Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Multimedia 2015STMIK AMIKOM Yogyakarta, 6-8 Februari 2015

ISSN : 2302-3805

5.10-19

ANALISIS UNJUK KERJA TRANSMISI DATA DALAM JARINGANSELULER MAKRO-FEMTO MENGGUNAKAN MEKANISME

CLOSE ACCESS

Bagus Made Sabda Nirmala1), I Wayan Musktika2) dan Selo Sulistyo3)

1), 2), 3) Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Universitas Gadjah Mada YogyakartaBulaksumur, Yogyakarta 55281

Email : sabda_s2te12@mail.ugm.ac.id1), wmustika@ugm.ac.id2), selo@ugm.ac.id3)

Abstrak

Kebutuhan akses internet melalui jaringan selulersemakin meningkat beberapa tahun belakangan.Pengguna perangkat seluler yang memiliki kebutuhan takterbatas terhadap informasi mendorong hal tersebut.Secara perlahan para operator telekomunikasimemberikan perhatian serius terhadap kebutuhanpengguna perangkat seluler ini sedangkan disisi lainspektrum semakin terbatas. Jaringan seluler macro-femtomerupakan salah satu teknologi jaringan heterogenousyang menjanjikan mengatasi keterbatasan spektrumjaringan seluler. Paper ini mempelajari performajaringan seluler makro-femto. Penelitian inimenggunakan transmisi downlink dan mekanisme closeaccess.Skenario sistem model ini memperhitungkanpengaruh interferens jaringan seluler makro dan femto.Hasil simulasi menunjukkan meningkatnya nilai SINRdan throughput mempengaruhi performa jaringan

Kata kunci: Jaringan seluler makro, femto,heterogeneous, SINR, throughput.

1. Pendahuluan

Latar BelakangLima tahun terakhir, penggunaan perangkat mobilemeningkat signifikan. Hal ini dipengaruhi oleh kebutuhaninformasi yang tak terbatas. Pengguna setiap harimemanfaatkan perangkat mobile untuk menunjangberbagai aktifitas mereka. Data tidak lagi hanyadigunakan antar korporat, tapi setiap individumembutuhkan data untuk konsumsi pribadi. Karena halini, Kebutuhan akses data mengalami peningkatan pesat.

Kebutuhan informasi menjadi perhatian serius bagiprovider, terutama ketersediaan spektrum yang terbatastetapi tetap mengutamakan kebutuhan pengguna. Jaringanseluler tidak mampu lagi bertahan dengan modelteknologi tradisional, terpusat. Jaringan selulermembutuhkan model teknologi desentralisasi, yangmampu mengantisipasi terjadinya blank-spot di dalamruangan rumah atau apartemen. Salah satu teknologi yangmenjanjikan dan menjadi tren di masa mendatang untukpermasalahan ini adalah heterogeneous network.

Hetergoneous network merupakan teknologi komunikasiseluler yang terdiri atas seluler makro, seluler piko atauseluler femto serta radio base station [1,2]. Setiap bagianini dibedakan berdasar kapasitas, area jangkauan sertadaya pancar base station [3]. Jaringan seluler makro-femto merupakan salah satu teknologi yang membentukjaringan heterogenous, jaringan ini difokuskan untukmeningkatkan reliabilitas jaringan seluler pengguna didalam ruangan seperti rumah atau apartemen. Jaringan inimenggunakan berbagai sumber daya (seperti pesat data,throughput, spektrum atau resource block dan dayalistrik) untuk meningkatkan performa jaringan [4,5,6].

Jaringan seluler makro merupakan jaringan yangmemiliki jangkauan dan daya pancar yang luas sehinggadapat menjangkau area yang besar. Jaringan selulermakro ini dikelola oleh operator telekomunikasi.Sedangkan femto merupakan node atau base station kecildengan konsumsi daya rendah dan biaya murah, yangmenggunakan spektrum jaringan seluler makro [7]. Femtobase station merupakan perangkat plug-and-play danauto-configure sehingga mudah dioperasikan secaralangsung.

Pada Jaringan seluler femto, pengguna dapat mengaksesjaringan dengan dua tipe akses yaitu tipe close dan openaccess. Tipe close access akan membatasi perangkatpengguna terkoneksi ke base station jaringan selulerfemto, sedangkan Tipe open access mengijinkan semuaperangkat pengguna, baik subscriber user maupun non-subscriber user untuk terkoneksi dengan base stationjaringan seluler femto [8,9].

