Penentuan Cakupan Dan Kapasitas Sel Jaringan Universal Mobile

PROSIDING 310

PENENTUAN CAKUPAN DAN KAPASITAS SEL JARINGAN UNIVERSAL MOBILE TELECOMMUNICATION SYSTEM (UMTS) Herlinawati Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung

ABSTRACT The migration communication system second generation (2G) is Global System for Mobile Communication (GSM) into communication system third generation (3G) who know as Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) that for overcome limited amount GSM channel for users service. In UMTS network planning, coverage and cell capacity are two variables connected each other. Knowing, size coverage and cell capacity, the third generation network can more optimal and increase the quality of service for user significantly.

Degraded cell coverage is based on calculation uplink budget to see maximum allowable path loss (MAPL) think over environment and propagation model. Meanwhile, cell capacity can be obtained by load cell permitted in system.

According to calculation result uplink budget for limitation coverage with load cell 60%, has MAPL value 136.603dB for cell radius of urban area 1.76km and suburban area 2.685km. Increasing load cell, then increasing amount user too, and decreasing cell radius.

Keywords: UMTS, uplink budget, MAPL

LATAR BELAKANG

Teknologi telekomunikasi bergerak saat ini menggunakan sistem teknologi komunikasi kedua yang disebut Global System for Mobile Communication (GSM). Dengan semakin berkembangnya zaman dan bertambahnya jumlah pengguna telepon bergerak dapat menyebabkan beberapa kendala, diantaranya adalah terbatasnya jumlah kanal jaringan untuk melayani pengguna serta daerah cakupan sel yang terbatas. Sehingga perlu adanya peningkatan teknologi untuk memigrasikan sistem teknologi 2G menjadi 3G berbasis Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) yang disebut sebagai Universal Mobile Telecommunication System (UMTS).

Sistem telekomunikasi seluler UMTS merupakan sistem komunikasi menggunakan teknologi radio digital wideband dan didesain untuk multimedia berupa data dan suara berkecepatan tinggi dengan kualitas tinggi serta bandwidth yang cukup besar bagi para pengguna dengan Quality of Service (QoS) yang cukup terjamin

Untuk mendorong pelayanan multimedia, maka diperlukan suatu kajian mengenai besar cakupan dan kapasitas sel dalam suatu jaringan sebagai peningkatan sistem jaringan telekomunikasi seluler. Dikarenakan pada waktu tertentu, sistem komunikasi bergerak seluler yang ada tidak mampu untuk menampung jumlah pengguna yang semakin bertambah, sehingga peningkatan kapasitas perlu dilakukan untuk menghindari penolakan (blocking) panggilan karena jumlah kanal terbatas

Penentuan cakupan sel jaringan UMTS dilakukan dengan melakukan perhitungan link budget WCDMA untuk menentukan besar maksimum path loss. Sedangkan penentuan kapasitas sel ditentukan dari seberapa besar beban sel yang diberikan oleh sistem. Didalam sistem radio akses

Seminar Hasil Penelitian & Pengabdian kepada Masyarakat, Unila, 2008 311

WCDMA, semakin besar beban sel yang diizinkan maka akan bertambah kapasitasnya, sebaliknya akan semakin kecil cakupan areanya.

ARSITEKTUR JARINGAN UMTS

Jaringan UMTS terdiri dari tiga bagian yang saling berhubungan (Gambar 1),yaitu:

1. User Equipment (UE) atau Mobile Equipment (ME) merupakan peralatan telepon yang harus digunakan bersama dengan kartu SIM (Subsriber Identity Module). Kartu SIM berisi kode khusus mengenai informasi pelanggan yang disebut International Mobile Subscriber Identity (IMSI)[13].

2. UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) ,merupakan Base Station Subsystem (BSS) yang terdiri dari satu atau lebih Radio Network Sub-system (RNS) yang merupakan sub-jaringan dibawah UTRAN. UTRAN terdiri dari satu Radio Network Controller (RNC) dan satu atau lebih node B

Gambar 1. Arsitektur jaringan UMTS=3G [4].

