10 - DASAR SISTEM KOMUNIKASI RADIO YANG ANDAL: ANALISIS AVAILABILITY, FADING, DAN STRATEGI PENANGANANNYA

1) PENDAHULUAN

Dalam kehidupan sehari-hari terutama pada era modern saat ini tentunya kita sangat membutuhkan dan bergantung pada komunikasi nirkabel agar bisa terhubung ke seluruh dunia. Coba bayangkan dunia tanpa internet sehari saja, sekacau apa dan sebesar apa kerugian yang dialami. Setiap kali melakukan streaming, kirim pesan atau menelepon terdapat sistem komunikasi yang kompleks. Terdapat sebuah upaya yang besar dalam memastikan kelancaran komunikasi memiliki ketersedian (availability) yang cukup. 

Namun, mencapai ketersediaan yang tinggi dalam sistem komunikasi radio bukan tanpa tantangan, salah satunya adalah fenomena fading yang dapat menurunkan kualitas sinyal secara drastic. Oleh karena itu kita tidak bisa menganggap enteng bahwa koneksi itu “selalu ada” dan “selalu lancar”, melainkan perlu pemahaman mendalam tentang faktor-faktor yang memengaruhinya serta strategi penanganan yang efektif untuk menjamin keandalannya. 

2) AVAILABILITY 

2.1) DEFINISI 

Menurut (Torrel & Avelar, 2010) ketersediaan (availability) adalah probabilitas bahwa perangkat akan melakukan fungsi yang diperlukan tanpa kegagalan dalam kondisi persyaratan untuk jangka waktu tertentu saat dibutuhkan.

 Dalam konteks standar telekomunikasi internasional, ITU-T Recommendation E.800 (08/94). Secara umum, ketersediaan (availability) dalam sistem komunikasi dapat dipahami sebagai probabilitas atau proporsi waktu di mana suatu sistem (perangkat, jaringan, atau layanan) berada dalam kondisi operasional penuh (up state) dan siap untuk menyediakan layanan komunikasi yang dibutuhkan kepada pengguna, sesuai dengan spesifikasi kinerja yang ditetapkan. Melalui konsep "Up state" (kondisi di mana suatu item berfungsi dan dapat memberikan fungsi yang dibutuhkan) dan "Down state" (kondisi di mana suatu item tidak berfungsi dan tidak dapat memberikan fungsi yang dibutuhkan). 

Untuk mengukur dan menganalisis ketersediaan secara objektif, digunakan beberapa metrik kunci yang juga terkait dengan konsep-konsep waktu yang didefinisikan dalam ITU-T E.800. Secara umum:

 𝐴𝑣𝑎𝑖𝑙𝑎𝑏𝑖𝑙𝑡𝑦 = Up time / 𝑈𝑝 𝑡𝑖𝑚𝑒 + 𝐷𝑜𝑤𝑛 𝑡𝑖𝑚𝑒 ∗ 100% 

Hubungan antara metrik dalam menentukan ketersediaan sistem dapat dijelaskan dengan rumus:

 𝐴𝑣𝑎𝑖𝑙𝑎𝑏𝑖𝑙𝑡𝑦 = 𝑀𝑇𝐵𝐹 / 𝑀𝑇𝐵𝐹 + 𝑀𝑇𝑇𝑅

 Di mana: 

Mean Time Between Failures (MTBF): Merupakan rata-rata waktu yang berlalu antara kegagalan dengan kegagalan berikutnya. Semakin tinggi nilainya mengindikasikan bahwa system lebih andal dan tidak terlalu serng mengalami kegagalan (ITU-T Rec. E.800, 4238). 

Mean Time To Repair (MTTR): Merupakan rata-rata waktu yang dibutuhkan untuk mengembalikan atau memperbaiki system ke kondisi operasional setelah terjadi kegagalan (ITU-T Rec. E.800, 4260). 

2.2) FAKTOR PENGARUH 

Availability suatu sistem komunikasi radio dipengaruhi oleh 2 hal, antara lain: Equipment availability/ Reliability dan Path availability

  2.2.1) RELIABILTY

Equipment availability atau keandalan (reliability) adalah nilai probabilitas bahwa suatu komponen atau sistem akan sukses menjalani fungsinya, dalam jangka waktu dan kondisi operasi tertentu. Reliability, R (symbol) adalah probabilitas bahwa suatu item dapat menjalankan fungsi yang diperlukan dalam kondisi yang ditentukan untuk interval waktu tertentu. 

1) Secara umum diasumsikan bahwa item tersebut dalam keadaan dapat menjalankan fungsi yang diperlukan ini pada awal interval waktu.

