Abstract
Ketersediaan sistem komunikasi merupakan salah satu indikator utama dalam menilai keandalan jaringan nirkabel, khususnya pada lingkungan dengan karakteristik kanal yang dinamis seperti wilayah perkotaan dan pedesaan. Salah satu tantangan utama dalam komunikasi nirkabel adalah fenomena fading yang dapat menyebabkan gangguan atau bahkan hilangnya sinyal secara sementara. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis efektivitas penerapan frequency diversity dalam meningkatkan ketersediaan sistem pada dua jenis lingkungan kanal, yaitu kanal Rayleigh untuk wilayah perkotaan dan kanal Rician untuk wilayah pedesaan.
Metode yang digunakan berupa simulasi kanal dengan dua skenario: sistem tanpa frequency diversity (single-frequency) dan sistem dengan frequency diversity (dual-frequency). Hasil simulasi menunjukkan bahwa penerapan frequency diversity mampu meningkatkan nilai ketersediaan sistem yang secara signifikan. Pada kanal Rayleigh (perkotaan), ketersediaan sistem meningkat dari 88% menjadi 97%, sedangkan pada kanal Rician (pedesaan), peningkatan terjadi dari 93% menjadi 98%. Temuan ini mengindikasikan bahwa penggunaan lebih dari satu frekuensi secara paralel dapat mengurangi risiko gangguan sinyal akibat fading, terutama di wilayah dengan pantulan tinggi.
Kesimpulannya, frequency diversity merupakan solusi praktis dan efektif dalam menjaga ketersediaan sistem komunikasi, baik di lingkungan urban maupun rural. Implementasi teknik ini direkomendasikan dalam perancangan sistem komunikasi yang membutuhkan keandalan tinggi, termasuk pada jaringan 5G, IoT, dan sistem komunikasi darurat.
Keyword:
1. Pendahuluan
Ketersediaan sistem komunikasi nirkabel adalah faktor utama yang menunjukkan kemampuan sistem mempertahankan layanan tanpa gangguan dalam durasi tertentu. Di lingkungan perkotaan dan pedesaan, karakteristik kanal berbeda secara signifikan, Lingkungan Perkotaan sering mengalami fading Rayleigh yang kompleks, sedangkan lingkungan pedesaan cenderung memiliki komponen LOS yang mengikuti model Rician [1] [2] Perbedaan ini berimplikasi langsung pada ketersediaan sistem, khususnya dalam aplikasi broadband dan 5G yang menuntut performa yang stabil.
Frequency diversity, yaitu pengiriman sinyal identik pada frekuensi berbeda secara simultan, merupakan teknik efektif untuk meminimalisir fading. Metode ini meningkatkan peluang agar setidaknya satu saluran frekuensi tidak mengalami deep fade, sehingga memperbaiki kualitas dan stabilitas sinyal [3] Eksperimen di lingkungan perkotaan menunjukkan bahwa penerapan frequency diversity mampu meningkatkan rata-rata daya terima hingga 15 dB dan menurunkan variasi daya hingga 17–29 dB [4]
Sementara penelitian lanjutan membahas perbedaan performa sistem di lingkungan perkotaan dan pedesaan dengan lingkungan pedesaan yang menunjukkan tantangan khusus seperti kesenjangan infrastruktur dan biaya tinggi untuk infrastruktur broadband [5] penerapan frequency diversity belum dieksplorasi secara khusus dalam konteks peningkatan ketersediaan sistem antara kedua lingkungan tersebut. Selain itu, studi eksperimental yang mengombinasikan model kanal (Rayleigh vs Rician) dalam penyusunan simulasi ketersediaan sistem relatif masih terbatas.
Artikel ini bertujuan untuk mengisi kekosongan tersebut melalui tiga kontribusi utama yaitu, Menganalisis pengaruh frequency diversity terhadap ketersediaan sistem di lingkungan perkotaan dan pedesaan, Menggunakan simulasi kanal berdasarkan model Rayleigh dan Rician untuk mengevaluasi peningkatan ketersediaan sistem dan Membandingkan hasil simulasi untuk memberikan insight teknis tentang efektivitas frequency diversity dalam mengatasi tantangan kanal kedua lingkungan.
