Pertimbangan Perlunya Power Control dalam Sistem Selular CDMA

1 PENGANTAR

Dalam sistem direct seguence - code division multiple access (DS-CDMA), kebutuhan terhadap power control merupakan hal yang harus mendapat perhatian. Masalah power control ini timbul akibat adanya interferensi multiuser. Semua mobile station dalam sistem DS-CDMA mengirim data menggunakan bandwidth yang sama pada waktu yang sama dan karenanya semua mobile station : aling menginterferensi satu sama lain. Akibat mekanisme pro-pagansi, sinyal yang diterima oleh base station dari sebuah mobile tation yang dekat dengan base station akan jauh lebih kuat dari-pada sinyal yang diterima dari mobile station lain yang terletak pada perbatasan sel Karenanya mobile station yang jauh akan didominasi oleh mobile station yang dekat dengan basc station. Jika ini terjadi, kapasitas sistem akan turun dengan signifikan.

Untuk mencapai kapasitas yang optimum, semua sinyal tanpa tergantung pada jaralcnya ke base station, harus diterima base station dengan mean daya yang sama. Solusi untuk masalah ini adalah power control, yang berusaha agar mean daya yanlg diterima base station tetap konstan untuk tiap mobile station.

Maka dari itu, kinerja mekanisme power control merupakan salah satu faktor yang penting dalam perencanaan sistem selular CDMA.

2 EFEK NEAR-FAR

 

Efek near-far disebut juga interferensi near-far terjadi karena adanya perbedaan jarak ke base station antara user yang satu dengan user yang lain. Sinyal yang diterima oleh base station dari user yang dekat lebih kuat daripada sinyal yang diterima dari user yang lebih jauh. Sinyal yang lebih kuat itu akan menutup sinyal yang lebih lemah.

Gambar 1 Sistem selular CDMA dengan sumber interferensi

Efek near-far dalam sistem seluiar CDMA seperti di atas, dijelas-kan dengan menyatakan daya rata-rata yang diterima base station pada pusat sel sebagai

                                                                                                (1)

Disini,  merupakan eksponen sesuai dengan hukum path-loss untuk kanal mobile radio yang memiliki nilai antara 2 sampai 5 dan r didefinisikan sebagai jarak (ternormalisasi) dari mobile station ke base station:

                                                                                           (2)

dimana dmerupakan jarak dari base station ke mobile station dan dmax merupakan jari-jari sel dengan base station terletak pada pusatnya.

Untuk menganalisis efek near-far pada sistem seliilar CDN4A, perlu diasumsikan suatu distribusi spatial dari trafik yang di-bangkitkan,  yang relevan.  didefinisikan sebagai jumlah mobile station per satuan luas pada jarak r dari base station.

Secara umum distribusi spatial yang diasumsikan harus men-dekati model yang nyata dan mudah dianalisis. Model spatial distribusi yang sesuai untuk analisis efek near-far pada lingkungan mobile adalah dengan Rayleigh fading dan log-normal shadow-ing, Fungsi distribusi spatial yang umum diasumsikan sebagai

                                                       (3)

dimana  merupakan daya rata-rata,  adalah variansi spatial logaritmik, dan  merupakan total trafik yang ditawarkan.

Gambar 2 memperlihatkan grafik  terhadap r untuk  dan standar deviasi spatial , sebagai suatu parameter dengan menganggap  (Gambar 4.2a),  (Gambar 2b), dan  (Gambar 2c).

Gambar 2 Distribusi spatial dari trafik: (a) ; (b) ;  (c)  

dengan total trafik Nt = 1

N(r) mensimulasikan suatu distribusi trafik dimana sebagian besar sinyal dari user tiba dari jarak yang jauh sebagaimana dapat dibandingkan untuk kasus  > 6 dB. Suatu nilai  yang sesuai dapat dipilih untuk menganalisis efek near-far pada sistem selular CDMA untuk suatu nilai  dan distribusi spatial trafik yang tertentu. Gambar 2 memperlihatkan bahwa  meningkat dengan meningkatnya  untuk distribusi trafik yang sama. Dengan mendefinisikan suatu faktor bentuk distribusi  sebagai

                                                                                                                               (4)

dan dengan menggunakan (4.1), (4.3) dapat dinyatakan sebagai

                                                      (5)

Dari persamaan di atas, suatu distribusi mobile station yang berbeda dapat diperoleh dengan hanya mengubah 5/sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3. Dengan demikian tidak perlu lagi penggambaran fungsi distribusi N(r) untuk beberapa kombinasi dari  dan . Oleh karena itu  disebut faktor bentuk distribusi spatial dan menentukan bentuk dari distribusi spatial. Dapat di-lihat dari Gambar 2 dan Gambar 3 bahwa terdapat mobile station di luar batas sel (di luar r = 1). Distribusi spatial seperti itu merupakan anggapan yang realistik sebab dalam sistem selular CDMA ukuran kluster adalah 1, artinya tiap sel menggunakan frekuensi carrier atau bandwith carrier yang sama. Oleh karena itu dalam sistem selular CDMA, setiap base station tidak hanya me-nerima interferensi dari mobile station di dalam selnya sendiri, tetapi juga dari mobile station yang terletak pada sel-sel di sekitarya.

