ANALISA KETIDAKSEIMBANGAN KAPASITAS KANAL UPLINK DAN KANAL DOWNLINK PADA PELAPISAN NCDMA DAN W-CDMA MENGGUNAKAN KONTROL DAYA BERBASIS SIGNAL INTERFERENCE RATIO Hoga Saragih1 ABSTRACT Capacity unbalance between uplink and downlink in spectrally overlaid narrow-band and wideband CDMA is analyzed by using SIR-based power control. Uplink and downlink channel are not operated in an identical condition, the capacity between uplink and downlink are unequal and either of links determines the whole system capacity. Which links limits the system capacity and what are the limiting factors. Uplink often limits the overall capacity if downlink power control is effective. The users activities plays the most important role in determining the limiting link of connection capacity. The efficiently utilize the bandwidth should devote their efforts to forming services so that the overall activity discrepancy could be mitigated. Increasing capacity has close relationship with power control, by the E way in SIR-based power control keep I in expected. We use calculation method the looping about mean and variance of interference that consider SIR-based power control. Than the result from transmission capacity and connection capacity between uplink and downlink by using power control SIR are compared. b
0
Keywords: capacity unbalance, CDMA, spectrally overlaid system, SIR power control.
ABSTRAK Ketidakseimbangan kapasitas antara kanal uplink dan kanal downlink pada pelapisan narrowband CDMA dan wideband CDMA dianalisa dengan menggunakan kontrol daya berbasis SIR. Kanal uplink dan kanal downlink tidak dioperasikan didalam suatu kondisi yang serupa maka kapasitas antara uplink dan downlink berbeda dan salah satu dari dua link menentukan keseluruhan kapasitas sistem. Link mana yang membatasi kapasitas sistem dan apa yang merupakan faktor pembatasan diselidiki. Uplink seringkali membatasi keseluruhan kapasitas jika kontrol daya downlink efektif. Aktifitas pengguna berperan paling utama didalam menentukan pembatasan link menyangkut kapasitas koneksi. Penggunaan bandwidth yang efisien akan membentuk layanan yang sedemikian rupa sehingga pertentangan keseluruhan aktifitas bisa dikurangi. Peningkatan kapasitas berhubungan erat dengan kontrol daya, bagaimanapun didalam sistem kontrol daya berbasis SIR memelihara EI pada suatu level yang diinginkan. Kita menerapkan metoda kalkulasi yang berulang menyangkut mean dan variance dari interferensi yang dipertimbangkan untuk kontrol daya yang berbasis SIR. Kemudian hasil kapasitas transmisi dan kapasitas koneksi antara uplink dan downlink dengan penerapan kontrol daya SIR dibandingkan. b
0
Kata kunci: capacity unbalance, CDMA, spectrally overlaid system, SIR power control
1
Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, The University of 17 Agustus Jakarta, Jalan Sunter Permai Raya, Sunter Agung Podomoro, Jakarta Utara, Indonesia, e-mail:
[email protected] 23 Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 18, No. 1, Februari 2008
1.
PENDAHULUAN Untuk mengatasi keterbatasan frekuensi konsep pendekatan yang dilakukan adalah spectrally overlaid narrowband CDMA (N-CDMA) dan wideband CDMA (W-CDMA). Kapasitas sistem overlaid baik uplink maupun downlink diuji (Kim, I. G., D. Kim, and D. G. Jeong ,1997), (Kim, I.G. and D. Kim, and D. G. Jeong ,1997). Dikarenakan adanya kondisi yang asymmetry antara uplink dan downlink, maka kapasitas kanal uplink dan kapasitas kanal downlink menjadi tidak seimbang (Kim, D and D.G. Jeong, 2000). Salah satu permasalahan dalam jaringan komunikasi bergerak selular dengan metoda akses jamak CDMA adalah menentukan banyaknya pengguna yang dapat diakses pada downlink maupun uplink. Untuk meningkatkan kapasitas pada kedua link ini diperlukan kontrol daya. Studi yang telah dilakukan oleh Gilhousen, K. S. dkk (1991), Viterbi, A. J., A. M. Viterbi, and E. Zehavi (1994), Ariyavisitakul, S. (1993, 1994) telah mempertimbangkan sistem kontrol daya strength-based, dimana masing-masing signal pengguna tiba di home base station dengan kuat daya signal yang sama, Base station (BS) mengukur daya yang diterima dan membandingkannya dengan suatu tingkat daya yang diinginkan dan kemudian memancarkan bit kontrol daya. Salah satu kekurangan strength-based adalah menjaga daya yang diterima tanpa melihat perubahan jumlah pengguna aktif dan jumlah total interferensi sel lain. Pada kontrol daya berbasis SIR Ariyavisitakul S. (1992), (Kim, D. K. and D. K. Sung, 2000), Kim, D. K. dan 24
K. F. Adachi, 2000) dalam menentukan nilai bit kontrol daya dengan membandingkan SIR penerima dengan SIR ambang batas yang diinginkan. Kontrol daya berbasis SIR lebih baik dalam menentukan karakteristik transmisi dibanding dengan kontrol daya berbasis signal strength, ini dikarenakan kontrol daya berbasis SIR menjaga daya dengan melihat penambahan jumlah pengguna aktif dan interferensi dari sel lain. 2.
