Studi Perbandingan Kinerja Direct Sequence Spread Spectrum Code Division Multiple Acces ( DS-SS CDMA ) dengan Kode Penebar Walsh, Gold,dan Kasami Tataq Ajie R1, Yoedi Moegiharto2 Mahasiswa Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Jurusan Teknik Telekomunikasi 2 Dosen Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya 60111 e-mail :
[email protected] e-mail :
[email protected] 1
akses CDMA ini sendiri terdiri dari 2 jenis yaitu frekuensi Hopping CDMA (FH-CDMA) dan Direct-Sequence CDMA (DS-CDMA) Pada sebuah sistem DS-CDMA, semua pengguna ditransmisikan pada band RF yang sama, hal ini menimbulkan adanya interferensi. Oleh karena itu untuk mencegah interferensi bersama, maka digunakan kode penebar. Kode penebar ini digunakan untuk memisahkan pengguna secara individu, ketika mereka bersamaan menduduki band RF yang sama. Tetapi kemudian muncul masalah yaitu sering terjadi korelasi antar kode penebar yang digunakan oleh setiap pengguna. Untuk itu diperlukan penggunaan kode penebar yang tepat, yaitu kode yang memiliki nilai autokorelasi yang tinggi dan nilai cross-korelasi yang kecil. Sehingga interferensi bersama antar pengguna dapat diminimalisir.
Abstrak Dalam CDMA sinyal data di korelasikan dengan pn code sehingga menjadi acak sebelum di transmisikan ke udara. Hal ini mempunyai beberapa keunggulan, yaitu lebih kebal noise, susah di sadap, dan lebih hemat daya. Ada bermacam-macam pn code, salah satunya adalah gold, kasami, dan walsh. Tiap pn code mepunyai karakteristik berbeda-beda, seperti auto korelasi dan cross korelasi yang berbeda-beda. Hal ini sangat berpengaruh terhadap kinerja sistem keseluruhan. Dengan membandingkan tiap pn code kita dapat menilai kinerja sistem, dan mencari pn code mana yang paling efektif untuk diterapkan. Walsh mempunyai kinerja yang paling baik diantara ketiga pn code yang dibandingkan (gold, kasami, walsh). Panjang chip juga menentukan performa sistem. Makin panjang chip yang digunakan, performasinya akan makin baik.
2. Teori Penunjang Teknik Spread Spectrum
Kata kunci : pn code,multiple access, cross korelasi,auto korelasi, walsh, gold, kasami.
Spread spectrum adalah teknik memancarkan sinyal pada pita frekuensi yang jauh lebih lebar dari pita frekuensi yang dibutuhkan pada transmisi standar. Sebuah sistem spread-spectrum harus memenuhi kriteria sebagai berikut: 1. Sinyal yang dikirimkan menduduki bandwidth yang jauh lebih lebar daripada bandwidth minimum yang diperlukan untuk mengirimkan sinyal informasi 2. Pada pengirim terjadi proses spreading yang menebarkan sinyal informasi dengan bantuan sinyal kode yang bersifat independen terhadap informasi 3. Pada penerima terjadi proses despreading yang melibatkan korelasi antara sinyal yang diterima dan replika sinyal kode yang dibangkitkan sendiri oleh suatu generator lokal.
1. Pendahuluan Pada saat ini, sistem komunikasi digital dituntut untuk dapat mentransmisikan data maupun suara dengan kecepatan tinggi, memiliki efisiensi bandwitdh yang baik, serta memiliki performansi yang handal pada kondisi kanal yang selalu berubah-ubah akibat adanya multipath fading. Oleh karena itu digunakan sistem multiple access CDMA yang mampu mengakomodasi banyak pengguna pada frekuensi yang sama dan waktu yang sama, mampu mentransmisikan data maupun suara dengan kecepatan yang tinggi serta memiliki bandwitdh yang cukup lebar. Sistem multiple
1
PN code yang sama dengan yang digunakan pada pengirim.