Dengan menggunakan persamaan (5), probability density function (pdf) dari jarak antara mobile station dan base station dapat diperoleh, yaitu:

                                          (.6)

Menggunakan (4.1)  dan  (4.6), pdf dari daya  rata-rata yang diterima  menjadi

                                                (7)

Persamaan (7) memperlihatkan bahwa pdf dari daya rata-rata yang diterima merupakan suatu distribusi log-normal dengan rata-rata logaritmik nol dan variansi logaritmik . Nilai  tergantung pada bentuk N(r) yang disebabkan oleh faktor  dan eksponen path-loss . Alasan penggunaan distribusi mobile station spatial yang diberikan oleh persamaan (5) adalah sebagai ber-ikut:

1. Pdf dari daya rata-rata mempunyai distribusi iog-normal, yang menjadikan analisis relatif mudah.

2. Efek dari nilai eksponen path-loss , yang berbeda dapat dianalisis.

3. Efek dari perbedaan nilai distribusi spatial untuk semua interferer dapat diinvestigasi dengan mengubah parameter  (Gambar4.3).

4. Efek near-far dapat dianalisis dalam suatu lingkungan Ray-leigh Jfading dan log-normal fading. Distribusi tersebut realistik untuk lingkungan CDMA.

.

.

.

berlangsung mobile station tidak aktif sepanjang waktu, tetapi mengalami fase tidak aktif dengan probabilitas waktu tertentu. Dalam suatu komunikasi percakapan, seorang mobile station aktif sekitar 35% sampai 40% dari seluruh waktu komunikasi. Dengan pengamatan aktivitas suara, interferensi multiuser dapat dikurangi.

2.1 Sistem Sel Tunggal

Suatu sel tunggal digambarkan dalam Gambar 4 dengan sebuah area lingkaran. Base station diasumsikan menempati pusat lingkaran, dan N mobile station bergerak mengelilingihya. Untuk keperluan analisis, diambil satu mobile station referensi sehingga ^; terdapat N-1 interferer.

Di sini n_a adalah jumlah maksimum interfereryang aktif.

Pada kondisi real, suatu sistem power control mempunyai sifat tidak sempurna. Daya rata-rata yang diterima base station dapat tidak sama untuk tiap sinyal dari mobile station yang ber-beda. Kinerja suatu sistem power control tergantung pada kecepatan sistem power control adaptif, dynamic range dari pemancar, distribusi spasial mobile station, dan statistika propagasi. Ketidaksempumaan dalam sistem power control ditentukan oleh variansi logaritmik  dari distribusi daya log-normal sinyal yang diterima. Dalam kasus power control sempurna, variansi logarit-mik bernilai 0 dB.

Untuk menganalisis kinerja kanal uplink, dalam hal ini kapasitas sistem sel tunggal akibat ketidaksempurnaan power control, dua distribusi spatial digunakan berdasarkan persamaan (5) dengan S_i.0.58 dan S_i.0.69. Tabel 1 memperlihatkan standar deviasi logaritmik dari daya yang diterima untuk kedua distribusi spatial dalam kasus y = 2 dan y = 4.

Tabel 1 Standar deviasi logaritmik Cj untuk dua

distribusi spatial Sj dua eskponen path-loss y

	= 0,58	= 0,69
= 2	= 5 db	= 10 db
= 4	= 6 db	= 12 db

Dalam Gambar5 memperlihatkan probabilitas outage sebagai fungsi dari jumlah mobile station per sel untuk situasi tanpa power control dan dengan power control sempurna. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa kinerja akan menurun dengan naik-nya standar deviasi logaritmik dari daya yang diterima akibat efek near-far.

masalah adalah menggambarkan interferensi yang dihasilkan oleh mobile station di dalam sel-sel sekitarnya. Untuk memecahkan masalah ini, digunakan hasil yang telah dicapai Gilhausen dkk, yaitu bahwa total interferensi dari sel-sel sekitarnya dimodelkan sebagai suatu random variabel Gaussian dengan mean µ dan variansi logaritmik D². Momen linear diestimasi dengan mengguna-kan simulasi komputer dan mengasumsikan shadowingdengari σ_s = 8 dB dan sektorisasi dengan tiga sektor per sel. Dengan cara tersebiit diperoleh bahwa nilai λ = 0,247N_S dan D²  0,078N_S dimana N_s merupakan jumlah mobile station per sektor.