RNC merupakan elemen jaringan yang bertanggung jawab terhadap kontrol sumber radio UTRAN. RNC berhubungan dengan Core Network (CN) dan mengakhiri protokol Radio Resource Control (RRC) yang menentukan pesan dan prosedur antara mobile dengan UTRAN. Node B berfungsi melakukan proses pengkodean kanal dan pemisahan, penyesuaian data, spreading kontrol daya dan lain-lain.

3. Core Network (CN) , terdiri dari Home Location Register merupakan database yang berlokasi didalam system rumah pengguna yang menyimpan profil data pemilik pengguna layanan. Mobile Services Centre / Visitor Location Register yang digunakan untuk men-switch transaksi circuit switch untuk memeriksa profil layanan kunjungan pengguna pada lokasi UE dalam system layanan. Equipment Identity Register merupakan database yang mendaftarkan tipe UE dan menjaga database peralatan yang baru saja dicuri atau di-blacklist karena sesuatu hal, Gateway MSC merupakan titik switch damana UMTS dan PLMN dihubungkan pada jaringan eksternal CS.

Jaringan Eksternal dapat dibagi kedalam dua kelompok,yaitu :

a. Jaringan CS,yang menyediakan hubungan Circuit Switched ,seperti keberadaan layanan telepon, contoh ISDN dan PSTN

b. Jaringan PS. Yang menyediakan hubungan bagi layanan paket data , contoh internet

PROSIDING 312

SISTEM KOMUNIKASI WIDEBAND CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (WCDMA)

WCDMA merupakan teknologi akses yang dikembangkan sebagai standar teknologi telepon bergerak generasi ketiga (3G) untuk jaringanUMTS

Beberapa hal pokok mengenai karakteristik WCDMA yaitu :

a. WCDMA merupakan sistem wideband Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), dimana bit informasi pengguna disebar sampai melebihi bandwidth dengan mengalikan data pengguna dengan bit quasi random (chip) dari kode spreading CDMA

b. Chip rate sebesar 3,84 Mcps dapat memastikan membawa data dengan bandwidth sebesar 5 MHz

c. WCDMA mendukung penggunaan data rate pengguna yang bervariasi dengan kata lain mendukung konsep untuk menghasilkan Bandwidth on Demand(BOD)

d. WCDMA mendukung mode dasar operasi pentransmisian,yaitu : Frequency Division Duplex (FDD) dan Time Division Duplex (TDD). Dalam mode pentransmisian FDD, bandwidth pembawa sebesar 5 MHz dipisahkan oleh pita frekuensi antara uplink dan downlink, sedangkan dalam mode pentransmisian TDD, bandwidth pembawa 5 MHz terbagi ke dalam interval waktu antara uplink dan downlink [3].

LINK BUDGET WCDMA

Link budget merupakan perhitungan sejumlah daya yang didapat oleh penerima berdasarkan daya output pemancar dengan mempertimbangkan semua gain dan losses sepanjang jalur transmisi radio dari pemancar ke penerima.

Link Budget radio bertujuan untuk menghitung area cakupan sel. Dimana salah satu parameter yang diperlukan adalah propagasi radio yang memperkirakan rugi-rugi propagasi antara pemancar dan penerima. Parameter lain yang diperlukan adalah daya pancar, gain antenna, rugi-rugi kabel, sensitivitas penerima dan lain-lain, seperti ditunjukkan gambar 2

Gambar 2. Parameter-parameter link budget[1]

Dalam sistem komunikasi bergerak perhitungan dilakukan dua arah yaitu dari MS ke BS (uplink) dan dari BS ke MS (downlink). Perhitungan link budget digunakan untuk menghitung besar Maximum Allowable Path Loss (MAPL) dalam sistem agar dapat saling berkomunikasi. Penentuan besar cakupan sel berdasarkan perhitungan MAPL arah uplink.