 2) Dalam bahasa Prancis, istilah fiabilité juga digunakan untuk menunjukkan kinerja yang diukur dengan probabilitas ini (ITU-T Rec. E.800, 4231). 

Bagaimana Reliability Memengaruhi Availability?

Reliability adalah prediktor utama dari frekuensi kegagalan suatu sistem. Jika suatu sistem memiliki reliability yang tinggi, itu berarti sistem tersebut jarang mengalami kegagalan. Reliability tinggi berarti MBTF tinggi pula yang dimana memengaruhi tingkat availability.

 2.2.2) PATH AVAILABILITY 

Kesediaan jalur (path availability) dalam sistem komunikasi radio mengacu pada probabilitas bahwa jalur transmisi antara pengirim dan penerima dapat dilewati oleh sinyal dengan kualitas yang memadai untuk mendukung komunikasi yang sukses pada saat tertentu atau selama periode waktu tertentu. Berbeda dengan reliability yang berfokus pada komponen (equipment) atau sistem (software). Path availability secara spesifik menyoroti kondisi medium perambatan sinyal. Dalam konteks standar telekomunikasi internasional, ITU-T Recommendation E.800 (08/94). Secara implisit menjelaskan :

 Probabilitas transmisi yang tidak dapat diterima (Unacceptable Transmission Probability): Probabilitas koneksi yang dibuat dengan kualitas transmisi jalur ucapan (speech) yang tidak dapat diterima (ITU-T Rec. E.800, 3318). 

Kinerja transmisi (Transmission Performance): Tingkat reproduksi sinyal yang ditawarkan ke sistem telekomunikasi, dalam kondisi tertentu, saat sistem ini dalam keadaan aktif. 

1) Kondisi yang diberikan dapat mencakup efek kinerja propagasi jika berlaku. (ITU-T Rec. E.800, 4300)

 Kinerja aksesibilitas layanan (Service Accessibility Performance): Kemampuan layanan untuk diperoleh, dalam toleransi yang ditentukan dan kondisi lain yang diberikan, saat diminta oleh pengguna.

1) Ini memperhitungkan toleransi transmisi dan aspek gabungan dari kinerja propagasi, kinerja keterlaluan, dan kinerja ketersediaan sistem terkait. (ITU-T Rec. E.800, 3310). 

Bagaimana Path Availability Memengaruhi Availability?

Path availability adalah faktor kunci yang memengaruhi kualitas dan ketersediaan layanan komunikasi dari segi media transmisi. Bahkan ketika semua perangkat (equipment) berfungsi sempurna (high reliability), jika jalur sinyal terganggu (misalnya karena fading, halangan, atau interferensi), maka komunikasi tidak dapat terjalin, dan availability akan rendah.

 Rumus Path Unavailability

Kehandalan sistem dapat ditentukan menggunakan persamaan di bawah ini 

𝐴𝑉𝑝𝑎𝑡ℎ (%) = 100 − 𝑈𝑛𝐴𝑉𝑝𝑎𝑡ℎ(%) 

Keterangan:

 𝑈𝑛𝐴V𝑝𝑎𝑡ℎ : Ketidakhandalan system (Unavailability). 

𝐴V𝑝𝑎𝑡ℎ : Kehandalan system (Availability).

Dengan hubungan antara kehandalan sistem dengan ketidakhandalan sistem ditentukan dengan persamaan: 

𝑈𝑛𝐴𝑉𝑝𝑎𝑡ℎ = 𝑃𝑎𝑡ℎ 𝑈𝑛𝑎𝑣𝑎𝑖𝑙𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦 𝑁𝑂𝑁 𝐷𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑡𝑦 / 𝐼𝑠 

Keterangan: 

Is: Improvement Factos Space Diversity 

Sedangkan nilai unavailability lintasan untuk NonDiversity, adalah: 

𝑃𝑟 (%) = 6 𝑥 10−5𝑎 𝑏 𝑓 𝑑 3 10− 𝐹/10 

Keterangan: 

Pr (%) : Path Unavailability NonDiversity 

𝑓 : Carrier Frequency (GHz) 

F : Fading Margin (dB) 

𝑎 : Faktor kekasaran bumi (Terrain Roughness) 

𝑑 : Track Length (km) 

𝑏 : Climate Factors (Weather) 

3) FADING 

3.1) DEFINISI 

Fading adalah suatu bentuk gangguan atau interferensi sinyal frekuensi radio yang timbul ketika sinyal memiliki lebih dari satu jalur dari Pemancar ke Penerima. Yaitu adanya fluktuasi sinyal yang diterima setiap saat sebagai fungsi dari fasa, polarisasi dan atau level sinyal yang diterima. 