KAPASITAS SISTEM DENGAN KONTROL DAYA STRENGTH 2.1. Kapasitas Transmisi Uplink Pada setiap pengguna N-CDMA dan W-CDMA menempati lebar pita masingmasing, yang dilambangkan dengan Bn dan B w . Dalam uplink, kapasitas transmisi W-CDMA (C wu ) dibatasi oleh [3] : fC nu u u −1 C w ≤ B w ((1 + ζ ) × 1 + Bn − C nu ( 1 + ζ ) γ n
−1
.....(1) di mana C = α n Rn K , C = α w Rw K wu , E γ n dan γ w memerlukan b , dan ζ u N0 merupakan perbandingan penjumlahan daya yang diterima dari sel lain terhadap daya dari home cell [1]. f merupakan alokasi frekuensi, jika α n = α w = 1 maka C nu dan C wu u n
u n
u w
merupakan kapasitas transmisi. Jika α n dan α w mempunyai nilai yang real dalam faktor aktivitas suara , dan Rn dan R w digunakan informasi bit rate maka
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 18, No.1, Februari 2008
K nu dan koneksi.
K wu
merupakan
kapasitas
2.2. Kapasitas Transmisi Downlink Pada downlink, diperlukan chip pilot energy-to-noise density ratio E c untuk N 0
pilot yang ditandai γ n,c dan γ w,c . Kita menganggap di dalam tulisan ini B γ c ,n = w γ c , w . Bn Masing-masing pengguna memerlukan kualitas channel traffik seperti halnya kualitas pilot, kapasitas transmisi W-CDMA (C wd ) dalam downlink dibatasi oleh [3] : −1
B C A D ρ fCd 1+ + 1+ + D fA n n Z Z Z Z d d −1 Cw ≤ Bw((ξ +ζ )ρwγ b,w) 1+ + + Bn Z Z B fC −Cnd 1+ + d (ξ +ζ )γ b,n Z Z
.....(2) dimana A = (ξ + ζ d )γ c ,n
.....(3)
B = (ξ + ζ d )γ c ,n (1 − (1 − f )(ξ + ζ d )γ c , w ) .....(4) d C = (ξ + ζ )γ c , w .....(5) D = (ξ + ζ d )γ c , w (1 − (1 − f )(ξ + ζ d )γ c ,n ) .....(6) dan Z = 1 − (ξ + ζ d )(γ c,w + γ c,n ) + (1 − f )(ξ + ζ d ) 2 γ c,wγ c,n
.....(7) di mana ρ merupakan faktor pengguna spatial distribution dan ξ merupakan faktor interference same-cell downlink yang menandakan perbandingan dalam daya interferensi dari pengguna dalam sel yang sama, yang sisanya didemodulasi dalam penerima dengan total daya yang diterima [2].
3.
