## JURNAL ILMIAH FLASH
Vol. 9 No. 1, Halaman: 37 - 41 Juni 2023
KUALITAS SINYAL DAN KINERJA JARINGAN DATA ANTAR LORA GATEWAY RFM95
Mese S. D. Nubatonis 1 , Hendro F. J. Lami 2 , Stephanie I. Pella 3
1,2,3) Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana Kupang –NTT
Email : mesenubatonis23@gmail.com, h.lami@staf.undana.ac.id, s.i.pella@staf.undana.ac.id

## Abstrak
Tujuan  penelitian ini menganalisis  kualitas  sinyal  dan kinerja  jaringan  data  antar  LoRa  gateway  RFM95  dalam kondisi Line Of Sight. Posisi antar pemancar dan penerima saat pengukuran berada pada jarak 100 m, 200 m, 500  m  dan  700  m  menggunakan  antenna  gain  2  dB  dan  daya  pancar  10  dbm.  Perubahan  Spreading  Factor diterapkan untuk mendapatkan parameter-parameter yang mempengaruhi kinerja sistem LoRa yaitu antara lain RSSI terhadap  jarak,  SNR  terhadap  jarak,  Packet  Delivery  Ratio  terhadap  jarak,  Delay  terhadap  jarak,  Delay terhadap panjang paket dan perbandingan perhitungan transmission delay terhadap hasil pengukuran delay. Hasil pengujian memberikan informasi bahwa RSSI menurun terhadap jarak sedangkan Spreading Factor tidak terlalu mempengaruhi  RSSI.  Parameter  lainnya  yaitu  SNR  dipengaruhi  oleh  jarak,  kondisi  noise  pada  kanal  area pengukuran  dan  Spreading  Factor.  Packet  Delivery  Ratio  menurun  ketika  jarak  bertambah  tetapi  dengan menggunakan SF 9 menunjukan hasil yang lebih bagus dibandingkan dengan menggunakan SF 7, terlihat pada jarak 700m dengan SF 9 mempunyai PDR 76% sedangkan dengan SF 7 mempunyai PDR 44%. Delay dipengaruhi oleh panjang paket dan penggunaan SF9 menghasilkan delay yang lebih besar daripada SF 7 terlihat pada jarak 700m dengan SF9 menghasilkan delay 0.996678 s dan SF 7 menghasilkan delay 0.060945s .
Kata kunci : RSSI, SNR, PDR, Spreading Factor, LoRa

## PENDAHULUAN
Penggunaan internet menjadi salah satu kebutuhan utama manusia saat ini. Penggunaan perangkat elektronik untuk membantu  aktivitas  manusia  semakin  banyak digunakan. Berkembangnya Internet of Thing s ( IoT )  ini  didukung  dengan  teknologi  Wireless Sensor  Network  (WSN)  salah  satunya  adalah modul LoRa ( Long Range ) yang menggunakan protokol  jaringan Long  Range  Wide  Area Network (Lora  WAN)  yang  dapat  mengirim data  jarak  jauh  namun  berdaya  rendah [1].
LoRa  sebagai  teknologi  yang  dapat mengirimkan  data  dengan  jarak  yang  jauh dengan menggunakan pita frekuensi 433 MHz, 868  MHz  dan  915  MHz  dengan  frekuensi standar  untuk  Indonesia  adalah  923-925  MHz [2] dan sedang diupayakan untuk implementasi Low  Power  Wide  Area  Network  (LPWAN) dengan  jarak  pancar  5  km-15  km  [3].  Nusa Tenggara  Timur  dianggap  sangat  cocok sebagai  wilayah  untuk  mengimplementasi
modul  LoRa.  Namun  karena  merupakan daerah tropis dan daerah pegunungan sehingga propagasi gelombang modul LoRa ini sering  terpengaruh  oleh  pepohonan  dan perbedaan  ketinggian  antara  client  dan gateway.
Penelitian  ini  dilakukan  untuk  mengukur serta  menganalisis  kualitas  sinyal  terhadap jarak  pengukuran  dari  suatu  perangkat  Iot berupa  Raspberry  Pi  3  model  b+  dan  modul LoRa  sebagai  WSN  serta  mengamati  delay untuk  pengiriman  informasi  berupa  teks  pada frekuensi kerja LoRa 923-925 MHz.

