Komunikasi Selular Digital CDMA

Komunikasi Seluler Digital CDMA

Standar Seluler Digital IS-95

Dengan IS-95 setiap user dalam suatu sel dan user dalam sel-sel yang berdekatan dapat menggunakan kanal radio yang sama, karena merupakan sistem Direct Sequence Spread Spectrum CDMA.

Data rate user dapat berubah-ubah tergantung pada aktivitas voice dan persyaratan dalam jaringan. Pada link forward dan reverse digunakan metode modulasi dan spreading yang berbeda. Pada link forward, base station secara simultan mentransmisikan data user untuk seluruh mobile dalam sell dengan menggunakan deretan spreading yang berbeda untuk setiap mobile. Kode pilot ditransmisikan secara simultan dan pada level daya yang lebih tinggi, yang memungkinkan seluruh mobile menggunakan deteksi carrier coherent dan estimasi kondisi kanal. Pada link reverse, seluruh mobile merespon secara asinkron dan memiliki level sinyal konstan karena adanya kontrol daya yang diterapkan oleh base station.

Speech coder yang digunakan pada sistem IS-95 adalah Qualcomm 9600 bps Code Excited Linear Predictive (QCELP).

Spesifikasi Kanal dan Frekuensi

Operasi reverse link IS-95 adalah pada band 824-849 MHz dan untuk forward link 869 – 894 MHz. Setiap pasangan kanal forward dan reverse terpisah 45 MHz. Banyak user menggunakan kanal yang sama untuk transmisi.

Kanal forward CDMA

Kanal forward CDMA terdiri dari satu kanal pilot, satu kanal sinkronisasi, maksimum tujuh kanal paging, dan maksimum 63 kanal trafik forward. Kanal pilot memungkinkan suatu mobile station memperoleh timing untuk kanal CDMA forward, yang menyajikan referense fase untuk demodulasi koheren dan menyajikan sarana untuk perbandingan level sinyal untuk setiap mobile yang diberikan ke base station untuk penentuan handoff. Kanal sinkronisasi mem-broadcast pesan sinkronisasi ke mobile station dan beroperasi pada 1200 bps. Kanal paging untuk mengirimkan informasi kontrol  dan pesan paging dari base station ke mobile-mobile dan beroperasi pada 9600, 4800, dan 2400 bps. Kanal trafik forward (FTC) mendukung data rate user 9600, 4800, 2400, atau 1200 bps.

Gambar 1 mendeskripsikan proses modulasi kanal trafik forward.

Gambar 1. Proses modulasi kanal forward CDMA

Voice atau data user dikodekan dengan menggunakan half rate convolutional encoder dengan batasan panjang 9. Setelah itu symbol dikirimkan ke block interleaver 20 ms, yaitu array 24 x 15.

Pada kanal forward, direct sequence digunakan untuk data scrambling. Long PN sequence secara unik yang diberikan kepada setiap user merupakan kode panjang yang periodic dengan periode 2⁴²-1 chip. Kode panjang tersebut dispesifikasikan oleh karakteristik polynomial berikut :

p(x) = x⁴² + x³⁵ + x³³ + x³¹ + x²⁷ + x²⁶ + x²⁵ + x²² + x²¹ + x¹⁹ + x¹⁸ + x¹⁷ + x¹⁶ + x¹⁰ + x⁷ + x⁶ + x⁵ + x³ + x² + x + 1

Setiap chip PN dari kode panjang dihasilkan dari inner produk modulo-2 dari 42 bit mask dan 42 bit state dari generator deretan. Dua tipe mask digunakan : public mask untuk ESN dari mobile station dan private mask untuk mobile station identification number (MIN). Seluruh panggilan CDMA dimulai dengan menggunakan publik mask. Transisi ke private mask dilaksanakan setelah autentikasi. Public long code dispesifikasikan : M₄₁ s/d M₃₂ diset ke 1100011000, dan M₃₁ s/d M₀ diset ke suatu permutasi bit-bit ESN dari mobile station. Permutasi dispesifikasikan sebagai berikut :

ESN = (E₃₁,E₃₀,E₂₉,E₂₈,E₂₇, ……….E₃,E₂,E₁,E₀)

