INTEGRASI FENOMENA FISIKA PADA SISTEM TELEKOMUNIKASI DIGITAL

1. Pendahuluan

Bab Duabelas merupakan bab integratif yang menyatukan konsep-konsep fisika dari bab sebelumnya ke dalam satu alur sistem telekomunikasi. Fokusnya bukan menghafal nama teknologi, tetapi mengikuti rantai sebab-akibat: energi disediakan sumber, sinyal listrik dibentuk, transduser mengubah bentuk energi,  gelombang  merambat  melalui  medium,  sebagian  energi  mengalami  loss  atau  distorsi, kemudian receiver menangkap sisa energi dan mengubahnya  kembali menjadi sinyal yang  dapat diproses sebagai data. Dengan alur ini, antena, radio, fiber optik, radar, satelit, dan IoT dipahami sebagai penerapan hukum fisika yang saling terhubung.

Gambar 12.1 Peta integrasi fisika pada sistem telekomunikasi digital.

Pembahasan difokuskan pada antena, link radio, jaringan seluler, fiber optik, radar, satelit, IoT/WSN, dan optical-wireless convergence. Tujuan bab ini bukan menggantikan mata kuliah lanjutan, tetapi memberi jembatan konseptual agar kita memahami mengapa fisika diperlukan sebelum mempelajari sistem telekomunikasi secara lebih teknis.

2. Antena sebagai Konverter Arus RF menjadi Gelombang EM

Antena  adalah  struktur  konduktor  yang  menghubungkan  energi  elektromagnetik  pada  saluran transmisi dengan gelombang elektromagnetik di ruang bebas. Pada sisi pemancar, tegangan RF menimbulkan distribusi muatan q(t) dan arus I(t) yang berubah terhadap waktu di sepanjang antena. Perubahan muatan membentuk medan listrik, sedangkan arus membentuk medan magnet. Di daerah dekat antena, sebagian energi masih tersimpan secara reaktif dan dapat kembali ke antena. Pada jarak yang  cukup  jauh,  komponen medan E dan H  tersusun sebagai gelombang  yang  membawa daya menjauhi antena [11], [12].

Dengan demikian, antena tidak sekadar 'mengubah arus RF menjadi gelombang'. Proses yang lebih tepat adalah: sinyal listrik RF membentuk distribusi muatan dan arus, distribusi tersebut membangkitkan medan  E dan H,  lalu  bagian medan  yang  bersifat radiasi membawa energi dan informasi ke ruang bebas. Modulasi yang sudah terdapat pada sinyal RF dipertahankan dalam perubahan amplitudo, fase, atau frekuensi medan yang diradiasikan.

Panjang   gelombang   menghubungkan   frekuensi   sinyal   dengan   ukuran   spasial   gelombang. Perbandingan ukuran fisik antena terhadap λ menentukan bagaimana fase dan amplitudo arus terdistribusi di sepanjang konduktor. Karena itu, hubungan λ = c/f bukan rumus yang berdiri sendiri: persamaan tersebut menentukan skala fisik yang kemudian digunakan pada pendekatan panjang dipole setengah gelombang.

Gambar 12.2 Hubungan arus/muatan RF, medan dekat, medan E-H pada radiasi, panjang gelombang

λ, dan ukuran dipole L ≈ λ/2.

Pada Gambar 12.2, λ menyatakan jarak spasial antara dua keadaan fase gelombang yang sama. Di

ruang bebas, hubungan dasarnya adalah:

�

� =

�

Untuk dipole setengah gelombang, panjang total konduktor ideal secara kasar mengikuti setengah panjang gelombang:

�

� ≈

2

Korelasi Gambar 12.2 dengan kedua persamaan tersebut adalah langsung. Frekuensi f menentukan λ melalui λ = c/f, lalu λ menentukan orde ukuran antena melalui L ≈ λ/2. Gambar juga memperlihatkan bahwa persamaan panjang antena tidak menjelaskan seluruh efisiensi radiasi. Dalam praktik, diameter konduktor, faktor kecepatan, ground plane, substrate, benda di sekitar antena, dan matching mengubah impedansi serta distribusi arus. Jika terjadi mismatch, sebagian daya dipantulkan kembali ke saluran sehingga daya yang benar-benar diradiasikan berkurang.

3. Link Budget RF: Kekekalan Daya dan Penyebaran Energi di Ruang

Link budget RF adalah pembukuan daya dari keluaran transmitter sampai masukan receiver. Gambar 12.3 sengaja disusun mengikuti suku-suku persamaannya: Ptx adalah daya yang tersedia dari transmitter;  Gtx  dan  Grx  menyatakan  pengarahan  energi  oleh  antena;  Lpath  menyatakan  rugi propagasi pada medium; Lmisc menampung rugi kabel, konektor, mismatch, penetration, body loss, dan rugi tambahan lain; hasil akhirnya adalah Prx pada receiver.

