Mengenal Code Division Multiple Access (CDMA)

Sistem CDMA
Sistem CDMA tidak meangalokasikan frekuensi ataupun waktu dalam slot user, tetapi memberikan hak kepada semua user untuk menggunakan keduanya secara simultan. Untuk melakukan hal ini, sistem CDMA menggunakan suatu sistem komunikasi yang dikenal dengan nama Spread Spectrum. Setiap user diberikan kode yang menyebar bandwidth sinyalnya dalam suatu cara sehingga hanya kode yang sama saja yang dapat me-recover sinyal pada receiver. Metode ini memiliki properti dimana sinyal yang tidak diinginkan dengan kode yang berbeda yang ikut disebar, akan terlihat seperti noise di receiver.
Keuntungan CDMA untuk Personal Communication Service (PCS) adalah kemampuannya untuk mengakomodasi banyak user pada waktu dan frekuensi yang sama. Ada dua cara dalam memisahkan user dalam sistem CDMA, yaitu Orthogonal Multiple Access dan Non-Orthogonal Multiple Access atau Asynchronous CDMA.

Orthogonal Multiple Access
Tiap user memiliki satu atau lebih bentuk gelombang orthogonal yang diturunkan dari sebuah kode orthogonal. Karena bentuk gelombangnya orthogonal, user dengan kode yang berbeda tidak terinterferensi dengan yang lain. Orthogonal-CDMA atau O-CDMA membutuhkan sinkronisasi diantara user karena bentuk gelombang orthogonal dicapai hanya jika bentuk gelombangnya telah disesuaikan terhadap waktu. Set yang penting dari kode orthogonal adalah set Walsh, dimana fungsi Walsh dibangkitkan dengan menggunakan proses iteratif dari matriks Hadamard.

Non-Orthogonal Multiple Access
Konsep dibalik ini adalah untuk melepaskan orthogonalitas diantara user dan mengurangi interferensi dengan menggunakan sistem komunikasi spread spectrum. Sequence PN digunakan untuk meyebar spektrumnya. Keluarga dari sequence PN, yang dinamakan sequence Gold, adalah yang terkenal untuk non-orthogonal CDMA. Sequence Gold hanya memiliki tiga puncak cross-correlation, yang cenderung menjadi kurang penting ketika panjang kode bertambah. Sequence Gold juga mempunyai satu puncak auto-correlation pada titik nol, seperti sequence PN yang biasa.
Sequence (kode) Gold dibangun menggunakan penambahan dengan modulo-2 atas dua sequence PN dengan panjang maksimum. Dengan menggeser satu dari dua sequence PN, akan diperoleh sequence Gold yang berbeda. Properti ini dapat digunakan untuk membangkitkan kode yang mengizinkan multiple access pada kanal. Penggunaan sequence Gold dapat mengakibatkan sistem transmisinya menjadi asinkron. Receiver dapat mensinkronisasikannya dengan menggunakan properti auto-correlation dari sequence Gold.
Tujuan dari sistem komunikasi multiple access adalah :
1.Meningkatkan kualitas pelayanan suara sehingga dapat mendekati kualitas sistem wireline
2.Meningkatkan coverage wilayah geografis dari sistem
3.Mengusahakan biaya peralatan yang rendah
4.Mengurangi jumlah penggunaan radio site yang tidak bergerak
CDMA mengubah penampilan dari komunikasi selular dan PCS dengan cara :
1.Meningkatkan kapasitas trafik telepon (Erlang)
2.Memperbaiki kualitas suara dan mengeliminasi pengaruh dari multipath fading
3.Mengurangi terjadinya panggilan yang drop akibat kesalahan handoff
4.Menyediakan mekanisme transport yang reliable untuk komunikasi data, seperti faksimili dan trafik internet.
5.Mengurangi jumlah site yang dibutuhkan untuk mendukung jumlah trafik yang diberikan.
6.Mempermudah pemilihan site.
7.Mengurangi biaya operasi karena cell site yang dibutuhkan lebih sedikit.
8.Mengurangi daya rata-rata sinyal yang dikirimkan.
9.Mengurangi interferensi terhadap divais elektronika lainnya.
10,Mengurangi resiko bagi kesehatan.

