W-CDMA sebagai Teknik Akses Sistem Komunikasi Bergerak Generasi Ketiga

Sistem komunikasi bergerak generasi ketiga memerlukan fleksibilitas dalam hal penerapan layanan kecepatan bit dengan cakupan yang lebar termasuk kecepatan yang berubah-ubah dan layanan paket. Fleksibilitas dalam frekuensi dan pengaturan sumber radio, pemanfaatan layanan dan sistem, pengoperasian yang mudah dalam bermacam-macam ukuran sel dan skenario multi operator. Tulisan ini berkisar tentang pembangunan antarmuka radio yang fleksibel berdasarkan Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA) tak sinkron dengan tiga kecepatan chip yang berbeda sekitar 1, 5, dan 20 Mcps.

I. Pendahuluan

CDMA adalah teknik modulasi dan metode akses jamak yang bekerja berdasarkan teknologi spread spectrum, khususnya Direct Sequence Spread Spectrum. Dengan teknologi ini sinyal informasi ditransmisikan melalui lebar pita yang jauh lebih lebar dari lebar pita sinyal informasi. Perbedaan antara Narrowband-CDMA dengan Wideband-CDMA adalah terletak pada kecepatan kode penebar yaitu N-CDMA sebesar 1,23 Mbps sedangkan W-CDMA sebesar 5-20 Mbps. Perbedaan ini menyebabkan lebar pita transmisi W-CDMA lebih lebar dari lebar pita transmisi N-CDMA. Berdasarkan teorema Shannon yang menyatakan [1,hal 736]:

C = W Log ₂ ( 1+ S/N ) (1)

dimana :

C = kapasitas kanal (bps)
W = lebar pita transmisi (Hz)
S = daya sinyal (Watt)
N = daya derau (Watt)

II. Konsep Multirate Radio Interface

Pentransmisian pada physical layer dengan menggunakan teknik pengkodean kanal, interleaving, dan spreading, mampu memetakan masing-masing kecepatan informasi, R_b, yang ditawarkan oleh sistem kedalam paling sedikit salah satu dari ketiga kecepatan tersebut. Untuk masing-masing layanan, parameter transmisi, yaitu : kecepatan coding, interleaving, kecepatan chip, faktor spreading, daya transmisi, dsb. diatur sehingga memungkinkan spesifikasi yang dibutuhkan untuk layanan tersebut dipenuhi. Jadi, coding dan faktor spreading R_c/R_b bervariasi terhadap kecepatan data informasi. Untuk lebar pita RF yang telah ditentukan, dalam hal ini kecepatan chip tetap, maka karakteristik loss akan bertambah dengan bertambahnya kecepatan bit informasi.

Multirate radio interface DS-CDMA memungkinkan diterapkannya skenario multi operator. Hal ini ditunjukan oleh gambar.1. Operator jaringan, tergantung dari jenis layanan dan spektrum yang dibutuhkan dapat dialokasikan spektrum 1 Mhz, 5 Mhz, 20 Mhz, atau kelipatannya atau kombinasi dari ketiganya. Mediumband atau wideband dapat terdiri dari beberapa narrowband, seperti pada jaringan 1. Untuk jaringan yang luas, beberapa jaringan dapat menempati band frekuensi yang sama, seperti pada jaringan 4.

Layanan dengan kecepatan rendah (suara) dapat diterapkan pada kanal narrowband maupun mediumband. Untuk telepon bergerak, kanal RF standart adalah 1 Mhz, tetapi bila menginginkan kualitas yang lebih baik dengan mengatasi diversitas multipath dan penginterferensi, dan mengijinkan operator untuk menerapkan ukuran cluster tunggal, maka dipergunakan kanal 5 Mhz

Untuk layanan dengan kecepatan tinggi (diatas 64 kbps) membutuhkan kanal RF 5 Mhz atau 20 Mhz.

III. Konfigurasi Jaringan Sistem Komunikasi Bergerak Generasi Ketiga

Konfigurasi jaringan komunikasi bergerak generasi ketiga dapat dilihat pada gambar.2.

Jaringan tersebut secara umum mempunyai fungsi yang sama dengan sistem generasi kedua, dimana PHS termasuk didalamnya. Terdapat empat kesatuan fungsi yang ditunjukan, yaitu : mobile station (MS), base station (BS), radio network controller (RNC) dan mobile control node (MCN). Sebuah MS dapat dihubungkan pada satu atau beberapa BS dan sejumlah BS berkomunikasi dengan RNC melalui satu interface. Sejumlah RNC dihubungkan ke jaringan fixed melalui MCN.

