http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/

## STUDI KINERJA KENDALI DAYA KANAL UPLINK 4G LTE BERDASARKAN SIGNAL TO INTERFERENCE RATIO (SIR)
Sapta Nugraha 1 dan Rozeff Pramana 2
1,2 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Maritim Raja Ali Haji Email: saptanugraha@umrah.ac.id

## ABSTRACT
4G Long Term Evolution (LTE) has a standard for wireless communication with high-speed data access on  cellular  phones  which  have  standard  parameter  i.e.  power  control.  Power  control  is  a  method  to  avoid interference  inter-users,  as  a  result  of  power  variations.  Interference  inter-users  will  cause  performance limitations of the quality of service telecommunications operator. In this paper, we will design power control on the uplink channel based on the Signal to Interference Ratio (SIR) so that power level of mobile station (MS) are approximately equal. Simulation results show that power of MS can reach -7 dB, average time above 17 ms. The results  of  the  SIR  can  order  MS  to  equalize  the  SIR  power  levels  transmitted  by  some  MS  with  SIR  reference value.

## Keywords: power control, uplink channel, SIR, mobile station

## ABSTRAK
4G  Long  Term  Evolution  (LTE)  memiliki  standar  komunikasi  nirkabel  akses  data  berkecepatan  tinggi pada telepon seluler yang memiliki parameter standar yaitu kendali daya. Kendali daya merupakan metode untuk menghindari  interferensi  antar  pengguna  akibat  variasi  daya.  Interferensi  antar  pengguna  menyebabkan keterbatasan kinerja kualitas layanan operator telekomunikasi. Pada penelitian ini, akan dirancang kendali daya kanal  uplink  berdasarkan  SIR  agar  daya  mobile  station  (MS)  mendekati  sama.  Hasil  simulasi  menunjukkan bahwa  daya  MS  dapat  mencapai  -7  dB,  rerata  waktu  di  atas  17  ms.  Hasil  menunjukkan  SIR  dapat memerintahkan MS menyamakan daya yang ditransmisikan beberapa MS dengan nilai SIR referensi.

## Kata Kunci: kendali daya, kanal uplink, SIR, mobile station

## PENDAHULUAN
Long  Term  Evolution (LTE)  merupakan pengembangan  teknologi  telekomunikasi  dari 3G  ke  4G.  Kemampuan  dan  keunggulan  dari LTE  memiliki  kecepatan  dalam  transfer  data, cakupan  area yang  besar , serta  memiliki kapasitas  dan  layanan  yang  lebih  besar.  Selain itu,  penerapan  penggunaan  antena  jamak, fleksibel dalam penggunaan bandwidth operasinya,  dan  terintegrasi  dengan  teknologi yang  sudah  ada  dapat  menekan  biaya operasional  yang  lebih  rendah  (Suyuti  dan Syarif, 2011; Usman dan Prihatmoko, 2011).
Peningkatan kapasitas dan layanan merupakan  standar  yang  coba  dikembangkan oleh  teknologi  LTE  ini.  Untuk  meningkatkan
kapasitas  dan  layanan  diperlukan  sistem pengaturan  daya  yang  optimal  antara Mobile Station (MS)  dan eNodeB .  Sistem  pengaturan daya  dapat  mengurangi  interferensi  antar pengguna jaringan telekomunikasi.  Interferensi adalah  gangguan  sinyal  komunikasi  yang disebabkan  oleh  ikut  diterimanya  sinyal frekuensi lain yang tidak dikehendaki. Interferensi ini menyebabkan penurunan kinerja sistem  radio  seluler,  baik  berupa  kapasitas maupun layanan jaringan telekomunikasi.
LTE  memerlukan  suatu kendali  daya untuk meminimalisasi terjadinya interferensi  antar  pengguna,  sebagai  akibat variasi  daya  yang  akan  menimbulkan korelasi silang. Korelasi silang adalah kode
penebar transmisi pada kanal uplink dengan menggunakan  kode  acak.  Kendali  daya bekerja  dengan  cara  mengatur  daya  pancar pengguna  penginterferensi  karena  level interferensi  yang  tinggi  dari  sel  tetangga dapat  membatasi  area  cakupan uplink. Kendali  daya uplink dapat  meningkatkan kinerja cell-edge sehingga  kapasitas  sistem bekerja  secara  optimal.  Selain  itu,  kendali daya uplink cukup efektif dalam mengurangi  interferensi  pada  sistem  LTE- advanced
(Khan, 2009;
Febryanti,
Hendrantoro,  dan  Kuswidiastuti,  2013; Cîrstea dan Ciochină, 2011).
LTE menggunakan teknik Single Carrier  Frequency  Division  Multiple  Access (SC-FDMA)  pada  kanal uplink .  Kendali  daya memiliki dua mekanisme dalam proses mengurangi  interferensi  yang  terjadi,  yaitu Open Loop Power Control (OLPC) dan Closed Loop Power Control (CLPC). Pengujian sistem diterapkan  dengan  membandingkan  antara kinerja  OLPC  dan CLPC  menggunakan  skema frekuensi reuse yang  berbeda.  Mekanisme kinerja  CLPC  memiliki  sistem  yang  optimal dibandingkan  dengan  kinerja  OLPC  (El- badawy,  El-Ghawaby,  dan  Ali,  2012;  Tejaswi dan Suresh, 2013)
Penelitian  ini  akan  melakukan  studi kinerja  kendali  daya  agar level daya  yang ditransmisikan dari setiap MS minimal mendekati  sama.  Hal  ini  diwujudkan  dengan mengatur  level  daya  yang  ditransmisikan  oleh MS  menggunakan  kendali  daya loop tertutup pada kanal uplink melalui mekanisme algoritma Signal to Interference Ratio (SIR).

