analisis performansi teknologi akses ... - citee.ft.ugm.ac.id

Analisis Performansi Teknologi Akses LPWAN LoRa Antares Untuk Komunikasi Data End Node

Pinky Devi Dama Istianti1, Satrio Yudo Prawiro2, Nyoman Bogi Aditya Karna3, Ibnu Ali NurSafa4

1,2,3 Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom Jl. Telekomunikasi Terusan Buah Batu, Bandung, Indonesia 40257

4 Divisi Digital Service, Telkom Indonesia Jl. Setrasari Indah No. 47, Sukasari, Bandung, Indonesia 40152

Email : [email protected]

Intisari—Pencapaian kinerja Low Power Wide Area Network (LPWAN) Long Range (LoRa) Antares dalam pengiriman data untuk memenuhi kebutuhan berbagai macam sensor atau End Node. Penelitian ini fokus pada penentuan kualitas jalur yang dipakai untuk lalu lintas agar komunikasi data optimal dengan parameter pengujian Received Signal Strength Indicator (RSSI), Signal Noise Ratio (SNR), dan Success Rate terhadap Spreading Factor (SF). LoRa Antares beroperasi pada frekuensi kanal 920.800 Mhz menggunakan pita radio Industrial, Scientific, dan Medical yang biasanya disebut dengan ISM Band. Transmisi data yang dilakukan adalah Uplink yaitu End Node mengirim data ke gateway menggunakan kelas A. Pengujian dilakukan dari SF 7 sampai SF 12. Data yang dikirim sebanyak 50 kali percobaan dengan kondisi pertama pada ruang terbuka dan kondisi kedua pada ruang chamber. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pengiriman data paling optimal dilakukan pada SF 12 .

Kata Kunci – LPWAN, LoRa, Antares, Komunikasi Wireless

I. PENDAHULUAN Dalam era industri 4.0 berbagai kebutuhan manusia

sudah tidak dilakukan dengan cara konvensional maupun manual. Melainkan dengan memanfaatkan Internet of Things (IoT) [1]. Masyarakat dimudahkan dengan adanya sistem digitalisasi yang bisa dikontrol maupun dijalankan melalui aplikasi dan web. Masalah yang dihadapi di Indonesia adalah banyaknya alat-alat konvensional yang belum terkoneksi dengan internet. Teknologi LoRa dinilai mampu untuk mengatasi masalah tersebut, karena LoRa merupakan sistem komunikasi wireless yang didesain untuk mengirim data berukuran kecil yaitu 0.3 Kbps sampai 5.5 Kbps dengan cakupan wilayah cukup luas dan konsumsi baterai rendah yang cocok digunakan dalam jangka waktu lama [2]. LoRa beroperasi pada ISM Band dengan bit-rate dalam kisaran 0.37 dan 0.49 Kbps [3]. Teknologi LoRa dapat digunakan untuk memonitoring suatu objek, misalnya smart device, smart home maupun smart city. Data yang diperoleh pun bersifat real time [4].

Beberapa paper atau jurnal yang sudah melakukan penelitian mengenai teknologi LoRa menyimpulkan bahwa pengaruh besar data dan jarak pada saat transmisi data terhadap nilai RSSI tidak begitu signifikan, tidak ada kenaikan nilai yang berarti. Pengaruh besar data dan jarak saat transmisi data terhadap nilai SNR juga tidak cukup berpengaruh, besar kecilnya nilai SNR tidak ditentukan oleh besar data dan jarak transmisi data [5]. Maka dari itu,

penelitian ini fokus untuk menentukan kualitas jalur transmisi data dengan pengujian besar data dan jarak yang sama.

Untuk memudahkan pengujian analisis performansi LoRa Antares, penulis menggunakan 3 LoRa Antares untuk mengirim data dan 3 LoRa Gateway untuk menerima data. Data yang dikirim bersifat uplink dan dengan konsumsi daya yang rendah [6]. Setiap LoRa Gateway dapat menerima data dari end node yang sama dan menerima beberapa frekuensi secara bersamaan pada setiap Spreading Factor (SF) [3]. Selain itu penulis juga menganalisis kekuatan sinyal yang diterima dari LoRa Antares ke LoRa Gateway serta menentukan kualitas jalur agar komunikasi data optimal.