IV. Perancangan Protokol

Protokol dibagi kedalam dua bidang, yaitu : bidang pensinyalan, disebut C-plane, dan bidang data user, disebut U-plane. Kedua bidang dibagi kedalam physical layer (layer 1), data link layer (layer 2), dan network layer (layer 3, tak terdapat di U-plane). Layer 2 selanjutnya dipecah ke dalam dua bagian, data link control (DLC) dan medium access control (MAC). DLC berhubungan dengan pendirian jalur (link establishment), release dan maintenance, sedangkan MAC dipecah lagi menjadi upper sub layer yang terdapat di RNC dan lower sub layer yang berada di masing-masing BS. Pertukaran informasi antara MS dan RNC dilayani oleh RNC dan dikendalikan oleh kedua sub-layer ini. Pertukaran informasi ini antara lain : handover. Pertukaran informasi antara BS dengan MS ditangani oleh lower sub-layer. Pertukaran informasi BS-MS ini antara lain : channel coding, interleaving, dan control information.

V. Pengendalian Jalur Radio

Bagian yang penting dalam akses radio adalah manajemen sistem, yang menyangkut fungsi pengendalian jalur radio (radio link control). Bagian ini meliputi algoritma handover, kendali kualitas, pengawasan jalur radio, seleksi panggilan, dan congestion control. Fungsi-fungsi ini melibatkan MS secara aktif. MS dirancang untuk menggunakan sumber radio secara efisien dan mengoptimalkan beban sistem. Untuk mempertinggi beban sistem, MS harus dilayani oleh sel yang dapat menawarkan layanan terbaik. Selanjutnya, jalur yang dibangun harus memilki kualitas yang dapat diterima secara terus menerus. Pada waktu diaktifkan, MS akan berada salah satu dari dua keadaan, yaitu : connection idle atau connection active. Selama connection idle, MS memonitor informasi broadcast baik untuk mengevaluasi lingkungan ataupun untuk mendapatkan informasi paging. MS akan dalam keadaan connection active saat call set-up maupun saat berlangsungnya pembicaraan.

Prosedur pemilihan sel melibatkan MS secara aktif. Tergantung pada sejumlah kriteria , MS menjamin bahwa ia mengawasi BS yang memberikan layanan terbaik saat idle mode. MS akan melakukan pengukuran secara terus menerus untuk menentukan sel yang terbaik. Pada saat aktif, evaluasi atas BS ini juga dilakukan.

Sistem dirancang untuk inter-frequency dan intra-frequency handover. Inter-frequency handover merupakan handover yang dilakukan antar frekuensi pembawa, sedangkan intra-frequency handover dilakukan dalam frekuensi pembawa yang sama. Inter-frequency handover digunakan pada struktur sel secara hierarki, dimana dalam satu daerah dicakup oleh dua ukuran atau lebih sel. Semua sel dalam satu layer menggunakan spektrum radio yang sama, dengan ukuran cluster tunggal.

Suatu handover dibagi dalam 2 phasa, yaitu phasa evaluasi dan phasa eksekusi. Selama phasa evaluasi, sejumlah BS membangun hubungan dengan MS. Kemudian dievaluasi kualitas radio oleh MS maupun BS dengan mengadakan pengukuran kualitas hubungan. Berdasarkan hasil pengukuran inilah maka RNC mengambil keputusan sejumlah BS yang melayani MS.

Setelah keputusan dibuat, maka segera dilakukan phasa eksekusi yang ditangani oleh protokol radio. Selama intra-frequency handover, agar tidak ada informasi yang hilang maka sauatu sambungan baru harus dibangun sebelum sambungan lama dilepaskan. Teknik ini memungkinkan suatu handover yang aman dan cepat tanpa interupsi panggilan.

Inter-frequency handover dilakukan dengan cara membangun suatu jalur pada frekuensi yang baru, misalnya pada sebuah BS yang baru, dengan tetap menjaga jalur yang lama. Hal ini dilakukan dengan cara membagi struktur frame menjadi dua tim slot (5 ms), sehingga disebut compressed mode. Dengan panjang frame 5 ms ini maka panjang simbol sebelum di-spreading akan menjadi setengahnya dari semula dan Rc tetap maka faktor spreading direduksi dengan faktor 2. Agar performansi sinyal tidak turun maka daya pancar digandakan. Ketika jalur baru telah stabil dan kanal telah dapat dipindahkan ke BS yang baru dengan panjang frame 10 ms, maka jalur yang lama dilepas.