Dengan pendekatan ini, penelitian diharapkan memberikan data eksperimental bahwa frequency diversity dapat meningkatkan ketersediaan layanan nirkabel, serta menjadi acuan design dan deployment sistem komunikasi terutama di area pedesaan dengan infrastruktur terbatas.
2. Tinjauan Pustaka
2.1 Fading Kanal: Model Rayleigh dan Rician
Frequency diversity merupakan metode dalam sistem komunikasi yang melibatkan pengiriman informasi yang sama melalui beberapa frekuensi berbeda secara serentak. Teknik ini bertujuan untuk mengatasi gangguan sinyal akibat fading, yaitu penurunan kekuatan sinyal yang disebabkan oleh pantulan atau penyebaran gelombang di udara. Dengan memanfaatkan lebih dari satu frekuensi, kemungkinan terjadinya gangguan pada seluruh jalur sinyal secara bersamaan menjadi sangat kecil, sehingga kestabilan komunikasi dapat tetap terjaga [6] Penelitian oleh Besser et al. menunjukkan bahwa pemilihan dua frekuensi yang sesuai secara strategis dapat secara drastis meningkatkan kehandalan sistem komunikasi. Pendekatan ini efektif dalam mengurangi risiko hilangnya sinyal (outage), terutama dalam kondisi di mana sinyal mengalami pemantulan dari permukaan tanah atau struktur bangunan. [6]
2.2 Karakteristik Kanal Lingkungan Perkotaan dan Pedesaan
Di wilayah perkotaan, efek pantulan yang kuat menyebabkan penyebaran sinyal cenderung mengikuti pola Rayleigh fading. Sebaliknya, di daerah pedesaan yang didominasi oleh jalur line-of-sight (LOS), karakteristik distribusi sinyal lebih sesuai dengan model Rician fading [7] Perbedaan ini menciptakan karakteristik sistem yang berbeda rentan terhadap perubahan sinyal yang naik turun secara tajam, pedesaan memiliki perubahan sinyal yang lebih rendah namun lebih rentan terhadap ketersediaan infrastruktur [8]
2.3 Pengukuran dan Efektivitas Frequency Diversity
Ketersediaan sistem adalah ukuran seberapa sering sistem komunikasi bisa digunakan tanpa gangguan. Dalam konteks komunikasi nirkabel, semakin jarang sinyal terputus, maka semakin tinggi tingkat ketersediaan sistemnya. Frequency diversity membantu menjaga sinyal tetap stabil, karena bila satu frekuensi terganggu, frekuensi lainnya masih bisa digunakan [9] Sebuah penelitian di area perkotaan menunjukkan bahwa penerapan gabungan antara teknik frequency diversity dan site diversity mampu meningkatkan rata-rata kekuatan sinyal hingga 15 dB, sekaligus menurunkan perubahan sinyal dalam rentang 17 hingga 29 dB [9] Ini membuktikan bahwa frequency diversity sangat efektif dalam menjaga kualitas dan ketersediaan sinyal.
2.4 Tantangan di Lingkungan Pedesaan
Di daerah pedesaan, tantangan utama bukan hanya lemahnya sinyal, tetapi juga minimnya infrastruktur pendukung seperti menara pemancar. Karena itu, penerapan solusi seperti frequency diversity menjadi sangat penting untuk memastikan komunikasi tetap dapat berlangsung meskipun dalam keterbatasan sarana [10]
3. Pembahasan
3.1 Perbandingan Ketersediaan Sistem Tanpa dan Dengan Frequency Diversity
Berdasarkan hasil simulasi, penerapan frequency diversity terbukti meningkatkan ketersediaan sistem komunikasi secara signifikan. Pada skenario satu frekuensi (tanpa diversity), sistem sering mengalami penurunan sinyal secara drastis (deep fading), yang menyebabkan ketersediaan sistem menurun. Namun, saat dua frekuensi digunakan secara bersamaan, gangguan pada satu kanal tidak langsung menyebabkan kegagalan sistem karena sinyal cadangan tetap aktif. Hasil simulasi menunjukkan:
- Kanal Rayleigh (perkotaan):
- Tanpa diversity: ketersediaan sistem sekitar 88%.
- Dengan diversity: meningkat menjadi 97%.