Ada beberapa jalan untuk menyebarkan bandwidth dari sebuah sinyal: 1. Frequency hopping. Sinyal akan berpindahpindah frekuensi (hopping) dengan cepat dalam beberapa periode waktu tertentu. 2. Time hopping. 3. Direct sequence. Data digital di kodekan oleh bit-bit yang mempunyai kecepatan lebih tinggi dati kecepatan data.kode dibangkitkan secara random, pada sisi penerima dengan kode yang sama sinyal data diperoleh kembali. Direct Sequence Spread Spectrum Dalam sistem direct sequence spread spectrum, sebuah sinyal ditransmisikan melalui beberapa tahap: 1. Sebuah kode random (pseudo random code) atau PN code dibangkitkan. Kode yang dibangkitkan selalu berbeda untuk tiap pengguna satu dengan yang lain. 2. Data informasi di modulasi oleh pseudo random code (proses spreading). 3. Hasil spreading kemudian dimodulasi lagi oleh frekuensi carrier. 4. Hasil modulsi tersebut akan dikuatkan dayanya oleh amplifier dan kemudian akan ditransmisikan melalui udara
Gambar 1 Proses spreading dan dispreading
Gambar 2. Proses spreading
Pseudonoise Code (PN Code)
Pada sisi penerima akan dilakukan langkahlangkah sebagai berikut: 1. Sinyal akan diterima dan dikuatkan kembali oleh amplifier 2. Sinyal ayng diterima akan didemodulasi oleh lokal carrier untuk mendapatkan sinyal tersebar (spreading signal). 3. Pseudo random akan dibangkitkan. Kode random yang dibangkitkan harus sama dengan yang digunakan di sisi pengirim. 4. Setelah itu dilakukan proses sinkronisasi untuk mendapatkan waktu yang tepat kapan proses despreading dimulai. 5. Kemudian akan dilakukan proses despreding untuk mendapatkan data informasi kembali.
Dalam CDMA kanal komunikasi tidak dibagi-bagi berdasarkan waktu atau frekuensi. Pemisahan atau pembagian kanal didasarkan pada kode-kode tertentu yang dibangkitkan secara acak semu (tidak benar-benar acak, melainkan mempunyai pola tertentu). Dan di sisi penerima kode yang sama seperti yang digunakan pada pengirim digunakan untuk mendapatkan kembali sinyal data informasi. Untuk itu kode-kode random ini harus mempunyai sifat-sifat sebagai berikut: 1. Harus berbeda antara satu dengan yang lain, tatapi yang digunakan pada sisi pengirim dan pada sisi penerima harus sama. 2. Harus acak, tetapi memiliki pola tertentu. 3. Cross korelasi di antara dua kode yang berbeda harus kecil 4. Kode harus memounyai periode yang panjang.
Dalam proses spreading, sinyal data informasi di XNOR dengan sebuah PN code. Setelah proses ini akan didapatkan sinyal tersebar (spreading signal). Pada sisi penerima untuk mendapatkan data kembali sinyal tersebar (spreading signal) di XNOR kembali dengan
2
Ada beberapa kode penebar yang sering digunakan dalam system DS-CDMA antara lain M-sequence, walsh code, gold code, kasami code.
dihasilkan dari pergeseran posisi chip), atau bisa disebut sebagai periode sequence. Apabila dipilih M-sequence khusus atau yang disebut preferd pair, maka Gold code yang dibangkitkan mempunyai 3 nilai cross correlation, yaitu 1, , . diamana (n) = {2(n+1)/2 + 1 for odd n ;
Maximum Length Sequence (M-sequence) M-sequence adalah salah satu kode penebar (PN code) yang sering digunakan dalam sistem cdma. M-sequence dapat dibangkitkan dari sebuah Linear Feedback Shift Regiater.