3.2) PENYEBAB 

Fading disebabkan oleh pengaruh mekanisme propagasi gelombang radio, berupa refraksi, refleksi, difraksi, hamburan, atenuasi dan ducting, yaitu diakibatkan oleh kondisi geometry dan meteorology lingkungan sistem tersebut. 

Refraksi (Refraction): Terjadi ketika gelombang radio melewati medium dengan kerapatan dielektrik yang berbeda (misalnya, lapisan atmosfer dengan suhu atau kelembaban yang berbeda). Ini menyebabkan pembelokan jalur sinyal. Refleksi (Reflection): Terjadi ketika gelombang radio menabrak permukaan yang jauh lebih besar dari panjang gelombangnya (misalnya, bangunan besar, permukaan tanah yang rata, atau air). Sebagian energi sinyal dipantulkan, menciptakan jalur baru ke penerima.

 Difraksi (Diffraction): Terjadi ketika gelombang radio menemui tepi tajam atau halangan yang signifikan (misalnya, puncak bukit, tepi atap gedung). Sinyal "membengkok" mengelilingi halangan tersebut, memungkinkan perambatan ke area yang seharusnya terhalang (shadow regions). Hamburan (Scattering): Terjadi ketika gelombang radio menabrak objek yang permukaannya kasar atau berukuran sebanding dengan panjang gelombang (misalnya, dedaunan pohon, rambu lalu lintas, tiang listrik). Sinyal disebarkan ke berbagai arah. 

Atenuasi (Attenuation): Pelemahan kekuatan sinyal seiring jarak atau saat melewati medium tertentu (misalnya, penyerapan oleh uap air, hujan, atau dedaunan). Meskipun bukan penyebab fading dalam arti fluktuasi, atenuasi mengurangi kekuatan sinyal secara keseluruhan, membuat sistem lebih rentan terhadap fading.

Ducting: Fenomena di mana gelombang radio terperangkap dalam "saluran" di atmosfer (akibat gradien suhu dan kelembaban tertentu) sehingga dapat merambat jarak yang sangat jauh melampaui cakrawala. Ini dapat menyebabkan interferensi jarak jauh yang tidak terduga atau fading yang parah di luar saluran. 

Dapat juga disebabkan oleh interaksi antara komponen-komponen sinyal di penerima yang dapat menjadi gangguan: 

• Interferensi Konstruktif: Jika komponen sinyal tiba dalam fasa yang sama, mereka akan saling menguatkan, menghasilkan peningkatan kekuatan sinyal. 

• Interferensi Destruktif: Jika komponen sinyal tiba dalam fasa yang berlawanan, mereka akan saling melemahkan atau bahkan membatalkan satu sama lain, menyebabkan penurunan kekuatan sinyal yang drastis, dikenal sebagai fading (seringkali disebut null). 

3.3) JENIS-JENIS FADING 

Pada lintasan Radio Relay System Terestrial dapat terjadi selective fading (terjadi pada sebagian pita frekuensi) atau non-selective fading (terjadi pada seluruh pita frekuensi). Menurut Theodore S. Rappaport dalam bukunya "Wireless Communications: Principles and Practice", menjelaskan bahwa fluktuasi adalah inti dari fading dan dapat dikategorikan menjadi dua jenis utama: 

3.3.1) Fluktuasi Skala Besar (Large-Scale Fading) 

Fluktuasi ini merujuk pada perubahan rata-rata kekuatan sinyal yang diterima seiring dengan pergerakan jarak yang besar dari pemancar. Penyebab utamanya adalah path loss (redaman jalur) dan shadowing (penghalangan oleh objek besar seperti bukit atau bangunan). Shadowing menghasilkan fluktuasi acak pada level sinyal karena objek menghalangi jalur pandang langsung (LoS) atau melemahkan sinyal secara signifikan. 