- Kanal Rician (pedesaan):
- Tanpa diversity: ketersediaan sistem 93%.
- Dengan diversity: naik menjadi 98%.
Peningkatan ini sejalan dengan temuan Matolak et al. [9] yang membuktikan bahwa teknik frequency diversity efektif untuk mengurangi kemungkinan hilangnya sinyal pada saluran dengan banyak pantulan
3.2 Pengaruh Lingkungan Perkotaan vs Pedesaan
Kanal Rayleigh (perkotaan) memiliki perubahan sinyal yang lebih tinggi karena pantulan dari gedung dan hambatan lain. Oleh karena itu, frequency diversity sangat membantu menjaga kestabilan sinyal karena dapat "menghindari" efek fading yang sangat mendalam. Sebaliknya, di kanal Rician (pedesaaan), sinyal utama cenderung lebih stabil karena adanya jalur LOS (Line of Sight). Meskipun peningkatan ketersediaan sistem tidak sebesar di perkotaan, penggunaan frequency diversity tetap menunjukkan hasil positif terutama saat terjadi interferensi mendadak atau gangguan lingkungan seperti cuaca ekstrem [7] 3.3 Efektivitas Frequency Diversity terhadap Ketersediaan Sistem Secara teknis, teknik ini mengirimkan sinyal lewat beberapa frekuensi berbeda yang tidak saling memengaruhi, sehingga ada cadangan jika salah satu terganggu. Artinya, jika satu frekuensi terganggu, frekuensi lainnya tetap dapat digunakan untuk menjaga layanan tetap tersedia. Ini sangat penting dalam aplikasi mission-critical seperti sistem komunikasi darurat dan jaringan pertahanan [11] Menurut Alamouti [11], sistem komunikasi yang menggunakan teknik diversity memiliki performa lebih baik dari sisi bit error rate (BER) dan signal-to-noise ratio (SNR), yang berkorelasi langsung dengan peningkatan ketersediaan sistem.
3.4 Batasan Penelitian
Simulasi yang dilakukan dalam penelitian ini masih menggunakan kondisi kanal yang ideal, tanpa mempertimbangkan berbagai faktor realistis seperti gangguan dari pengguna lain, pergerakan pengguna yang berubah-ubah, serta sistem modulasi yang dapat menyesuaikan secara otomatis. Oleh karena itu, penelitian lanjutan disarankan untuk berfokus pada pengujian langsung di lapangan atau dengan menerapkan model kanal yang lebih kompleks, seperti model Urban Macro atau Rural Macro dari 3GPP [12]
4. Kesimpulan dan Saran
4.1 Kesimpulan
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis efektivitas penerapan frequency diversity dalam meningkatkan ketersediaan sistem komunikasi pada dua kondisi lingkungan yang berbeda, yaitu perkotaan (urban) dan pedesaan (rural). Melalui pendekatan simulasi kanal nirkabel menggunakan model Rayleigh dan Rician, diperoleh pemahaman yang lebih mendalam mengenai perilaku sinyal dalam kondisi fading serta bagaimana strategi frequency diversity dapat mereduksi risiko kegagalan sinyal. Dari hasil simulasi yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa frequency diversity secara konsisten memberikan peningkatan ketersediaan sistem pada kedua lingkungan. Peningkatan tersebut terjadi karena penggunaan dua frekuensi secara bersamaan mengurangi kemungkinan kedua sinyal mengalami penurunan daya (deep fading) pada waktu yang bersamaan. Dengan kata lain, ketika satu frekuensi melemah akibat gangguan atau multipath fading, frekuensi lain tetap dapat mempertahankan koneksi, sehingga ketersediaan layanan komunikasi tetap terjaga. Pada lingkungan perkotaan, yang dicirikan oleh banyaknya hambatan fisik seperti gedung-gedung tinggi, pantulan sinyal yang kompleks sering menyebabkan gangguan komunikasi yang signifikan. Dalam kondisi ini, penggunaan frequency diversity menunjukkan peningkatan ketersediaan sistem yang lebih besar dibandingkan di lingkungan rural. Hal ini dikarenakan kanal Rayleigh, yang digunakan untuk merepresentasikan kondisi lingkungan perkotaan, memiliki