Tanpa sektorisasi diasumsikan bahwa N = 3N_S Total interferensi dari sel-sel tetangga dimodelkan disini sebagai random variable log-normal dengan mean logaritmik m_s1 dan variansi logaritmik σ²_s1.       

Momen m_s1 dan σ²_s1 dapat dinyatakan dengan µ dan D sebagai berikut :

Dalam kasus power control tidak sempurna, total daya inter-ferensi merupakan jumlah dari daya interferensi yang diterima dari mobile station pada selnya sendiri dan dari mobile station dalam sel-sel tetangganya. Probabilitas outage dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (16) setelah mensubstitusi nilai yang sesuai untuk  dan . Nilai yang sesuai untuk  dan  diperoleh dengan menjumlahkan N-1 sinyal interferer yang terdistribusi secara log-normal dan sel sendiri dengan  ditentukan oleh ketidaksempurnaan power control dan gabungan sinyal interferer yang terdistribusi log-normal dari sel-sel tetangga dengan  ditentukan oleh jumlah mobile station N.

Gambar 7 memperlihatkan probabilitas outage untuk sebuah sistem sel jamak dengan power control sempuma dan tidak sempurma. Sementara dalam Gambar 8 diperlihatkan kapasitas sebagai fungsi dari ketidaksempumaan power control untuk beberapa nilai processing gain G.

Tabel 4 dan Gambar 9 memperlihatkan suatu perbandingan antara kapasitas kanal uplink untuk sistem sel tunggal dan sistem sel jamak. Dalam sistem sel jamak, kapasitas berkurang akibat adanya interferensi dari mobile station dalam sel-sel tetangga.

Tabel 4 Kapasitas kanal uplinkpada sistem CDMA untuk sel

tunggal dan sel jamak

3.  POWER CONTROL PADA KANAL DOWN LINK

 

Dalam sistem selular CDMA, setiap base station mengirim sinyal ke semua mobile station yang aktif dalam daerah layanan-nya dengan menggunakan minimal satu antena. Karena itu setiap ,mobile station menerima sinyal gabungan dari base station terdiri dari sinyal yang diinginkan dan N-l sinyak interferer, dengan asumsi Afmobile station persel

3.1 Sel Tunggal

Dengan asumsi bahwa daya yang ditransmisikan oleh base station untuk mencapai sebuah mobile station adalah sama untuk setiap mobile station, carrier-to-interference ratio dari sinyal yang diterima oleh mobile station referensi tanpa tergantung pada posisinya di dalam sel adalah 1/(N-1) dengan N-1 merupakan jumlah interferer Dengan demikian jelas bahwa dalam sistem sel tunggal forward power control tidak diperlukan. Hal ini berarti bahwa kapasitas sistgm sekitar CDMA sel tunggal dibatasi oleh kualitas dari powercontrolpada. kanal uplink

3.2 Sel Jamak

Dalam sebuah sistem selular CDMA sel jamak, situasi men-jadi lebih rumit daripada sistem sel tunggal. User yang berada dekat perbatasan dari tiga sel akan menerima interferensi yang cukup signifikan dari base station lain. Di sini carrier-to-inter-ference ratio dihitung untuk satu user referensi yang terletak pada titik ini dengan mempertimbangkan 12 base station terdekat se-bagaimana diperlihatkan Gambar  10.

 

Dari persamaan (25) dapat dilihat dengan jelas bahwa y mempunyai standar deviasi logaritmik  yang sama, tetapi dengan mean logaritmik . Selanjutnya 12 random variable dapat dihitung lagi dengan menggunakan algoritma Schwaiiz dan Yeh untuk nilai  antara 4 sampai 12 dB dan algoritma Fenton untuk nilai  kurang dari 4 dB. Dengan mengetahui pdf dari daya yang diinginkan dari total daya interferensi yang diterima oleh mobile station referensi, maka probabilitas outage sebagai fungsi dari jumlah mobile station N dapat diperoleh.

Dalam Gambar 11 kapasitas kanal downlink diperlihatkan sebagai fungsi dari standar deviasi logaritmik  untuk probabilitas outage 0,01 serta beberapa nilai processing gain G dan variable aktivitas suara a = 0,375. Gambar tersebut memperlihatkan bahwa kapasitas sistem selular CDMA pada kanal downlink me-nurun secara signifikan untuk lingkungan shadowing ketika power control pada kanal downlink tidak diterapkan.

Hal yang serupa juga ditunjukkan pada Tabel 5. Dalam tabel tersebut diperlihatkan kapasitas kanal donwlinktanpa kanal downlinkpower control dalam iingkungan shadowing. Dari tabel tersebut dapat disimpulkan bahwa lingkungan shadowing, sistem CDMA perlu menerapkan power control kanal downlink untuk mendapati kapasitas yang optimum.

Posted in: Sistem Komunikasi Berbasis Selular