{2(n+2)/2 + 1 for even n;
Panjang
Jum
Pasangan preferred
Nilai
n
lah
channel m-
cross
chip
sequence
correlatio
Adder modulo 2
n
1
2
3
5
4
31
[5,3][ 5,4,3,2]
7
-1
-9 6
63
[6,1][6,5,2,1]
15
-1
-17
clock 7
127
Gambar 3. M-sequence
[7,3][7,3,2,1]
15
[7,3,2,1][7,5,4,3,2,
-17
-1
1]
Gold code Gold code adalah salah satu non orthogonal code yang merupakan turunan dari M-Sequence. Gold code disusun oleh dua buah M-SeQuence yang masing-masing outputnya ditambahkan (adder modulo 2). Kedua output dari MSequence ditambahkan (XOR) secara chip per chip menggunakan puls-pulsa clock yang sinkron. Kedua M-Sequence mempunyai panjang yang sama.
8
9
255
511
[8,7,6,5,2,1][8,7,6,
31
1]
-17
[9,4][9,6,4,3]
31
[9,6,4,3][9,8,4,]
-33
-1
-1
Tabel 1. Preferred pair Gold sequence
Kasami code Selain gold code, kasami code juga merupakan turunan dari M-sequence. Kasami code mempunyai nilai „correlation properties„ sama dengan gold code, perbedaannya terletak pada panjang kode yang dapat dibuat. Kasami dapat di kategorikan menjadi dua, yaitu small set dan large set. Untuk large set kasami panjang kode maksimal sama dengan ( +1). Gambar dibawah adalah salah satu contoh kasami generator, yang dibentuk dari 3 m-
Gambar 4. Gold sequence
Panjang maksimal (maximal length) yang dapat dihasilkan adalah (M-sequence itu sendiri dan dari kombinasi yang
3
u-code M(6,1)
Secara unum setiap level hadamard matrik yang lebih besar di bangkitkan dari transformasi hadamard sebelumya. =
input
Dimana
(3)
adalah invers dari
inpu tt
v-code M(5,2,1)
& & & & & & & &
&
Code Divison Multiple Access (CDMA)
w-code M(3,2)
& & &
CDMA mengubah mengubah sistem komunikasi yang berbasis analog menjadi sistem komunikasi yang berbasis digital. Pada komunikasi konvensional pembagian kanal komunikasi menggunakan proses pemfilteran didalam domain frekuensi atau yang biasa disebut dengan frekuensi division multiple access (FDMA), atau pembagian kanal komunikasi berdasarkan waktu atau Time Division Multpile access (TDMA). Pengguna pada CDMA menggunakan waktu dan frekuensi secara bersamaan. Untuk membedakan setiap kanal atau pengguna maka digunakan kode yang unik yang juga digunakan untuk melebarkan sinyal, sehingga dapat menghemat penggunaan kanal komunikasi dibawah ini adalah beberapa kelebihan sistem CDMA. CDMA dapat mengakomodasi lebih banyak pengguna karena lebih hemat spectrum frekuensi. Kualitas suara yang lebih baik dan mengeleminasi efek dari multipath fading Dapat mengurangi drop call yang di akibatkan kegagalan hand off, karena sistem CDMA menggunakan sistem soft handoff. Meningkatkan reabilitas mekanisme transport komunikasi data, seperti fax, dan trafik internet. Mengurangi daya rata-rata dalam transmisian sinyal, sehingga lebih efisien dalam pemakaian daya. Biaya yang lebih rendah Mengurangi interferensi yang disebabkan oleh noise dan pengguna lain. Dapat menghindari penyadapan karena menggunakan kode unik yang mirip noise dengan spektrum frekuensi yang amat lebar. Dapat bertahan dalam kondisi dengan tingkat noise yang tinggi
Gambar 5. kasami sequence
sequence. 2 buah dibentuk dari preferred pair M(6,1) dan M(6,5,2,1), dan M(3,2). Disini n adalah even dan sama dengan panjang dari shift register yang digunakan untuk membuat u dan v, u adalah m-sequence dengan feedback (6,1) dan v adalah m-sequence dengan feedback (6,5,2,1). Ketika mengurangi M(6,1) sequence w didapatkan, w adalah juga m-sequence M(3,2). Walsh code Walsh code dihasilkan dari hasilkan dari transformasi hadamard matrik. Ini adalah salah satu contoh hadamard matrik :