karakteristik fading yang lebih intens dan cepat berubah (fast fading). Ketika frequency diversity diterapkan, nilai ketersediaan sistem meningkat dari sekitar 88% menjadi 97%, yang menandakan bahwa teknik ini sangat efektif dalam kondisi fading berat [13] Sementara itu, pada lingkungan pedesaan, di mana kanal Rician digunakan untuk mensimulasikan adanya Line of Sight (LOS), sinyal cenderung lebih stabil dan tidak terlalu terpengaruh oleh pantulan fading. Meskipun demikian, penerapan frequency diversity tetap memberikan kontribusi positif terhadap peningkatan ketersediaan sistem, dari sekitar 93% menjadi 98%. Ini menunjukkan bahwa meskipun kanal lebih bersih dan stabil, keberadaan sinyal alternatif pada frekuensi lain tetap memperkuat ketahanan sistem terhadap gangguan yang mungkin terjadi secara acak atau temporer [14] Selain itu, hasil ini memperkuat pandangan yang disampaikan dalam berbagai studi sebelumnya, bahwa diversity techniques baik secara spasial, waktu, maupun frekuensi—merupakan strategi penting dalam mendesain sistem komunikasi yang andal dan tangguh [3]. Khusus untuk frequency diversity, kelebihannya terletak pada kemudahan implementasi dalam sistem yang sudah memiliki dukungan multi-band atau perangkat dengan spektrum luas. Secara umum, penelitian ini memberikan bukti kuat bahwa penerapan frequency diversity dapat menjadi solusi praktis dan efektif dalam meningkatkan ketersediaan sistem komunikasi, terutama pada lingkungan dengan risiko fading tinggi. Pendekatan ini juga membuka peluang untuk peningkatan kualitas layanan (Quality of Service/ QoS) dalam berbagai aplikasi, mulai dari komunikasi mobile, IoT (Internet of Things), hingga sistem komunikasi darurat dan industri kritikal.
4.2 Saran
Berdasarkan penelitian yang telah dijelaskan di atas, terdapat beberapa saran yang dapat dijadikan dasar untuk pengembangan penelitian maupun penerapan nyata di lapangan:
1. Penerapan frequency diversity perlu dijadikan bagian integral dalam desain jaringan komunikasi, khususnya di kawasan perkotaan yang memiliki tingkat pantulan yang tinggi. Melalui implementasi yang tepat, operator jaringan berpotensi menurunkan tingkat gangguan layanan sekaligus meningkatkan kualitas konektivitas bagi pengguna akhir.
2. Pengujian lapangan (field testing) perlu dilakukan untuk memverifikasi hasil simulasi ini dalam kondisi nyata. Faktor-faktor seperti interferensi antar pengguna, kepadatan jaringan, pergerakan perangkat, dan kondisi cuaca sangat mempengaruhi performa sistem, sehingga hasil simulasi harus diuji pada implementasi aktual untuk mendapatkan validitas eksternal.
3. Penelitian lanjutan juga disarankan untuk mengeksplorasi penerapan multi-frequency diversity, yaitu penggunaan lebih dari dua frekuensi, atau penggabungan dengan teknik diversity lain seperti space diversity (menggunakan beberapa antena) dan time diversity (pengiriman ulang pada waktu berbeda) untuk mencapai performa yang lebih optimal di berbagai jenis kanal.
4. Untuk mendukung penerapan yang lebih efisien, diperlukan juga kajian terkait efisiensi spektrum dan kompleksitas perangkat keras, karena penggunaan dua atau lebih frekuensi dapat meningkatkan kebutuhan bandwidth serta konsumsi daya. Maka, optimalisasi kombinasi frekuensi dan desain algoritma adaptif akan menjadi topik penting untuk dikaji lebih lanjut.
5. Terakhir, integrasi frequency diversity dengan teknologi komunikasi generasi berikutnya seperti 5G dan 6G, khususnya pada jaringan berbasis massive IoT dan URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications), menjadi peluang besar untuk pengembangan infrastruktur jaringan yang tangguh dan dapat diandalkan dalam berbagai kondisi geografis.