Pada bagian berikutnya adalah Sistem LoRa Antares, bagian ini membahas konsep dan diagram blok sistem langkah-langkah untuk menjalankan penelitian. Pada bagian III Hasil dan Pembahasan, untuk mengevaluasi dan menganalisis hasil penelitian. Di bagian IV Kesimpulan, untuk menyimpulkan hasil penelitian.

II. SISTEM LORA ANTARES LoRa merupakan sistem komunikasi wireless untuk

Internet of Things (IoT) yang menawarkan komunikasi jarak jauh dan berdaya rendah[8]. Pengaplikasian dari LoRa ini bermacam-macam dari berbagai bidang khususnya Machine to Machine (M2M), contohnya untuk smart city. Dengan adanya LoRa, sensor-sensor dapat berinteraksi langsung dengan manusia atau mesin di mana saja dan kapan saja. Dalam bidang otomotif kita dapat mengetahui status dan lokasi kendaraan kita secara realtime [9].

Gambar 1. Area Kerja LoRa[6]

ISSN: 2085-6350 Yogyakarta, 24-25 Juli 2019 CITEE 2019

22 Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM

LoRa memiliki kelebihan dibandingkan dengan jenis komunikasi lainnya seperti seluler, Bluetooth maupun WIFI. Pada Gambar 1. Terlihat LoRa memiliki kemampuan komunikasi jarak jauh seperti seluler namun berdaya rendah seperti Bluetooth, sehingga penggunaanya sangat cocok untuk perangkat sensor yang dioperasikan tahunan dengan sumber daya baterai dan pada cakupan area yang luas. LoRa mempunyai keterbatasan kecepatan transmisi data yaitu hanya 0.3 kbps sampai 50 kbps. Walaupun begitu tidak akan menjadi masalah selama data yang dikirimkan berukuran kecil. Aplikasi seperti ini cocok digunakan untuk berbagai macam sensor.

LoRaWAN merupakan protocol jaringan untuk device LoRa. LoRaWAN bersifat open source dan didukung LoRa Alliance. LoRaWAN dibangun menggunakan topologi star to star yang memungkinkan device dapat bekerja menggunakan baterai dalam jangka waktu lama. Pada arsitektur LoRaWAN, device tidak terisolasi dengan gateway tertentu. Data dari device akan diterima oleh beberapa gateway dalam jangkauan network LoRa. Tiap gateway meneruskan paket yang diterima dari device ke network server[10].

Gambar 2. Menjelaskan alur komunikasi data dari End Node yang dihubungkan ke LoRa Antares atau yang biasa disebut dengan LoRa Device. LoRa Antares terdiri dari 2 bagian utama yaitu modul radio dan sebuah mikroprosesor untuk memproses data [7]. Selanjutnya LoRa Gateway akan menerima data dari End Node yang nantinya akan diklasifikasikan ke dalam kanal-kanal tertentu berdasarkan frekuensi yang dilewati.

Gambar 2. Proses Pengiriman Data End Node

Gambar 3. Informasi mengenai kekuatan sinyal,

kualitas jalur serta bandwidth saat transmisi data dapat diketahui pada web LoRa Server. Namun data yang ditampilkan bersifat sementara hanya saat LoRa Device aktif.

Untuk mendapatkan informasi yang diinginkan, ada beberapa tahap yang harus dilakukan :

1. Menghubungkan sensor dengan modul LoRa

2. Saat device aktif, masuk ke web LoRa Server

3. Masukan username dan password

4. Kemudian ketik nama applikasi yang sudah dibuat di antares dengan format nama aplikasi_nama device

5. Lalu akan tampil informasi seperti pada Gambar 3.

Gambar 3. Data End Node di LoRa Server

Gambar 4. Kita dapat membuat aplikasi dan memilih

kelas pengiriman LoRa dengan mengaktifkan menu Set LoRa. Setelah tersetting maka akan muncul device ID yang nantinya akan digunakan mengirim data dari End Node ke Antares. Pada Antares kita dapat melihat informasi berupa data yang telah berhasil di transmisikan meliputi data End Node dan juga waktu transmisi.