H1 =
(1)
H2 =
(2)
4
variannya sama dengan satu. Pada kanal transmisi selalu terdapat penambahan derau yang timbul karena akumulasi derau termal dari perangkat pemancar, kanal transmisi, dan perangkat penerima. Derau yangmenyertai sinyal pada sisi penerima dapat didekati dengan model matematis statistik AWGN. Derau AWGN merupakan gangguan yang bersifat Additive atau ditambahkan terhadap sinyal transmisi,dimodelkan dalam pola distribusi acak Gaussian dengan mean (m) = 0, standar deviasi (σ) = 1, power spectral density (pdf) = No/2 (W/Hz), dan mempunyai rapat spektral daya yang tersebar merata pada lebar pita frekuensi tak berhingga. Distribusi AWGN dengan pdf :
Penerima Konvensional (Conventional Receiver) Dalam sistem CDMA, penerima yang paling awal diterapkan adalah penerima konvensional atau yang lebih dikenal sebagai Conventional Receiver. Pada penerima konvensional ini dgunakan sekelompok Matched Filter (MF). Gambar dari blok diagram detektor konvensional Matched Filter ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Match ed Filter Bank
(4) dimana: p(x) = probabilitas kemunculan derau σ = standardeviasi m = rataan(mean) x = variable (tegangan atau daya sinyal)
n(t) D ec is io n
=
D ec is io n
=
D ec is io n
Gambar 7. Blok Diagram AWGN sinyal
=
Pada gambar diatas, Jika sinyal yang kirim STx(t), pada kanal akan dipengaruhi oleh derau n(t) sehingga sinyal yang diterima menjadi: SRx(t) = STx(t) + n(t), 0 ≤ t ≤ T dimana n(t)) merupakan noise yang terjadi selama proses transmisi sinyal kirim sampai diterima di bagian receiver.
Gambar 6. Blok Diagram Coventional Receiver MF Detektor konvensional Matched Filter menggunakan metode deteksi pengguna tuggal (single user), yaitu masing-masing pengguna dideteksi secara terpisah, tanpa mempertimbangkan pengguna lain.
Transformasi Fourier Transformasi fourier ditemukan oleh ahli matematika dari Prancis, Joseph Fourier Pada tahun 1822. Joseph fourier menemukan bahwa setiap fungsi periodik (sinyal) dapat dibentuk dari penjumlahan gelombang-gelombang sinus/cosinus.
Gangguan Dalam Kanal (AWGN) AWGN (Additive White Gausian Noise) merupakan suatu proses stokastik yang terjadi pada kanal dengan karakteristik memiliki rapat daya spectral noise merata di sepanjang range frekuensi. AWGN mempunyai karakteristik respon frekuensi yang sama disepanjang frekuensi dan
f(x) = sin(x) + sin(3x)/3 + sin(5x)/5 + sin(7x)/7 + sin(9x)/9 … (5) Transformasi fourier adalah satu bentuk transformasi yang umum digunakan untuk merubah
5
diubah dahulu menjadi sinyal bandpass, maka diperlukan sistem Modulasi untuk merubah sinyal tersebut. Sehingga Modulasi dapat diartikan sebagai proses pengubahan sinyal baseband menjadi sinyal bandpass atau lebih jelasnya Modulasi adalah proses perubahan (varying) suatu gelombang periodik sehingga menjadikan suatu sinyal mampu membawa suatu informasi. Secara singkat prinsip kerja modulasi diperlihatkan pada Gambar berikut ini.
sinyal dari domain waktu ke domain frekuensi.
Berikut adalah bentuk umum dari persamaan fourier.
Xω = (2.10) Persamaan ini merupakan bentuk transformasi
Fourier yang siap dikomputasi secara langsung dari bentuk sinyal x(t).
