Arsitektur Jaringan GSM
Sebuah jaringan GSM dibangun dari beberapa komponen fungsional yang memiliki fungsi dan interface masing-masing yang spesifik. Secara umum jaringan GSM dapat dibagi menjadi tiga bagian utama yaitu :
- Mobile Station
- Base Station Subsystem
- Network Subsystem
Komponen-komponen pada jaringan GSM tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :
Mobile Station
Mobile Station (MS) terdiri dari dua komponen yaitu mobile equipment (terminal) dan sebuah smart card yang disebut Subscriber Identity Module (SIM) yang saling independent. Smart card (SIM) ini berisi informasi personal mobility user yang memungkinkan user untuk dapat mengakses layanan yang disediakan tanpa harus bergantung pada terminal yang digunakan. Dengan menggunakan SIM pada terminal GSM yang berbeda-beda pun, user tetap dapat menggunakan layanan GSM yang disediakan untuknya seperti menerima calls dari terminal lain, melakukan calls serta layanan lainnya.
Mobile equipment secara unik diidentifikasikan oleh sebuah badan internasional yaitu International Mobile Equipment Identity (IMEI). SIM card yang dimiliki user berisi informasi untuk mengidentifikasi user / subscriber pada sistem, yang disebut International Mobile Subscriber Identity (IMSI). IMEI dan IMSI saling independent sehingga memungkinkan personal mobility dari subscribernya. IMSI pada masing-masing SIM dapat berupa nomor atau kunci rahasia untuk mengenali subscriber dengan subscriber lain. SIM card dapat diproteksi terhadap penggunaan yang ilegal dengan menggunakan password atau personal identity number.
Base Station Subsystem
Base Station Subsystem dibangun oleh dua komponen yaitu Base Transceiver Station (BTS) dan Base Station Controller (BSC). Kedua komponen ini berkomunikasi dengan standar Abis interface yang memungkinkan operasi / komunikasi antar komponen dapat dilakukan walaupun dibuat oleh vendor / supplier yang berbeda.
BTS berisi radio tranceiver yang mengidentifikasikan cell dan menangani hubungan melalui radio-link dengan Mobile Station (MS). Jumlah BTS yang dibangun sangat tergantung pada luas daerah yang ingin dicakup.
BSC berfungsi sebagai pengatur radio resources bagi satu atau beberapa BTS yang berhubungan dengannya. Komponen inilah yang menangani mekanisme radio-channel setup, frequency hopping, dan handovers pada layanan GSM. Secara umum BSC merupakan penghubung utama antara Mobile Station dengan Mobile service Switcing Centre.
Network Subsystem
Komponen utama dari Network Subsystem adalah Mobile service Switcing Centre (MSC). Secara umum cara kerja MSC adalah seperti switcing node pada PSTN atau ISDN dengan tambahan fungsi yang diperlukan untuk menangani layanan mobile subscriber seperti registration, authentication, location updating, handovers, dan call routing ke roaming subscriber. Layanan ini disediakan secara konjungsi bersama komponen fungsional lainnya yang bersama-sama membentuk Network Subsystem. Pensinyalan antar komponen fungsional pada Network Subsystem ini menggunakan Signaling System Number 7 (SS7) yang digunakan pada trunk signaling di jaringan ISDN dan jaringan publik lain.
Selain MSC sebagai komponen utama, Network Subsystem memiliki komponen lain yaitu Home Location Register (HLR), Visitor Location Register (VLR), Equipment Identity Register (EIR), dan Authentication Center (AuC).
HLR dan VLR, bersama-sama dengan MSC menyediakan fasilitas call-routing dan roaming dari GSM. HLR berisi semua informasi administratif dari subscriber terdaftar pada jaringan GSM yang bersangkutan berikut informasi lokasi mobile saat ini. Informasi lokasi mobile ini berupa alamat signaling VLR yang terkait dengan MS. Secara lojik, dalam satu jaringan GSM terdapat satu HLR walaupun diimplementasikan dalam sebuah basisdata terdistribusi.
