Konsep UMTS

Arsitektur jaringan UMTS yang menggunakan WCDMA sebagai air interface dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Jaringan arsitektur UMTS digambarkan seperti gambar , dimana menggunakan air interface WCDMA dan merupakan evolusi atau perkembangan dari jaringan inti GSM, terdiri atas 3 daerah yang saling berinteraksi, yaitu Core Network (CN), UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), dan User Equipment (UE) atau Mobile Station (MS).

Core Network dibagi dalam daerah Circuit Switched dan Packet Switched. Beberapa elemen dari Circuit Switched adalah Mobile services Switching Centre (MSC) merupakan interface yang menangani MS untuk menangani circuit switched data, Gateway MSC (GMSC) merupakan gerbang penghubung antara UMTS dan jaringan luar circuit switched seperti PSTN, Visitor Location Register (VLR), dan Gateway MSC. Elemen Packet Switched adalah Serving GPRS Support Node (SGSN) merupakan interface yang berfungsi sama dengan MSC tetapi digunakan untuk layanan packet switched dan Gateway GPRS Support Node (GGSN) merupakan gerbang yang menghubungkan UMTS menuju jaringan packet switched. Beberapa elemen jaringan yang lain seperti HLR dan AUC digunakan bersama oleh kedua daerah tersebut. Arsitektur CN dapat berubah ketika terdapat layanan atau fitur yang baru. Transfer data di dalam jaringan inti didukung oleh GGSN (gateway GPRS support node) dan SGSN (serving GPRS support node). Pada dasarnya, GGSN adalah sebuah fitur pengaturan mobilitas tambahan, dan menghubungkan dengan berbagai macam elemen jaringan melalui standart interface. Pada jaringan ini GGSN merupakan interface fisik yang terhubung ke jaringan packet data external (misalnya Internet). SGSN menangani pengiriman packet dari dan ke terminal-terminal mobile. Masing-masing SGSN memungkinkan untuk mengirimkan packet ke terminal di dalam service area. GGSN dan SGSN dapat mengirim data dengan kecepatan hingga 2 Mbps.

UTRAN terdiri dari satu atau lebih Radio Network System (RNS), dimana RNS tersebut terdiri darisebuah pengendali jaringan radio yang disebut dengan Radio Network Controller (RNC), beberapa node B (UMTS Base Station) dan User Equipment. UTRAN terhubung pada bagian Core Network (CN) melalui Interface Iu dan menggunakan Interface Iub untuk mengontrol node B. Sedangkan  Interface Iur yang menhubungkan antar RNC berfungsi untuk mengatur terjadinya soft handover diantara RNC tersebut.
RNC berfungsi untuk mengendalikan sumber-sumber radio dari beberapa node B, fungsinya serupa dengan BSC di GSM. RNC juga berperan penting untuk mengontrol radio resources UTRAN, seperti power control (PC) atau handover control (HC), dimana sebagiandiantaranya terdapat pada bagian RNC.
BS di UMTS disebut dengan node B. Node B pada jaringan ini sama seperti pada GSM Base Station (BS/BS), merupakan unit untuk sistem pengiriman dan  penerimaan radio dari sel. Node B menunjukkan proses dari air interface yang digunakan (WCDMA), meliputi channel coding, interleaving, rate adaptation, dan spreading. Node B juga memungkinkan terjadinya softer handovers dan power control.
Ikatan antara RNC dan node B disebut dengan Radio Network Subsystem (RNS), yang memiliki interface Iub. Tidak seperti ekuivalennya, yakni interface Abis dalam GSM, interface Iub memiliki standar yang terbuka sehingga dimungkinkan masing-masing node B dan RNC dibuat oleh pabrik yang berbeda. Jika dalam GSM tidak ada hubungan antar BSC, dalam UMTS yang disebut dengan UTRAN justru sebaliknya. RNC satu dihubung dengan RNC lainnya melalui interface Iur. UTRAN dihubungkan ke jaringan inti melalui interface Iu.

User Equipment (UE) mempunyai prinsip yang sama seperti pada GSM Mobile Station (MS), memiliki modul identitas user, yang serupa dengan SIM pada GSM. UE terdiri dari dua bagian, yaitu Mobile Equipment (ME) dan UMTS Subscriber Identity Module (USIM) yang dihubungkan oleh interface Cu. ME adalah perangkat untuk pengiriman radio, sedangkan USIM merupakan sebuah kartu yang memuat identitas user dan informasi pribadi. Interface UE dengan jaringannya disebut interface Uu, yang merupakan air interface WCDMA.