## METODE

## Kriteria Perancangan
Pada bagian ini akan dirancang mekanisme kendali daya menggunakan pendekatan  algoritma  SIR  berdasarkan  pada obyek yang berbeda. Algoritma SIR didasarkan pada  obyek  untuk  secara  langsung  mengontrol
kualitas  komunikasi  atau  kinerja  sistem  sesuai dengan SIR yang diterima pada eNodeB .
Mekanisme  kendali  daya  pada  kanal uplink ,  jika eNodeB mengukur  rerata  daya  dari SIR  yang  diterima  pada reverse  link ( uplink ) yang diinginkan dalam suatu periode pengukuran  daya,  dinyatakan  dengan ̅̅̅̅̅ . Perbandingan ̅̅̅̅̅ (dB) dengan level daya yang diinginkan D (dB)  disebut  mekanisme  kendali daya  SIR . Dalam  bahasan  ini, ̅̅̅̅̅ diperoleh dari :
̅̅̅̅̅    ̅ – (  ( )    ( )) (1) dengan ( )  merupakan level interferensi  dari semua mobile  station yang  lain  dalam  sistem.
( ) adalah background noise . eNodeB mengukur rerata daya  sinyal  yang  diterima dalam  suatu  periode  pengukuran  daya  yang dinyatakan dalam ̅ .
Perbedaan  antara ̅̅̅̅̅ (dB)  dan D (dB) dalam  mekanisme  SIR,  dinyatakan  dalam err , kemudian diumpankan ke dalam Power Control Decision  Command (PCCMD).  PCCMD  ini akan  mengirimkan  sebuah  perintah  kendali daya  ke mobile  station via  kanal  umpan  balik dari kanal downlink.
Aturan yang berhubungan untuk menentukan  perintah  kendali  daya  adalah  jika nilai key ≥ 0, maka nilai cmd = 0. Apabila nilai key < 0, maka nilai cmd = 1, dengan key = err / dan merupakan step size minimum untuk proses  penjajakan  daya.  Setelah  menerima perintah  kendali  daya  ( cmd ), mobile  station memancarkan  daya  yang  diperbarui  oleh sejumlah cmd * (dB).
Periode  waktu  yang  diperlukan mobile station untuk melakukan satu operasi penjajakan  disebut loop  delay dan  dinyatakan
. Loop  delay meliputi  periode  pengukuran daya ( ) , delay propagasi  kanal uplink dan downlink, dan time delay untuk membangkitkan, mentransmisikan, dan mengeksekusi  perintah  kendali  daya .  Loop delay memainkan  peranan  yang  penting  dalam mekanisme kendali daya.
http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/

## Pemodelan Sistem
Perancangan  pemodelan  sistem  kinerja kendali daya ini berdasarkan mekanisme closed loop  kendali  daya pada  kanal uplink dengan metode fixed  step .  Diagram  alir  mekanisme pemodelan sistem dengan metode fixed step ini
ditunjukkan  pada  gambar  1.  Pemodelan  ini menggunakan  sistem  dengan  sel  tunggal.  Sel yang  dimaksud  diasumsikan  bebas  dari edge effect. MS  dalam  sel  tersebut  diasumsikan  di dalam  sel  dengan  kerapatan uniform dengan
jumlah MS.