Permutasi ESN = (E₀,E₃₁,E₂₂,E₁₃,E₄,E₂₆,E₁₇,E₈,E₃₀,E₂₁,E₁₂,E₃,E₂₅,E₁₆,E₇,E₂₉,E₂₀,E₁₁,E₂,E₂₄,E₁₅,E₆,E₂₈,E₁₉,E₁₀,E₁,E₂₃,E₁₄,E₅,E₂₇,E₁₈,E₉)

Private long code mask dispesifikasikan sedemikian sehingga M₄₁ dan M₄₀ diset ke ‘01’, dan M₃₉ s/d M₀ diset oleh prosedur private. Gambar 2 mengilustrasikan format long code mask.

Untuk meminimalisasi BER rata-rata untuk setiap pengguna, IS-95 memaksa setiap pengguna untuk menyajikan level daya yang sama pada receiver base station. Receiver kanal trafik reverse pada base station mengestimasi dan merespon kuat sinyal (yaitu kuat sinyal + interferensi) untuk mobile station tertentu. Oleh karena sinyal dan interferensi yang terus-menerus bervariasi, power control update dikirimkan oleh base station setiap 125 ms. Perintah power control dikirimkan ke setiap unit pelanggan pada subchannel power control yang menginstruksikan mobile untuk menaikkan atau menurunkan daya transmisinya dalam langkah 1 dB. Jika sinyal yang diterima rendah, ‘0’ ditransmisikan pada subchannel power control, yang menginstruksikan mobile tersebut menaikkan level daya output-nya. Jika daya mobile cukup tinggi, ‘1’ ditransmisikan untuk mengindikasikan bahwa mobile station mesti menurunkan level dayanya. Bit power control berhubungan dengan dua symbol modulasi pada kanal trafik forward. Bit-bit kontrol daya diselipkan setelah data scrambling seperti pada gambar 3.

Gambar 3. Randomisasi posisi bit kontrol daya pada kanal trafik forward IS-95

Selama periode 1,25 ms, 24 data symbol ditransmisikan, dan IS-95 menspesifikasikan 16 posisi grup kontrol daya yang mungkin untuk bit kontrol daya. Setiap posisi berhubungan dengan satu dari 16 symbol modulasi yang pertama. Hanya 4 bit terakhir dari 24 bit yang digunakan untuk menentukan posisi bit kontrol daya. Pada contoh yang diperlihatkan pada gambar 3, 4 bit terakhir (23, 22, 21, dan 20) adalah 1011 (11 dalam desimal), dan oleh karenanya bit kontrol daya mulai pada posisi sebelas.

Orthogonal “covering” dilaksanakan setelah data scrambling pada link forward. Setiap kanal trafik yang ditransmisikan pada kanal forward CDMMA di-spread dengan fungsi Walsh pada chip rate tetap 1,2288 Mcps. Fungsi Walsh terdiri dari 64 deretan biner, setiap deretan memiliki panjang 64, yang saling orthogonal satu sama lain dan menyajikan kanalisasi orthogonal untuk seluruh user pada link forward. Seorang user yang di-spread dengan fungsi Walsh n diberikan nomor kanal n (n = 0 s/d 63). Deretan Walsh berulang setiap 52,083 ms, yang sama dengan satu symbol data terkode, dengan kata lain, setiap data symbol di-spread dengan 64 Walsh chips.

Matriks fungsi Walsh 64 x 64 dihasilkan dari prosedur berikut :

H1 = 0                                    

                          di mana N adalah hasil pangkat 2

Setiap baris dalam matriks 64 x 64 Walsh berhubungan dengan nomor kanal. Untuk kanal nomor n, symbol pada transmitter di-spread dengan 64 Walsh chips pada baris ke-n dari matriks fungsi Walsh. Kanal nomor 0 selalu diberikan ke kanal pilot. Kanal sinkronisasi diberikan pada kanal nomor 32. Seluruh kanal yang tersisa tersedia untuk kanal trafik forward.