Sistem Komunikasi Spread Spectrum
CDMA adalah bentuk dari sistem komunikasi Direct Sequence Spread Spectrum. Umumnya sistem komunikasi spread spectrum dibedakan oleh tiga elemen :
1.Bandwidth sinyal yang lebih lebar dari yang dibutuhkan untuk mengirim informasi. Hal ini menghasilkan banyak keuntungan, seperti kekebalan terhadap interferensi dan jamming dan kemampuan akses multi-user.
2.Bandwidth disebar dengan bantuan kode yang independent terhadap datanya.
3.Receiver mensinkronisasikan kode untuk me-recovery datanya. Penggunaan kode yang independent dan penerimaan yang sinkron membuat multiple user dapat mengakses pita frekuensi yang sama pada waktu yang sama.
Untuk melindungi sinyal, kode yang digunakan adalah pseudorandom. Terlihat seperti acak, tetapi sebenarnya deterministik, sehingga receiver dapat merekonstruksi kode untuk deteksi sinkron. Kode pseudorandom ini juga disebut dengan pseudonoise (PN).

Tipe Sistem Komunikasi Spread Spectrum
Ada tiga cara untuk menyebar bandwidth sinyal, yaitu :
1.Frequency hopping
Sinyal secara cepat diswitch antara frekuensi yang berbeda didalam bandwidth hopping pseudorandom.
2.Time hopping
Sinyal ditransmisikan dalam burst pendek pseudorandom.
3.Direct sequence
Data digital secara langsung dikodekan pada frekuensi yang lebih tinggi. Kodenya dibangkitkan secara pseudorandom, receiver mengetahui bagaimana membangkitkan kode yang sama, dan menghubungkan sinyal yang diterima dengan kode tersebut untuk mengekstrak data.

CDMA bekerja pada data informasi dari beberapa sumber yang mungkin, seperti suara digital atau kanal ISDN. Kecepatan data dapat bervariasi, seperti terlihat pada tabel dibawah ini :

Voice Pulse Code Modulation (PCM) 64 kBits/sec
Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM) 32 kBits/sec
Low Delay Code Excited Linear Prediction (LD-CELP) 16 kBits/sec
ISDN Bearer Channel (B-Channel) 64 kBits/sec
Data Channel (D-Channel) 16 kBits/sec

Sistem bekerja dengan kecepatan data 64 kbps, tetapi dapat juga menerima kecepatan masukan 8, 16,32 atau 64 kbps. Masukan yang kurang dari 64 kbps ditambahkan dengan bit ekstra untuk menjadikannya 64 kbps. Untuk masukan 8, 16, 32 atau 64 kbps, sistem mengaplikasikan pengkodean Forward Error Correction (FEC), yang melipatgandakan bit rate hingga 128 kbps. Skema modulasi kompleks mentransmisikan dua bit pada satu waktu, dalam dua simbol bit. Untuk masukan yang kurang dari 64 kbps, tiap simbol diulangi untuk memperoleh kecepatan transmisi hingga 64 kbps. Tiap komponen dari sinyal kompleks membawa satu bit dari dua simbol bit pada 64 kbps

Direct Sequence
CDMA menggunakan bentuk direct sequence spread spectrum. Pada bagian transmitter dari sistem Direct sequence terjadi proses perkalian antara gelombang komunikasi dengan sequence biner pseudonoise (PN) ±1.

Proses spreading dilakukan setelah proses modulasi, keseluruhannya dalam bentuk biner, dan sinyal yang ditransmisikan dalam keadaan dibatasi bandwidthnya (bandlimited). Perkalian oleh replika dari sequence ±1 yang sama di receiver akan mengembalikan sinyal ke bentuk asalnya.