Interferensi yang terjadi pada jaringan seluler makro-femto adalah interferensi cross-tier dan co-tier.Interferensi cross-tier merupakan interferensi yang terjadiantara jaringan seluler makro dan femto atau sebaliknyasedangkan interferensi co-tier terjadi antara jaringanseluler femto yang berdekatan.

Gambar 1 menunjukkan topologi jaringan makro-femtotransmisi downlink. Setiap base station mengirimkansinyal kepada masing-masing User Equipment (UE).Macro base station atau disebut juga eNB akan melayaniuser makro (MUE) dan femto base station (HeNB). HeNBsendiri bertugas untuk melayani user femto (HUE). HeNBatau eNB menyebabkan interferensi interferensi cross-tierdan co-tier. Pada gambar 1, terjadi interferensi co-tier

Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Multimedia 2015STMIK AMIKOM Yogyakarta, 6-8 Februari 2015

ISSN : 2302-3805

5.10-20

yaitu eNB menginterferensi sinyal HeNB yang melayaniHUE dan juga HeNB menginterferensi sinyal eNB yangmelayani MUE. Selain itu, terjadi interferensi co-tier yaitusinyal HeNB menginterferensi HeNB lain yang beradadidekatnya.

Gambar 1. Topologi jaringan seluler makro-femtotransmisi downlink

Resource block digunakan pada teknologi LTE, dibagimenjadi domain waktu dan domain frekuensi. Padatransmisi downlink menggunakan skema OFDMdigunakan domain frekuensi. Berdasarkan penelitianyang telah dilakukan pada jaringan seluler menjelaskanbahwa resource block merupakan sub-band dari sistembandwidth. RB merupakan unit alokasi terkecil yangmerupakan bagian frekuensi pada sistem bandwidth yangdialokasikan untuk UE [10]. Gambar 2 menunjukkanarsitektur resource block. Gambar ini menunjukkanperspektif RB berdasar domain waktu dan frekuensi. Satuslot downlink ( ) merupakan kumpulan RB yangdigunakan sebagai resource untuk transmisi data. satu slot

sama dengan 0,5 ms dalam domain waktu. Setiap 0,5ms berisi 6 sampai 110 RB [11].

Gambar 2. Arsitektur Resource Block

Satu RB merupakan 0.5 ms dan berisi 12 subcarrier untuksetiap simbol OFDM dalam domain frekuensi. Satu RBmengandung beberapa jumlah elemen RB. Satu elemenRB sama dengan 1 subcarrier untuk setiap 1 simbolOFDM. Setiap base station eNB mengatur inisiasiresource block yang akan dialokasikan untuk MUE danHeNB.

Tinjauan PustakaPenelitian terkait telah dilakukan beberapa tahunbelakangan ini. Karena jaringan ini dipercaya oleh penelitisebagai teknologi masa mendatang dalam jaringan seluler.Berdasarkan beberapa penelitian yang telah dilakukan,terdapat penelitian yang membahas jaringanheterogeneous yang bersifat transmisi downlink dananalisa yang dilakukan mencakup SINR jaringanheterogeneous [12]. Selain itu, terdapat penelitian yangmenganalisa performa jaringan ini dengan sistemtransmisi downlink dengan menggunakan dua tipe aksesyaitu open dan close [13].

Paper ini membahas pembelajaran awal alokasi resourceblock pada jaringan makro-femto transmisi downlinkdengan pembagian resource block secara acak antaraperangkat subscriber user dan non-subscriber user. Bab IImenjelaskan pemodelan sistem simulasi jaringan makro-femto. Bagian Bab III memaparkan perumusanperhitungan throughput. Bab IV menganalisis performajaringan dari hasil perhitungan throughput yang diperoleh.Bagian terakhir, Bab V merupakan bagian kesimpulan.

2. Pembahasan

Pemodelan SistemJaringan makro-femto dalam paper ini terdiri atas eNB,MUE, HeNB dan HUE. Terminologi jaringanheterogeneous ini berdasarkan standarisasi 3GPP LTE[14]. eNB berfungsi sebagai pemancar spektrum yangterdiri 50 RB dan HeNB memanfaatkan kembali RBtersebut untuk melayani HUE.