3.3.2) Fluktuasi Skala Kecil (Small-Scale Fading) 

Fluktuasi ini adalah variasi cepat pada kekuatan sinyal yang diterima dalam periode waktu singkat atau jarak tempuh yang pendek (sekitar beberapa panjang gelombang). Fluktuasi ini utamanya disebabkan oleh propagasi multi-jalur (multipath propagation), di mana sinyal tiba di penerima melalui berbagai pantulan, difraksi, dan hamburan. Sinyal-sinyal dari berbagai jalur ini berinteraksi secara konstruktif atau destruktif, menyebabkan fluktuasi drastis pada amplitudo dan fasa sinyal. Berdasarkan respons frekuensi saluran terhadap sinyal yang lewat, small-scale fading dapat dibedakan menjadi dua yaitu: 

3.3.2.1)Selective Fading 

Selective fading (sebagian pita frekuensi) terjadi ketika saluran propagasi memiliki respons gain dan fasa yang tidak konstan pada frekuensi yang berbeda dalam bandwidth sinyal yang ditransmisikan. Beberapa komponen frekuensi dalam sinyal akan mengalami pelemahan yang lebih parah dibandingkan komponen frekuensi lainnya, sehingga terjadi distorsi. Saluran radio berperan seperti filter yang memiliki puncak dan lembah pada spektrum frekuensi yang berbeda. 

3.3.2.2)Non-Selective Fading 

Dapat disebut juga sebagai flat fading (seluruh pita frekuensi). Flat fading terjadi ketika jalur propagasi memiliki respons gain dan fasa yang konstan (atau hampir konstan) pada semua frekuensi dalam bandwidth sinyal yang ditransmisikan. Komponen frekuensi sinyal mengalami pelemahan atau penguatan yang sama pada waktu tertentu. Saluran radio berperilaku seperti filter gain yang berubah-ubah seiring waktu tetapi tidak mengubah bentuk spektrum sinyal. 

Table 3-1 Perbandingan Selective Dan Non-Selective 

Karakteristik Selective Non-Selective Respon Saluran Berubah: bervariasi di selutuh bandwidth Konstan di seluruh bandwidth Waktu Tunda 𝑇𝑚 ≥ 𝑇𝑠 (delay besar) 𝑇𝑚 ≪ 𝑇𝑠 (delay kecil) Coherence Bandwidth 𝐵𝑐 < 𝐵𝑠 𝐵𝑐 ≫ 𝐵𝑠 Distorsi Signifikan Minimum Keterangan: 

Tm (RMS delay spread), adalah deviasi standar dari kelebihan penundaan (excess delay) komponen-komponen multipath yang tiba di penerima. 

Ts (Symbol duration) adalah durasi waktu satu simbol transmisi dalam sistem komunikasi digital. 

Bc (Coherence bandwidth) adalah rentang frekuensi di mana saluran komunikasi dapat dianggap memiliki respons gain dan fasa yang konstan atau sangat berkorelasi. 

Bs (Signal bandwidth) adalah lebar pita frekuensi yang ditempati oleh sinyal yang ditransmisikan. Ini adalah rentang frekuensi yang digunakan oleh sinyal untuk membawa informasi. 

4) STRATEGI 

Untuk memastikan bahwa ketersedian (availability) terjamin dan selalu tersedia, diperlukan sebuah mekanisme untuk meningkatkan ketersedian (availability). Diperlukan rancangan agar sistem mampu mengatasi adanya hambatan, terutama fading. 

4.1) SISTEM REDUNDASI 

Sistem redundansi adalah strategi untuk menjamin equipment availability atau keandalan (reliability) dengan cara menyediakan komponen atau sistem cadangan yang dapat mengambil alih fungsi jika terjadi kegagalan pada komponen utama. Tujuannya untuk meminimalkan downtime (waktu henti) yang disebabkan oleh kerusakan perangkat keras atau perangkat lunak. Dalam konteks standar telekomunikasi internasional, ITU-T Recommendation E.800 (08/94), terdapat beberapa redundansi yaitu: Redundansi siaga (Standby Redundancy): Redundansi di mana satu sarana untuk melaksanakan fungsi yang dibutuhkan dimaksudkan untuk beroperasi, sementara sarana alternatif tidak beroperasi sampai dibutuhkan. (ITU-T Rec. E.800, 5733) Redundansi aktif (Active Redundancy): Redundansi dimana semua sarana untuk melaksanakan fungsi yang dibutuhkan dimaksudkan untuk beroperasi secara bersamaan. (ITU-T Rec. E.800, 5732) 

4.2) MENYEDIAKAN FADING MARGIN 

Fading Margin adalah level daya yang harus dicadangkan yang besarnya merupakan selisih antara daya rata-rata yang sampai di penerima dan level sensitivitas penerima. Nilai fading margin biasanya sama dengan peluang level fading yang terjadi. Fading margin merupakan strategi untuk menjamin Path availability, karena nonselective fading. Secara definisi, rumus fading margin dapat dituliskan sebagai:

 𝐹 = 𝑃𝑟𝑥𝑎𝑣𝑔 − 𝑃𝑟𝑥𝑠𝑒𝑛𝑠

 Dengan rumus dasar daya rata-rata adalah: 

𝑃𝑟𝑥𝑎𝑣𝑔 = 𝑃𝑇 + 𝐺𝑇 + 𝐺𝑅 − 𝐿𝑃 − 𝐿𝑘𝑎𝑏𝑒𝑙(𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑑𝐵) 

Keterangan: 

PT : Daya pemancar 

GT : Gain pemancar 

GR : Gain penerima 

LP : Loss path-loss 

Bagaimana Fading Margin Menjamin Non-Selective Fading?