Noise dan interferensi yang tidak mempunyai hubungan dengan sequence PN menjadi sinyal yang mirip noise (noise-like) dan bandwidthnya meningkat ketika mencapai detektor. SNR dapat ditingkatkan oleh filter narrowband yang menolak sebagian besar daya interferensi.
Pembangkitan Kode Pseudorandom
Untuk tiap kanal, base station membangkitkan kode yang unik yang berubah untuk tiap hubungan. Base station menjumlahkan secara bersama-sama semua kode transmisi untuk setiap pelanggan. Unit pelanggan membangkitkan kode penyesuaiannya sendiri dan menggunakannya untuk mengekstrak sinyal tertentu. Tiap pelanggan menggunakan beberapa kanal yang bebas.
Kode pseudorandom memiliki properti sebagai berikut :
1.Deterministik. Station pelanggan harus mampu secara bebas membangkitkan kode yang sesuai dengan kode base station.
2.Tampak acak bagi pendengar yang tidak memiliki pengetahuan sebelumnya tentang kode tersebut (yaitu mempunyai properti statistik dari white noise yang disampling).
3.Cross-correlation antara dua kode yang sembarang harus kecil.
4.Kode harus memiliki waktu periode yang lama.
Kode Korelasi
Fungsi correlation memiliki properti sebagai berikut :
•Sama dengan 1 jika kedua kode adalah identik
•Sama dengan 0 jika kedua kode tidak mempunyai hubungan
Nilai intermediate mengindikasikan berapa banyak kode yang dipunyai. Semakin banyak kode yang dipunyai, semakin sulit bagi receiver untuk mengekstrak sinyal tertentu. Ada dua fungsi correlation, yaitu :
• Cross-correlation : Hubungan antara dua kode yang berbeda. Nilainya sebaiknya sekecil mungkin.
• Auto-correlation : Hubungan kode dengan versi delay terhadap waktu dari kodenya sendiri. Dalam rangka menolak interferensi multipath, fungsi ini sebaiknya bernilai sama dengan 0 untuk sembarang delay waktu selain 0.
Receiver menggunakan cross-correlation untuk memisahkan sinyal tertentu dari sinyal yang penting bagi receiver lainnya, dan menggunakan auto-correlation untuk menolak interferensi multipath.

Penyebaran Pseudonoise
Beberapa terminologi yang berhubungan dengan kode pseudorandom :
• Frekuensi chipping (fc) : bit rate kode PN
• Rate informasi (fi) : bit rate data digital
• Chip : satu unit kode PN
• Epoch : periode kode. Epoch harus lebih lama dari delay propagasi round trip

Umumnya bandwidth dari sinyal digital adalah dua kali dari bit rate. Bandwidth dari data informasi (fi) dan kode PN digambarkan bersama-sama pada gambar 6 tersebut. Bandwidth dari kombinasi keduanya, untuk fc>fi, dapat didekati oleh bandwidth kode PN.
Processing Gain
Konsep penting yang berhubungan dengan bandwidth adalah processing gain (Gp). Ini adalah gain sistem yang merefleksikan keuntungan relatif yang disediakan oleh penyebaran frekuensi. Processing gain sama dengan perbandingan frekuensi chipping dengan frekuensi data :
Ada dua keuntungan dari nilai processing gain yang tinggi, yaitu :
• Penolakan interferensi : kemampuan sistem untuk menolak interferensi.
• Kapasitas sistem.
Sehingga semakin tinggi bit rate kode PN (bandwidth CDMA yang lebih lebar), maka semakin baik performansi sistem.