Dalam link budget WCDMA ada beberapa spssifik parameter yang digunakan dalam sistem radio akses berbasis TDMA, adalah :

1. Interference margin

Interference margin diperlukan dalam link budget karena beban sel, dimana factor beban mengakibatkan suatu cakupan sel. Semakin banyak beban yang diizinkan dalam system,semakin besar interference margin yang diperlukan dalam uplink, dan semakin kecil cakupan areanya.

2. Fast Fading margin (=power control headroom)

Power control headroom diperlukan dalam pengiriman daya MS untuk mempertahankan kemampuan kontrol daya cepat. Kontrol daya yang cepat mampu secara efektif mengimbangi fast fading.

3. Gain soft handover

Handover, baik soft atau hard akan memberikan penguatan terhadap slow fading (=log normal fading) dengan mengurangi log normal fading yang dibutuhkan. Hal ini dikarenakan slow fading secara sebagian tidak terhubung diantara BS dank arena MS memerlukan hadover,maka MS dapat memilih BS yang terbaik untuk terkoneksi. Soft handover memberikan tambahan gain makro diversity terhadap fast fading dengan relative mengurangi Eb/N0 pada single radio link,karena akibat kombinasi makro diversity. Total gain soft handover diasumsikan sebesar 2-3 dB termasuk penguatan terhadap slow dan fast fading[3].

Tabel 1. Elemen link budget arah uplink/forward link

PROSIDING 314

Tabel 2. Elemen link budget arah downlink/reverse link

PERENCANAAN CAKUPAN DAN KAPASITAS SEL JARINGAN

Perencanaan system jaringan UMTS dilakukan dengan memperhatikan beberapa aspek yang saling berhubungan satu sama lain. Kunci utama dalam perencanaan cakupan dan kapasitas system radio WCDMA yaitu daerah penyebaran trafik. Penyebaran trafik erat kaitannya dengan kepadatan user dalam suatu wilayah. Didalam perencanaan jaringan UMTS, cakupan dan kapasitas direncanakan pada waktu yang bersamaan,karena kebutuhan akan kapasitas dan penyebaran user dapat mempengaruhi cakupan. Oleh karena itu pemilihan model propagasi pada suatu lingkungan propagasi harus dipilih secara selektif guna pengoptimalan penggunaan jaringan.

Perencanaan cakupan sel jaringan UMTS yang berbasis WCDMA, diawali dengan perhitungan link budget. Perhitungan link budget bertujuan untuk menentukan MAPL. Besar MAPL untuk menghitung cakupan suatu sel, dihitung pada arah uplink dengan mempertimbangkan beberapa factor, salah satu diantaranya adalah lingkungan propagasi radio. Lingkungan propagasi terbagi ke dalam propagasi sel mikro dan sel makro. Tipe lingkungan propagasi sel mikro berada pada daerah dengan kepadatan populasi penduduk yang sangat tinggi, yaitu dense urban. Sedangkan tipe lingkungan propagasi sel makro terdiri dari beberapa daerah,yaitu urban, suburban dan rural.

Berdasarkan data-data teknis yang didapat dan data-data yang diasumsikan sebagai sebuah daerah urban dan suburban. PAda kota Bandar Lampung , diasumsikan bahwa kecamatan Tanjung Karang Pusat dan sekitarnya sebagai kawasan urban ,sewdangkan kawasan suburban adalah kecamtan Kemiling dan sekitarnya.

Penentuan Cakupan Jaringan Daerah Urban , menggunakan model propagasi Walfish Ikegami dengan persamaan yaitu :

(1)


dimana Lrts adalah rugi-rugi difraksi dan penghamburan rooftop-street, dengan persamaan:

(2)

dimana LOri adalah rugi-rugi orientasi jalan dan Lmsd adalah rugi-rugi difraksi multiscreen, dengan persamaan :

(3)

dengan asumsi tinggi BS lebih besar dari tinggi gedung.