VI. Perancangan Transceiver

A. Prinsip pentransmisian variabel rate

W-CDMA di desain untuk dapat mengakomodasikan berbagai layanan baik suara data maupun multimedia dengan bit rate yang bervariasi. Hal ini memungkinkan pemakaian spektrum yang paling efisien. Penerapan pentransmisian variabel rate membutuhkan informasi kontrol yang menyatakan kecepatan simbol seketika itu juga. Untuk melakukan pengawasan terhadap kecepatan simbol ini selama selang waktu tertentu secara terus menerus maka semua kanal fisik diatur didalam frame yang mempunyai panjang yang sama (10 ms). Sebagai pengontrol maka tiap frame terdapat bit rate control yang ditransmisikan melalui kanal fisik yang terpisah.

Pentransmisian variabel rate dapat mengurangi interferensi dari masing-masing user. Bila laju chip tetap maka laju bit informasi yang rendah akan memberikan faktor spreading tertinggi dan daya transmisi yang terendah.

B. Struktur Kanal Logika

Pada sistem bergerak radio seluler dibutuhkan sejumlah kanal logika. Kanal logika tersebut dibagi menjadi Dedicated Channel, Common Control Chanel dan System Control Channel.

gambar 4 Struktur Fungsi Kanal [2].

• Dedicated Channel

Didicated Channel terjadi apabila hubungan antara MS dengan BS telah terbangun baik uplink maupun downlink. Kanal ini terdiri dari : Traffic Channel (TCH) dan Dedicated Control Channel (DCCH).
• TCH berisi data user yang akan ditransmisikan pada interface radio, yang berupa suara, data dan video, dengan kecepatan bervariasi antara 0-144kbps.
• Dedicated Control Channel (DCCH)

DCCH ini membawa informasi kontrol yang akan dipertukarkan antara BS dengan MS. Kanal ini berisi kontrol hubungan, kontrol mobility dan kontrol link dengan bit rate 0 – 9,6 Kbps.
• Common Control Channel

Common Control Channel ini digunakan pada kanal downlink dan diberikan untuk semua MS. Kanal ini berisi Broadcast Channel (BCH), Paging Channel (PCH) dan Access Grant Channel (AGCH) untuk downlink dan Random Acces Channel (RACH) untuk uplink.
• Broadcast Channel (BCH)

Berisi informasi BS disekitarnya.
• Paging Channel (PCH)

PCH memberitahukan akan datangnya panggilan, yang diikuti dengan penetapan kanal trafik.
• Acces Grant Channel (AGCH)

Kanal AGCH dikodekan oleh MS selama pendudukan akses secara random dan berfungsi sebagai kontrol daya lingkar tertutup terhadap MS. Perintah kontrol daya dikirim melalui AGCH oleh BS.
• Random Acces Channel (RACH)

RACH adalah satu-satunya kanal kontrol yang digunakan pada kanal uplink yang digunakan MS untuk inisialisasi akses ke sistem. Untuk akses random, MS mengirim sinyal diikuti kontrol daya lingkar tertutup selama pengiriman sinyal RACH.
• System Control Channel

Dua sistem kontrol kanal adalah Pilot Channel (PICH) dan Synchronization Channel (SCH) yang digunakan pada kanal downlink agar BS dapat memantau dan mengidentifikasikan, sinkronisasi dan estimasi kanal pada MS.
• Pilot Channel (PICH)

PICH berfungsi untuk memisahkan kanal fisik broadcast pada tiap kanal RF dan laju chip dalam sel radio. PICH ditentukan oleh code spreading PN pendek (kode Gold dengan panjang 1023) dan unik untuk setiap BS. Kode PN pendek ini ditransmisikan secara periodik tanpa modulasi data informasi, sehingga mudah untuk pendeteksian pilot, sinkronisasi dan estimasi kanal pada MS.
• Kanal sinkronisasi (SCH)

SCH berfungsi untuk mensikronkan PICH. SCH dikirim pada kanal fisik yang terpisah dengn menggunakan kode spreading PN pendek yang diperoleh dari PICH yang bersangkutan.
TCH, DCCH, BCH, PCH, AGCH mempunyai long code = 2⁴¹ – 1, short code RACH = 127, short code PICH = SCH = 1023. Long code dibangkitkan dari generator f(x) = 1 + x³ + x⁴¹.

C. Layer Fisik

Interface radio dirancang untuk menjadi layer transport yang universal, yang secara mudah dapat diadaptasi berdasarkan permintaan layanan dan disesuaikan dengan keadaan sekitarnya. Untuk itu, pada skema pengirim, terdapat configuration unit yang setelah menerima applicable information (berupa frekuensi pembawa, kecepatan chip yang dibutuhkan, dan identitas layanan) maka unit ini mengendalikan proses pengkodean, mul tipleks dan konversi informasi ke sinyal RF.