UMTS (Universal Mobile Telecomunication Systems) menggunakan teknologi WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) untuk mendukung evolusi 3G pada jaringan GSM (Global System for Mobile Communications). Teknologi ini memungkinkan user untuk memperoleh kecepatan transmisi data sebesar 2 Mbps pada kondisi ideal sehingga memungkinkan layanan berbasis packet switch dan circuit switch. Akan tetapi, pada kondisi lapangannya hanya sampai 384 kbps yang mampu dicapai dan kebutuhan akan layanan yang mengkonsumsi bandwidth besar, seperti media streaming, mobile internet access dan layanan lainnya yang makin bertumbuh dengan pesat menyebabkan user membutuhkan teknologi baru dengan kecepatan transmisi data yang lebih tinggi. Selain itu persaingan dengan teknologi Wi-FI menekan para service provider untuk mengembangkan layanan yang kompetitif dan handal. Sebagai jawaban atas permasalahan tersebut, 3GPP sebagai badan resmi pengembangan teknologi UMTS mengembangkan spesifikasi release 5 yang berupa layanan berbasis packet data : High Speed Downlink Packet Access (HSDPA).

Tujuan utama dari HSDPA adalah untuk meningkatkan user throughput maksimum untuk pengiriman paket data dari sisi downlink dan mengurangi delay transmisi paket (round trip delay). Evolusi WCDMA dengan menggunakan teknologi HSDPA mampu meningkatkan kecepatan transmisi data dengan peralatan jaringan WCDMA yang telah ada. Implementasi HSDPA ini tidak mengubah hierarki kerja dari sisi UTRAN, akan tetapi perubahan yang paling besar terjadi pada bagian MAC (Medium Access Control). Hal ini dikarenakan terjadi penambahan entitas MAC-hs (Medium Access Control high speed) pada sub layer MAC dari Node B. Selain itu, UE dengan kapabilitas HSDPA bisa co-exist dengan UE WCDMA pada carrier yang sama.

Teknik yang digunakan untuk mendapatkan kecepatan transmisi data yang tinggi dengan tetap mempertahankan kapabilitas dengan peralatan jaringan WCDMA yang telah ada diantaranya : AMC (Adaptif Modulation and Coding), HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) dan packet scheduling.

Arsitektur Jaringan HSDPA

HSDPA merupakan evolusi dari UMTS, sehingga arsitektur jaringan HSDPA tetap menggunakan arsitektur jaringan UMTS.

Arsitektur UMTS secara umum terdiri atas tiga komponen, yaitu CN, UTRAN, dan UE, dengan adanya interface diantara ketiganya. Masing-masing komponen dengan fungsinya dijelaskan sebagai berikut :

1. CN (Core Network), yang bertanggung jawab mengkoneksikan UMTS dengan jaringan luarnya, menyediakan fungsi-fungsi seperti switching/routing panggilan untuk komunikasi suara, dan layanan packet switched untuk koneksi data.

2. UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), merupakan bagian dari jaringan UMTS yang terdiri dari satu atau lebih RNC dan Node B. Semua yang terkait dengan fungsi radio dikontrol di dalam UTRAN. Sebuah UTRAN terkoneksi dengan jaringan kabel eksternal ataupun UTRAN lain melalui Core Network.

3. UE (User Equipment), sebagai terminal dari UMTS yang berhubungan dengan radio interface dari UTRAN dan aplikasi user.

Gambar di bawah ini adalah arsitektur HSDPA. Yang terdiri atas CN, UTRAN dan UE. Elemen yang menyusun UTRAN adalah Radio Network Controller (RNC) dan Base station, yang kemudian dikenal sebagai Node B. RNC bertanggung jawab pada pengaturan radio resource dari UTRAN.

Kemudian, node B menyediakan kanal radio fisik antara UE dan UTRAN. Dengan kata lain, Node B adalah entiti terendah dari UTRAN, yang terhubung ke UE secara langsung. seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, satu RNC dapat mengatur beberapa node B. Dan sebaliknya, sebuah node B hanya dapat terhubung dengan satu RNC. 

Evolusi WCDMA menuju HSDPA sebagian besar adalah berupa proses upgrade software pada sisi node B. Implementasi ini mengakibatkan arsitektur protocol dari WCDMA-UMTS mengalami perubahan juga. Pada WCDMA, node B merupakan entity yang langsung berhubungan dengan UE (User Equipment) dan hanya terdiri dari layer 1 atau layer fisik. Sementara fungsi MAC (Medium Access Control) layer hanya dilakukan pada sisi UE dan RNC.

