An Introduction to Handoff in Mobile Cellular Communications

Ketika seorang mobile user berpindah dari sebuah coverage area atau dalam sebuah cell ke cell lainnya saat melakukan panggilan, maka panggilan tersebut harus ditransfer ke dalam base station cell yang baru. Jika hal ini tidak dilakukan, maka panggilan tersebut akan hilang karena link dengan base station yang baru menjadi lemah karena mobile mengalami penyurutan. Kemampuan untuk mentransfer panggilan dari sebuah coverage area ke dalam coverage area yang lain yang dikenal dengan Call Handoff merupakan salah satu konsentrasi dalam mendesain sebuah sistem mobile cellular.

Gambar 1. Call Handoff antara dua cell.

A. Tipe-tipe handoff dan hand off stategy

Terdapat dua tipe handoff yaitu hard handoff dan soft handoff.

Hard handoff

Dengan hard handoff, link terhadap base station yang dulu ditempati mobile user akan terputus ketika user ditransfer ke dalam base station cell yang baru. Hal ini juga menegaskan bahwa seorang user hanya akan terhubung dengan sebuah base station saja ketika menerima panggilan dalam sebuah coverage area. Inisiasi dari handoff dimulai ketika kekuatan sinyal dari base station dari cell berikutnya lebih kuat dari coverage area sebelumnya.Pengukuran kekuatan sinyal didasarkan dari rata-rata level sinyal dalam sebuah periode waktu. Perhitungan rata-rata ini penting dilakukan karena didasari oleh sifat dasar Rayleigh fading terhadap tempat dimana terdapat jaringan seluler berada. Masalah terbesar dari pendekatan rata-rata ini terhadap penentuan handoff (handoff decision) adalah sinyal yang diterima oleh kedua base station selalu berfluktuasi. Ketika mobile berada diantara kedua base station akan berdampak mobile tersebut akan memilih link antara kedua base station secara berganti-ganti (worst case).Fenomena dikenal dengan Ping-ponging. Di samping ping-ponging pendekatan melalui rata-rata juga tidak membatasi banyaknya handoff yang terjadi. Untuk itu berdasarkan beberapa penelitian yang sudah dilakukan, metode yang lebih baik digunakan untuk menemukan level sinyal rata-rata relatif terhadap threshold dan margin histeresis untuk handoff decision. Selain itu, kondisi ini harus diterapkan ketika base station target memiliki level sinyal lebih tinggi dibanding base station sebelumnya.

Handoff bisa mengambil point A untuk pilihan dari threshold 1 atau threshold 2. Handoff bisa mengambil point B untuk threshold 3. Dapat dilihat bahwa secara praktek, menggunakan margin histeresis dapat mengurangi dalam skala besar jumlah dari handoff yang tidak dibutuhkan. Selain itu, terdapat juga delay factor di sini. Akan ditunjukkan berikutnya bahwa handoff bisa saja mengaur nilai optimumum trade off sebagai parameter threshold dan histeris untuk mendapatkan delay yang dapat ditoleransi.

Karena meningkatnya permintaan terhadap pelayanan wireless, channel yang tersedia di dalam cell-cell menjadi tidak efisien untuk mensuport pertumbuhan jumlah pengguna. Untuk meningkatkan kapasitas sistem, teknik seperti cell splitting dan sectoring dapat diimplementasikan. Menggunakan microcells juga dapat mengembangkan kapasitas sistem seluler dan menarik sebagai alternatif dari dua buah teknik yang awal. Ketika kumpulan dari sel-sel membangun beberapa cakupan area (coverage area), interferensi co –channel berkurang. Mengurangi interferensi co-channel dapat meningkatkan kapasitas sistem tanpa trunking degradasi inefisiensi yang melekat untuk sektorisasinya. Selain itu, bawaan untuk microcells dapat meningkatkan frekuensi handoff.