Dasar fisik Lpath adalah penyebaran energi. Pada sumber isotropik ideal, daya yang sama menyebar pada permukaan bola yang luasnya bertambah sebanding dengan kuadrat jarak. Karena itu kerapatan daya berkurang ketika jarak meningkat. Path loss bukan berarti energi 'hilang begitu saja'; pada ruang bebas, energi terutama tersebar ke area yang lebih luas sehingga hanya sebagian kecil yang dapat ditangkap antena penerima.

Frekuensi masuk ke free-space path loss melalui panjang gelombang. Untuk jarak dan gain antena yang dinyatakan terhadap antena isotropik, perubahan λ memengaruhi luas efektif antena penerima. Karena λ = c/f, bentuk dB dari free-space path loss memuat jarak d dan frekuensi f. Pada lingkungan nyata, refleksi, difraksi, scattering, blocking, hujan, vegetasi, dan bangunan menambah mekanisme yang tidak seluruhnya tercakup oleh model ruang bebas. Link budget RF menghitung apakah daya yang diterima masih cukup untuk memenuhi sensitivitas receiver. Dalam bentuk dB, komponen link budget dijumlahkan dan dikurangkan sehingga memudahkan analisis gain dan loss [4], [11], [12].

Gambar 12.3 Komponen utama link budget RF.

Persamaan sederhana link budget adalah: Daya diterima = daya pancar+ gain antenna – seluruh rugi- rugi, di nyatakan dalam persamaan berikut:

���  = ��� + ��� + ���  − ����ℎ − �����

dengan:

•   ���  = daya sinyal yang diterima pada sisi receiver, biasanya dalam dBm.

•   ���  = daya pancar dari transmitter, biasanya dalam dBm.

•   ���  = gain antena pemancar, biasanya dalam dBi. Nilai ini menunjukkan kemampuan

antena pemancar mengarahkan energi dibandingkan antena isotropik.

•   ���  = gain antena penerima, biasanya dalam dBi.

•   ����ℎ  = path loss atau rugi-rugi propagasi selama sinyal merambat dari pemancar ke

penerima, dalam dB. Nilainya dipengaruhi terutama oleh jarak, frekuensi, kondisi

lingkungan, penghalang, refleksi, difraksi, dan sebagainya.

•    �����= rugi-rugi tambahan selain path loss, dalam dB. Misalnya rugi kabel,  konektor, mismatch antena, body loss, penetration loss, atau rugi perangkat lainnya.

Pada Gambar 12.3, Lpath(d,f) adalah satu suku tersendiri. Jika medium diasumsikan ruang bebas, suku tersebut dapat dihitung dengan free-space path loss:

4��

��� = 20log10 (   �   )

atau dalam bentuk umum dengan � dalam km dan � dalam MHz:

���(��) = 32.45 + 20log10(�) + 20log10(�)

Korelasi kedua persamaan perlu dibedakan. Persamaan link budget menghitung keseluruhan aliran daya dari transmitter ke receiver, sedangkan persamaan free-space path loss hanya menghitung Lpath untuk asumsi ruang bebas. Jadi Lfs dimasukkan sebagai nilai Lpath, bukan ditambahkan sebagai rugi baru di luar Lpath.  ITU-R P.525 memberikan metode perhitungan redaman ruang bebas sebagai referensi dalam rekayasa radio [4]. 

4. Sistem Fiber Optik: Pemanduan Gelombang Cahaya di Medium Dielektrik

Cahaya  pada  fiber  optik  adalah  gelombang  elektromagnetik  dengan  frekuensi  jauh  lebih  tinggi daripada radio. Fiber tidak 'mengurung cahaya' hanya karena ada tabung kaca, tetapi membentuk waveguide dielektrik: indeks bias core n1 dibuat lebih besar daripada cladding n2 sehingga mode optik tertentu dapat terikat dan merambat sepanjang struktur. Dalam pendekatan sinar, kondisi ini dapat dijelaskan melalui total internal reflection (TIR); dalam pendekatan gelombang, medan tetap memiliki bagian evanescent yang menembus sedikit ke cladding.

Cladding karena itu memiliki fungsi fisik yang jelas: menyediakan batas indeks bias yang terkontrol, menjaga pemanduan mode, mengurangi interaksi langsung medan optik dengan permukaan luar, dan membuat karakteristik propagasi lebih stabil. TIR tidak berarti semua sinar di dalam core otomatis dipantulkan sempurna. Hanya komponen yang memenuhi kondisi sudut dan mode pemanduan yang tetap terikat dengan baik.

Pada Gambar 12.4, redaman dan dispersi ditempatkan pada blok fiber karena keduanya terjadi selama propagasi, tetapi maknanya berbeda. Redaman mengurangi daya optik sehingga amplitudo sinyal mengecil. Dispersi memperlebar pulsa karena komponen atau mode gelombang tidak tiba pada waktu yang sama. Akibatnya, link dapat memiliki daya terima yang masih cukup tetapi tetap mengalami distorsi pulsa jika dispersinya besar.