Pada HSDPA Node B tidak hanya terdiri atas layer fisik, perubahan pada Node B terjadi pada MAC layer seperti terlihat pada gambar di bawah ini. Dimana ditambahkan MAC-hs yang merupakan entity MAC yang menangani transport channel baru yang diperkenalkan HSDPA, yakni HS-DSCH. MAC-hs memiliki peran dalam fungsi retransmisi dan scheduling dalam menangani prioritas paket. Pada Release ’99 (WCDMA) proses retransmisi dan scheduling dilakukan pada Radio Network Controller (RNC), sedangkan pada HSDPA dilakukan pada node B (BTS), sehingga waktu yang dibutuhkan untuk transmisi lebih pendek. Dengan adanya MAC layer pada node B, maka proses retransmisi dan scheduling dapat terjadi lebih cepat. 

Model Kanal pada HSDPA

Untuk mengimplementasikan HSDPA, penambahan kanal pada platform WCDMA. Terdiri atas High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH), High Speed Shared Control Channel (HS-CCH), dan Uplink High Speed Dedicated Physical Control Channel (HS-DPCCH).

Keterangan:

1. HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel)

HS-DSCH disediakan sebagai kanal sharing baru untuk membawa beberapa DCH (Dedicated Transport Channel) dalam satu frekuensi.

HS-DSCH merupakan transport channel arah downlink HSDPA yang dapat digunakan untuk mengirim paket data oleh beberapa user dalam satu cell. Tidak seperti pada WCDMA yang semua transport channelnya berakhir di RNC, HS-DSCH berakhir di Node B dan dikontrol oleh MAC-hs. HS-DSCH memiliki Spreading Factor (SF) tetap sebesar 16, berbeda dengan DSCH pada WCDMA yang memiliki SF variable. Transmission Time Interval (TTI) pada HS-DSCH sebesar 2 ms adalah lebih pendek jika dibandingkan dengan TTI sebesar 10, 20, 40, atau 80 ms yang digunakan pada channel-channel sejenis sebelumnya.

2. HS-SCCH (High Speed Shared Control Channel)

HS-SCCH digunakan untuk membawa informasi control yang diperlukan bagi HS-DSCH seperti jumlah channelization code, skema modulasi, ukuran transport block, dan menyediakan informasi waktu bagi UE sebelum menerima HS-DSCH. Channelization code set dan skema modulasi merupakan parameter kritis karena menunjukkan kode-kode paralel HS-DSCH yang diminta UE dan jenis modulasi yang dipakai (QPSK atau 16 QAM). Dengan informasi yang dibawa HS-SCCH ini, UE dapat menggunakan waktu yang tepat untuk menerima HS-DSCH dan dapat menggunakan kode kode yang benar agar data dapat diterima dengan sukses.

3. HS-DPCCH (Uplink High Speed Dedicated Physical Control Channel)

Selain berasosiasi dengan HS-SCCH, HS-DSCH juga berasosiasi dengan satu dedicated physical control channel pada arah uplink, yakni HS-DPCCH. HS-DPCCH bertanggung jawab dalam proses uplink yaitu pengiriman ACK (acknowledgement) dan NACK (negative acknowledgement) untuk memberitahu status suatu paket data yang diterima serta CQI (Channel Quality Indicator).

Fitur-Fitur Pada HSDPA

Pada HSDPA diperkenalkan beberapa fitur baru yang menjadi mekanisme kunci dalam mencapai tujuan HSDPA yaitu meningkatkan throughput dan mengurangi delay. Beberapa fitur tersebut antara lain adalah penggunaan AMC dan HARQ dan fast scheduling.

1. Adaptive Modulation And Coding (AMC)

AMC merupakan teknologi utama pada HSDPA sebagai suatu bentuk link adaption dimana feedback dari UE digunakan untuk menentukan skema coding dan modulasi yang akan digunakan berdasarkan CQI (Channel Quality Indicator). Semakin baik kualitas channel, maka user dapat menggunakan orde modulasi dan coding rate yang lebih tinggi. Sebaliknya, apabila kondisi channel kurang baik, maka digunakan