Gambar 4. Data End Node di Antares

CITEE 2019 Yogyakarta, 24-25 Juli 2019 ISSN: 2085-6350

Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 23

III. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian performansi LoRa Antares dilakukan untuk

mengetahui kualitas jalur komunikasi data yang optimal. Berikut langkah-langkah untuk menghubungkan alat dengan platform :

1. Download library LoRa antares yang ada pada web Antares, lalu install

2. Menentukan interval waktu pengiriman seperti pada baris ketiga source code

3. Memilih kelas pengiriman data seperti pada baris kesebelas

4. Menentukan Spreading Factor yang akan digunakan seperti pada baris kedua belas, setDataRate dapat dipilih dari 0 sampai 5 yang mewakili SF 7 sampai SF 12

5. Baris ketiga belas adalah setAccessKey yang didapat dari akun Antares dan baris keempat belas adalah ID Device pada aplikasi di Antares.

Gambar 5. Adalah source code yang dipakai untuk mengirimkan data End Node menggunakan modulasi LoRa ke platform Antares.

Gambar 5. Source Code End Node

Tabel 1. Menunjukkan nilai RSSI minimum, RSSI

maksimum, dan RSSI rata-rata. Nilai RSSI maksimum sebesar -35 dBm yang terdapat pada SF 12 serta nilai RSSI minimum -97 dBm terdapat pada SF 7 dan SF 9. Berikut adalah urutan nilai RSSI rata-rata paling baik yang diperoleh dari penelitian ini. SF 12 dengan nilai RSSI -57 dBm, SF 11 dengan nilai RSSI -85 dBm, SF 9 dengan nilai RSSI -86 dBm, SF 8 dengan nilai RSSI -87 dBm, SF 10 dengan nilai RSSI -88 dBm, dan terakhir adalah SF 7 dengan nilai RSSI -91 dBm.

Gambar 6. RSSI dinyatakan dalam dBm dan merupakan nilai negatif. Semakin dekat dengan 0, maka semakin baik sinyal tersebut sedangkan RSSI minimum adalah -120 dBm [3].

Gambar 6. Kategori RSSI

Pada Tabel 1. RSSI rata-rata dengan nilai terbaik terdapat pada SF 12 yaitu dengan nilai -57 dBm dan cukup besar selisihnya dibandingkan SF yang lain, sedangkan pada Tabel 2. Rata-rata RSSI terbaik juga terdapat pada SF 12 yaitu dengan nilai -40 dBm namun tidak begitu signifikan dengan SF yang lain.

Tabel 1. Hasil SF Terhadap RSSI pada Ruang Terbuka

SF RSSI (dBm)

RSSI MAKS RSSI MIN RSSI RATA-RATA

SF 7 -87 -97 -91

SF 8 -84 -96 -87

SF 9 -86 -97 -86

SF 10 -86 -90 -88

SF 11 -85 -93 -85

SF 12 -35 -60 -57

Tabel 2. Hasil SF Terhadap RSSI pada Ruang Chamber

SF RSSI (dBm)

RSSI MAKS RSSI MIN RSSI RATA-RATA

SF 7 -36 -43 -42

SF 8 -41 -45 -42

SF 9 -42 -47 -44

SF 10 -40 -47 -42

SF 11 -40 -43 -41

SF 12 -39 -41 -40

Pada Tabel 1. dan Tabel 2. Adalah perbandingan nilai

RSSI pada ruang terbuka dan ruang chamber. Keduanya diambil dengan jarak yang sama antara device dengan gateway. Pada ruang chamber pengujian dilakukan dengan mensterilkan ruangan dari berbagai gangguan yang dapat menyebabkab menurunnya kualitas sinyal dan kualitas jalur data. Dapat dilihat pada Gambar 7. pengujian yang dilakukan di ruang chamber.

Gambar 7. Pengujian Pada Ruang Chamber



Pada Tabel 3. dan Tabel 4.Gambar 6. SNR dinyatakan dalam dB. Pada SF 7 di ruang terbuka dan chamber selisih SNR yang diperoleh adalah 2.4 dB, pada SF 8 diperoleh 1.3 dB, pada SF 9 diperoleh 4.3 dB, pada SF 10 diperoleh 4.4 dB, pada SF 11 diperoleh 1.9 dB, dan pada SF 12 diperoleh selisih 0 dB. Jalur kualitas terbaik menurut penelitian ini adalah pada SF 12 karena baik di ruang terbuka maupun chamber hasilnya tetap sama.