Rantai konversi energinya dimulai saat LED atau laser diode mengubah energi listrik menjadi cahaya yang dimodulasi oleh data. Setelah melewati konektor, fiber, splice, dan splitter, photodiode menyerap foton dan menghasilkan pembawa muatan sehingga terbentuk arus listrik. Dengan demikian, Gambar 12.4  menghubungkan proses  optoelektronik  pada  kedua  ujung  dengan rugi-rugi  yang  muncul di sepanjang jalur optik.

Gambar 12.4 Rantai sistem fiber: sumber optik, konektor, fiber, splice, splitter, photodiode, serta letak redaman dan dispersi.

Setiap rugi daya yang ditunjukkan pada Gambar 12.4 masuk ke power budget. Dalam bentuk sederhana:

���  = ��� − ������ − ������� − ���������� − ��������� 

Pada persamaan tersebut, Lfiber adalah rugi sepanjang fiber, Lsplice adalah total rugi sambungan, Lconnector adalah total rugi konektor, dan Lsplitter adalah rugi splitter. Semua loss dinyatakan dalam dB, sedangkan Ptx dan Prx dalam dBm. Agar link tidak hanya tepat di ambang sensitivitas, desain biasanya menetapkan margin minimum Mreq. Karena itu syarat penerimaan yang lebih aman adalah:

���  ≥ �����  + ����

Korelasi  gambar  dan  persamaan  harus  dibaca  dengan  batas  yang  tepat.  Persamaan  pertama menghitung daya optik fisik yang benar-benar tiba di receiver. Persamaan kedua membandingkan daya  tersebut  dengan  sensitivitas  receiver  ditambah  margin  desain  yang  disyaratkan.  Kedua persamaan ini tetap hanya menjawab kecukupan daya; keduanya tidak menghitung pelebaran pulsa akibat dispersi. Karena itu, redaman diperiksa melalui anggaran daya, sedangkan dispersi harus diperiksa  sebagai  batas  distorsi/bandwidth  secara  terpisah.  Sistem  fiber  menggabungkan  konsep indeks bias, TIR/pemanduan mode, redaman, dispersi, bandgap semikonduktor, fotodeteksi, dan pengukuran daya optik [5]-[10].

5. Sistem Seluler: Superposisi Gelombang, Coverage, Multipath, Interferensi, dan SINR

Sistem seluler memakai fisika link radio yang sama, tetapi banyak sumber gelombang hadir secara bersamaan. Pada Gambar 12.5, serving base station menghasilkan sinyal yang diinginkan S, base station lain menghasilkan interferensi I, dan rangkaian/lingkungan receiver menambahkan noise N. Receiver tidak dapat menilai kualitas hanya dari besar S; yang menentukan kemampuan deteksi adalah besar S dibandingkan total gangguan I + N.

Selain lintasan langsung, gelombang dari serving base station dapat mencapai receiver melalui pantulan, difraksi, dan scattering. Perbedaan panjang lintasan menghasilkan perbedaan waktu tiba dan fase.  Ketika  komponen-komponen  tersebut  dijumlahkan  di antena  penerima,  amplitudonya  dapat saling menguatkan atau melemahkan. Fenomena inilah yang menghasilkan multipath dan fading.

Coverage pada dasarnya menjawab apakah S masih cukup  kuat pada suatu  lokasi. Kualitas  link menjawab pertanyaan yang berbeda: seberapa dominan S dibandingkan I + N. Karena itu, RSSI atau level daya tinggi tidak otomatis berarti link berkualitas baik bila interferensi juga tinggi.

Mobilitas menambahkan efek Doppler, yaitu perubahan frekuensi teramati akibat gerak relatif. Jadi performa seluler merupakan hasil gabungan path loss, multipath/fading, interferensi, noise, dan Doppler. Gambar 12.5 memusatkan kelima fenomena tersebut pada satu titik fisik yang sama, yaitu input receiver. 

Gambar 12.5 Pembentukan kualitas sinyal seluler pada receiver dari S (serving signal), I (interferensi), N (noise), dan lintasan multipath.

Karena S, I, dan N pada Gambar 12.5 adalah daya, kualitas receiver secara linear, maka SINR (Signal- to-Interference-plus-Noise Ratio) dinyatakan dengan:

�

���� = � + �

S, I, dan N harus dijumlahkan dalam satuan daya linear, bukan langsung dalam dBm. Setelah rasio linear diperoleh, nilainya dapat dikonversi ke dB:

� SINRdB  = 10log10 (� + �)

Korelasi  dengan  Gambar  12.5  adalah: panah  serving  BS  menyumbang  S,  panah  interfering  BS menyumbang I, dan sumber noise menyumbang N. Multipath terutama mengubah nilai efektif S melalui superposisi amplitudo  dan  fase,  sedangkan  mobilitas  dapat  menggeser  frekuensi melalui Doppler. SINR kemudian menjadi parameter ringkas yang memengaruhi pemilihan modulasi, coding rate, throughput, dan kualitas layanan.