Kemudian, symbol di-spread seperti pada gambar 1. Suatu deretan spreading biner pendek, dengan periode 2¹⁵-1 chip, digunakan untuk akuisisi dan sinkronisasi pada setiap receiver mobile dan digunakan untuk modulasi. Polynomial-nya adalah :

P_I(x) = x¹⁵ + x¹³ + x⁹ + x⁸ + x⁷ + x⁵ +1 untuk modulasi in-phase (I) dan

P_Q(x) = x¹⁵ + x¹² + x¹¹ + x¹⁰ + x⁶ + x⁵ + x⁴ + x³ +1 untuk modulasi quadrature (Q).

Keadaan awal dari deretan PN pilot I dan Q didefinisikan sebagai keadaan di mana output generator deretan PN pilot merupakan output ‘1’ pertama setelah 15 output ‘0’ berturut-turut. Output biner I dan Q dari spreading quadrature dipetakan menjadi fase sesuai tabel 1.

Tabel 1. Pemetaan Kanal I dan Q forward CDMA

I	Q	Fase
0	0	p/4
1	0	3p/4
1	1	-3p/4
0	1	-p/4

Kanal Reverse CDMA

Proses modulasi kanal trafik reverse diperlihatkan pada gambar 4. Data user pada kanal reverse dikelompokkan ke dalam frame 20 ms.

Gambar 4. Proses modulasi kanal reverse IS-95 untuk satu user

Kanal-kanal reverse CDMA terdiri dari kanal akses (AC) dan kanal trafik reverse (RTC) yang menggunakan frequency assignment yang sama, dan setiap Traffic/Access channel diidentifikasikan oleh long code user khusus. Kanal akses digunakan oleh mobile untuk memulai komunikasi dengan base station dan merespon pesan-pesan kanal paging.

Block interleaving dilaksanakan setelah convolutional encoding dan repetition. Block interleaver rentangnya 20 ms, dan merupakan array dengan 32 baris dan 18 kolom. Simbol kode dituliskan ke matriks per kolom dan dibaca per baris.

Modulasi 64-ary orthogonal digunakan untuk kanal CDMA reverse. Satu dari 64 fungsi Walsh yang mungkin ditransmisikan untuk setiap kelompok enam bit terkode. Fungsi Walsh dipilih berdasarkan formula :

Nomor fungsi Walsh = c₀ + 2c₁ + 4c₂ + 8c₃ + 16c₄ + 32c₅

di mana c5 merepresentasikan bit yang terkode terakhir dan c0 mewakili bit terkode pertama untuk setiap kelompok yang terdiri dari enam symbol terkode yang digunakan untuk memilih fungsi Walsh. Walsh chips ditransmisikan pada rate 307,2 kcps seperti pada persamaan :

28,8 kbps x (64 Walsh chips) / (6 bit terkode) = 307,2 kcps

Perhatikan bahwa fungsi Walsh digunakan untuk fungsi yang berbeda pada kanal-kanal forward dan reverse. Pada kanal forward, fungsi Walsh digunakan untuk spreading yang menandai kanal user, sedangkan pada kanal reverse, fungsi Walsh digunakan untuk modulasi data.

Data rate variable digunakan pada kanal reverse CDMA. Code symbol repetition membuat redundancy ketika data rate kurang dari 9600 bps. Data randomizer digunakan untuk mentransmisikan bit-bit tertentu sementara transmitter dimatikan pada saat lain. Ketika data rate = 9600 bps, seluruh bit output interleaver ditransmisikan. Ketika data rate = 4800 bps, setengah dari bit output inteleaver ditransmisikan dan mobile unit tidak transmisi selama 50% dari seluruh waktu dan sebaliknya. Gambar 5 mengilustrasikan proses pada berbagai data rate yang berbeda. Data pada setiap frame 20 ms dibagi menjadi 16 power control group, setiapnya memiliki periode 1,25 ms. Sebagian power control group di-gate on, sedang yang lainnya di gate-off. Data bursst randomizer memastikan bahwa setiap symbol kode yang berulang ditransmisikan satu saja.