Non-selective fading (flat fading) memengaruhi seluruh bandwidth sinyal secara merata, menyebabkan kekuatan sinyal tidak stabil. Ketika sinyal jatuh mendekati nol karena flat fading, seluruh sinyal bisa hilang. Peran fading margin adalah menyediakan daya ekstra untuk mengatasi seluruh sinyal di atas ambang batas yang dibutuhkan 

4.3) MEMASANG ADAPTIF EQUALIZER 

Menurut Theodore S. Rappaport dalam bukunya "Wireless Communications: Principles and Practice", terdapat fundamental penting mengenai equalizer yaitu: Equalizer adalah komponen penting dalam penerima komunikasi digital yang dirancang untuk mengatasi distorsi sinyal yang disebabkan oleh Inter-Symbol Interference (ISI). ISI terjadi terutama karena frequency selective fading, di mana sinyal multipath tiba di penerima dengan penundaan waktu yang signifikan, menyebabkan "gema" dari satu simbol tumpang tindih dengan simbol-simbol berikutnya. Untuk lebih memahaminya, ISI atau Inter-Symbol Interference adalah masalah kritis yang muncul ketika saluran komunikasi memiliki karakteristik time dispersive (yaitu, frequency selective fading). Oleh karena itu adaptif equalizer sangat dibutuhkan untuk menjamin Path availability, karena selective fading. Adaptif Equalizer adalah filter yang ditempatkan di bagian penerima dalam sistem komunikasi digital, yang dirancang untuk mengganti atau "membalikkan" distorsi yang disebabkan oleh saluran komunikasi nirkabel yang memiliki karakteristik time dispersive terutama yang mengalami frequency selective fading. Tujuannya adalah untuk meminimalkan Inter-Symbol Interference (ISI) dan mengembalikan sinyal yang terdistorsi ke bentuk yang memungkinkan untuk didekodekan dengan akurat. 

4.4) TEKNIK DIVERSITY 

Salah satu mekanisme untuk menjamin tercapainya equipment availability maupun path availability adalah teknik diversity. Metode yang digunakan dalam sistem komunikasi radio untuk memitigasi efek fading dengan menyediakan dua atau lebih versi sinyal yang sama melalui saluran yang secara independen mengalami fading. Ada beberapa jenis diversity, antara lain frequency diversity, time diversity, space diversity, angle diversity dan polarization diversity. Sedangkan yang umum digunakan pada Sistem Komunikasi Terestrial adalah frequency diversity dan space diversity. 

5) KESIMPULAN 

Dalam memastikan bahwa ketersediaan (availability) yang tinggi dalam sistem komunikasi radio adalah sangat perlu untuk mendukung ketergantungan modern pada komunikasi nirkabel. Availability dipengaruhi oleh dua faktor utama: Equipment Availability/Reliability dan Path Availability. Tantangan terbesar bagi Path Availability adalah fading, yaitu fluktuasi kekuatan sinyal yang disebabkan oleh interaksi gelombang radio dengan lingkungan, terutama melalui propagasi multi-jalur (multipath). Serta terdapat strategi penanganannya untuk menjamin pengaruh masing masing faktor utama availability. 

DAFTAR RUJUKAN 

ITU-T. (1994). Terms and definitions related to quality of service and network performance including dependability (Recommendation E.800). 

Rappaport, T. S. (2002). Wireless communications: Principles and practice (2nd ed.).

Prentice Hall PTR. Torrel, W., & Avelar, V. (2010). Mean Time Between Failure: Explanation and Standards. APC-Schneider Electric.

Politeknik Negeri Malang. Bab 5: Diversity komunikasi radio gelombang mikro. (Materi Kuliah Sistem Komunikasi Radio).

BIODATA

Nama : Mukti Wahyu Pangestu

NIM : 244101060015

Institusi : Politeknik Negeri Malang

Jurusan : Teknik Elektro

Program Studi : Jaringan Telekomunikasi Digital 

Kelas : 1F