Visitor Location Register (VLR) berisi informasi yang terseleksi dari HLR yang diperlukan untuk identifikasi pada layanan call control serta keperluan layanan lain. Untuk setiap mobile, lokasi geografis saat ini dikontrol oleh VLR. Saat ini sebagian besar vendor-vendor mengimplementasikan VLR bersama dengan MSC sehingga lokasi area geografis dikontrol oleh MSC yang berkorespondensi dengan VLR untuk menyederhanakan pensinyalan yang dibutuhkan.
EIR dan AuC merupakan komponen yang berkaitan dengan authentication dan security. EIR merupakan database yang berisi data mobile equipment yang menjadi subscriber valid di jaringan GSM yang masing-masing mobile station-nya diidentifikasikan berdasarkan IMEI-nya. IMEI sebuah mobile station akan dinyatakan tidak valid jika dilaporkan telah dicuri, rusak, atau lainnya. AuC merupakan database tang diproteksi yang berisi salinan dari secret key dari masing-masing SIM yang dimiliki subscriber untuk kepentingan authentication dan enkripsi di saluran transmisi.
Aspek yang Terkait dengan Teknologi GSM
Dua aspek yang terkait erat dengan teknologi GSM adalah aspek radio link dan network. Aspek radio link berkaitan dengan media transmisi komunikasi pada jaringan. Aspek network terutama terkait dengan mekanisme penanganan prosedur layanan yang disediakan teknologi GSM.
Radio Link
International Telecommunication Union (ITU) ,yang mangatur alokasi spektrum radio internasional, mengalokasikan pita 890 –915 Mhz untuk uplink (dari mobile station ke base station) dan 935 –960 untuk downlink (dari base station ke mobile station) pada jaringan di Eropa. Karena selang frekuensi ini telah digunakan untuk sistemanalog pada awal 1980-an, CEPT mempunyai pandangan ke depan untuk mencadangkan 10 Mhz teratas dari setiap band untuk jaringan GSM yang sedang dikembangkan. Akhirnya GSM dialokasikan pada seluruh bandwindth 2x25 Mhz
Multiple access dan struktur kanal
Untuk pembagian bandwidth bagi sebanyak mungkin pengguna, metode yang dipilih GSM adalah kombinasi antara Time dan Frequency Division Multiple Access (TDMA/FDMA). FDMA terlibat dalam pembagian frekuensi dari (maksimum) bandwidth 25 Mhz menjadi 124 frekuensi pembawa yang masing-masing berukuran 200 Khz. Setiap frekuensi pembawa ini kemudian dibagi pewaktuannya dengan skema TDMA menjadi satuan waktu dasar yang disebut burst period . Setiap delapan burst period digrupkan menjadi sebuah TDMA frame. Sebuah kanal fisik adalah satu burst period per TDMA frame.
Traffic Channel (CTH)
Traffic channel digunakan untuk membawa speech dan data traffic. TCH menggunakan multiframe seukuran 26 frame, atau grup dari 26 frame TDMA. 24 frame untuk traffic, 1 frame untuk Slow Associated Control Channel (SACCH), dan satu frame tidak terpakai (lihat gambar). TCH untuk up dan downlink dibagi dalam 3 burst period, sehingga tidak harus mentransmisi dan menerima secara simultan.
Figure 2. Organization of bursts, TDMA frames, and multiframes for speech and data
Control Channel
Common channel bisa diakses baik oleh idle mode dan dedicated mode. Digunakan oleh idle mode untuk bertukar informasi signalling untuk berubah menjadi dedicated mode. MS yang berada dalam dedicated mode memantau Base Station sekitarnya untuk handover dan informasi lainnya. Common channel berada dalam 51 frame multiframe, sehingga dedicated MS yang menggunakan 26 multiframe TCH masih dapat memantau control channel.
Common channel terdiri dari :
- Broadcast Control Channel (BCCH) . Mem-broadcast secara kontinyu ,pada saat downlink, informasi termasuk identitas Nase Station, alokasi frekuensi, dan urutan frequency-hopping
- Frequency Correction Channel (FCCH) dan Synchronization Channel (SCH) . Digunakan untuk sinkronisasi MS struktur time slot dari sebuah cell dengan medefinisikan batas burst period dan time slot numbering
- Random Access Channel (RACH) . Menslot Aloha channel untuk permintaan akses ke jaringan
- Paging Channel (PCH). Memberi tahu MS akan pangilan yang masuk.
