Perbandingan Kinerja Algoritma Fixed Step Power Control,
Adaptive Single-bit dan Variable Step Power Control dengan
Menggunakan Diversitas Antena pada Sistem Seluler CDMA
LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika
Institut Teknologi Bandung
Oleh:
Roy Ricardo M
13203181
Kelompok Keahlian Telekomunikasi
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2007
i
ABSTRAKSI Pada sistem seluler Code Division Multiple Access (CDMA), pentingnya power control untuk mempertahankan kapasitas uplink dengan mengurangi interferensi antar user menyebabkan banyak algoritma power control yang diusulkan. Beberapa diantaranya adalah Fixed Step Power Control (FSPC), Adaptive Single-bit Power Control (ASPC), dan Variable Step Power Control (VSPC). Pada [1], untuk keadaan ideal dimana tidak terdapat error pada penerimaan bit PCC disimpulkan bahwa algoritma VSPC memberikan kinerja yang lebih baik dalam mengatasi deep fade pada fDTp yang tinggi daripada algoritma ASPC dan FSPC, kinerja algoritma ASPC lebih baik daripada FSPC. Sedangkan, untuk keadaan yang tidak ideal dimana terdapat error pada penerimaan bit PCC menunjukkan bahwa algoritma FSPC lebih tahan (robust) daripada algoritma ASPC dan VSPC, kinerja algoritma ASPC lebih baik daripada VSPC. Hasil yang diberikan pada [1] masih pada keadaan adanya deep fade yang dalam sehingga algoritma power control memberikan kinerja yang kurang efektif. Dengan menggunakan diversitas antena, penulis akan membandingkan kembali algoritma FSPC, ASPC dan VSPC dimana deep fade yang terjadi lebih dangkal dengan adanya diversitas antena. Metoda penelitian dilakukan dengan simulasi menggunakan software MATLAB 7.0 untuk memperoleh nilai Bit Error Rate (BER) sebagai fungsi dari bit energy to interference power spectral density (Eb/I0). Simulasi dilakukan untuk keadaan ideal dan untuk keadaan dimana terdapat error pada penerimaan bit Power Control Command (PCC) sebesar 0,1%, 1%, dan 10% [2]. Hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk keadaan ideal algoritma VSPC memberikan kinerja yang lebih baik dalam mengatasi deep fade pada fDTp yang tinggi daripada algoritma ASPC dan FSPC, kinerja algoritma FSPC lebih baik daripada ASPC. Sedangkan, untuk keadaan yang tidak ideal, algoritma FSPC lebih tahan (robust) daripada algoritm ASPC dan VSPC, kinerja algoritma VSPC lebih baik daripada ASPC. Pada keadaan ideal, kinerja algoritma VSPC ternyata tidak memberikan perbedaan yang signifikan lebih baik daripada algoritma FSPC, sesuai dengan jumlah bit yang digunakan sehingga penggunaannya akan menyebabkan kerugian bandwidth. Dengan demikian,
i
dengan menggunakan sinyal hasil kombinasi diversitas antena disimpulkan algortima FSPC dengan level step-size ∆p=2 dB lebih baik digunakan dalam sistem seluler CDMA. Kata Kunci: CDMA, power control, FSPC, ASPC, VSPC, fading, diversitas antena, BER, dan Eb/I0.
ii
ABSTRACT In Code Division Multiple Access (CDMA) cellular system, the importance of power control makes many power control algorithm proposed such as fixed step power control (FSPC), adaptive single-bit power control (ASPC), and variable step power control (VSPC), to maintain the uplink capacity by decreasing interference among users. In [1], for ideal condition where there is no error when received PCC bit, concluded that VSPC algorithm performs better than FSPC and ASPC algorithm, ASPC algorithm performs better than FSPC algorithm. In other case, where there is error when received PCC bit, concluded that FSPC algorithm performs better than VSPC and ASPC algorithm, ASPC algorithm performs better than VSPC algorithm. The results were given in [1], was simulating in the extreme deep fade situation that caused the power control algorithm performs ineffectively. By using antenna diversity, we will re-compare the FSPC, ASPC, and VSPC algorithm where extreme deep fade unfound anymore. The research method that has done by simulating use matlab 7.0 software, to get BER value as a function of bit energy to interference power spectral density (Eb/I0). The simulation was done in ideal condition and error condition at PCC bit receiving about 0.1%, 1%, and 10%. The simulation results show that VSPC algorithm performs better than FSPC and ASPC algorithm, and FSPC algorithm performs better than ASPC algorithm for ideal condition. In other case, for non ideal condition, FSPC algorithm performs better than VSPC and ASPC algorithm, and VSPC algorithm performs better than ASPC algorithm. In ideal condition, in fact the performance of VSPC algorithm does not perform better than FSPC algorithm significantly, with number of bit used, therefore the using of VSPC algorithm will cause loss bandwidth. Therefore by using signal of diversity antenna combination concluded that FSPC algorithm with step-size ∆p=2 dB better used in CDMA cellular system.