KAPASITAS SISTEM DENGAN KONTROL DAYA SIR 3.1. Kapasitas Uplink Rumusan downlink diperoleh mean (m I ) dan variance σ I2 , dituliskan sebagai berikut (Kim, I.G., D. Kim, and D. G. Jeong, 1997), Gilhousen, K. S. dkk (1991), Kim, D. K. and D. K. Sung, 2000), Kim, D. K. dan K. F. Adachi, 2000) : m I = M ⋅ {AWGN }⋅ E [PT ] .....(8) untuk variansinya dirumuskan :
( )
([ ]
)
σ I2 = M 2 ⋅ {AWGN }2 ⋅ E PT 2 − (E[PT ])2 .....(9) dimana E ⋅α ⋅ K M = bw w w .....(10) G w ⋅ S ⋅ Pwst r 40 log 0 rm
∫
AWGN =
e
ln 10 x 10
e−( x − m )
2
/ 4σ 2
4π ⋅ σ 2
−≈
dx
.....(11) r0 = rm
d
2
+ r
2
+ 2 ⋅ d ⋅ r ⋅ cos (θ r
)
.....(12) r merupakan jari-jari sel, S merupakan luas area, G merupakan prosessing gain, d merupakan jarak antara home base station dengan base station lain. Daya totalnya dirumuskan : E bw − I wn G n ⋅ S γ w PT = .....(13) f ⋅ E bn ⋅ α n ⋅ K n 3.2. Kapasitas Downlink Rumusan downlink diperoleh mean (m I ) dan variance σ I2 , dituliskan sebagai berikut [2], [4], [9], [10] : m I = (M + E cw ) ⋅ {AWGN }⋅ E [PT ] .....(14)
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 18, No. 1, Februari 2008
( )
25
untuk variansinya dirumuskan : σ I2 = (M + Ecw )2 ⋅ {AWGN}2 ⋅ E PT 2 − (E[PT ])2 .....(15) Daya total dirumuskan : Ebw − I wn Gn ⋅ S − f ⋅ Ebn ⋅ β n γ w PT = f ⋅ Ebn ⋅ α n ⋅ K n .....(16)
([ ]
)
4. HASIL DAN ANALISA 4.1. Analisa Kapasitas Transmisi Gambar 1. menunjukkan efek dari faktor interferensi kanal uplink dan kanal downlink pada kapasitas transmisi N-CDMA dengan W-CDMA, dengan interferensi yang semakin besar mengakibatkan penurunan kapasitas. Penggunaan kontrol daya SIR mengakibatkan peningkatan kapasitas
baik pada kanal uplink maupun kanal downlink. Hal ini dikarenakan melalui SIR interferensi yang diperoleh adalah interferensi rata-rata. Gambar 2 menunjukkan efek dari signal to noise ratio pada kapasitas transmisi yang menyatakan nilai bit energy-to-noise density ratio yang semakin menurun tetapi kapasitas sistem semakin meningkatkan, baik pada kanal uplink maupun pada kanal downlink. Hal ini tergantung pada tingkat kesalahan data atau bit error rate yang dibutuhkan. Nilai bit energy-tonoise density ratio dengan interferensi yang semakin besar diakibatkan dari pengguna yang banyak, dengan jumlah pengguna yang tinggi maka kapasitas akan semakin kecil.
Gambar 1. Efek dari faktor interferensi pada kapasitas transmisi dengan
γ wd = 26
γ wu =
3 ; 2.905,
3 ; 2.618.
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 18, No.1, Februari 2008
γ wd pada kapasitas transmisi dengan γ wu = 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 1.924 ; d 2.905 ; 3.883 ; 4.859, γ w = 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 1.644 ; 2.618 ; 3.359 ; 4.571
Gambar 2. Efek dari
γ wu
dan
Gambar 3. Efek dari alokasi frekuensi N-CDMA pada kapasitas transmisi dengan 0.5 ; 0.75 ; 1,
u w
d w
γ = 3 ; 2.905 γ =
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 18, No. 1, Februari 2008
f = 0.25 ;
3 ; 2.618. 27
α wu dan α wd pada kapasitas koneksi dengan α nu = 0.42 α nd = 0.42 α wu = d u d 0.1 ; 0.3 , α w = 0.1 ; 0.3 ; 0.5 ; 0.7 , γ w = 3 ; 2.905 , γ w = 3 ; 2.618.
Gambar 4. Efek dari
Gambar 5. Efek dari faktor interferensi pada kapasitas koneksi dengan
γ wu = 3 ; 2.905,
γ wd = 3 ; 2.618. 28
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 18, No.1, Februari 2008
γ wu dan γ wd pada kapasitas koneksi dengan γ wu = 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 1.924 ; d 2.905 ; 3.883 ; 4.859, γ w = 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 1.644 ; 2.618 ; 3.359 ; 4.571.