## Gambar 1. Diagram Alir Pemodelan Sistem
Sinyal  radio  pada  waktu  t  dalam  kanal uplink dari  pusat  sel  diasumsikan  mengalami redaman  oleh  suatu  channel  gain ( ) yang meliputi long  term  fading dan short  term fading . Long term fading dinyatakan oleh ( ) dan  menggambarkan  rerata  dari  daya  sinyal. Short  term  fading dinyatakan  oleh ( ) menjelaskan multipath  fading .  Oleh  karena  itu, diberikan  daya  yang  ditransmisikan  sebuah mobile  station ( ) ,  maka  daya  yang  diterima eNodeB ̅ dapat diperoleh dengan:
̅( )      ( )     ( )     ( )    ( )    ( ) (2)
Long  term  fading ( ) merupakan suatu random  variable yang  dimodelkan sebagai berikut:
( ) (3)
dengan K adalah  suatu  konstanta, r merupakan jarak  antara eNodeB dan mobile  station ,  α dinamakan eksponen  path  rugi ,  dan adalah random  variable terdistribusi  normal  dengan rerata  nol  dan  variansi  σ.  Dalam  simulasi  ini digunakan K =1,  α=4  dan  σ=8. Short  term fading ( ) yang  digunakan  pada  simulasi  ini juga  merupakan random  variable dengan distribusi Rayleigh .
Pada  periode  pengamatan loop  delay , setiap mobile  station diasumsikan  bergerak secara  kontinyu  dalam  suatu  area  geografis yang  kecil,  sehingga  kanal  radio uplink mempunyai  rugi  redaman  dan shadowing yang uniform . Oleh karena itu, long term fading pada tiap  kanal uplink dapat  dianggap  konstan selama  periode  pengamatan.  Antena  yang digunakan  oleh eNodeB dan mobile  station dianggap omnidirectional. Aktivitas  suara  dan soft  handoff tidak  diperhitungkan  dalam simulasi ini.
Microcell digunakan  pada  area  dengan kepadatan yang tinggi, seperti pusat kota, jalan raya  atau  pusat  bandar  udara,  dan  memiliki ukuran sel yang kecil untuk mencapai kapasitas pengguna  per  unit  area  yang  lebih  tinggi. Ukuran microcell (0.5  Km  sampai  2  Km)  dan antena pada microcell juga bekerja dengan daya pancar  yang  relatif  lebih  kecil  (kurang  dari  20 mW).
Level daya  dari  MS  berdasarkan link budget untuk  sistem  LTE  maksimum  200  mW atau  23  dBm.  Berdasarkan  parameter  tersebut, simulasi  ini  diasumsikan  yang  mana  MS bergerak secara random dalam area sel 0.5 Km hingga  2  Km.  Nilai level SIR  referensi  untuk simulasi  yaitu  -7  dB.  Daya  pancar  MS diasumsikan 0,01 mW atau -50 dB.
Parameter  LTE  yang  diinginkan  pada simulasi  ini  dinyatakan  dalam  bit error  rate adalah kurang dari 10 -3 atau Eb/Io berkisar 4  – 5  untuk uplink .    Data  rate  64 Kbps dan  laju chips (W)  =  4,096 Mcps ,  sehingga processing gain W/R=64,  maka  minimum  SIR  yang diinginkan  adalah  sekitar  -7 dB .  Tabel  1 menunjukkan  parameter-parameter  simulasi yang  digunakan  dalam  perancangan  sistem uplink kendali daya ini .
Tabel 1. Parameter Simulasi Parameter Nilai Data Rate (Kbps) 64 Chips Rate (Mcps) 4.096 Processing Gain 64 Frequency Carrier (MHz) 2100 Max. Tx Power MS (dBm) 23 SIR Referensi (dB) -7 Mobile Station (user) 10 Eb/Io 5 Jangkauan Microcell (Km) 0.5 – 2 Daya Pancar Antena (mW) < 20 Frequency Reuse 1 Gain Antenna Sektorisasi 2.4 Periode PC = Tp (ms) 0.2 Pada bagian sebelumnya telah
disebutkan  bahwa, long  term  fading konstan untuk setiap pengguna dengan asumsi perpindahan  MS  relatif  kecil.  Sementara short term fading diasumsikan terdistribusi Rayleigh. Short  term  fading terdistribusi Rayleigh yang digunakan  pada  simulasi  ini  dapat  dilihat  pada gambar 2.