Key Words: CDMA, power control, FSPC, ASPC, VSPC, fading, Antenna Diversity, BER, and Eb/I0.
iii
KATA PENGANTAR
Puji Syukur sebesar-besarnya penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberi kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini tepat waktu. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan tugas akhir ini, baik yang secara langsung maupun tidak langsung. 1. Kepada Ayah, Ibu, Hengki, Mona dan Nova keluarga tercinta yang selalu mendukung dan mendoakan penulis, dan menjadi motivasi yang sangat besar bagi penulis. Penulis mengucapkan terima kasih atas telepon, doa dan dukungan yang sangat besar. 2. Kepada Pak Adit Kurniawan selaku dosen pembimbing tugas akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih atas bimbingan yang diberikan yang tidak terlupakan dan memohon maaf jika ada kekurangan penulis pada saat bimbingan. 3. Buat Ocha, yang memotivasi penulis dan membantu secara langsung dan tidak langsung dan menjadi teman selama di Bandung. Buat bantuan Ella juga. 4. Kepada teman-teman angkatan XI Yasop, terutama Nani, Farida dan Sovranita. Geng futsal jumat, PS ITB, UBV ITB, dan teman satu kos yang tercinta Bang Nicho, Erikson, Joko, Febrian, dan pendatang baru Sebastian, thanks for everything. 5. Buat Ibu Ika yang telah sangat baik selama penulis tinggal di rumah yang dikontrakkan saya ucapkan terima kasih. Bandung, September 2007 Penulis
Roy Ricardo M
iv
DAFTAR ISI
ABSTRAKSI .................................................................................................................... i
ABSTRACT .................................................................................................................... iii
KATA PENGANTAR ..................................................................................................... iv
DAFTAR ISI....................................................................................................................v
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................................viii
DAFTAR TABEL .......................................................................................................... ..xi
BAB I
PENDAHULUAN ........................................................................................ 1
1.1
Latar Belakang.................................................................................................. 1
1.2
Rumusan Masalah ............................................................................................ 3
1.3
Tujuan ............................................................................................................... 4
1.4
Batasan Masalah ............................................................................................... 4
1.5
Metodologi Penelitian ...................................................................................... 5
1.6
Sistematika Penulisan ....................................................................................... 6
BAB II
POWER CONTROL PADA SISTEM SELULER CDMA DAN DIVERSITAS ANTENA .................................................................... 8
2.1
Karakteristik Kanal Wireless ............................................................................ 8
2.1.1
Large-Scale Propagation.............................................................................. 8
2.1.2
Small-Scale Fading ...................................................................................... 9
2.1.2.1 Time Spreading Sinyal ................................................................................ 9
2.1.2.2 Time Varying Kanal ...................................................................................10
2.2
Kanal Fading Rayleigh....................................................................................11
2.3
Konsep dasar spektrum tersebar ......................................................................12
2.4
Model sinyal CDMA dengan modulasi QPSK ................................................14
2.5
Model kanal pada sistem CDMA ....................................................................16
2.5.1
Model kanal downlink .................................................................................17
2.5.2
Model kanal uplink ......................................................................................18
2.6
Power control pada sistem CDMA ................................................................19
2.6.1
Open-loop power control ..............................................................................19
2.6.2
Closed-loop power control ...........................................................................20
v
2.6.3
Outer-Loop power control ............................................................................22
2.7
Kinerja power control .....................................................................................22
2.8
Pengaruh power control terhadap kapasitas kanal ..........................................23
2.9
Pengukuran SIR dengan auxiliary spreading sequence [1].............................23