- Access Grant Channel (AGCH). Digunakan untuk mengalokasi SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel) ke subuah MS untuk signalling (untuk mendapatkan dedicated channel) mengikuti permintaan oleh RACH
Speech Coding
Karena GSM adalah sistem digital, maka speech yang pada dasarnya adalah analog harus didigitasi. Setelah melalui penelitian berbagai algoritma speech coding dengan mempertimbangkan biaya,delay, dan konsumsi daya GSM group memilih Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coding (RPE--LPC).
Channel coding dan modulasi
Speech codec menghasilkan 260 bit block untuk setiap 20 ms. Dalam tes ditemukan bahwa beberapa bit dari blok ini lebih penting dibanding lainnya untuk kualitas suara yang baik. Bit-bit tersebut dibagi menjadi :
- Kelas Ia 50 bits – paling sensitif terhadap bit error
- Kelas Ib 132 bits – agak sensitif terhadap bit error
- Kelas II 78 bits – paling tidak sensitif terhadap bit error
Kelas Ia mempunyai tambahan 3bit Cyclic Redundancy Code untuk deteksi error
Jika suatu error terdeteksi maka frame tersebut dibuang dan digantikan dengan versi teratenuasi langsung dari frame sebelumnya yang diterima dengan benar. Ke-53 bit ini bersama dengan 132 bit kelas 1b dan 4 bit tail sequence(totalnya 189) dimasukkan ke dalam ½ rate convolutional encoder dari panjang constraint 4. Tiap input dikode sebagai dua bit output berdasarkan kombinasi dari 4 input bit sebelumnya. Jadi convolutional encoder mengoutputkan 378 bit yang ditambah 78 bit kelas II yang tidak diproteksi. Jadi setiap 20 ms sampel speech dikode sebagai 456 bit memberikan bit rate 22,8 kbps.
Untuk proteksi lebih lanjut terhadap burst error, tiap sampel di interleaved. 456 bit yang dioutputkan oleh convolutional encoder dibagi menjadi 8 blok seukuran 57 bit, dan tiap blok ini ditransmisikan dalam 8 time-slot burst yang berurutan. Karena tiap time-slot burst dapat membawa 2x57 blok bit setiap burst membawa traffic dari 2 sampel speech yang berbeda.
Ingat bahwa time-slot burst ditransmisikan dengan bit rate 270.833 kbps. Sinyal digital ini dimodulais ke frekuensi pembawa analog menggunakan Gaussian-filterred Minimum Shift Keying(GMSK). GMSK terpilih sebagai kompromi antara efisiensi spektral, kompleksitas transmitter, dan limited spurious emission. Kompleksitas transmitter berhubungan dengan konsumsi daya yang harus diminimasi untuk MS. Emisi radio, di luar bandwidth bersama harus dikendalikan untuk membatasi interferensi channel yang bersebelahan.
Power control
Ada 5 kelas MS yang didefinisikan berdasarkan daya transmisinya yaitu 20,8,5,2,dan 0.8 . Untuk meminimasi interferensi dalam suatu channel dan untuk menyediakan power, MS dan BTS beroperasi pada level daya terendah. Level daya ini dapat dinaikkan atau diturunkan.
MS mengukur kekuatan sinyal dan melewatkan informasi ke Base Station Controller yang memutuskan bagaiman dan kapan level daya harus diubah. Kendali daya harus ditangani dengan hati-hati karena ada kemungkinan instabilitas.
Network
GSM dapat melakukan roaming nasional dan internasional yang membutuhkan fungsi registrasi, otentifikasi, call routing dan location updating. Selain itu fakta bahwa area geografi yang dicakupoleh jaringan dibagi menjadi sel-sel memerlukan implementasi dari mekanisme handover. Fungsi ini diunjukan oleh Network Subsystem dengan menggunakan Mobile Application Part(MAP)
Signalling protocol structure in GSM
Protocol signalling dalam GSM terstruktur dengan 3 layer general tergantung dari interfacenya, seperti yang tampak pada gambar di atas. Layer 1 adalah layer fisik yang menggunakan struktur kanal melalui interface udara. Layer 2 adalah data link layer. Melalui Um interface data link layer adalah versi modifikasi dari protokol LAPD yang digunakan ISDN, yang disebut LAPDm. Melalui interface A , Messagee Transfer Part layer 2 dari Signalling System Number 7 digunakan. Layer 3 protokol signalling GSM terbagi dalam 3 sublayer, yaitu :
Radio Resources Management
Mangatur setup, maintenance, dan termination of radio dan fixed channel termasuk handover.