Informasi yang berupa speech, data dan informasi kendali ditransmisikan melalui kanal logika yang berbeda. Informasi kendali ditranmisikan melalui kanal DCCH. Ada dua kategori pembentuk kanal trafik, yaitu traffic channel/speech (TCH/S) dan traffic channel/data (TCH/D), masing-masing dikodekan dan di-interleave secara berbeda. Sebagai contoh, speech harus ditransmisikan dengan delay yang kecil, sedangkan data dapat menerima delay yang lebih besar tetapi dengan kualitas transmisi yang lebih tinggi. Informasi ini dibungkus bersama dalam frame-frame yang mempunyai panjang 10 ms. Campuran kanal-kanal logika yang diwakili dalam satu frame dapat berbeda dari frame ke frame. Sebagai contoh, kanal kontrol yang didedikasikan hanya diberikan ketika informasi benar-benar telah tersedia. Hal ini tidak perlu dimultipleks ke dalam aliran data secara terus menerus, tetapi disesuaikan dengan keadaan lingkungan maupun informasi yang dikirimkan seperti contoh kasus berikut ini. Kasus : pemakai pertama kali ingin membangun sambungan speech melalui kanal trafik speech (TCH/S), dan ketika diperlukan maka DCCH akan ditranmisikan. Jika tiba-tiba selama panggilan , pemakai ingin mengirimkan data, maka tidak dibangun panggilan khusus lagi. Layanan atas speech dan data telah dinegoisasikan antara terminal mobile dan jaringan selama persiapan panggilan, sehingga jalur radio secara otomatis membuat data dapat dimultiplekskan ke dalam jalur radio ketika diperlukan, dengan catatan sambungan speech dan sambungan data mempunyai kualitas layanan yang berbeda. Pemakai dapat memutuskan salah satu dari kanal logika tersebut, sambil tetap menjaga hubungan kanal logika lainnya. Sebagai contoh, pemakai dapat menghentikan layanan speech, tetapi membiarkan kanal data dipertahankan untuk mentransmisikan data sampai selesai. Pada kasus ini, TCH/S tidak akan dimultipleks bersamaan dengan TCH/D pada leyer fisik.

Kanal multipleks dapat mengambil beberapa diantara kombinasi berikut [4]:

• TCH/S dan DCCH
• TCH/D dan DCCH
• TCH/S, TCH/D, dan DCCH
Hasil demultipleks antara TCH dan DCCH dinotasikan sebagai Physical Data Channel (PDCH). Tiap PDCH dilengkapi dengan Physical Control Channel (PCCH) yang membawa informasi kontrol lapisan fisik. Selain itu PCCH membawa informasi tentang pendemultiplekskan frame PDCH dan pada kanal downlink PCCH membawa informasi tentang kontrol daya.

PCCH mempunyai bit rate 4 Kbps setelah proses encoding informasi dan ditransmisikan secara sinkron dengan PDCH (mempunyai laju chip sama dengan carier RF yang sama dengan PDCH). PDCH dan PCCH dibedakan dengan menggunakan fasa yang berbeda dari kode spreading PN panjang.

D. Transmiter W-CDMA.

Gambar 5 menunjukan transmiter W-CDMA baik untuk uplink maupun downlink yang melakukan pengiriman trafik dan informasi kontrol secara simultan. pengiriman traffic dan informasi kontrol yang dinotasikan sebagai Dedicated Informasi Channel (DICH).

Ketika hubungan telah terbentuk maka unit konfigurasi akan menentukan laju chip, frekuensi carrier RF, f_c, yang bergantung pada layanan yang akan dilayani dan menentukan parameter-parameter untuk semua pemrosesan sinyal pada kanal fisik dan mengkonfigurasi kanal fisik agar sesuai dengan layanan yang dilayani. Modulasi yang dipergunakan adalah QPSK, dimana data simbol ditransmisikan dalam bentuk in-phase (I) dan quadratur (Q) dan dikalikan dengan suatu deretan spreading yang sama dengan phasa yang berbeda.

E. Kontrol Daya.

Kontrol daya meliputi kontrol daya uplink dan kontrol daya downlink. Kontrol daya downlink digunakan untuk memperbesar kapasitas sistem, sedangkan uplink digunakan untuk mengontrol hubungan dan batas threshold penerimaan MS. Pada kana uplink kontrol daya yang digunakan kombinasi kontrol daya loop tertutup dan loop terbuka mendeteksi daya sinyal yang diterima dari MS.