6. Radar: Waktu Tempuh, Pantulan, Hamburan, dan Doppler

Radar menggunakan gelombang elektromagnetik untuk memperoleh informasi tentang  objek dari energi yang kembali. Pada Gambar 12.6, radar memancarkan daya Pt dengan gain Gt menuju target. Target tidak memantulkan seluruh energi kembali ke radar; kekuatan hamburannya direpresentasikan oleh radar cross section σ. Sebagian kecil echo kemudian ditangkap antena penerima dengan gain Gr.

Jarak diperoleh dari waktu tempuh. Selang waktu Δt yang diukur mencakup perjalanan radar ke target dan perjalanan echo kembali ke radar. Karena gelombang menempuh total jarak 2R dengan kecepatan mendekati c, jarak target adalah setengah dari hasil perkalian kecepatan dan waktu tunda.

Gambar 12.6 juga menjelaskan mengapa daya echo turun sangat cepat terhadap jarak. Pada lintasan pergi,  kerapatan  daya  berkurang  karena  spreading.  Setelah  target  menghamburkan  energi,  echo kembali menyebar lagi pada lintasan pulang. Dua tahap penyebaran ini menghasilkan ketergantungan ideal terhadap R pangkat empat pada persamaan radar monostatik.

Jika target bergerak relatif terhadap radar, frekuensi echo dapat bergeser akibat Doppler. Dengan demikian, tiga informasi fisik yang berbeda berasal dari tiga mekanisme yang berbeda: waktu tempuh untuk jarak,  kekuatan scattering untuk amplitudo echo,  dan pergeseran Doppler untuk kecepatan radial..

Gambar 12.6 Radar monostatik: jarak R, waktu tunda Δt, target dengan radar cross section σ, dan

penyebaran energi pada lintasan pergi serta Kembali.

Sesuai jarak R dan waktu tunda Δt pada Gambar 12.6, jarak target adalah:

��

� =

2

Faktor dua berasal dari lintasan pergi dan kembali. Sementara itu, korelasi amplitudo echo dengan gambar dijelaskan oleh persamaan radar monostatik: dua kali spreading menyebabkan ketergantungan sangat kuat terhadap jarak.

 �� ��  �� �2 𝜎 

��  =  (4�)3�4�

Pada persamaan tersebut, Pt adalah daya pancar, Gt dan Gr adalah gain antena transmit dan receive, λ adalah panjang gelombang, σ adalah radar cross section target, R adalah jarak, dan L merangkum rugi tambahan. Persamaan ini tidak digunakan untuk menghitung waktu tempuh; ia menjelaskan kekuatan echo. Jadi persamaan R = cΔt/2 dan persamaan daya radar menjawab dua aspek yang berbeda dari Gambar 12.6.

7. Sistem Satelit: Link RF dengan Jarak Ekstrem dan Medium Atmosfer

Sistem  satelit  pada  dasarnya  adalah  link  RF  dengan  jarak  yang  sangat  besar.  Gambar  12.7 menunjukkan bahwa gelombang  harus  melewati lintasan d  antara stasiun bumi dan satelit,  serta menembus atmosfer. Karena itu, dua konsekuensi fisik utama langsung muncul: waktu rambat minimum ditentukan oleh d/c, sedangkan level daya ditentukan oleh link budget RF yang memuat path loss dan rugi atmosfer.Delay propagasi bukan terutama  akibat pemrosesan digital,  tetapi konsekuensi kecepatan rambat gelombang yang terbatas. Bahkan perangkat yang sangat cepat tidak dapat menghilangkan waktu minimum yang diperlukan gelombang untuk menempuh jarak d.

Atmosfer pada Gambar 12.7 juga bukan ruang kosong ideal. Gas, awan, dan hujan dapat menyerap atau menghamburkan energi. Pada pita microwave tertentu, rain attenuation menjadi signifikan sehingga perlu dimasukkan sebagai rugi tambahan dan fade margin pada link budget. Dengan demikian, persamaan delay dan persamaan link budget menjelaskan dua efek berbeda dari lintasan yang sama.

Gambar 12.7 Link satelit: jarak propagasi d, uplink/downlink, atmosfer, dan sumber rugi tambahan seperti hujan.

Untuk satu segmen lintasan sepanjang d pada Gambar 12.7, delay propagasi minimum adalah:

�

� =

�

Korelasi persamaan dengan gambar bersifat langsung: semakin besar d, semakin besar tprop. Untuk komunikasi end-to-end  yang  melewati uplink dan downlink, total delay propagasi adalah jumlah waktu semua segmen lintasan. Pada GEO, jarak besar membuat delay terasa; pada LEO, jarak lebih pendek menurunkan delay tetapi gerak relatif satelit meningkatkan Doppler dan kebutuhan tracking.

8. IoT dan Jaringan Sensor Nirkabel: Rantai Konversi Besaran Fisik, Energi, dan Gelombang

IoT bukan fenomena fisika baru, melainkan integrasi transduksi, pengukuran, komputasi, radio, dan energi. Pada Gambar 12.8, rantai informasi dimulai dari besaran fisik seperti suhu, cahaya, tekanan, medan magnet, kelembapan, atau getaran. Sensor mengubah besaran tersebut menjadi sinyal listrik. ADC kemudian mengubah sinyal analog menjadi nilai digital, MCU memprosesnya, dan radio serta antena mengubah informasi digital menjadi gelombang elektromagnetik untuk dikirim menuju gateway.