Layer Radio Resources Management(RR) mengawasi pembuatan link baik radio maupun fixed antara MS dan MSC. Komponen fungsional utama yang terlibat adalah MS dan Base Station Subsystem (BSS) serta MSC. RR Layer bertugas mengatur RR-session ayitu wakrtu ketika MS berada dalam keadaan dedicated mode dan juga konfigurasi radio channel termasuk alokasi dari dedicated channel
RR Session selalu diinisiasi oleh sebuah MS melalui access procedure untuk panggilan ke luar atau untuk menjawab paging message. Detail dari prosedur access dan paging seperti kapan dedicated channel diassign ke suatu MS dan struktur paging sub-channel ditangani di RR layer. Sebagai tambahan ia juga mengatur fitur radio seperti kendali daya, transmisi dan penerimaan tak-menerus dan timing advance.
Handover
Dalam jaringan selular, radio dan fixed link yang dibutuhkan bukan yang teralokasi untuk durasi panggilan yang permanen. Handover proses swithcing on-going call ke channel atau sel yang berbeda. Eksekusi dan pengukuran dibutuhkan untuk handover membentuk satu fungsi dasar dari RR layer
Ada 4 macam tipe handover dalam sistem GSM, yang melibatkan trnsfer panggilan antar :
Channel (time slot ) pada sel yang sama
- Sel /Base Transceiver Station (BTS) dalam kendali Base Station Controller (BSC) yang sama
- Sel dalam BSC yang berbeda namun berada dalam MSC yag sama
- Sel yang berada dalam kendali MSC yang berbeda
Nomor 1 dan 2 disebut internal handover sedangkan sisanya disebut external handover
Mobility Management Layer
Mengatur prosedur location updating dan registrasi sebagaimana sekuritas dan otentifikasi
Location Updating
Prosedur location updating , dan subsequent call routing menggunakan MSC dan 2 location register: the Home Location Register (HLR) and the Visitor Location Register (VLR). Ketika MS diswitch ke sebuah lokasi baru atau berpindan ke lokasi dengan PLMN operator yang berbeda maka registrasi ke jaringan harus dilakukan untuk mengindikasikan lokasi kini. Dalam kasus normal pesan update lokasi dikirim ke MSC/VLR baru yang mencatat informasi area lokasi dan mengirimkannya ke HLR subscriber. Informasi yang dikirim biasanya berupa alamat SS7 VLR yang baru ataupun berupa monor routing, tetapi hal ini jarang tidak dilakukan dalam keadaaan normal meskipun sebenarnya dapat mengurangi signaling karena adanya keterbatasan jumlah nomor routing yang tersedia di dalamMSC/VLR yang baru dan memang disediakan bagi permintaan pangilan berikutnya.Jika subscriber diberi layanan maka HLR akan mengirimkan bagian informasi subsciber untuk kontrol pemanggilan ke MSC/VLR yang baru dan mengirimkan pesan ke MSC/VLR yang lama untuk membatalkan registrasi yang lama.Untuk alasan keandalan, GSM melakukan prosedur update lokasi secara periodik.
Otentikasi dan Sekuritas
Karena medium radoi bisa diakses oleh siapapun, otentikasi menjadi elemen penting jaringan bergerak. Otentikasi melibatkan 2 entitas fungsional, SIM didalam MS dan Autenthication Center(Auc). Setiap pelanggan diberi kunci rahasia, satu salinan disimpan dalam SIM card dan salinan lainnya di dalam Auc. Selama otentikasi ,Auc membangkotkan angka secara random yang ia kirim ke MS. Baik MS maupun Auc kemudian menggunakan angka random tersebut sebagai tambahan dari key rahasia pelanggan dan algoritma chipering A3, untuk membangkitkan signed response (SRES) yang dikirim balik ke Auc. Jika nomor yang dikirim MS cocok dengan yang dikalkulasi oleh Auc, maka pelanggap tersebut sah.