Gambar 5. Contoh transmisi data rate variable kanal reverse IS-95

Data burst randomizer menghasilkan pola masking ‘0’ dan ‘1’ yang secara random me-mask data redundant yang dihasilkan oleh proses code repetition. Satu block yang terdiri dari 14 bit yang diambil dari long code menentukan pola masking. 14 bit terakhir dari long code yang digunakan untuk spreading dalam power control group kedua terakhir dari frame sebelumnya digunakan untuk menentukan random mask untuk “gating”. Ke-14 bit tersebut dituliskan :

b₀ b₁ b₂ b₃ b₄ b₅ b₆ b₇ b₈ b₉ b₁₀ b₁₁ b₁₂ b₁₃

di mana b₀ mewakili bit pertama, dan b₁₃ bit terakhir. Algoritma data randomizer adalah sbb :

·        Jika data rate user adalah 9600 bps, transmisi timbul pada seluruh 16 power control group.

·        Jika data rate user adalah 4800 bps, transmisi timbul pada delapan power control group :

b₀, 2 + b₁, 4 + b₂, 6 + b₃, 8 + b₄, 10 + b₅, 12 + b₆, 14 + b₇

·        Jika data rate user adalah 2400 bps, transmisi timbul pada empat power control group yang bernomor

b₀ jika b₈ = 0, atau 2 + b₁ jika b₈ = 1

4 + b₂ jika b₉ = 0, atau 6 + b₃ jika b₉ = 1

8 + b₄ jika b₁₀ = 0, atau 10 + b₅ jika b₁₀ = 1

12 + b₆ jika b₁₁ = 0, atau 14 + b₇ jika b₁₁ = 1

·        Jika data rate user adalah 1200 bps, transmisi timbul pada empat power control group yang bernomor

1)    b₀ jika (b₈ = 1 dan b₁₂ = 0), atau 2 + b₁ jika (b₈ = 1 dan b₁₂ = 0), atau 4 + b₂ jika (b₉ = 0 dan b₁₂ = 1), atau 6 + b₃ jika (b₉ = 1 dan b₁₂ = 1);

2)    8 + b₄ jika (b₁₀ = 0 dan b₁₃ = 0), atau 10 + b₅ jika (b₁₀ = 1 dan b₁₃ =0), atau 12 + b₆ jika (b₁₁ = 0 dan b₁₃ = 1), atau 14 + b₇ jika (b₁₁ = 1 dan b₁₃ = 1).

Sebelum ditransmisikan, kanal trafik reverse di-spread oleh deretan PN pilot kanal I dan Q yang identik dengan yang digunakan pada proses kanal CDMA forward. Modulasi link reverse adalah offset quadrature phase shift keying (OQPSK). Data yang di-spread oleh deretan PN pilot Q ditunda setengah chip terhadap data yang di-spread oleh deretan PN pilot I. Pemetaan data biner I dan Q sesuai tabel 1.

Berbagai Pengkodean CDMA

q Spreading Code

È menebarkan spektral sinyal

È modulasi orthogonal

È low probability of intercept

q Forward Error Correcting Code

È deteksi dan koreksi bit error (non bursty)

q Block Interleaving È reduksi burst error

q Speech Coding È ADPCM, CELP, RELP, etc.

q Source Coding È encription, compression

Forward Error Correcting Code

q Error Control :

È ARQ Û tidak available untuk voice comm.

È FEC/Channel Code Û mengurangi ARQ.

È Block Interleaving Û mengurangi FEC.

q FEC Code (sistematik & tak-sistematik) :

È Block Codes Û Hamming, BCH, RS

È Convolutional Codes Û IS-95 & CDMA 2000 1x

trellis hard/soft decision Û Alg. Viterbi/MAP

È Turbo Codes Û CDMA 2000 3x

interleaved parallel week convolutional codes are then

multiplexed and possibly punctured.

PENENTUAN KAPASITAS

âIn TDMA dan FDMA Æfixed

Based on resource avaiabilty (frequency & time slots)

âIn CDMA Æ based on quality of signals

SOFT CAPACITY in all interference limited systems

âPerlu Admission Control and Load Control

âUtk individual cell ÆK = 1 + (W/Rb)/(Eb/No)

W/Rb = Available BW/Bit Rate = Processing Gain

Eb/No = quality of signal for max. BER in certain modulation

Rb = 9.6 kbps; W = 1.25 MHz; Eb/No = 7 dB (10-3 QPSK)

Æ K = 27 users, dgn voice activity detection K’ = 60

Posted in: Sistem Komunikasi Berbasis Selular