ADC  tidak  mengukur  'data'  secara  langsung.  Secara  fisik,  ADC  melakukan  sampling  tegangan terhadap waktu dan kuantisasi amplitudo terhadap tegangan referensi. Karena itu, resolusi, noise, 

linearitas, impedansi sumber, dan kalibrasi sensor menentukan seberapa akurat besaran fisik direpresentasikan sebagai data digital.

Pada sisi radio, proses fisiknya kembali ke konsep antena dan link budget: energi listrik dari baterai dipakai rangkaian RF untuk membentuk sinyal pada antena, lalu antena meradiasikannya. Protokol seperti Wi-Fi, Bluetooth, LoRa, atau seluler berbeda pada aturan komunikasi dan bentuk sinyal, tetapi medium fisiknya tetap gelombang elektromagnetik.

Gambar 12.8 juga menampilkan rantai kedua, yaitu rantai energi. Sensor, ADC, MCU, radio pada mode TX/RX, dan sleep memiliki kebutuhan daya yang berbeda. Karena node sering dibatasi baterai, lifetime ditentukan bukan hanya oleh daya sesaat, tetapi oleh berapa lama setiap mode aktif. Inilah alasan duty cycle merupakan konsep fisik sekaligus strategi sistem.

Gambar 12.8 Dua rantai pada node IoT/WSN: rantai informasi dari besaran fisik ke gateway dan rantai energi dari baterai ke setiap blok aktif.

Untuk satu mode dengan daya yang kira-kira konstan selama waktu t, energi dapat dihitung dengan:

� = ��

Jika node berpindah di antara beberapa mode operasi, energi satu siklus dapat diperkirakan dengan menjumlahkan energi setiap mode:

������ = ∑ �� ��

�

Korelasi persamaan dengan Gambar 12.8 adalah bahwa setiap blok memiliki pasangan Pi dan ti sendiri.  Sensor  dapat  aktif  singkat,  MCU  dapat  memproses  beberapa  milidetik,  radio  TX  dapat memiliki daya paling besar tetapi hanya aktif sesaat, sedangkan sleep memiliki daya kecil namun durasi panjang. Karena itu, penghematan lifetime tidak cukup dilakukan hanya dengan menurunkan satu nilai daya; durasi aktif setiap mode juga harus dikendalikan.

9. Optical-Wireless Convergence: Satu Informasi, Berpindah antar Pembawa Fisik

Optical-wireless convergence tidak menciptakan jenis gelombang baru. Gambar 12.9 memperlihatkan satu  aliran  informasi  yang  melewati  dua  domain  fisik  secara  berurutan.  Pada  domain  wireless, informasi dibawa gelombang RF di ruang bebas. Pada gateway/edge, informasi direpresentasikan kembali sebagai sinyal listrik. Pada domain optik, informasi kemudian memodulasi sumber cahaya dan dibawa oleh mode optik di dalam fiber.

Karena domainnya berbeda,  parameter  fisik  yang  menentukan kinerja  juga berbeda.  Segmen RF tunduk pada gain antena, path loss, multipath, interferensi, noise, dan sensitivitas receiver. Segmen fiber  tunduk  pada  daya  optik  sumber,  redaman  fiber,  konektor/splice/splitter,  dispersi,  serta sensitivitas photodiode/receiver. Gateway menjadi titik konversi antar pembawa, bukan tempat dua gelombang 'bercampur'.

Inilah alasan fiber yang sangat cepat tidak otomatis menjamin akses nirkabel yang baik: segmen radio tetap  dapat  menjadi  bottleneck  bila  SINR  rendah.  Sebaliknya,  radio  yang  baik  tidak  dapat memperbaiki backbone fiber yang mempunyai loss berlebih atau receiver optik yang berada di bawah sensitivitas. Kinerja end-to-end ditentukan oleh seluruh rantai, bukan hanya satu segmen.

Secara fisik, kontinuitas informasi dipertahankan melalui proses konversi: RF → listrik → optik pada satu arah dan optik → listrik → RF pada arah sebaliknya. Yang berubah adalah pembawa energinya, sedangkan pola informasi dipertahankan melalui modulasi, deteksi, dan pemrosesan elektronik.

Gambar 12.9 Optical-wireless convergence: domain RF, gateway/edge sebagai titik konversi, dan domain optik dalam satu jalur informasi end-to-end.

Bagian ini sengaja tidak memperkenalkan persamaan 'konvergensi' baru karena tidak ada hukum fisika baru yang muncul. Gunakan kembali persamaan link budget RF untuk segmen radio dan power budget fiber untuk segmen optik. Sistem end-to-end hanya layak jika kedua segmen memenuhi batas penerimanya  masing-masing.  Dengan  demikian,   Gambar  12.9  berfungsi  sebagai  penghubung langsung antara persamaan pada Bagian 3 dan Bagian 4.