Jaringan seluler makro menggunakan sebuah eNB yangmemiliki antenna three-sector, dimana jaringan initerbagi menjadi 3 sektor. Pada setiap sektor terdapatsejumlah MUE. Sel femto tersebar di setiap sektorjaringan makro. Sistem model ini, memiliki 25 apartemensatu lantai yang terdapat didalam model 5 x 5 grid model.Setiap apartemen memiliki dimensi luas 10 x 10 m. MUEtersebar secara acak di setiap jaringan makro danterkoneksi dengan eNB. MUE terletak di dalam ataupundiluar ruangan apartemen. HUE tersebar secara acakdidalam ruangan apartemen. Setiap sector heksagonalterdiri atas HeNB dan masing-masing HeNB terdiri atasbeberapa HUE.

Sistem ini menggunakan sejumlah W bandwidth yangterbagi kedalam k RB. Setiap RB terdiri atas beberaparesource element yang dialokasikan untuk perangkatpengguna (UE).

Rancangan pemodelan sistem yang digunakan dapatdilihat pada gambar 3. Gambar 3 menunjukkan eNB

Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Multimedia 2015STMIK AMIKOM Yogyakarta, 6-8 Februari 2015

ISSN : 2302-3805

5.10-21

dengan simbol segitiga. Lingkaran merupakan user makro(MUE) yang terdapat di setiap sektor. Bujur sangkarmerupakan HeNB dan gambar berbentuk belah ketupatmerupakan HUE.

Perumusan SINR dan Throughput Jaringan SelulerMakro-Femto

A. Signal to Interference Plus Noise Ratio (SINR)

SINR merupakan rasio perbandingan antara signalterhadap interferensi dan noise suatu RB atau spektrum.Dalam studi ini, kumpulan base station ditunjukkan oleh

yang terdiri atas setiap base station yang melakukantransmisi sinyal kepada UE, dimana , ∈ . Kumpulanbase station ini merupakan eNB dan HeNB yang beradadalam jaringan seluler makro. setiap base station memilikisekumpulan resource block yang digunakan untukpengiriman, misalnya base station memiliki resourceblock . Setiap akan terdiri atas elemen RB, =( ), ( ), ( ) , … , ( ) yang merupakan subsetRB yang digunakan oleh base station . ( ) merupakanelemen subset RB ke − 1 yang digunakan oleh basestation dan merupakan jumlah RB yang dipilih untukpengiriman. Nilai SINR ini berupa nilai SINR setiap RBbase station i jaringan seluler makro-femto. FormulaSINR dalam penelitian ini adalah sebagai berikut := × ×∑ + ...(1)

SINR dilambangkan dengan merupakan nilai SINRjaringan makro elemen resource block . Sedangkan

merupakan gain eNB resource block .

merupakan transmit power eNB. merupakanattenuation antenna antara eNB dengan base station i padaresource block . merupakan nilai gain antennamacro base station. Selanjutnya, nilai interferensimerupakan jumlah interferensi yang disebabkanpenggunaan RB yang sama oleh MUE lainnya dan HUE.Berikut penjabaran rumusan interferensi yang digunakandalam study ini:∑ = + ...(2)

merupakan interferensi yang terjadi pada element RB( )base station i disebabkan oleh base station j yangmenggunakan element RB yang sama untuk UE tertentu.Sedangkan untuk merupakan interferensi yangdisebabkan oleh HUE karena menggunakan RB ( ) yangsama. Jumlah interferensi yang terjadi ∑ merupakanakumulasi interferensi RB ( ) yang disebabkanpenggunaan ( ) oleh MUE selain base station i dan HUEdi sektor yang sama. Sehingga interferensi co-tier dancross-tier terjadi. Interferensi co-tier merupakaninterferensi yang disebabkan jaringan seluler makro,dalam hal ini adalah . Interferensi cross-tier merupakan

interferensi yang disebabkan oleh jaringan seluler femtokepada jaringan seluler makro, dalam hal ini adalah .Selanjutnya N merupakan noise yang mempengaruhiSINR.

B. Throughput

Throughput merupakan penghitungan kecepatanpengiriman data melalui suatu spektrum atau kanal dalamsejumlah waktu. Rumus throughput yang digunakan dapatdilihat di persamaan (3).ℎ ℎ = ∑ × log 1 + ...(3)

Throughput dalam penelitian ini menghitung nilaithroughput jaringan seluler makro setiap RB. Throughputini merupakan throughput total semua element RB user i.

merupakan bandwidth resource block yangdialokasikan dalam spektrum tersebut. merupakannilai SINR di setiap elemen RB ( ) user i.

