Prof. Trio Adiono, S.T., M.T., Ph.D
School of Electrical Engineering and Informatics
Erwin Setiawan, S.T., M.T.
Pusat Mikroelektronika ITB, Lab. IC Design
Michael Jonathan, S.T.
Pusat Mikroelektronika ITB, Lab. IC Design
Abstract
Dengan hampir 70% permukaan Bumi terdiri dari air, aktivitas yang terkait dengan lingkungan air menjadi semakin penting. Underwater wireless communication (UWC) merupakan teknologi alternatif yang digunakan untuk eksplorasi laut. Teknologi akustik dan radio frekuensi (RF) merupakan teknologi nirkabel yang paling populer untuk eksplorasi laut. Akan tetapi, teknologi komunikasi akustik memiliki bandwidth yang terbatas, sedangkan perangkat RF bawah laut hanya menjangkau jarak yang sangat dekat. Oleh karena itu, komunikasi optik muncul sebagai alternatif baru yang dapat digunakan untuk mencapai kecepatan data yang lebih tinggi dibandingkan dengan akustik dan jarak yang relatif lebih jauh dibandingkan dengan RF.
Pada penelitian ini kami mengusulkan prototipe komunikasi real-time UWC berbasis System-on- Chip (SoC). Untuk meningkatkan throughput dan efisiensi bandwidth, digunakan modulasi berbasis Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Dengan bandwidth sebasar 32 MHz, kecepatan data real-time yang dapat dicapai adalah 54 Mbps.
Keyword: UWC, VLC, SoC, FPGA.
Introduction
Indonesia adalah negara maritim yang memiliki potensi kekayaan laut yang sangat besar. Eksplorasi lautan telah menarik banyak perhatian karena kepentingannya yang ilmiah, strategis, dan ekonomis. Dengan perkembangan teknologi yang sangat cepat, komunikasi nirkabel bawah air dan jaringan telah menjadi bidang yang berkembang dengan pesat dengan aplikasi luas dalam sistem berbasis komersil maupun militer. Kebutuhan komunikasi nirkabel bawah air dalam aplikasi seperti kendali jarak jauh di industri minyak lepas pantai, pemantauan polusi dalam sistem lingkungan, pengumpulan data ilmiah dari stasiun bawah laut, deteksi bencana dan peringatan dini, keamanan nasional pertahanan.
Ada beberapa teknologi yang bisa digunakan untuk komunikasi bawah air, yakni komunikasi akustik, gelombang radio (RF), dan komunikasi optik nirkabel. Komunikasi akustik adalah teknik yang sering digunakan untuk komunikasi nirkabel bawah air karena mempunyai jarak jangkauan yang jauh hingga puluhan kilometer. Namun, komunikasi akustik untuk bawah air memiliki kekurangan yaitu memiliki latensi yang tinggi karena lambatnya propagasi gelombang suara pada air laut, pemakaian daya yang besar dan penyebaran Doppler. RF memiliki keunggulan untuk memberikan kecepatan data hingga puluhan Mbps. Namun teknologi ini memiliki kelemahan seperti jarak jangkauannya yang sangat pendek (beberapa meter). konsumsi energi yang tinggi, biaya yang tinggi dan perlu dilengkapi dengan antena besar.
Research Method
Pada tahap awal dilakukan pemodelan sistem (System Modeling) menggunakan MATLAB. Pada tahap ini dikembangkan berbagai algoritma pengolahan sinyal, termasuk perancangan modulasi (Modulation Design) dan penyusunan paket yang efektif dan efisien di internet (Protocol Design). Kinerja sistem diukur melalui kurva BER terhadap SNR. Kanal yang akan digunakan juga disesuaikan. Setelah pemodelan selesai, dilakukan perancangan dan impelementasi sistem dalam bentuk real-time prototype berbasis FPGA. Sistem terbagi tiga, yaitu analog signal processing block, digital signal processing block, dan System-on-Chip.
Analog processing block dirancang dengan sirkuit yang terdiri dari komponen analog yang meng-convert sinyal digital baseband menjadi sinyal analog dan men-drive laser diode (LD) (transmitter). Disisi penerima dilakukan sebaliknya, yaitu menerima cahaya menggunakan photodetector (PD), kemudian mengkonversi sinyal analog ke digital baseband. Digital processing block merupakan implementasi dari modulasi dan protocol secara real-time. Blok ini akan dirancang pada chip field-programmable gate array (FPGA). Output dari blok ini merupakan sinyal baseband yang akan dihubungkan dengan analog processing blok.
Perancangan System-on-Chip dilakukan pada SoC FPGA untuk menghubungkan sinyal baseband ke processor ARM sehingga menjadi suatu sistem terintegrasi untuk UWC. Baseband processor OFDM yang dibuat mendukung modulasi 4-QAM dan 16-QAM.
Discussion & Result
Pengujian kanal underwater dilakukan dengan menggunakan akuarium dan diisi dengan air tawar. Dua FPGA RFSOC4x2 digunakan dalam pengujian untuk TX dan RX. Untuk TX, kami menggunakan Osram PL450B 450nm 80mW LD. LD ini memiliki bandwidth yang sangat tinggi sekitar 1 GHz. Kami mengatur arus bias untuk LD ini menjadi 30 mA dengan menggunakan alat top-bench power supply. Untuk RX, kami menggunakan modul Femto HSPR-X-I-1G4-SI Si-PIN PD yang memiliki bandwidth 10 kHz hingga 1,4 GHz. Jarak antara TX dan RX adalah sejauh 1.5 m.
Berbagai gangguan pada air diberikan untuk mensimulasikan kondisi sebenarnya, seperti turbulensi. Turbulensi dapat dilakukan dengan menambahkan pemanas air pada aquarium tersebut. Semakin tinggi suhu air, turbulensi akan semakin tinggi. Efek turbulensi diukur dengan Scintillation Index (SI). Semakin tinggi nilai SI, maka menandakan turbulensi yang semakin besar. Semakin besar turbulensi, maka cahaya yang melewati air tersebut akan mengalami refraksi yang disebabkan oleh molekul-molekul air yang semakin tidak beraturan. Refraksi pada cahaya ini akan menyebabkan amplitude sinyal yang diterima akan berubah-ubah. Hal ini merupakan salah satu yang membedakan antara free-space dengan underwater.
Kami telah menguji sistem UOWC dengan mengirimkan file video secara real-time. Video tersebut berformat RGB dan berukuran 120×160 pixels. Video tersebut memiliki total 120 frames. Oleh karena itu, jumlah bit dalam file video tersebut adalah 55296000 bits. Kecepatan data real-time maksimum adalah 54 Mbps. Kami menambahkan efek turbulensi dengan menambahkan pemanas air ke akuarium. Nilai SI air diukur sebesar 0.188, sedangkan kondisi normal tanpa turbulensi adalah 0.000322. Suhu air di area pemanas diukur sekitar 23°C, sedangkan area lainnya diukur sebesar 21°C.
Conclusion
Prototipe OFDM untuk komunikasi UWC telah diuji pada FPGA RFSOC 4×2 dengan kanal underwater dengan pengiriman video. Dengan bandwidth 32 MHz, kecepatan real-time yang dapat dicapai adalah 54 Mbps. Pengaruh turbulensi akan meningkatkan bit error.
English 
Indonesian