10. Troubleshooting Berbasis Fisika

Pemahaman fisika membantu teknisi dan engineer menganalisis gejala jaringan. Beberapa contoh:

Gejala	Kemungkinan penyebab fisik	Konsep terkait
RSSI rendah	path loss besar, antena tidak sejajar, kabel loss	propagasi, gain/loss, polarisasi
SINR rendah	interferensi, multipath, noise	interferensi, fading, noise
Link fiber putus-putus	bending loss, konektor kotor, power margin kecil	TIR, redaman, power budget
OTDR menunjukkan spike besar	refleksi konektor atau ujung fiber	refleksi optik
Node IoT cepat habis baterai	duty cycle tinggi, arus sleep besar	energi, daya, arus
Microwave link drop saat hujan	rain attenuation	absorpsi/scattering, ITU-R P.838

Pendekatan  ini penting  agar  kita  tidak  hanya menghafal rumus,  tetapi mampu  menafsirkan data lapangan secara fisik.

11. Peta Akhir Konsep Fisika Telekomunikasi

Gambar 12.10 Peta akhir hubungan konsep dasar, fenomena fisika, dan sistem telekomunikasi digital. Gambar 12.10 berbeda fungsi dari Gambar 12.1. Gambar 12.1 menunjukkan urutan proses fisik dari

sumber hingga receiver, sedangkan Gambar 12.10 menunjukkan ketergantungan konsep: muatan/arus dan medan mendasari radiasi; gelombang dan propagasi mendasari radio, seluler, radar, serta satelit; optika dan material mendasari fiber; energi, noise, sampling, dan transduksi mendasari IoT. Peta ini dapat digunakan saat troubleshooting untuk menelusuri gejala menuju fenomena fisik yang paling mungkin.

12. Studi Kasus Integratif: Link IoT Berbasis Fiber Backhaul

Sebuah node sensor mengirim data melalui LoRa ke gateway, kemudian gateway meneruskan data ke server melalui fiber optik. Secara visual, alur ini merupakan gabungan Gambar 12.8 dan Gambar 12.9: besaran fisik ditransduksi dan dikonversi menjadi data di node, data dikirim melalui domain RF, lalu gateway mengubah jalur pembawanya ke domain optik. Karena itu analisisnya harus melakukan tiga pemeriksaan yang berbeda tetapi saling berurutan: kecukupan energi node, kecukupan daya link radio, dan kecukupan daya link fiber.

Pertama, dari sisi energi node, energi baterai harus cukup untuk menjumlahkan konsumsi seluruh mode operasi:

�������� ≥ ∑ �� ��

�

Kedua, pada segmen LoRa, daya yang tiba di gateway diperiksa dengan link budget RF:

���  = ��� + ��� + ���  − ����ℎ − ����� 

Ketiga, setelah informasi masuk ke segmen fiber, daya optik pada receiver diperiksa dengan power budget fiber:

���,��� = ���,��� − ������ − ���������� − �������

Tiga persamaan pada studi kasus ini tidak saling menggantikan. Persamaan energi menjawab apakah node dapat beroperasi selama waktu yang diinginkan; link budget RF menjawab apakah gateway dapat menerima sinyal radio; power budget fiber menjawab apakah receiver optik memperoleh daya yang  cukup.  Inilah  bentuk  integrasi  fisika  yang  dimaksud  Bab  XII:  satu  sistem  end-to-end memerlukan beberapa model fisika, masing-masing digunakan tepat pada bagian sistem yang dijelaskannya.

13. Materi Pengayaan

Materi berikut dapat dijadikan bacaan mandiri atau pengantar mata kuliah lanjutan:

1. MIMO dan beamforming;
2. OFDM dan kanal multipath;
3. Shannon capacity;
4. optical coherent communication;
5. nonlinear fiber optics;
6. radar Doppler;
7. radio-over-fiber;
8. energy harvesting pada WSN;
9. digital twin jaringan telekomunikasi;
10. AI untuk optimasi RF dan fiber.

14. Ringkasan

Bab XII menyatukan konsep fisika dari bab-bab sebelumnya melalui satu rantai sebab-akibat: energi listrik membentuk sinyal, sinyal mengendalikan muatan dan arus atau sumber optik, transduser membentuk   gelombang   elektromagnetik,   gelombang   berinteraksi   dengan   medium,   receiver menangkap energi yang tersisa, lalu sinyal dikonversi kembali menjadi data. Antena dipahami dari distribusi muatan, arus, medan, panjang gelombang, dan matching. Link radio dipahami dari penyebaran  energi,  gain,  path  loss,  noise,  dan  interferensi.  Fiber  dipahami  dari  indeks  bias, pemanduan mode, TIR, redaman, dispersi, dan fotodeteksi. Seluler dipahami dari superposisi gelombang, multipath, fading, Doppler, dan SINR. Radar menggunakan waktu tempuh, scattering, dan Doppler; satelit menggunakan fisika link radio pada jarak ekstrem dan melalui atmosfer. IoT mengintegrasikan transduksi sensor, ADC, energi, dan radio. Optical-wireless convergence menunjukkan bahwa satu informasi dapat berpindah antar pembawa fisik tanpa mengubah hukum dasar yang mengaturnya. Dengan demikian, Fisika menjadi dasar untuk memahami mengapa sistem telekomunikasi bekerja, bukan sekadar kumpulan rumus untuk menghitung parameternya.

