dijelaskan di bagian selanjutnya. Satu proses HARQ ada untuk 16
setiap HS-DSCH per TTI dan menangani semua tugas yang diperlukan untuk HARQ misalnya untuk menghasilkan ACK / NACK. Entitas distribusi antrian yang dilakukan berulang-ulang dan keberhasilan menerima blok data sangat ditentukan oleh nomor urut dari prioritas dari rangkaian transmisi yang terjadi. Setiap pengulangan antrian sesuai prioritas masing-masing. Dengan membedah blok data maka dihasilkan aliran PDU MAC-d yang sesuai pada saat pengulangan antrian. Dari gambar 2.7 dapat dilihat bahwa MAC-hs pada sisi UTRAN terdiri dari empat entitas fungsi. Kontrol flow atau aliran akan dijelaskan pada bagian selanjutnya. Entitas yang mengatur penjadwalan atau prioritas, alur MAC-d, yang dapat menggabungkan MAC-d PDU dengan prioritas tugas yang berbeda, yang diurutkan ke dalam antrian dengan prioritas yang sama dan aliran MAC-d yang sama. Entitas penjadwalan kemudian bisa memanfaatkan antrian ini sebagai prioritas ketika membuat keputusan penjadwalan. Di bawah kendali sebuah scheduler, satu atau lebih MAC-d PDU dari salah satu prioritas antrian dirangkai menjadi suatu blok data. Sebuah header MAC-hs, berisi informasi seperti identitas antrian dan nomor urutan transmisi, ditambahkan untuk membentuk blok transportasi, atau PDU MAC-hs. Blok transportasi ini kemudian diteruskan ke lapisan fisik untuk diproses lebih lanjut. 17
2.3.3 Kontrol Aliran Node B Mekanisme kontrol Aliran HS-DSCH sebagaimana tercantum dalam spesifikasi 3GPP adalah sama seperti yang diusulkan untuk DSCH di Release'99 dan dikenal sebagai Credit-Based System. Kontrol aliran antara RNC dan Node B memastikan hal-hal berikut: Buffer MAC-hs selalu mengandung cukup paket data untuk memaksimalkan sumber daya layer fisik yang ditawarkan sambil menghindari terjadinya buffer overflows. Panjang antrian MAC-hs dijaga serendah mungkin agar dapat: mengurangi ruang memori yang dibutuhkan, mengurangi RLC waktu perjalanan pulang pergi dan meminimalkan packet loss pada saat handover. 18
Data yang telah dikirim namun tidak diakui pada saat penyerahan dikirim kembali ke target Node B setelah handover. UE Capacity Request Control Frame (Priority, User Buffer Size) RNC Capacity Allocation Control Frame (Priority, Credits, max PDU Size, Interval, Rep.Period) HS-DSCH Data Frame (Priority, User Buffer Size, Size #PDU, MAC-d PDUs) Gambar 2.8 Credit based flow control and data exchange Seperti ditunjukkan dalam gambar 2.8, kontrol aliran terjadi melalui pertukaran Permintaan Kapasitas HS-DSCH dan Alokasi Kapasitas frame antara Node B dan RNC. Data ditransfer melalui frame HS-DSCH untuk masing-masing kelompok prioritas. Kontrol frame dari Permintaan Kapasitas menunjukkan prioritas antrian yang dibutuhkan dan ukuran buffer pengguna yang dikirimkan untuk masing-masing kelompok prioritas. Alokasi Kapasitas kontrol frame meliputi kredit yang diberikan dalam hal MAC-d PDU, untuk sebuah prioritas yang diberikan dan ukuran PDU maksimum. Interval timer dan periode pengulangan juga ditunjukkan. interval mendefinisikan jangka waktu yang diberikan untuk memastikan alokasi kapasitas sedangkan masa pengulangan menunjukkan jumlah interval berurutan di mana alokasi kapasitas dapat dimanfaatkan secara berkala. 19
2.3.4 Hybrid ARQ (HARQ) dengan Soft Combining Dalam sebuah skema Automatic Repeat request (ARQ) normal, blok data yang telah diterima dan yang tidak dapat berhasil didekode, dibuang dan dipancarkan kembali. Blok data yang dipancarkan kembali ini kemudian di decode, tanpa harus melihat transmisi mereka sebelumnya. Namun, dalam skema ARQ Hybrid, blok data yang salah diterjemahkan tidak dibuang. Sebaliknya, sinyal yang diterima disimpan dan dilakukan Soft Combining dengan cara transmisi ulang dengan bit-bit informasi yang sama. Gabungan sinyal ini kemudian diterjemahkan dan kalau kembali tidak berhasil, dilakukan retransmission kembali dan diikuti dengan soft combining sampai proses decoding sukses. Hal ini menunjukkan bagaimana proses soft combining di HARQ efektif meningkatkan kemungkinan suksesnya decoding dari bit informasi. Spesifikasi 3GPP untuk HSDPA menyebutkan dua skema HARQ yang berbeda sehubungan dengan jenis informasi yang dipancarkan kembali dan dalam metode soft combining di sisi penerima: Incremental Redundancy, di setiap pengiriman ulang sebagian besar data akan mungkin tidak sama dengan transmisi sebelumnya, masing-masing transmisi secara terpisah didemodulasi dan disimpan pada penerima. Kemudian dilakukan soft combining yang menjadi bagian dari proses decoding. Chase Combining didasarkan pada re-transmisi salinan transmisi asli yang memungkinkan soft combining dilaksanakan pada kode bit yang diterima sebelum proses decoding. 20
2.3.5 Adaptasi Fast Link Dalam komunikasi seluler, kondisi saluran radio yang dialami oleh pengguna yang berbeda dapat bervariasi secara signifikan. Dua metode yang digunakan oleh HSDPA untuk beradaptasi terhadap kondisi link dengan tingkat adaptasi sebagai berikut: Penggunaan skema modulasi yang lebih tinggi (misalnya 16-QAM) memungkinkan lebih banyak bit per simbol modulasi dan karena itu menghasilkan kecepatan data yang lebih tinggi juga. skema modulasi yang lebih tinggi lebih baik mengatasi error channel. Penyesuaian dinamis pada kecepatan pengkodean kanal, dengan kecepatan pengkodean yang lebih tinggi memungkinkan kecepatan data yang lebih tinggi tetapi rentan terhadap error channel. 2.3.6 Fast Scheduling pada Node B Seperti halnya HSDPA yang didasarkan pada penggunaan HS-DSCH adalah merupakan share resources, maka pengalokasian sumber daya ini untuk masingmasing pengguna yang berbeda menimbulkan sebuah masalah. Beberapa strategi scheduling yang berbeda digunakan untuk mendapatkan alokasi resource radio diantara user. Dua dari strategi scheduling yang paling umum disebutkan di sini: Scheduling Round Robin (RR), dimana resource dialokasikan dalam urutan namun setiap pengaturan kondisi pada saluran radio tidak dimanfaatkan. Scheduling Maximum C / I, mengacu pada strategi scheduling yang mengalokasikan resource radio untuk link dengan kondisi saluran yang terbaik. 21
22