Gambar 6. Efek dari
Gambar 7. Efek dari alokasi frekuensi N-CDMA pada kapasitas koneksi dengan 0.5 ; 0.75 ; 1,
u w
γ =
3 ; 2.905 ,
d w
γ =
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 18, No. 1, Februari 2008
f = 0.25 ;
3 ; 2.618 . 29
Gambar 3. menunjukkan efek dari alokasi frekuensi N-CDMA pada kapasitas transmisi yang menunjukkan bila alokasi frekuensi yang digunakan sedikit maka jumlah pengguna dari NCDMA semakin kecil, namun belum tentu pengguna W-CDMA menjadi banyak. Hal ini terjadi karena bila pengguna N-CDMA terkonsentrasi hanya pada alokasi frekuensi yang sedikit maka akan menyebabkan pengguna W-CDMA mengalami interferensi yang besar pada daerah frekuensi tersebut. 4.2. Analisa Kapasitas Koneksi Gambar 4. menunjukkan efek dari faktor aktifitas pada kapasitas koneksi yang menyatakan batas daerah kapasitas dengan berbagai macam aktifitas data ditampilkan, terlihat bahwa bila aktivitas data pengguna W-CDMA meningkat maka kapasitas sistem menjadi semakin kecil. Bila aktivitas meningkat, hal itu disebabkan dari jumlah pengguna pada kapasitas koneksi menggunakan hubungan koneksi lebih sering, sehingga pengguna yang menggunakan aktifitas informasi yang banyak mengakibatkan interferensi terhadap pengguna yang lainnya. Karena sinyal interferensi lebih besar maka jumlah pengguna yang dapat dilayani secara bersamaan menjadi lebih sedikit. Gambar 5. menunjukkan efek dari faktor interferensi pada kapasitas koneksi ditunjukkan dengan nilai – nilai parameter yang sama digunakan didalam Gambar 1. tapi perbedaanya pada Gambar 1. setiap pergeseran faktor interferensi mempengaruhi pembatasan kapasitas sistem. Sedangkan pada Gambar 5. setiap pergeseran faktor 30
interferensi tidak mempengaruhi pembatasan kapasitas sistem Gambar 6. menunjukkan efek γ wu dan γ wd pada kapasitas koneksi seperti pada Gambar 2. dalam kapasitas transmisi. Peningkatan didalam γ wd secara langsung meningkatkan kapasitas sistem. Nilai γ wu dan γ wd yang diperoleh melalui perhitungan interferensi rata-rata dalam sistem yang menggunakan kontrol daya SIR, pada perhitungan didapatkan bahwa nilai interferensi rata-rata yang konstan mempengaruhi kinerja signal to noise ratio. Gambar 7. menunjukkan efek alokasi frekuensi N-CDMA pada kapasitas koneksi digambarkan dari parameter yang digunakan. Gambar 3. dan Gambar 7. meskipun berbeda namun ada persamaan parameter yang digunakan, perbedaan dapat dilihat dari jumlah kapasitas dan faktor aktifitas, faktor aktifitas mempengaruhi kapasitas koneksi dikarenakan jumlah aktifitas tidak mungkin lebih dari satu. 5.
KESIMPULAN Faktor yang mempengaruhi kapasitas adalah interferensi, bit energy to noise ratio dan faktor aktifitas. Semakin besar bit energy to noise density ratio maka kapasitas akan semakin menurun. Semakin besar faktor aktifitas maka kapasitas akan semakin menurun. Semakin besar interferensi maka kapasitas akan semakin kecil. Penggunaan kontrol daya SIR dapat meningkatkan kapasitas. DAFTAR PUSTAKA Ariyavisitakul, S. (1993), “Signal and interference statistics of a CDMA system with feedback power
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 18, No.1, Februari 2008
control,” IEEE Trans. Commun., vol. 41, pp. 1626–1634, Nov.. Ariyavisitakul, S. (1994), “Signal and interference statistics of a CDMA system with feedback power control—Part II,” IEEE Trans. Commun., vol. 42, pp. 579–605, Feb./Mar./Apr.. Ariyavisitakul S. (1992), “SIR-based power control in a CDMA system,” in Proc. Globecom, pp. 868–873, 1992. Gilhousen, K. S., I. M. Jacobs, R. Padovani, A. J. Viterbi, L. A. Weaver Jr., and C. E. Wheatley III (1991), “On the capacity of a cellular CDMA system,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 40, pp. 303–312, May. Kim, I. G., D. Kim, and D. G. Jeong (1997), “Spectrally overlaid narrowband and wideband CDMA systems,” IEEE Commun. Lett., vol. 1, pp. 74–76, May. Kim, I.G., D. Kim, and D. G. Jeong (1997), “Forward link capacity of spectrally overlaid narrowband and
wideband CDMA systems,” in Proc. IEEE VTC, Phoenix, AZ, pp. 1445– 1449, May. Kim, D., and D.G. Jeong (2000), “Capacity unbalance between uplink and downlink in spectrally overlaid narrowband and wideband CDMA mobile systems,” IEEE trans. On VTC, vol.49 no.4, July. Kim, D. K. and D. K. Sung (2000), Capacity estimation for SIR based power control CDMA system supporting on-off traffik, IEEE trans.On VTC, vol 49 no 4, July. Kim, D. K. dan K. F. Adachi (2000), “Capacity estimation for overlaid multiband CDMA systems with SIR-Based Power Control,” Duk Kyung IECE TRANS. COMMUN., Vol.E83-B, No.7, pp1454-1464, July Viterbi, A. J., A. M. Viterbi, and E. Zehavi (1994), “Other-cell interference in cellular power-controlled CDMA,” IEEE Trans. Commun., vol. 42, pp. 1501–1504, Feb./Mar./ Apr.
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 18, No. 1, Februari 2008
31