MODULATOR
Gambar 9. Blok Diagram Prinsip Keja Modulasi Dengan proses modulasi, suatu informasi (biasanya berfrekeunsi rendah) bisa dimasukkan ke dalam suatu gelombang pembawa, biasanya berupa gelombang sinus berfrekuensi tinggi. Terdapat tiga parameter kunci pada suatu gelombang sinusiuodal yaitu : amplitudo, fase dan frekuensi. Ketiga parameter tersebut dapat dimodifikasi sesuai dengan sinyal informasi (berfrekuensi rendah) untuk membentuk sinyal yang termodulasi. Maka hasil sinyal termodulasi, biasa dinyatakan dalam persamaan :
Gambar 8. Sinyal sinus dalam domain waktu dan domain frekuensi Untuk menghitung frekuensi dari suatu sinyal, sebuah implementasi diskrit dari analisa Fourier dapat digunakan, yang kemudian lebih disempurnakan dengan suatu algoritma yang kita kenal sebagai Fast Fourier transform (FFT).
Ec(t) = Ec sin (
ct
+
)
(2.11)
dimana, Ec(t) merupakan sinyal termodulasi Ec merupakan nilai besar amplitude dari sebuah sinyal ct merupakan nilai frekuensi sebuah sinyal merupakan nilai fasa dari sebuah sinyal
Transformasi Fourier di Matlab Dalam software matlab, kita dapat menggunakan transformasi fourier untuk menganalisa sebuah sinyal dalam domain frekuensi. FFT adalah diskrit transformasi fourier (DFT) dari sebuah vektor X. Untuk matriks, operasi FFT diaplikasikan untuk setiap kolom. Berikut adalah syntax dari fft dalam matlab.
`
Binary Phase Shift Keying (BPSK)
BPSK yaitu Binary Phase Shift Keying merupakan Teknik modulasi dimana fase dari sinyal carrier di ubah-ubah diantara 2 nilai yang sesuai dengan 2 sinyal yang mewakili biner 1 dan 0 dengan beda fase keduanya sebesar 180°.
FFT(X,N)
: adalah N-point FFT, dengan zero padding jika X lebih kecil nilainya arau melebihi N FFT(X,N,DIM) : adalah operasi FFT dengan dimensi DIM Teknik Modulasi Dalam pengiriman sinyal pada sistem selular adalah berupa pengiriman sinyal baseband (sekumpulan data biner yang tidak dapat secara langsung ditransmisikan ke kanal sistem radio. Harus
Gambar 2.10.Prinsip kerja modulator BPSK
6
Dari cara kerja modulasi BPSK, maka akan dihasilkannya sinyal termodulasi dengan
STAR T
persamaan sebagai berikut: Text Text to Biner
(6)
MODULAS I
Dari persamaan tersebut, maka akan dihasilkan
SPREADIN G
sinyal sebagai berikut: GOLD
KASAMI
DATA SPREAD
CHANNEL AWGN DESPREADING
DEMODULASI
Biner to Text
Gambar 11. .Sinyal termodulasi BPSK
3.
DAT A
END
Metodologi
Gambar 12. Diagram alur sistem.
Untuk membuat proyek akhir ini (Studi Perbandingan Kinerja Direct Sequence Spread Spectrum Code Division Multiple Acces ( DS-SS CDMA ) dengan Kode Penebar Walsh, Gold,dan Kasami) maka dibutuhkan langkah-langkah sebagai berikut :
Data akan diubah menjadi biner, dan kemuadia di modulasi, dan di spreading dengan pn code tertentu. Setelah itu di transmisikan melalui kanal AWGN. Di penerima, data di despreading kembali dan di demodulasi sehingga di dapatkan data asli.
1.5.1 Studi Literatur Dalam pembuatan proyek akhir ini harus terlebih dahulu dilakukan studi literatur tentang hal-hal yang berkaitan dengan proyek akhir ini seperti teori tentang CDMA, spread spectrum, kode penebar walsh, gold dan kasami.