Jadi yang dicari adalah algoritma keputusan yang efisien untuk meraih handoff yang tidak terlalu penting, selain itu handoff yang lebih reliabel dengan probabilitas blocking yang lebih rendah dan probabilitas panggilan hilang yang rendah. Mobile berpindah kesana kemari di dalam microcell akan menghadapi line of sight (LOS) handoff dan non line of sight (NLOS) handoff. Pada kasus NLOS, handoff yang reliabel secara komplit sulit untuk tercapai. Masalah terhadap micro cell dikenal dengan corner effect. Ketika mobile station berpindah sepanjang sudut seperti persimpangan jalan akan terjadi drop level sinyal secara tiba-tiba. Mobile component akan kehilanga LOS nya dengan serving base station. Lalu jika mobile user tidak terlink up dengan base station baru (B) dengan cepat, maka panggilan akan didrop. Selanjutnya, mobile dapat menyebabkan interferensi dengan base station yang baru. Base station tidak dapar meregulasi power dari mobile dan user di dalam cell akan diblock.

Pada desain seluler, pendesain harus berhati-hati dalam mendesain sehingga kejadian tersebut tidak akan terjadi. Lay out cell ini sedemikian tupa sehingga tidak ditemui corner effect. Ini tidak dapat terselesaikan secara praktek. Pengukuran dilakuan di dalam desain handoff untuk membantu meringankan permasalahan ini.

Forward handoff dari base station sebelumnya dapat di drop. Desentralisasi dari keputusan handoff, seperti pada kasus mobile assisted handoff selalu mencapai keputusan fast forward handoff. Dengan desentralisasi, keuntungan dari switch central tidak harus membuat keputusan handoff untuk setiap mobile user. Hal ini bermanfaat untuk menghemat sumber dari sistem

Masalah dari handoff yang lebih cepat adalah kehilangan keuntungan yang berkaitan dengan perata-rataan sinyal dan histeresis. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, ini sangat berguna untuk memitigasi handoff yang tidak penting dan ping ponging. Karena sudah jelas, waktu dari handoff sangat kritikal di dalam sistem mikrosel dan kita tidak dapat mentolerir delay yang datang dari jendela histeresis. Handoff harus cepat. Jika melihat ketika handoff dimulai, pergerakan dari mobile station dari satu cell ke cell lainnya harus dideteksi. Sebuah metode yang reliabel untuk membuat deteksi dan mengakomodasi pergerakan adalah untuk mengukur kekuatan sinyal yang diterima ke base station lainnya dari user.

Untuk menghindari kelebihan dan ketidakakuratan handoff, perata-rataan dari level sinyal ditampilkan sebaik margin histeresis.Delay ini harus dibuat lebih kecil. Pendekatan analitik untuk memilih waktu perataan sinyal dan delay histeresis untuk mendapatkan optimum tradeoff antara dua buah parameter seperti trade off antara total delay time dan jumlah dari handoff tidak penting yang diizinkan. Pada pendekatan ini terdapat beberapa parameter penting yang digambarkan di dalam ekspresi matematis. Rumus berikut ini menunjukkan probabilitas dari handoff yang tidak penting yang digambar oleh:

dimana f(x) diasumsukan sebagai

∆L merupakan perbedaan antara dua buah level sinyal yang diterima yang disebabkan oleh perbedaan pathloss dari dua buah base station yang termasuk di dalam handoff dan h merupakan level histeresis.

Untuk makrosel , total waktu delay dinyatakan dengan :

T menunjukkan jendela rata-rata sinyal

K2 merepresentasikan konstanta path loss

Krv merepresentasikan jarak ternormalisasi dari mobile station ke base station

Untuk microcell, total waktu delay dinyatakan oleh :

dcor menyatakan drop dari level sinyal yang dialami pada sudut jalan dan dideterminasi secara eksperimen. Anlisis menunjukkan bahwa disana terdapat hubungan antara parameter averaging felay dan delay histeresis. Hal ini menunjukkan bahwa microcell yang dipilih mempunyai averaging time yang pendek dan histeresis yang melebar. Kondisi berbanding terbalik ini sesuai dengan hubungan yang terjadi di makrocell. Hal terpenting di sini adalah nilai parameter optimum dapat diseleksi dari delay yang dapat ditolerir dengan konjungsi dengan probabilitas handoff yang tidak penting.

Dengan menggunakan tinggi alternatif antena yang bekerja pada beberapa power level yang berbeda, hal ini memungkinkan untuk memiliki ukuran sel yang berbeda yang berada di dalam sebuah susunan geografis. Maka dari itu implementasinya dinamakan umbrella cell yang terdiri dari dua atau lebih level yaitu macrocell yang terdiri dari beberapa kisi microcell.