Model Simulasi

Model Simulasi ditunjukkan oleh gambar 3 yang terdiriatas eNB, HeNB, MUE dan HUE dengan mekanismeclose access. HeNB akan menyebabkan interferensiterhadap jaringan seluler makro. Dalam model simulasiini ditentukan bahwa MUE selalu terkoneksi dengan eNB,walau berada di dalam ruangan. HeNB selalu aktif untukmemberikan layanan jaringan kepada HUE. eNBmemiliki total 50 RB tiap sektor. Sedangkan terdapatsebanyak 10 MUE tiap sektor, sehingga eNBmengalokasikan 5 RB untuk setiap MUE. RB ini dipilihsecara acak saat awal assignment. Sedangkan HeNBmenggunakan kembali RB yang disediakan oleh eNB,dan mengalokasikan maksimal 5 RB.

Gambar 3. Model Simulasi sistem jaringan selulermakro-femto

Pada gambar 3 ditunjukkan setiap sektor memiliki 4 buahapartemen, dengan masing-masing sektor terdapat 4HeNB. Setiap HeNB melayani 3 HUE. Simbol Segitigamerupakan eNB, terdapat 1 buah eNB yang digunakan,

Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Multimedia 2015STMIK AMIKOM Yogyakarta, 6-8 Februari 2015

ISSN : 2302-3805

5.10-22

Simbol lingkaran yang tersebar secara acak merupakanMUE yang berada di setiap sektor. Kotak kecil yangtersebar merupakan HeNB dan didalamnya terdapat belahketupat yang merupakan HUE.

Hasil Simulasi

Simulasi ini menggunkan skenario dengan jumlah 16HeNB, 10 MUE dan 48 HUE di setiap sektor. Hasilsimulasi ditunjukkan oleh gambar 4 dan 5. Hasil simulasiini memperhitungkan adanya pengaruh interferensi daribase station HeNB. Interferensi ini mempengaruhiperforma jarinan secara keseluruhan. Grafik CDFterhadap SINR jaringan seluler makro-femto dalamgambar 4 menunjukkan performa jaringan. Semakin besarnilai SINR menunjukkan nilai CDF yang semakin besar.Meningkatnya nilai CDF ini mengindikasikankemungkinan user berhasil transmisi data semakinrendah.

Gambar 4. Grafik CDF - SINR Jaringan Seluler Makro-Femto

Gambar 5 merupakan grafik CDF terhadap throughputdalam jaringan seluler makro-femto. Nilai throughputsemakin meningkat seperti terlihat dalam gambar 5.Semakin tinggi nilai throughput, nilai CDF juga semakinmeningkat. Pada nilai throughput 10 menunjukkan nilai

Gambar 5. Grafik CDF-Throughput Jaringan Seluler Makro-Femto

CDF mendekati 1. Ini menunjukkan kegagalan user untukmelakukan transmisi data. Pada nilai throughput 10 usersudah tidak bisa melakukan transmisi data.

3. Kesimpulan

Studi ini menyajikan pembelajaran alokasi resource blocksecara acak dalam jaringan seluler makro-femto. Jaringanmenggunakan RB yang dialokasikan untuk setiap UE.Hasil simulasi menunjukkan interferensi RB yangdigunakan oleh jaringan seluler femto mempengaruhiperforma jaringan seluler makro. Nilai SINR yangsemakin besar menunjukkan menurunnya CDF yangberarti user mengalami penurunan keberhasilan dalamtransmisi data. Grafik CDF terhadap throughputmenunjukkan saat nilai throughput mencapai 10, sebuahUE gagal melakukan transmisi data. Penelitianselanjutnya yaitu mengembangkan penelitian jaringanseluler makro-femto ini dengan menggunakan pendekatanteori permainan yang bertujuan untuk meningkatkanperforma jaringan.

Daftar Pustaka[1] A. Damnjanovic and et al., “A survey on 3GPP heterogeneous

networks,”IEEE Wireless Commun. Mag., vol. 18, no. 3, pp. 10–21, Jun. 2011.

[2] A. Ghosh, N. Mangalvedhe, R. Ratasuk, B. Mondal, M. Cudak, E.Visotsky, T.A. Thomas, J.G. Andrews, P. Xia, H.S. Jo, H. Dhillon,and T.D. Novlan, “Heterogeneous cellular networks: From theoryto practice,”IEEE Commun. Mag., vol. 50, no. 6, pp. 54–64, Jun.2012.