Tabel 3. Hasil SF Terhadap SNR Pada Ruang Terbuka

SF SNR (dB)

SNR MIN SNR MAKS SNR RATA-RATA

SF 7 4.5 8.8 6.7

SF 8 2.2 10.8 9.3

SF 9 6 10.5 8.5

SF 10 6.2 10.8 8.9

SF 11 6 10.2 7.8

SF 12 7.5 12 10

Tabel 4. Hasil SF Terhadap SNR Pada Ruang Chamber

SF SNR (dB)

SNR MIN SNR MAKS SNR RATA-RATA

SF 7 6.5 10.2 9.1

SF 8 8 12 10.6

SF 9 8.2 14.2 12.8

SF 10 8.5 14.2 13.3

SF 11 7.8 11.8 9.7

SF 12 7.5 11.8 10

Tabel 5. Merupakan informasi mengenai limit SNR setiap SF, chips, dan juga Bitrate. Berikut adalah penjelasan singkat mengenai chips dan Bitrate[11].

1. Chips : satuan elemen dalam konteks chirp Spreas Spectrum yang berbentuk pulsa. Ini diperlukan agar tidak tertukar dengan istilah bit. Chip rate (Rc) merupakan laju perubahan chip persatuan waktu.

2. Bitrate : satuan dasar informasi digital dan bersifat biner (1/0, high/low). Bit rate (Rb) adalah laju perubahan bit tiap satuan waktu.

Tabel 5. Standar SNR limit, Chips, dan Bitrate

SF SNR limit Chips/symbol Bitrate (bps)

SF 7 -7.5 sampai +10 128 5469

SF 8 -10 sampai +10 256 3125

SF 9 -12.5 sampai +10 512 1758

SF 10 -15 sampai +10 1024 977

SF 11 -17.5 sampai +10 2048 537

SF 12 -20 sampai +10 4096 293

Tabel 6. Pada pengujian ini terdapat 8 kanal yang digunakan yaitu kanal 0 sampai dengan kanal 7. Masing-masing kanal memiliki selisih frekuensi 200 MHz, dimulai dengan kanal 0 yang memiliki nilai frekuensi 920.100 MHz sampai dengan kanal 7 dengan frekuensi 921.500 MHz. Setiap SF mengirimkan data sebanyak 50 kali percobaan, dimulai dari SF 7 sampai dengan SF 12. Total data yang dikirimkan adalah 300.

Pada SF 7 transmisi data paling banyak menggunakan kanal 7, diikuti SF 8 dengan kanal 2, SF 9 dengan kanal 4, SF 10 dengan kanal 3, SF 11 dengan kanal 7, dan SF 12 dengan kanal 1. Pengiriman data dari SF 7 sampai SF 12 paling banyak menggunakan kanal 1 dan kanal 3.

Tabel 6. Hasil SF Terhadap Kanal Pada Ruang Terbuka

Pada Gambar 8. Menunjukkan bahwa kanal transmisi dipilih secara random oleh sistem. Sehingga walaupun kita sudah mengatur SF namun untuk kanal tidak bisa diatur karena antena single band router hasilnya tidak stabil.

Gambar 8. Spektrum SF pada LoRa Antares

CITEE 2019 Yogyakarta, 24-25 Juli 2019 ISSN: 2085-6350

Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 25

Table 7. Menunjukan tingkat keberhasilan data yang ditransmisikan dalam bentuk persen. Hasilnya adalah SF 12 memperoleh hasil paling baik pada pengujian di ruang terbuka maupun pada ruang chamber.

Tabel 7. Hasil SF Terhadap Success Rate

SF PERSENTASE KEBERHASILAN (%)

PADA RUANG TERBUKA

PERSENTASE KEBERHASILAN (%)

PADA RUANG CHAMBER

SF 7 91% 84 %

SF 8 93% 72 %

SF 9 94% 78 %

SF 10 97% 86 %

SF 11 96% 86 %

SF 12 99% 90 %

Untuk pengembangan lebih lanjut, beberapa fitur ini bisa ditambahkan pada penelitian :

1. Arduino IDE Versi terbaru : untuk memastikan bahwa software yang digunakan kompabilitas antar perangkat yang digunakan serta perbaikan dari kesalahan yang terjadi pada versi sebelumnya.