Angka random dan kunci pelangggan yang sama juga digunakan untuk menghitung chipering key dengan menggunakan algoritma yang disebut A8. Chipering key ini bersama nomor frame TDMA menggunakan algoritma A5 untuk membuat 114 bit sekuen yang di Xor-kan dengan 114 bit burst(2x57 blok bit)
Level lain dari sekuritas diunjukkan oleh MS itu sendiri. Setiap terminal GSM diidentifikasi oleh angka International Mobile Equipment Identity(IMEI) yang unik. Daftar IMEI dalam suatu jaringan disimpan di Equipment Identity Register(EIR) . Status yang dikembalikan sebagai jawaban atas query IMEI ke EIR adala sebagai berikut :
White-listed : terminal dibolehkan konek ke jaringan
Grey-listed : terminal berada dalam observasi dari jaringan untuk masalah yang mungkin terjadi
Black–Listed : Untuk terminal yang dilaporkan hilang atau tidak mempunyai tipe terminal yang benar untuk jaringan GSM.Terminal tidak dibolehkan mengakses jaringan GSM
Communication Management Layer
Menangani call control dan layanan tambahan serta SMS yang dianggap sebagai subsystem yang berbeda dari layer communication management
Call routing
Berbeda denga routing pada fixed network, dimana sebuah terminal terhubung ke central office, pelanggan GSM dapat melakkukan roaming secara nasional maupun internasional. Nomor direktori yang didial untuk mencapai MS pelanggan disebut Mobile Subscriber ISDN (MSISDN). Nomor ini termasuk kode negara dan kode negara tujuan yang menunjukkan operator pelanggan.
Informasi routing yang dikembalikan ke GMSC adalah Mobile Station Roaming Number(MSRN). MSRN terhubung ke geographical numbering plan, dan tidak diassign ke pelanggan dan ia tidakjuga terlihat oleh pelanggan.
Prosedur routing yang paling umum dimulai dengan GMSC meminta HLR pelanggan yang terhubung untuk sebuah MSRN(lihat bagian location updating). HLR harus meminta VLR terkini dari pelanggan, yang akan mengalokasi MSRN secara temporer dari poolnya untuk panggilan. MSRN ini dikembalikan ke HLR dan kembali ke GMSC yang kemudian dapat merutekan panggilan ke MSC yang baru. Pada MSC yang baru, IMSI yang mengacu MSRN dicari dan MS dipaging dalam area lokasi yang sekarang.
Perbandingan dengan Teknologi Lain
Dalam dunia komunikasi tanpa kabel, GSM ternyata bukan satu-satunya teknologi yang sudah ada dan diimplementasikan. Beberapa teknologi selain GSM yang sudah digunakan dalam komunikasi wireless ini adalah sebagai berikut :
AMPS (Advanced Mobile Phone System)
>AMPS merupakan teknologi yang digunakan pada telepon seluler analog yang lama. Suara dikonversi menjadi gelombang radio FM dan dikomunikasikan dari telepon ke menara dan dari menara ke telepon. AMPS biasanya hanya memperbolehkan satu komunikasi suara dalam satu kanal radio.
TDMA (Time Division Multiple Access)
.TDMA adalah teknologi digital yang membagi kanal radio menjadi slot waktu yang bervariasi. Dalam period waktu ini telepon dan menara berkomunikasi mengunakan gelombang radio dan FM. Dengan teknologi ini memungkinkan beberapa komunikasi suara dalam satu kanal radio dan meningkatkan kapasitasnya.
CDMA (Code Division Multiple Access)
>CDMA adalah teknologi digital yang paling baru yang menyebarkan multiple komunikasi suara, tiap komunikasi suara dibungkus dengan sebuah kode, dalam sebuah kanal radio yang luas.
Perbandingan teknologi GSM dengan teknologi AMPS dan CDMA terutama pada layanan suara / telephony dapat dilihat pada tabel berikut :
Berdasarkan tabel perbandingan diatas, dapat disimpulkan bahwa teknologi digital cellular dapat memiliki keunggulan dan kelemahan. Namun keunggulan yang dimiliki GSM dibanding sistem lain dapat menutupi kekurangan yag dimilikinya.