orde modulasi dan coding rate yang lebih rendah. Proses ini dilakukan untuk setiap TTI dengan tujuan untuk memaksimalkan data rate dari UE dengan kondisi kanal yang baik. Modulasi pada HS-DSCH dilakukan secara adaptif dengan pemilihan modulasi QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) atau 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation). User dengan kondisi kanal yang baik (umumnya terjadi pada user yang berada dekat dengan node B), dapat menggunakan modulasi 16 QAM yang akan menghasilkan throughput yang lebih tinggi. Sedangkan user dengan kondisi kanal yang kurang baik akan menggunakan jenis modulasi QPSK. Penggunaan 16 QAM untuk daerah yang berada di dekat node B atau pada UE dengan kondisi kanal yang lebih bagus dikarenakan karena 16 QAM memiliki tingkat robustness yang rendah terhadap noise/interference. Pemilihan modulasi 16 QAM atau QPSK pada arah downlink akan bergantung pada CQI yang dikirimkan masing masing UE ke Node B melalui uplink control channel (HS-DPCCH).

2. Channel Quality Indicator (CQI)

Kualitas kanal radio yang dialami user dilaporkan ke node B dalam bentuk CQI (Channel Quality Indicator). CQI terdiri dari format modulasi yang akan digunakan, besar Transport Block Sizes (TBS) yang dapat dikirimkan dalam sebuah 1 TTI dan jumlah kode HS-DSCH yang bisa digunakan paralel. TTI didefinisikan sebagai inter-arrival time dari transport block sets atau dengan kata lain durasi dari sebuah transport block HS-DSCH yang dikirimkan. Pengiriman CQI bertujuan agar node B dapat menentukan format transport data yang akan ditransmisikan ke UE berdasarkan laporan CQI dari UE.

3. Hybrid Automatic Repeat and Request (HARQ)

HARQ meningkatkan performansi dan menambah ketahanan terhadap error pada link adaptation. Jika suatu blok data diterima dengan benar maka penerima akan memberi balasan dengan mengirimkan acknowledgement (ACK) melalui HS-DPCCH sebagai tanda bahwa blok data diterima dengan benar, dan menandakan bahwa blok data berikutnya dapat dikirimkan. Tetapi jika paket data yang diterima mengalami error maka akan dikirimkan NACK sebagai tanda bahwa paket data yang diterima mengalami error dan meminta paket data dikirim ulang. Dalam penambahannya, mekanisme untuk HARQ di HSDPA dilakukan di Node B (dari sebelumnya di RNC untuk R99). Dengan menggunakan beberapa pendekatan ini, semua user, baik dekat atau jauh dari base station dapat menerima proses pengiriman yang optimum.

4. Fast Schedulling

Penjadwalan transmisi packet data yang dilakukan oleh node B berdasarkan kualitas channel, kapabilitas terminal dan kelas QOS. Packet scheduler mampu merespon kondisi kanal dengan cepat. Hal ini dikarenakan pada HSDPA, packet scheduler dipindahkan dari RNC ke node B, sehingga lebih dekat dengan UE.

Radio Resource Management HSDPA

Gambar di bawah ini menunjukkan algoritma RRM HSDPA yang paling penting pada RNC dan Node B. Pada RNC, algoritma HSDPA yang baru termasuk diantaranya adalah HSDPA resource allocation, admission control, dan mobility managenment. Pada konteks ini, HSDPA resource allocation menggantikan fungsi daya yang dialokasikan dan kode kanalisasi transmisi ke Node-B untuk HSDPA dalam tiap sel. Algoritma admission control HSDPA berbeda dengan Algoritma dedicated channel (DCH) admission control Release’ 99, ketika HSDPA mempercayakan pada konsep kanal saring (shared channel). Manajemen mobitlitas untuk HSDPA juga adalah suatu fungsi baru, ketika data hanya ditransmisikan dari satu sel ke user equipment (UE) pada suatu waktu, dan manajemen buffer Node B secara efektif dibutuhkan selama handover. Pada Node B, link adaptasi high-speed downlink shared channel (HS-DSCH) yang baru, fungsinya dibutuhkan untuk melakukan penyesuaian bit rate HS-DSCH tiap pentransmisian time interval (TTI), berdasarkan pada kualitas penerimaan user. Power control dari High-speed shared control channel (HS-SCCH) diperlukan untuk meminimalisasi daya yang berlebih untuk menjamin penerimaannya. Pada akhirnya, penjadwalan paket high-speed medium access control (MAC-hs) di dalam Node B, mengontrol bagaimana user HSDPA diijinkan yang disediakan pada HS-DSCH. Perancangan penjadwalan paket MAC-hs yang bagus, dapat memaksimalkan kapasitas sel .