## Sebelum Kendali Daya dilakukan
Hasil simulasi SIR yang ditransmisikan beberapa mobile  station sebelum  kendali  daya sebesar  -50  dB  ditunjukkan  gambar  3.  Hasil simulasi  menunjukkan  bahwa level daya  yang ditransmisikan beberapa mobile station sebelum kendali  daya  mendapatkan  hasil  yang  sama yaitu sebesar -50 dB.
Hasil simulasi level daya yang diterima eNodeB sebelum  menggunakan  kendali  daya ditunjukkan  gambar  4  dengan  nilai  SIR referensi  adalah  -7  dB.  Hasil  simulasi menunjukkan  bahwa level daya  yang  diterima eNodeB dari  beberapa  MS  sebelum  kendali daya terlihat berbeda dari SIR referensi. Hal ini disebabkan  oleh  faktor  jarak  ( near-far )  dan shadowing dari  MS  menuju eNodeB .  Faktor jarak ini menentukan lokasi setiap MS berbeda dengan  MS  yang  lainnya.  Perbedaan  lokasi
http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/
ditentukan  berdasarkan  distribusi  acak  pada lokasi MS.
Selain  itu,  adanya  interferensi  antar  MS juga  mengakibatkan level daya  yang  diterima BS  belum  stabil.  Perbedaan  inilah  yang  coba
akan  dilakukan  pengaturan level daya  sehingga akan  menyesuaikan  dengan level daya  target yang  diinginkan  menggunakan  mekanisme kendali daya.
Gambar  2. Short Term Fading Terdistribusi Rayleigh

## Gambar 4. Daya yang diterima eNodeB Sebelum Kendali Daya
Setelah Kendali Daya dilakukan
Hasil simulasi level daya yang ditransmisikan beberapa MS dengan menggunakan  kendali  daya  sebesar  -50  dB ditunjukkan gambar 5. Hasil simulasi menunjukkan  perubahan  daya  pancar  beberapa MS  akibat  adanya  penggunaan  kendali  daya. Daya  pancar  MS  pada  simulasi  ini  akan  terus mengalami perubahan selama proses komunikasi  akibat  adanya  pergerakan  dan multipath fading yang dialami oleh MS.
Hasil simulasi level daya yang diterima eNodeB dari beberapa MS setelah menggunakan kendali daya ditunjukkan gambar
6.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  SIR mencapai level daya  -7  dB  dengan  waktu  rata- rata di atas 17 ms. Hal ini menunjukkan bahwa kendali daya dapat melakukan tugasnya dengan baik yaitu memerintahkan MS untuk menyamakan level daya SIR yang ditransmisikan  oleh  beberapa  MS  dengan  nilai SIR referensi.
Pada  algoritma  SIR,  nilai  fluktuasi level daya  -7  dB  dengan  waktu sampling terdekat (MS 1) adalah 1 ms dan waktu sampling terjauh (MS  10)  adalah  17  ms.  Waktu sampling ini terjadi  berdasarkan  pada  perubahan  kendali daya.
http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/

## Gambar 6. Daya yang diterima eNodeB Setelah Kendali Daya

## SIMPULAN
Algoritma  SIR  merupakan  salah  satu algoritma yang optimal digunakan dalam teknik uplink kendali daya. Hasil menunjukkan bahwa SIR  mencapai level daya  -7  dB  dengan  waktu rata-rata  di  atas  17  ms.  Hal  ini  menunjukkan bahwa  kendali  daya  dapat  memerintahkan  MS untuk  menyamakan level daya  SIR  yang ditransmisikan  oleh  beberapa  MS  dengan  nilai SIR referensi.

## DAFTAR RUJUKAN
Cîrstea, E.-R., & Ciochină, S. 2011. Adaptive,
3 rd International Conference on Adaptive and Self-Adaptive Systems and
Applications . El-badawy, H., El-Ghawaby, M. M.,  & Ali, H.
H.  2012. The  Seventh  International
Conference on Digital Telecommunications , Febryanti, S., Hendrantoro, G., & Kuswidiastuti,  D.  2013. Jurnal  Teknik
Pomits .
Khan, F. 2009. LTE for 4G Mobile Broadband. Air Interface Technologies and Performance . United Kingdom:
Cambridge University Press.
Suyuti,  S.,  &  Syarif,  S.  2011. Jurnal  Ilmiah Elektrikal Enjiniring UNHAS .
Tejaswi ,  E.,  and  Suresh,  B.  2013. Int.  J.
Comput. Sci. Inf. Technol.
Usman,  K.,  &  Prihatmoko,  G.  U.  2011. Fundamental  Teknologi  Seluler  LTE. Bandung: Informatika.