Penentuan Cakupan Jaringan Daerah Suburban menggunakan model propagasi Okumura-Hata dengan persamaan,yaitu :

(4)

dimana Llain adalah faktor koreksi tambahan untuk tipe tertentu. Untuk daerah suburban,maka :

Untuk penentuan kapasitas sel , digunakan persamaan sistem WCDMA dengan asumsi jaringan berada dalam kondisi ideal,yaitu :

PROSIDING 316

Tabel 3 . Perhitungan Uplink dan Downlink Budget

Uplink Budget Pemancar (Mobile Station) Tanda Nilai Daya pancar MS (dBm) a 20.9691 Gain Antena MS (dBi) b 0 Rugi-rugi Body (dB) c 3 Equivalent isotropic radiated power (EIRP) (dBm) d = a + b - c 17.9691 Penerima (Base Station) Tanda Nilai Thermal noise density (dBm/Hz) e -173.98 noise figure penerima (dB) f 5 noise density penerima (dB) g = e + f -168.98 Daya noise penerima MS (dBm) h = g + 10 log 3840000 -103.13 interference margin (dB) i 4 total noise + interference j = h + i -99.13 Processing gain (dB) k 25 Eb/No yang dibutuhkan (dB) l 3 Efektifitas sensitivitas penerima (dBm) m = l - k + j -121.13 Gain Antena BS (dBi) n 18 rugi-rugi feeder dan konektor BS (dB) o 2 fast fading margin (dB) p 4 log normal fading margin (dB) q 7.5 rugi-rugi penetrasi gedung (dB) r 10 gain soft handoff (dB) s 3 Max. allowable path loss (MAPL) (dB) t = d - m + n - o - p - q - r + s 136.603

Downlink Budget Pemancar (Base Station) Tanda Nilai Daya pancar BS (dBm) a 40 Gain Antena BS (dBi) b 18 rugi-rugi feeder dan konektor BS (dB) c 2 Equivalent isotropic radiated power (EIRP) (dBm) d = a + b - c 56 Penerima (Mobile Station) Tanda Nilai


Thermal noise density (dBm/Hz) e -173.98 noise figure penerima (dB) f 5 noise density penerima (dB) g = e + f -168.98 Daya noise penerima MS (dBm) h = g + 10 log 3840000 -103.13 interference margin (dB) I 4 total noise + interference j = h + I -99.13 Processing gain (dB) K 25 Eb/No yang dibutuhkan (dB) l 3 Efektifitas sensitivitas penerima (dBm) m = l - k + j -125.13 Gain Antena MS (dBi) n 0 Rugi-rugi Body (dB) o 3 fast fading margin (dB) p 4 log normal fading margin (dB) q 7.5 rugi-rugi penetrasi gedung (dB) r 10 gain soft handoff (dB) s 3

Max. allowable path loss (MAPL) (dB) t = d - m + n - o - p - q - r +s 159.63

Tabel 4. Perhitungan Cakupan Sel, Model Propagasi Wasfish Ikegami

Luas area sel, dengan nilai r = 1,76 km adalah :

Tabel 5. Perhitungan Cakupan Sel , Model propagasi Okumura Hata

Parameter Nilai Maximum Allowable Path Loss (MAPL) 136.603 dB Faktor koreksi tinggi antena MS 0.0461 tinggi antena BS 50 m frekuensi 1950 MHz

PROSIDING 318

Luas Area sel, dengan r = 2,685 km :

Perhitungan Kapasitas Sel

Jika beban sel diasumsikan sebesar 99.9 %, maka jumlah maksimum user :

Dalam perhitungan yang telah dilakukan, dapat diketahui bahwa salah satu parameter link budget yang digunakan untuk menentukan besar MAPL juga turut menjadi salah satu yang


menjadi parameter yang menentukan jumlah user didalam sel. Parameter tersebut adalah interference margin.