User pada sistem ini ditugaskan pada beberapa level seluler yang didasarkan oleh kecepatan mobile transmitter. Sistem sel payung digunakan untuk meminimalisasi banyaknya handoff yang terjadi dan disebabkan oleh high speed mobile ketika menyediakan kapasitas yang berkaitan dengan microcell untuk melayani user yang pergerakannya lambat. Handoff dari microcell yang satu ke lainnya dapat dihindarkan. Lalu, user yang pergerakannya lambat ditempatkan di dalam service dari sebuah microcell dan menahan service di sana hingga kecepatan mobile transmitter meningkat dan mengambil alih beberapa deciding measure dan proses ini sangatlah penting di dalam sebuah macrocell. Namun, pada kenyataannya sistem selular tidak diketahui kecepatan pastinya.

Untungnya, ada beberapa cara untuk mengestimasi kecepatan user. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan statistik dari waktu yang tinggal. Waktu yang tinggal tersebut (dwell time) didefinisikan sebagai banyak nya waktu dimana panggilan dipertahankan dalam sel tertentu. Nyatanya, dwell time bergantung kepada kecepatan mobile station. Berdasarkan informasi yang didapatkan dari dwell time, sebuah estimasi kasar dari kecepatan user dapat didapatkan. Selanjutnya, estimasi dapat diimprovisasi jika behavior dari beberapa saat lalu disimpan dan disebarkan. Kecepatan mobile station dapat diestimasikan sebagai berikut di mana asumsi pertama adalah kecepatan mobile sama sepanjang interval [a,b]. Dan ditemukan bahwa estimasi maksimum likelihoodnya (ML) adalah sebagai berikut :

dan estimasi maksimum squared error (MMSE) adalah sebagai berikut :

ci bergantung pada tipe handoff (misalnya micro ke micro atau micro ke macro)

Dari beberapa riset sebelumnya, terdapat 4 strategi yang diajukan untuk mengestimasi kecepatan sehingga dapat ditujukan untuk mobile yang memiliki kecepatan perpindahan yang tinggi. Di dalm keempat strategi tersebut , dua diantaranya didasatkan oleh waktu dwell time yang terbaru t, lalu dua strategi lainnya yang ketiga dan keempat membutuhkan kecepatan estimasu yang bergantung pada ML estimator dan MMSE estimator.

Strategi 1) Semua user yang baru , akan ditempatkan pada microcell. Idenya adalah untuk memondahkan user ke dalam cell yang lebih besar jika jangka dwell time terhitung pendek terhadap parameter threshold T.  Strategi 2) Seperti sebelumnya, semua user dimasukkan ke dalam service microcell. Namu di sini user akan diupdate secara teratur antara dasar level cell di dalam pengukuran durasi dwelling kontinu  Strategi 3) Membuat record dari seluruh dwell time yang terdahulu da lri sebuah panggilan. Gunakan ML estimator untuk mengaproksimasi kecepatan. Buat level handoff yang cocok untuk melakukan keputusan berdasarkan estimasi-estimasi yang telah disebutkan.

Strategi 4) Hampir sama dengan strategi ketiga, kecuali pada MMSE yang digunakan untuk mengestimasi kecepatan mobile station.

Hasil dari model dan sistem yang nyata telah terlihat bahwa terdapat terdapat reduksi yang cukup signifikan dari handoff untuk strategy 3 dan 4 khususnya untuk situasi low traffic.

Metode lainnya untuk melakukan estimasi dari penempatan kecepatan mobile untuk optimum cell level adalah dengan memanfaatkan penerimaan diversity. Seperti yang terlihat pada soft handoff di sistem CDMA, ini merupakan praktek yang baik untuk menggunakan seleksi diversity untuk memitigasi efek dari Rayleigh fading, keberadaan hubungan tersebut berkaitan diantara switching rate NBS dan frekuensi doppler fD

.

Ini adalah metode aproksimasi yang bagus dan pengukuran doppler disini digunakan untuk mengestimasi kecepatan.