2. Board Arduino dengan memori yang mumpuni untuk menyimpan dan mengelola data yang bersifat realtime.

3. Mendapat Akses masuk admin pada Web LoRa Server : untuk mengetahui informasi yang terdapat pada LoRa Device, LoRa Gateway, dan spesifikasi transmisi data yang berlangsung.

4. Antares : pastikan akun yang digunakan tidak lama off. Karena terkadang server otomatis menghapus device ID sehingga perlu diperbaharui dan di set ulang. Jika data tidak muncul walaupun source code sudah benar, pastikan anda membuat device baru agar mendapatkan ID Device yang baru.

5. Adaptive Data Rate (ADR) : mekanisme untuk mengoptimalkan kecepatan data, jam transmisi data dan konsumsi energi dalam jaringan.

IV. KESIMPULAN Pengaruh Spreading Factor (SF) terhadap RSSI dan

SNR pada ruang terbuka dan chamber terlihat pada kualitas SNR nya. Walaupun Success rate selisihnya tidak begitu signifikan namun sangat berpengaruh pada waktu penerimaan data. Sebab kualitas SNR yang kurang baik maka akan menyebabkan pengulangan pengiriman dan itu akan memakan waktu serta daya untuk mengirimkan kembali data yang tertunda. Sedangkan kualitas SNR dipengaruhi oleh RSSI. Nilai RSSI yang baik akan menghasilkan kualitas SNR yang baik pula untuk transmisi data.

Penulis menggunakan 3 LoRa Antares dan 3 LoRa Gateway, untuk membuktikan bahwa LoRa Antares dapat menerima data dari end node yang sama dan menerima beberapa frekuensi secara bersamaan pada setiap Spreading Factor (SF). Tetapi pada kenyataannya LoRa Antares akan memilih gateway secara otomatis dan hanya bekerja optimal pada 1 gateway, sedangkan Spreading Factor (SF) dapat kita pilih dengan menggunakan source code yang telah dibuat pada library Antares. Kanal bersifat random karna antena singular hasilnya tidak stabil sehingga sistem secara otomatis memilih kanal yang tersedia.

REFERENCES [1] N.S. Mazloum, O. Edfors, Performance analysis and energy

optimization of wake-up receiver schemes for wireless low-power applications, IEEE Trans. Wireless Commun. 13 (12) (2014) 7050–7061.

[2] B. Martinez, M. Monton, I. Vilajosana, J. Prades, The power of models: modeling power consumption for iot devices, IEEE Sens. J. 15 (10) (2015) 5777–5789.

[3] LoRa, "A technical overview of LoRa® and LoRaWANTM.," LoRa Allience, 2014.

[4] C. Goursaud, J.-M. Gorce, Dedicated networks for iot: PHY/MAC state of the art and challenges, EAI Endorsed Transactions on Internet of Things (2015).

[5] A. Fathia N, Ichsan M. H. H, and Primananda R, “Analisis Kinerja LoRa SX1278 Menggunakan Topologi Star Berdasarkan Jarak dan Besar Data Pada WSN”, Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer e-ISSN: 2548-964X Vol. 3, No. 4, April 2019, hlm. 3860-3865.

[6] LoraWAN™, Specification v1.0, Lora Alliance, Inc. 2400 Camino Ramon, Suite 375 San Ramon, CA 94583 (2015), 2015, LoRa Alliance, Technical Report.

[7] Aoudia, F. A. et al., 2017. Long-short range communication network leveraging LoRa™ and wake-up. Microprocessors and Microsystems.

[8] Agustin, A.; Y, Jiazi: W, Mark T. A Study Of LoRa : Long Range and Low Power Networke For the Internet Of Things. Ecole Polytechique Router de Saclay.

[9] Qrimly, Kamal "Logic Gates," 24 July 2017. [Online]. Available: https://www.logicgates.id/blogs/news/apa-itu-lora. [Accessed 28 Juni 2019].

[10] LoRa Developer Guide : Orange. [11] Springer, A.; Gugler, W.; Huemer, M.; Reind,

L.; Ruppel, C. Spread Spectrum Communications Using Chirp Signals. Proceeding IEEE/AFCEA Information system for enhanced public safety and security : Munich, German.



analisis performansi teknologi akses ... - citee.ft.ugm.ac.id

Documents