Apabila pembatasan sel diasumsikan sebesar 60 % maka nilai interference margin sebesar 4 dB. Dalam perhitungan uplink budget,nilai ini merupakan salah satu nilai yang digunakan untuk menentukan besar MAPL, yaitu sebesar 136,603 dB. Dan dengan mensubstitusi besar MAPL pada model propagasi Walfish-Ikegami dan Okumura-Hata, maka besar radius sel untuk daerah urban adalah 1,76 km dengan luas cakupan area sebesar 8,054 km2. Sedangkan untuk daerah subuirban besar radius sel adalah 2,685 km dengan luas cakupan area sebesar 18,744 km2.

Untuk kapasitas pada kedua daerah tersebut, berdasarkan perhitungan yang dilakukan dan dengan asumsi beban sel yang diizinkan dalam sistem sebesar 60 % maka dapat diketahui bahwa jumlah user per sel adalah sebanyak 145 user.

Dari sejumlah perhitungan untuk menghitung besar MAPL, radius sel daerah urban dan suburban, serta kapasitas sel.

Tabel 6 merupakan tabel perbandingan kenaikan sejumlah nilai interference margin akibat peningktan beban sel terhadap radius sel dan jumlah user pada perhitungan uplink budget WCDMA.

Tabel 6. Pengaruh interference margin terhadap radius sel dan jumlah user

Dari tabel dapat diketahui bahwa perhitungan link budget terdapat suatu hubungan antara path loss dengan cakupan sel dan jumlah user dalam sel.

Gambar merupakan hubungan antara path loss dengan radious sel dalam dua lingkungan propagasi.

PROSIDING 320

Gambar 3. Perbedaan Lingkungan Propagasi terhadap path loss dan radius sel

Lingkungan propagasi yang berbeda menyebabkan perbedaan radius suatu sel. Seperti terlihat dalam gambar 3 bahwa daerah urban mempunyai radius sel yang lebih kecil dibandingkan daerah suburban. Dalam daerah urban, terlihat bahwa rugi-rugi yang relative besar disebabkan karena user dekat dengan gedung dan rintangan lain yang dapat menyebabkan terhalangnya suatu sinyal. Sedangkan pada daerah suburban rugi-rugi yang terjadi relatif lebih kecil karena sedikitnya rintangan yang menghalangi sinyal, sehingga radius sel lebih besar dibandingkan daerah urban.

Untuk pengaruh kapasitas jarak link, Gambar 4 menyatakan hubungan antara jumlah user terhadap radius sel pada dua buah lingkungan propagasi.

Gambar 4. Pengaruh jumlah user terhadap radius sel

Gambar 4 adalah gambar yang menyatakan hubungan antara kapasitas dalam jumlah user dengan radius sel di dalam dua buah lingkungan propagasi radio. Telah diketahui sebelumnya bahwa path loss berbanding lurus dengan radius sel. Berdasarkan gambar 4 dengan meningkatnya jumlah user akan berdampak pada menurunnya radius sel.

Dapat diketahui bahwa kapasitas maksimum user terjadi pada radius sel sebesar 0,4 km. Dan untuk maksimum radius sel daerah urban diketahui sebesar 2,2 km sedangkan untuk daerah suburban sebesar 3,5 km. Berdasarkan gambar b dengan meningkatnya jumlah user akan berdampak pada menurunnya radius sel.


Dalam sistem WCDMA, kapasitas maksimum user yang terjadi pada sel dinamakan pole capacity. Pole capacity terjadi apabila beban sel mendekati 100 % dengan kata lain factor koreksi koreksi daya (α) bernilai mendekati 1. Dari sejumlah perhitungan yang telah dilakukan, pole capacity dari sel WCDMA sebesar 240 user, artinya kapasitas user yang dapat ditampung sebanyak 240 user.

Untuk hubungan antara MAPL dengan kapasitas sel, gambar 5 menyatakan hubungannya.