Soft Handoff

CDMA menggunakan soft handoff. Soft Handoff merupakan hal yang penting karena dapat mengurangi interferensi terhadap cell lainnya dan meningkatkan performansi dengan menggunakan macro diversity. Selain itu, telah terbukti bahwa soft handoff dapat memperlebar coverage area sebanyak faktor sebesar 2,5. Kembali jika dibandingkan dengan hard handoff, handoff yang dilakukan ketika sinyal sel yang berdekatan melampaui sel sebelumnya. Pada CDMA, frekuensi sel yang berdekatan sama dengan frekuensi sel yang sebelumnya. Oleh

karena itu, dengan menggunakan teknik hard handoff dapat menyebabkan beberapa interferensi terhadap cell tetangga dan mengurang capacity.Pada sistem CDMA dengan soft handoff, setiap mobil user dihubungkan dengan dua atau lebih base station dalam suatu waktu yang sama. Base station yang memiliki kekuatan relatif tertinggi dihitung terhadap mobile user akan memegang kontrol penuh terhadap panggilan user. Selain itu, karena user pada soft handoff terhubung dengan beberapa base station yang berdekatan, probabilitas dari panggilan yang hilang akan berkurang. Soft handoff sangat cocok untuk struktur komunikasi CDMA. Dari apa yang telah dijelaskan sebelumnya, pada uplink, signal user mungkin saja diterima oleh beberapa base station. Hal ini dikarenakan reuse factor dari CDMA bernilai satu. Pada downlink, sinyal dari base station dapat secara koheren berkombinasi sehingga terlihat sebagai komponen multipath. Berikut ini akan dijelaskan bagaimana prosedur dari soft handoff . Tetapi ada baiknya untuk memahami istilah-istilah berikut terlebih dahulu :

i. Active set adalah sekumpulan base station yang tergabung dalam mobile station ketika soft handoff terjadi.

ii. Active set update adalah keadaan ketika perubahan dari sebuah active set terjadi. Sebuah update dapat terjadi ketika base station yang menjadi kandidat berikutnya melebihi add threshold, ketika base station sebelumnya telah berada di bawah drop threshold dalam waktu yang terlalu lama atau active list menjadi terlalu besar.

iii. Discard set adalah base station yang saat ini menjadi active set tetapi tidak lama lagi drop karena tidak lagi memenuhi kualifikasi.

iv. Candidate set adalah cell tangga yang ada di sekitar sel yang berstatus active set.

Berikutnya, prosedur handoff dimulai ketika sebuah mobile station terhubung dan berkomunikasi dengan base station 1. Setiap base station mengirim sebuah pilot signal, dimana diantara keseluruhan sinyal, memberikan pengukuran terhadap kekuatan sinyal kepada mobile user. Ketika kekuatan sinyal dari base station 2 melebihi add threshold maka base station 1 akan diperingatkan untuk menempatkan base station 2 ke dalam daftar kandidat.

Lalu, ketika kekuatan sinyal dari base station 2 menjadi lebih besar dari base station 1 dengan beberapa spesifikasi level, base station 2 ditempatkan pada active list dan diperbolehkan untuk mengontrol panggilan. Di sini, kombinasi perbedaan diimplementasikan. Setelah itu dengan sinual level dari base station 1 menjadi di bawah drop threshold, drop timer akan diaktifkan. Jika ini terjadi maka level sinyal dari base station 1 akan akan kembali berada di atas drop level, dan drop timer akan tereset. Tetapi, jika level kekuatan sinyal berada di bawah threshold dan drop timer berakhir, maka base station 1 akan di drop dari aktivitas panggilan.

Jadi dapat disimpulkan bahwa soft handoff memiliki banyak keuntungan dibandingkan hard handoff karena mobile tidak akan pernah putus hubungan dengan sistem selama eksekusi handoff berlangsung. Ping ponging dapat dieliminasikan dan sebuah pengukuran ekstra terhadap performansi didapatkan melalui kombinasi perbedaan untuk memitigasi fading. Lalu, penambahan kontrol dapat diberikan kepada mobile dalam handoff decision. Kemampuan penentuan handoff otomatis, pemilihan perbedaan, dan perbaikan tetap pada handoff reliabel yang hanya memiliki sedikit keputusan yang tidak perlu, membuat soft handoff menjadi pilihan yang menarik untuk terus dikembangkan karena digunakan pada CDMA generasi ketiga.