[3] D.L´opez-P´erez, I. Guvenc, G. de la Roche, M. Kountouris, T. Q.S. Quek, and J. Zhang, “Enhanced intercell interferencecoordination challenges in heterogeneous networks,”IEEE WirelessCommun. Mag., vol. 18, no. 3, pp. 22–30, Jun. 2011.

[4] I. W. Mustika, K. Yamamoto, H. Murata, and S. Yoshida, “Potentialgame approach for self-organized interference management inclosed access femtocell networks,” Proc. IEEE VTC ’11-Spring,accepted for publication.

[5] N. Nie and C. Comaniciu, “Adaptive channel allocation spectrumetiquette for cognitive radio networks,” presented at the Proc.Symp.New Fronties in Dynamic Spectrum Access Networks (IEEEby DySPAN), Nov. 2005.

[6] Y., Bai, J., Zhou, L., Liu, L., Chen, H. Otsuka, “Resourcecoordination and interference mitigation between Macrocell andFemtocell,” Personal, Indoor and Mobile Radio Communications,IEEE 20th symposium, Tokyo, Sept. 2009.

[7] G. Gur, S. Bayhan, and F. Alagoz, “Cognitive femtocell networks:an overlay architecture for localized dynamic spectrum access[dynamic spectrum management], ” Wireless Communications,IEEE, vol. 17, no. 4, pp. 62 –70, august 2010

[8] V. Chandrasakher, J. Andrews, and A. Gatherer, “FemtocellNetworks; A Survey”. IEEE Communications Magazine, June,2008.J. Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism,3rd ed., vol. 2. Oxford: Clarendon, 1892, pp.68-73

[9] L. Li, C. Xu, and M. Tao, “Resource Allocation in Open AccessOFDMA Femtocell Networks,” Wireless CommunicationsLetters, IEEE vol. 1, pp. 625-628, Dec. 2012

[10] Onggosanusi Eko, Varadarajaan Badri, and Anand G. Dabak,“Pre-Coder Selection Based on Resource Block Grouping”,InterDigital Communication Corp., Mar. 2007.

[11] J. Zyren, "Overview of 3GPP Long Term Evolution PhysicalLayer," freescale semiconductor 2007.

[12] S. Mukherjee, “Distribution of downlink SINR in heterogeneouscellular networks,” IEEE Journal on Selected Areas inCommunications, vol. 30, no. 3, pp. 575–585, Apr. 2012.

[13] P. Madhusudhanan, J.G.Restrepo, Y.Liu and T.X. Brown,“Downlink Analysis for a Heterogeneous Cellular Network,”Modeling and Optimization in Mobile, Ad-Hoc, and WirelessNetworks (WiOpt), 12th International Symposium, 2014.

Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Multimedia 2015STMIK AMIKOM Yogyakarta, 6-8 Februari 2015

ISSN : 2302-3805

5.10-23

[14] 3GPP TR 36.814 v9.0.0, “Evolved Universal Terrestrial RadioAccess (E-UTRA); Further advancement of E-UTRA physicallayer aspects (Release 9),” Mar. 2010.

Biodata Penulis

Bagus Made Sabda Nirmala, memperoleh gelar SarjanaSains (S.Si), Jurusan Ilmu Komputer dan ElektronikaUniversitas Gadjah Mada Yogyakarta, lulus tahun 2010.Saat ini sedang melanjutkan studi Magister TeknologiInformasi (MTI) Universitas Gadjah Mada Yogyakarta

I Wayan Mustika, memperoleh gelar Sarjana Teknik(S.T), Jurusan Teknik Elektro, Universitas Gadjah MadaYogyakarta, lulus tahun 2005. Memperoleh gelar Masterof Engineering (M.Eng), Department of ComputerEngineering, KMITL, Thailand, lulus tahun 2008.Memperoleh gelar Doctor of Informatics (Dr.),Department of Communications and ComputerEngineering, Kyoto University, Jepang, lulus tahun 2011.

Selo Sulistyo, memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T)Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, lulus tahun 1996.Memperoleh gelar Master of Engineering (M.Eng),Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, lulus tahun 2000.Memperolleh gelar Master of Science (M.Sc), AgderUniversity College, Norwegia, lulus tahun 2003.Memperoleh gelar PhD, University of Adger, Norwegia,lulus tahun 2012.

Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Multimedia 2015STMIK AMIKOM Yogyakarta, 6-8 Februari 2015

ISSN : 2302-3805

5.10-24