15. Soal Latihan

1. Hitung panjang ideal dipole setengah gelombang pada 900 MHz.
2. Link RF memiliki Ptx=23 dBm, Gtx=8 dBi, Grx=8 dBi, path loss=110 dB, dan rugi lain=4 dB. Hitung Prx.
3. Hitung power budget fiber untuk Ptx=+3 dBm dan total loss 25,5 dB.
4. Sinyal linear S=1 mW, interferensi I=0,10 mW, noise N=0,01 mW. Hitung SINR linear dan dB.
5. Radar menerima echo setelah 2 μs. Hitung jarak target.
6. Estimasi delay satu arah untuk lintasan satelit 36.000 km.
7. Node IoT mengonsumsi daya rata-rata 0,10 W selama 60 s. Hitung energi.
8. Jelaskan rantai konversi utama pada sistem fiber dari data listrik hingga kembali menjadi data listrik.
9. Mengapa rain attenuation relevan pada link satelit/microwave tertentu?
10. Fiber tiba-tiba mengalami loss tinggi setelah kabel ditekuk tajam. Apa penyebab fisik pertama yang diperiksa?
11. Mengapa RSSI tinggi belum tentu berarti kualitas seluler baik?
12. Jelaskan dua efek fisika yang dapat menyebabkan mismatch antena atau daya terima rendah.
13. Receiver sensitivity −90 dBm dan Prx −75 dBm. Hitung link margin terhadap sensitivitas.
14. Bagaimana memilih model fisika yang tepat saat troubleshooting link?
15. Apakah panjang dipole setengah gelombang 2,4 GHz sekitar 6,25 cm masuk akal? Tunjukkan pemeriksaan cepat.

 

16. Pembahasan Soal

1. Pembahasan Soal 1

Diketahui:

Ditanya: λ/2. Rumus/Ketentuan:

Jawab: Hasil akhir:

Panjang ideal sekitar 16,7 cm.

2. Pembahasan Soal 2

Diketahui:

 

� = 900MHz; � = 3 × 108�/�

� ≈ 3 × 108

(2 × 900 × 106) = 0,1667� 

Ditanya: Prx. Rumus/Ketentuan:

Jawab:

 

���  = 23; ���  = 8; ���  = 8; ����ℎ  = 110; ���ℎ��  = 4dB

Hasil akhir:

 

���  = 23 + 8 + 8 − 110 − 4 = −75dBm 

Daya terima adalah −75 dBm.

3. Pembahasan Soal 3

Diketahui:

Ditanya: Prx. Rumus/Ketentuan:

Jawab: Hasil akhir:

 

���  = 3dBm; 𝛴���� = 25,5dB

���  = ��� − 𝛴����

���  = 3 − 25,5 = −22,5dBm 

Daya terima fiber adalah −22,5 dBm.

4. Pembahasan Soal 4

Diketahui: 

Ditanya: SINR. Rumus/Ketentuan:

Jawab:

 

� = 1; � = 0,10; � = 0,01mW

� SINR = (� + �) 

Hasil akhir:

SINR ≈9,09 atau 9,59 dB.

5. Pembahasan Soal 5

Diketahui:

 

SINR =

 

1

0,11

 

= 9,09; 10log10(9,09) = 9,59dB 

Ditanya: R. Rumus/Ketentuan:

Jawab:

 

� = 2��; � = 3 × 108�/�

��

� = 2

3 × 108 × 2 × 10−6 

Hasil akhir:

 

� =                                       = 300�

2 

Jarak target adalah 300 m.

6. Pembahasan Soal 6

Diketahui: 

Ditanya: t. Rumus/Ketentuan:

 

� = 36.000km = 3,6 × 107�; � = 3 × 108�/�

� 

� =

�

Jawab: 

Hasil akhir:

 

3,6 × 107

� =  3 × 108    = 0,12� 

Delay propagasi satu arah sekitar 120 ms, belum termasuk lintasan/processing lain.

7. Pembahasan Soal 7

Diketahui: 

Ditanya: E. Rumus/Ketentuan:

Jawab: Hasil akhir:

Energi yang digunakan adalah 6 J.

8. Pembahasan Soal 8

Diketahui:

 

� = 0,10�; � = 60�

� = ��

� = 0,10 × 60 = 6� 

Tx memiliki driver + LED/laser; Rx memiliki photodiode. Ditanya:

Rantai konversi. Rumus/Ketentuan:

�������  →  ��ℎ���  →  ��������� �����  →  ���� ����  →  �������.

Jawab:

Driver  memodulasi  sumber  optik;  fiber  memandu  cahaya;  photodiode  mengubah  daya  optik menjadi arus yang diperkuat/dideteksi.