2.10
Error random pada kanal downlink sistem CDMA.........................................25
2.11
Diversitas .........................................................................................................26
2.11.1 Diversitas antena [2] .....................................................................................27 BAB III
PERANCANGAN MODEL KANAL DAN SIMULASI POWER CONTROL DENGAN MENGGUNAKAN DIVERSITAS ANTENA .......31
3.1
Simulasi Kanal Fading Rayleigh ..................................................................31
3.2
Perancangan Model Power Control dengan Diversitas Antena ...................34
3.2.1
Fixed Step Power Control (FSPC) .........................................................36
3.2.2
Adaptive Single-bit Power Control (ASPC)...........................................39
3.2.3
Variable Step Power Control (VSPC) ...................................................42
3.3 BAB IV
Parameter Simulasi .......................................................................................45
HASIL SIMULASI DAN ANALISIS ..........................................................46
4.1
Efektifitas penggunaan diversitas antena pada kinerja power control.........46
4.2
Optimasi level step size pada kinerja algoritma FSPC power control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) ................................47
4.3
Efek fading rate pada kinerja power control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) ......................................................................49
4.3.1
Efek fading rate pada kinerja algoritma FSPC power control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) ...............................................49
4.3.2
Efek fading rate pada kinerja algoritma ASPC power control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) ...............................................50
4.3.3
Efek fading rate dan level step size pada kinerja algoritma VSPC power control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) ......................51
4.4
Perbandingan algoritma power control FSPC, ASPC dan VSPC pada setiap kecepatan menggunakan diversitas antenna dan tanpa bit PCC error ...............................................................................52
vi
4.5
Efek bit PCC error pada kinerja power control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) .....................................................................55
4.5.1
Efek bit PCC error pada kinerja algoritma FSPC power control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) ..............................................55
4.5.2
Efek bit PCC error pada kinerja algoritma ASPC power control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) ..............................................56
4.5.3
Efek bit PCC error pada kinerja algoritma VSPC power control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) ..............................................57
4.6
Perbandingan algoritma power control FSPC, ASPC dan VSPC pada setiap kecepatan menggunakan diversitas antena dan dengan bit PCC error 10 ............................................................................59
BAB V
KESIMPULAN DAN RISET LANJUTAN ................................................61
5.1
Kesimpulan ..................................................................................................61
5.2
Riset Lanjutan. .............................................................................................62
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................63
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Tipe small-scale fading ........................................................................... 11
Gambar 2.2
Pelebaran bandwidth setelah proses spreading [5] .................................. 13
Gambar 2.3
Transmisi data baseband DS-CDMA untuk satu user [2] ............................ 14
Gambar 2.4
Model sinyal sistem CDMA bermodulasi QPSK [2]: (a) Modulator ........................................................................................... 14
(b)Demodulator ........................................................................................ 15
Gambar 2.5
Model kanal downlink [5] ........................................................................ 17
Gambar 2.6
Model kanal uplink [5] ............................................................................ 18
Gambar 2.7
Model closed-loop power control pada kanal uplink [2] ......................... 21
Gambar 2.8
Pengukuran SIR dengan auxiliary spreading sequence [2] ..................... 23
Gambar 2.9
Model sederhana diversitas susunan antena [2] ....................................... 28
Gambar 2.10 Diagram blok Selective Combining Diversity ......................................... 28
Gambar 2.11 Diagram blok Equal Gain Combining .................................................... 29
Gambar 2.12 Diagram blok Maximal Ratio Combining ............................................... 30
Gambar 3.1