4. Pengujian dan analisa Pengujian Setelah pembuatan sistem selesai dilakukan, maka sistem akan di uji dan di analisa. Dati pengujian tesebut didapatkan data-data sebagai berikut :
1.5.2 Perancangan,dan Pembuatan Sistem
7
WAL SH
BER versus Eb/No using DS-CDMA : a random asynchronusm between users
BER versus Eb/No using DS-CDMA : a random asynchronusm between users
-0.13
gold m = 4 gold m = 6
-0.13
10
-0.15
-0.15
10
-0.17
10
10
-0.17
BER
10
BER
gold m = 4 kasami m = 4 walsh m = 4
10
-0.19
10
-0.19
10
-0.21
-0.21
10
10
-0.23
-0.23
10
10
-0.25
-0.25
10
10 0
2
4
6
8
10 12 Eb/No (dB)
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10 12 Eb/No (dB)
14
16
18
20
Gambar 16.Bit Error Rate gold, kasami, walsh m = 4 Gambar 13.Bit Error Rate gold m=4 dan gold m=6
Analisa BER versus Eb/No using DS-CDMA : a random asynchronusm between users
-0.13
10
Data teks akan di ubah menjadi bentuk biner. Data biner inilah yang akan di proses lebih lanjut dengan melakukan modulasi, dan spreading dengan pn code yang ditentukan. Dan di sisi terima, data akan di despreading, dan demodulasi, sehingga di dapatkan sinyal asli. Namun sinyal yang diterima tidak sama dengan yang dikirimkan. Terdapat beberapa kesalahan yang disebabkan pengaruh noise pada kanal. Walsh mempunyai kinerja yang paling baik di antara ketiga kode yang dibandingkan. Eror yang dihasilkan jauh lebih sedikit dibandinggkan menggunakan dua kode yang lain. Panjang jjuga berpengaruh pada kinerja sistem. Makin panjang kode yang digunakan, makin baik kinerja sistem.
kasami m = 4 kasami m = 6
-0.15
10
-0.17
BER
10
-0.19
10
-0.21
10
-0.23
10
-0.25
10
0
2
4
6
8
10 12 Eb/No (dB)
14
16
18
20
Gambar 14.Bit Error Rate kasami m=4 dan kasami m=6
5. Kesimpulan dan saran
BER versus Eb/No using DS-CDMA : a random asynchronusm between users -0.15
m=4 m=6
10
Kesimpulan
-0.17
10
1. Makin panjang kode yang digunakan, kinerja sistem akan makin baik. 2. Dengan panjang sama, jenis pn code yang mempunyai performasi lebih baik adalah walsh code, di antara tiga kode yang lain.
-0.19
BER
10
-0.21
10
-0.23
10
Saran
-0.25
10
0
2
4
6
8
10 12 Eb/No (dB)
14
16
18
20
Tugas akhir ini masih sangat mungkin untuk dikembangkan lagi, misal dengan menguji performsi kinerja kode penebar lain seperti m-sequence, atau juga barker. Atau juga dapat dikembangkan dengan menambahkan koding kanal seperti turbo code, dan diukur performasinya apabila diterapkan pada sistem CDMA, atau mengganti modulasi dengan jenis modulasi yang lain seperti QPSK, atau QAM. Atau bisa juga ditambahkan kanal reyleigh fading.
Gambar 15.Bit Error Rate walsh m=4 dan walsh m=6
8
6. Daftar Pustaka : [1] http://www.complextoreal.com [2] Giunta G. ” Digital Signal Processing of the Third University of Rome “, May 2000 [3] http://www.setyobudianto.com [4] http://www.UMTSWorld.com [5] Garg, vijay kumar, 1938. “IS-95 CDMA and CDMA 2000” [6] Ojanpera, Tero, et al., “Comparison of Multiple Access Schemes for UMTS”, proceedings of IEEE VTC, May 1997. [7] Proakis,J.G.,Digital Communications,McGrawHill, New York,1989. [8] http://www.elektroindonesia.com /elektro/telkom12.html [9] http://www.planetanalog.com /features/rf/showArticle.jhtml? articleID=205100916 [10] L. W. Couch, “Digital and Analog Communication Systems”, Prentice Hall, 1997. [11] Evans, B.G. et. al. "Multimedia Advanced CDMA Systems", the4th IEE Conference on Telecommunications, 1993, pp11-16 [12] http://qualcomm.com/cdmatech/article.html [13] Titch, Steven, "CDMA Crusades", Global Telephony, Oktober1997, hal. 21-36.
9