Gambar 5. Pengaruh Path Loss Terhadap Jumlah User

Dari Gambar 5, diketahui dengan meningkatnya jumlah user, akan berdampak pada menurunnya path loss, artinya apabila jumlah user bertambah maka cakupan sel akan menurun. Peningkatan kapasitas terjadi akibat bertambahnya beban sel di dalam sistem, beban sel yang bertambah akan berdampak pada meningkatnya interference margin pada BS. Sehingga dengan meningkatnya interference margin akan berdampak pada berkurangnya path loss. Dan pada akhirnya dengan semakin bertambahnya jumlah user maka akan mengakibatkan menurunnya cakupan suatu sel.

KESIMPULAN

• Berdasarkan perhitungan link budget, pembatasan cakupan untuk beban sel 60 % mempunyai nilai MAPL pada arah uplink budget WCDMA sebesar 136,603 dB dan pada arah downlink budget WCDMA sebesar 159,63 dB dengan jumlah user sebanyak 145 user

• Daerah urban , mempunyai radius sel yang lebih kecil dibandingkan daerah sub urban disebabkan karena user dekat dengan gedung dan rintangan lain yang menyebabkan berkurangnya path loss akibat terhalangnya suatu sinyal. Sedangkan pada daerah suburban rugi-rugi lebih kecil karena sedikitnya rintangan yang menghalangi sinyal.

• Berkurangnya radius sel disebabkan karena bertambahnya beban sel. Beban sel yang bertambah akan berdampak pada meningkatnya interference margin . sehingga dengan meningkatnya interference margin akan berdampak pada berkurangnya path loss.

• Meningkatnya cakupan sel akan berdampak pada berkurangnya kapasitas sel, dan semakin bertambahnya kapasitas sel akan menyebabkan berkurangnya cakupan sel.

DAFTAR PUSTAKA :

Mishra,A.R.2007. Advanced Cellular Network Planning and Optimisation-2G/2.5G/3G…Evolution to 4G. John Wiley & Sons. Inggris

PROSIDING 322

Goleniewski,L. dan K. W. Jarrett. 2006. Telecommunications Essentials 2nd ed. Addison Wesley Professional. USA

Holma,H. dan A. Toskala. 2007. WCDMA for UMTS – HSPA Evolution and LTE 4th ed. John Wiley & Sons. Inggris.

Garg,V.K. 2007. Wireless Communications and Networking. Morgan Kaufmann. San Fransisco.

Muratore,F.2001. UMTS Mobile Communications for the Future. John Wiley & Sons. Inggris.

Torrieri, D. 2005. Principles of Spread Spectrum Communication Systems.Springer. Boston.

Karim,M.R. dan S. Mohsen. 2002. W-CDMA and CDMA2000 for 3G Mobile Networks.McGraw-Hill.USA.

Abu-Rgheff, M. A. 2007. Introduction to CDMA Wireless Communications.Elsevier. san Diego.

Anonim. 1999. A Technical Tutorial on Digital Dignal Synthesis.

http://www.analog.com/UploadedFiles/Tutorials/450968421DDS Tutorial rev12-2-99.pdf diakses tanggal 12 Mei 2007

Kaaranen, H.,A. Ahtiainen,L.Laitenen, S.Naghian, dan V. Niemi. UMTS Network Architecture Mobility and Services 2nd ed. John Wiley & Sons. Inggris.

Walke, B., P. Seidenberg, dan M. P. Althoff. 2003. UMTS : The Fundamentals. John Wiley & Sons. Inggris.

Bannister, J., P. Mather, dan S. Coope. 2004. Convergence Technologies for 3G Networks. John Wiley & Sons. Inggris.

Pahlevi, M. R. 2003. Analisa Trafik Pembicaraan Pada Jaringan GSM PT Satelindo Cabang Lampung. Unila. Bandar Lampung.

Documents

Penentuan Cakupan Dan Kapasitas Sel Jaringan Universal Mobile