Hasil simulasi kanal fading Rayleigh dengan kecepatan user 10 km/jam
(fd=16,67 Hz pada data rate = 60 kbps sehingga Ts = 16.67μs) ............. 33
Gambar 3.2
Hasil simulasi kanal fading Rayleigh dengan kecepatan user 30 km/jam
(fd= 50 Hz pada data rate = 60 kbps sehingga Ts = 16.67 μs) ............... 33
Gambar 3.3
Hasil simulasi kanal fading Rayleigh dengan kecepatan user 50 km/jam
(fd= 83,33 Hz pada data rate = 60 kbps sehingga Ts = 16.67 μs) ........... 34
Gambar 3.4
Mekanisme diversitas antena [2] ............................................................. 35
Gambar 3.5
Mekanisme power control berdasarkan SIR [2] ..................................... 36
Gambar 3.6
Flowchart algoritma FSPC ...................................................................... 38
Gambar 3.7
Flowchart algoritma ASPC dengan 3 bit register .................................... 41
Gambar 3.8
Flowchart algoritma VSPC untuk q = 3 level step size 1dB ................... 44
Gambar 4.1
Kinerja Algoritma Power Control dengan menggunakan diversitas
antena (MRC, L=2) dan tanpa diversitas antenna, tanpa bit PCC
error pada kecepatan V=50 km/jam ........................................................ 46
viii
Gambar 4.2 Kinerja Algoritma FSPC Power Control setiap level step size dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) tanpa bit PCC error pada kecepatan V=10 km/jam .......................................................................... 47 Gambar 4.3 Kinerja Algoritma FSPC Power Control setiap level step size dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) tanpa bit PCC error pada kecepatan V=30 km/jam.................................................................. 47 Gambar 4.4 Kinerja Algoritma FSPC Power Control setiap level step size dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) tanpa bit PCC error pada kecepatan V=50 km/jam.................................................................. 48 Gambar 4.5
Kinerja Algoritma FSPC level step size 2 dB Power Control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) tanpa bit PCC error ......... 49
Gambar 4.6
Kinerja Algoritma ASPC Power Control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) tanpa bit PCC error ................................. 50
Gambar 4.7 Kinerja Algoritma VSPC Level step size (dP)1 dB dan 2 dB Power Controldengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) tanpa bit PCC error .................................................................................. 51 Gambar 4.8 Kinerja Algoritma power control FSPC, ASPC dan VSPC menggunakan diversitas antena (MRC,L=2) dan tanpa bit PCC error pada kecepatan 10 km/jam................................................ 52 Gambar 4.9 Kinerja Algoritma power control FSPC, ASPC dan VSPC menggunakan diversitas antena (MRC,L=2) dan tanpa bit PCC error pada kecepatan 30 km/jam................................................ 53 Gambar 4.10 Kinerja Algoritma power control FSPC, ASPC dan VSPC menggunakan diversitas antena (MRC,L=2) dan tanpa bit PCC error pada kecepatan 50 km/jam................................................ 53 Gambar 4.11 Kinerja Algoritma FSPC Level step size 2 dB Power Control dengan menggunakan diversitas antena (MRC,L=2) dengan bit PCC error pada kecepatan 30 km/jam ............................................................................... 55 Gambar 4.12 Kinerja Algoritma ASPC Power Control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) dengan bit PCC error pada kecepatan 30km/jam ................................................................................................. 56
ix
Gambar 4.13 Kinerja Algoritma VSPC Power Control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) dengan bit PCC error pada kecepatan 30km/jam ................................................................................................ 57 Gambar 4.14 Kinerja Algoritma VSPC Power Control dengan menggunakan diversitas antena (MRC, L=2) dengan bit PCC error pada kecepatan 30 km/jam dilihat dari posisi bit yang error ........................................... 58 Gambar 4.15 Kinerja Algoritma power control FSPC, ASPC dan VSPC menggunakan diversitas (MRC,L=2) antena dan dengan bit PCC error 10% pada kecepatan 10 km/jam .............................................................. 59 Gambar 4.16 Kinerja Algoritma power control FSPC, ASPC dan VSPC menggunakan diversitas (MRC,L=2) antena dan dengan bit PCC error 10 % pada kecepatan 30 km/jam ............................................................. 59 Gambar 4.17 Kinerja Algoritma power control FSPC, ASPC dan VSPC menggunakan diversitas (MRC,L=2) antena dan dengan bit PCC error 10 % pada kecepatan 50 km/jam ............................................................. 60
x
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Bit PCC dengan realisasi PCM (q=3) [6] ........................................................ 42
Tabel 3.2 Parameter simulasi ........................................................................................... 45
xi