Pengiriman Data

Hasil dari sinyal yang dikodekan kemudian memodulsi carrier RF untuk transmisi menggunakan QPSK (quadrature phase shift keying). QPSK menggunakan empat state yang berbeda untuk mengkodekan tiap simbol. Empat state ini adalah pergeseran phasa dari carrier diruang yang terpisah 90 derajat. Pergeseran phasanya adalah 45, 135, 225 dan 315 derajat. Karena terdapat empat kemungkinan state yang digunakan untuk mengkodekan informasi biner, tiap state merepresentasikan dua bit. Dua bit “word” ini dinamakan simbol. Gambar 5 memperlihatkan secara umum bagaimana QPSK bekerja.
Penerimaan Data
Receiver menampilkan beberapa langkah berikut untuk mengekstrak informasi :
•Demodulasi
Receiver membangkitkan dua referensi gelombang, yaitu gelombang Cosinus dan Sinus. Kemudian secara terpisah mencampurkan tiap gelombang dengan carrier yang diterima, receiver mengekstrak I(t) dan Q(t). Konverter analog ke digital (ADC) me-restore word 8 bit yang merepresentasikan chip I dan Q.
•Akuisisi dan penguncian kode
Receiver membangkitkan kode PN kompleksnya sendiri yang sesuai dengan kode yang dibangkitkan oleh transmitter. Walau bagaimanapun kode lokal harus dikunci phasanya ke data yang dikodekan.
•Correlation antara kode dengan sinyal
Sekali kode PN dikunci phasanya ke pilot, sinyal yang diterima dikirimkan ke correlator yang kemudian mengalikannya dengan kode PN kompleks, mengekstrak data penting I dan Q untuk receiver. Receiver merekonstruksi data informasi dari data I dan Q.
•Pendekodean data informasi
Masalah Near-Far
Karena cross-correlation antara dua kode PN tidak tepat sama dengan nol, maka sistem harus mengatasi apa yang disebut dengan masalah Near-Far.
Keluaran dari correlator terdiri dari dua komponen, yaitu :
•Auto-correlation dari kode PN dengan sinyal yang dikodekan.
•Jumlah cross-correlation dari kode PN dengan semua sinyal lain yang ikut dikodekan.
Karena cross-correlation bernilai kecil (idealnya nol), maka jumlah dari cross-correlation sebaiknya kurang dari nilai amplituda sinyal yang diinginkan. Walau bagimanapun, jika sinyal yang diinginkan dibroadcast dari jarak yang jauh, dan sinyal yang tidak diinginkan dibroadcast dari jarak yang lebih dekat, maka sinyal yang diinginkan mungkin saja sangat kecil akibat teredam oleh cross-correlation.

Kapasitas berbanding lurus secara langsung terhadap processing gain. Kapasitas juga berbanding terbalik terhadap SNR dari sinyal yang diterima. Sehingga, semakin kecil SNR sinyal yang ditransmisikan, maka semakin besar kapasitas sistem (sepanjang receiver dapat mendeteksi sinyal dalam noise).

Penolakan Interferensi

Teknologi CDMA tahan terhadap interferensi dan jamming. Masalah umum dengan komunikasi urban adalah interferensi multipath. Interferensi multipath disebabkan karena sinyal yang dibroadcast berjalan sepanjang lintasan yang berbeda untuk sampai di receiver. Kemudian receiver harus merecovery sinyal yang dikombinasikan dengan echo yang amplituda dan phasanya berbeda. Hal ini menghasilkan dua tipe interferensi, yaitu :
•Interferensi inter-chip : Sinyal yang dipantulkan mengalami penundaan cukup lama sehingga bit (atau chip dalam kasus ini) dalam sinyal yang didemodulasi mengalami overlap, membuat ketidakpastian dalam data.
•Selective fading : Sinyal yang dipantulkan mengalami penundaan cukup lama sehingga phasanya tertinggal secara acak, dan merusak sinyal yang diinginkan.
Melawan Interferensi
Dua metode umum yang digunakan untuk melawan interferensi multipath adalah :
•Rake filter : Correlator di set up pada interval waktu tertentu untuk mengekstrak semua echo. Amplituda dan phasa relatif dari echo diukur, dan tiap sinyal echo dibetulkan phasanya dan kemudian ditambahkan ke sinyal.
•Adaptive Matched Filter : Filter ini “disesuaikan” ke fungsi transfer (yaitu karakteristik propagasi) dari lintasan sinyal.