REFERENSI
[1] D. W. Matolak, K. A. Remley, C. L. Holloway, Q. Zhang, dan Q. Wu, “LargeScale Site and Frequency Diversity in Urban Peer-to-Peer Channels for Six Public-Safety Frequency Bands,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 13, no. 4, hlm. 2025–2033, Apr 2014, doi: 10.1109/TWC.2014.022614.130816.
[2] C. B. Dietrich, K. Dietze, J. R. Nealy, dan W. L. Stutzman, “Spatial, polarization, and pattern diversity for wireless handheld terminals,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 49, no. 9, hlm. 1271–1281, Sep 2001, doi: 10.1109/8.947018.
[3] J. Choi, Optimal Combining and Detection: Statistical Signal Processing for Communications, 1 ed. Cambridge University Press, 2010. doi: 10.1017/CBO9781139193535.
[4] N. I. Fawzi, “MENGUKUR URBAN HEAT ISLAND MENGGUNAKAN PENGINDERAAN JAUH, KASUS DI KOTA YOGYAKARTA,” Maj. Ilm. GLOBE, vol. 19, no. 2, hlm. 195, Okt 2017, doi: 10.24895/MIG.2017.19-2.603.
[5] S. A. Alabdali, S. F. Pileggi, dan D. Cetindamar, “Influential Factors, Enablers, and Barriers to Adopting Smart Technology in Rural Regions: A Literature Review,” Sustainability, vol. 15, no. 10, hlm. 7908, Mei 2023, doi: 10.3390/su15107908.
[6] K.-L. Besser, E. A. Jorswieck, dan J. P. Coon, “An Efficient Frequency Diversity Scheme for Ultra-Reliable Communications in Two-Path Fading Channels,” J. Commun. Netw., vol. 26, no. 4, hlm. 409–423, Agu 2024, doi: 10.23919/JCN.2024.000031.
[7] S. Ghadimi, “Differential Cross-Polarized Wireless Communications,” Wirel. Eng. Technol., vol. 10, no. 02, hlm. 34–40, 2019, doi: 10.4236/wet.2019.102003.
[8] S. A. Alabdali, S. F. Pileggi, dan D. Cetindamar, “Influential Factors, Enablers, and Barriers to Adopting Smart Technology in Rural Regions: A Literature Review,” Sustainability, vol. 15, no. 10, hlm. 7908, Mei 2023, doi: 10.3390/su15107908.
[9] D. W. Matolak, K. A. Remley, C. L. Holloway, Q. Zhang, dan Q. Wu, “LargeScale Site and Frequency Diversity in Urban Peer-to-Peer Channels for Six Public-Safety Frequency Bands,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 13, no. 4, hlm. 2025–2033, Apr 2014, doi: 10.1109/TWC.2014.022614.130816.
[10] Y. Zhang, D. J. Love, J. V. Krogmeier, C. R. Anderson, R. W. Heath, dan D. R. Buckmaster, “Challenges and Opportunities of Future Rural Wireless Communications,” 11 Agustus 2021, arXiv: arXiv:2108.05405. doi: 10.48550/arXiv.2108.05405.
[11] S. M. Alamouti, “A simple transmit diversity technique for wireless communications,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 16, no. 8, hlm. 1451– 1458, Okt 1998, doi: 10.1109/49.730453.
[12] Q. Zhu, C. Wang, B. Hua, K. Mao, S. Jiang, dan M. Yao, “3GPP TR 38.901 Channel Model,” dalam Wiley 5G Ref, 1 ed., R. Tafazolli, C. Wang, dan P. Chatzimisios, Ed., Wiley, 2021, hlm. 1–35. doi: 10.1002/9781119471509.w5GRef048.
[13] D. W. Matolak, K. A. Remley, C. L. Holloway, Q. Zhang, dan Q. Wu, “Large-Scale Site and Frequency Diversity in Urban Peer-to-Peer Channels for Six Public-Safety Frequency Bands,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 13, no. 4, hlm. 2025–2033, Apr 2014, doi: 10.1109/TWC.2014.022614.130816.
[14] K.-L. Besser, E. A. Jorswieck, dan J. P. Coon, “An efficient frequency
diversity scheme for ultra-reliable communications in two-path fading
channels,” J. Commun. Netw., vol. 26, no. 4, hlm. 409–423, Agu 2024, doi:
10.23919/JCN.2024.000031.