Hasil akhir:

Sistem fiber mengintegrasikan elektronika, optika, dan fotodeteksi.

9. Pembahasan Soal 9

Diketahui: 

Gelombang melewati atmosfer dan presipitasi. Ditanya:

Dampak fisika hujan.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

 

��������

���������� �������ℎ���� 

Pada  frekuensi  lebih   tinggi   interaksi  dengan   tetes   huj an  dapat  signifikan sehingga link

membutuhkan fade margin.

Hasil akhir:

Hujan dapat menurunkan daya terima dan availability link.

 

10. Pembahasan Soal 10

Diketahui:

Loss muncul setelah pembengkokan. Ditanya:

Penyebab. Rumus/Ketentuan:

Jawab:

Radius kelengkungan kecil dapat membuat sebagian mode keluar dari core. Hasil akhir:

Periksa macrobending/microbending dan radius pemasangan.

11. Pembahasan Soal 11

Diketahui:

RSSI mencakup daya total terima, termasuk interferensi. Ditanya:

Parameter kualitas.

Rumus/Ketentuan: 

Jawab:

 

� SINR = (� + �) 

Daya total dapat tinggi tetapi I juga tinggi sehingga SINR rendah dan BER/throughput memburuk. Hasil akhir:

Kualitas perlu dinilai bersama SINR/RSRQ/BER, bukan RSSI saja.

12. Pembahasan Soal 12

Diketahui:

Antena dan lingkungan memengaruhi transfer daya. Ditanya:

Dua contoh.

 

Rumus/Ketentuan:

Jawab:

 

����������������������

����������/��������� 

Mismatch  impedansi memantulkan  sebagian  daya  pada  feed;  mismatch  polarisasi mengurangi komponen medan yang diterima.

Hasil akhir:

Impedansi dan polarisasi adalah dua sumber loss yang berbeda.

13. Pembahasan Soal 13

Diketahui: 

Ditanya: Margin. Rumus/Ketentuan:

Jawab: Hasil akhir:

 

���  = −75dBm; ����� = −90dBm

������ = ���  − �����

������ = 15dB 

Link margin terhadap sensitivitas adalah 15 dB.

14. Pembahasan Soal 14

Diketahui:

Gejala dapat berasal dari power, noise, propagation, atau perangkat. Ditanya:

Strategi. Rumus/Ketentuan:

����ℎ ����� ����������� ������� ������� ��� ��������� �������.

Jawab:

Mulai dari kontinuitas/power, lalu link budget, SNR/SINR, polarisasi/propagasi, dan parameter perangkat. Bandingkan prediksi model dengan pengukuran.

Hasil akhir:

Troubleshooting efektif menghubungkan gejala dengan mekanisme fisika yang dapat diuji.

15. Pembahasan Soal 15

Diketahui: 

Ditanya: Kewajaran l≈λ/2. Rumus/Ketentuan:

Jawab:

Hasil akhir:

 

0,125���ℎ������

� =                  2                  = 0,0625� = 6,25cm 

Nilai 6,25 cm konsisten dengan orde panjang gelombang 2,4 GHz.

17. Daftar Referensi

[1]    BIPM,  The  International  System  of  Units  (SI),  9th  ed.,  Bureau  International des  Poids  et
Mesures. Tautan:  https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure

[2]    OpenStax,        University        Physics        Volume        3,        Rice        University.        Tautan:
https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3

[3] NASA,          Introduction          to          the          Electromagnetic          Spectrum. Tautan:
https://science.nasa.gov/ems/01_intro/

[4] ITU-R,   Recommendation   ITU-R   P.525:   Calculation   of   free-space   attenuation. 
Tautan: https://www.itu.int/rec/R-REC-P.525

[5]    ITU-R,     Recommendation     ITU-R     P.526:     Propagation     by     diffraction.     Tautan:
https://www.itu.int/rec/R-REC-P.526

[6] ITU-T, Recommendation ITU-T G.650.1: Definitions and test methods for linear, deterministic attributes of single-mode fibre and cable. Tautan: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.650.1

[7]    ITU-T, Recommendation ITU-T G.652: Characteristics of a single-mode optical fibre and cable.
Tautan: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.652

[8]    G.      Keiser,      Optical      Fiber      Communications,      McGraw-Hill.      Tautan      penerbit:
https://www.mheducation.com/

[9]    G.    P.    Agrawal,     Fiber-Optic    Communication    Systems,    Wiley.    Tautan    penerbit:
https://www.wiley.com/

[10]  B.  E.  A.  Saleh  and  M.  C.  Teich,  Fundamentals  of  Photonics,  Wiley.  Tautan  penerbit:
https://www.wiley.com/

[11]  C.    A.    Balanis,    Antenna    Theory:    Analysis    and    Design,    Wiley.    Tautan    penerbit:
https://www.wiley.com/

[12]  D. M. Pozar, Microwave Engineering, Wiley. Tautan penerbit: https://www.wiley.com/

[13]  ITU-R, Recommendation ITU-R P.838: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods. Tautan: https://www.itu.int/rec/R-REC-P.838