Pada kontrol daya loop tertutup, BS secara terus menerus mengukur level sinyal yang diterima dari MS. Dari informasi level sinyal yang diterima tersebut maka BS menentukan perintah kontrol daya yang dikirimkan melalui kanal downlink PCCH ke MS dengan bit rate 2 kbps.

F. Combining, Pulse Shaping dan Konversi Frekuensi

Beberapa kanal fisik digabung secara linear sebelum pulse shaping. Pulse shaping berisi filter yang berfungsi untuk melewatkan sinyal W-CDMA. Konversi frekuensi dilakukan dengan menggeser frekuensi baseband ke frekuensi RF. Alokasi frekuensi sistem W-CDMA adalah [5]:

• 1920-1940 MHz untuk kanal uplink
• 2110-2130 MHz untuk kanal downlink
G. Receiver

Sistem penerima untuk jalur uplink maupun downlink, membutuhkan struktur yang berbeda. Pada jalur downlink, dimana penerima berada di MS, kanal pilot yang kuat dapat digunakan untuk pencarian kanal, sehingga dapat dilakukan demodulasi PCCH dan PDCH secara koheren. Pada jalur uplink, dimana penerima berada di BS, tidak memungkinkan menggunakan kanal pilot yang kuat untuk semua MS, sehingga proses estimasi kanal pada uplink lebih sukar. Dibawah ini hanya dibicarakan penerima untuk BS.

Gambar.6 adalah gambar struktur receiver pada BS. Sinyal yang diterima difilter oleh filter Matched Filter (MF) untuk meloloskan sinyal W-CDMA dan disampel pada laju 2 sample per chip (sesuai frekuensi nyquist). Kemudian sinyal masuk ke demodulator Rake dan unit estimasi kanal. Kanal PCCH harus dikodingkan terlebih dahulu sebelum demodulasi terhadap PDCH, karena PCH berisikan informasi pengiriman PDCH, sehingga diperlukan buffer frame di depan demodulator PDCH. Dua feedback dari PCCH Rake demodulator berfungsi untuk menentukan masukan sinyal bagi unit estimasi kanal. Pada PDCH dilakukan demodulasi koheren sedangkan pada PCCH dilakukan encoding terlebih dahulu sebelum dilakukan proses demodulasi. Pada demodulasi koheren harus diketahui delay dan amplituda kompleks masing-masing sinyal multipath. Setelah proses demodulasi koheren dari PCCH dan soft decision decoding, PCCH dapat dilihat sebagai kanal pilot. Pengkodean yang salah tidak dapat dihindari sehingga menyebabkan frame hilang karena faktor spreading termuat dalam PCCH. Faktor spreading yang benar akan berfungsi untuk demodulasi PDCH. Jika PCCH setelah decoding adalah kanal pilot maka kanal tersebut dapat digunakan untuk estimasi amplituda kompleks sinyal-sinyal multipath.

H. Sinkronisasi

Dengan menggunakan DS spreading asinkron pada PDCH dan PCCH, dihasilkan peralatan yang tidak memerlukan sinkronisasi antar sel dan sinkronisasi antar kanal. MS melakukan sinkronisasi dengan BS (melalui PICH dan SCH) dapat secara langsung menyesuaikan waktu frame Tx CDMA dan Rx CDMA pada lokasi MS tertentu. Karena sinyal yang diterima di BS dari MS yang berbeda-beda tidak memerlukan pengaturan frame (seperti pada sistem TDMA) maka tidak diperlukan rangkaian pengontrol pewaktuan. Dengan menerapkan DS spreading asinkron pada jalur downlink maka tidak diperlukan antar BS, sehingga Global Positioning System (GPS) tidak diperlukan lagi.

VII. Kesimpulan

Daftar Pustaka

1. John G. Proakis, "Communication System Engineering", Prentice Hall,inc, 1994.
2. Alfred Baier, "Design Study for a CDMA-Based Third-Generation Mobile Radio System", IEEE, Vol.12,1994.
3. P. Andermo, A CDMA-Based Radio Access Design for UMTS", IEEE PC, February 1995.
4. Tomas Stefansson,"Real Time Testbed for Assessing a CDMA-Based System", IEEE PC, October 1995.
5. -,"Experimental W-CDMA System Description", Ericsson Radio Systems AB, 1997.

Artikel Lain:
Satelit Indonesia Generasi Millenium Ketiga di Kawasan Asia-Pasifik