## METODE PENELITIAN
LoRaWAN  yang  merupakan  protokol jaringan  yang  digunakan  untuk  protokol komunikasi  pada  perangkat  Long  Range (LoRa) yang bersifat unlicensed spectrum yang berarti  kita  dapat  menggelar  frekuensi  sendiri dan tidak memerlukan izin dalam penggunaannya  [1].  LoRa  beroperasi  pada frekuensi sub-GHz pada pita frekuensi operasi
yang  berbeda  untuk  setiap  wilayah  seperti untuk wilayah Eropa adalah 867 MHz dan 902- 928  MHz  untuk  wilayah  Amerika  Utara.  Di Indonesia  sendiri  kominfo  rencananya  akan menetapkan  penggunaan  LoRa  pada  rentang frekuensi  923-925  MHz  [2]  sesuai  dengan frekuensi  LoRa  yang  ditetapkan  oleh  Lora Alliance  untuk  kawasan  Asia  yaitu  pada frekuensi plan AS923-2 [4].  Paket LoRa terdiri dari  beberapa  komponen  yaitu  preamble symbol, synchronisation symbol, LoRa payload, dan CRC.
Modulasi pada LoRa merupakan proses perubahan  suatu  gelombang  periodik  tertentu sehingga  menjadi  suatu  sinyal  yang  mampu membawa suatu informasi. LoRa menggunakan  modulasi  CSS  atau  Chirp Spread Spectrum dimana inti dari pemrosesan adalah menghasilkan nilai frekuensi yang stabil yang menggunakan sinyal frekuensi sinusoidal yang  meningkat  atau  menurun  seiring  waktu untuk mengkodekan informasi. Terdapat beberapa  parameter  dalam  modulasi  LoRa antara lain :

## Bandwidth
Pada modulasi LoRa, semakin besar bandwidth maka  menaikan  kecepatan  data yang  terkirim  namun  akan  menurunkan sensitivitas  receiver.  LoRa  bekerja  pada bandwidth 125 KHz, 250 KHz, dan 500 KHz.

## Spreading Factor
Spreading  Factor (SF)  akan  mengontrol  chrip rate. SF akan mempengaruhi data rate , time on air ,  masa  pakai  baterai,  dan  sensitivitas receiver.  SF  yang  lebih  rendah  menghasilkan chrip  rate  yang  lebih  cepat  namun  jangkauan transmisi LoRa akan berkurang sebaliknya saat SF lebih tinggi maka nilai Packet Delivery Ratio (PDR)  akan  semakin  besar  dan  jangkauan transmisi semakin jauh namun akan memerlukan  Time  on  Air/delay  yang  cukup lama.  Terdapat  6  Spreading  Factor  pada modulasi LoRa yaitu dari SF7 hingga SF12 [5].

## Code Rate

## Tabel 1. Code Rate LoRa
Nilai CR 1 2 3 4 Bit redundansi 1 2 3 4 Coding rate 4/5 2/3 4/7 1/2
Code  Rate  (CR)  digunakan  untuk  pengaturan Forward Error Correction (FEC) untuk meningkatkan  sensitivitas  receiver.  Semakin besar  CR  maka  PDR  semakin  baik  namun
delay akan meningkat. Dengan menambahkan redudansi menggunakan FEC akan memungkinkan  penerima  dapat  mendeteksi dan memperbaiki kesalahan pada pesan.

## Received Signal Strength Indicator
Nilai RSSI dipengaruhi oleh beberapa parameter salah satunya adalah jarak, semakin jauh  jarak  antar  pengirim  dan  penerima  maka sinyal yang diterima akan semakin kecil. Selain itu lingkungan diantara pengirim dan penerima juga  mempengaruhi  sinyal  yang  diterima  [6]. Propagasi  gelombang  pada  daerah  tanpa halangan (LOS) akan berbeda dengan propagasi  gelombang  pada  daerah  dengan banyak  hambatan  seperti  pepohonan  dan bangunan
disekitar karena
akan mempengaruhi
nilai RSSI karena
mengakibatkan  pantulan,  hamburan,  maupun pembelokan sinyal [7]. Rumus dasar perhitungan nilai RSSI dengan adalah sebagai berikut [8] :
RSSI = - (10 n 𝑙𝑜𝑔 10 𝑑 − 𝐴 ) ……………….. (1)
𝑑 = 10 ( 𝐴−𝑅𝑆𝑆𝐼 10.𝑛 ) ……………….. (2)
Nilai A adalah daya yang diterima dengan jarak antar 2 antena dengan jarak referensi dan nilai n  adalah  parameter  loss  yang  dikelompokkan sesuai  kondisi  daerah  pengukuran  [9].  Nilai RSSI  minimum  perangkat  LoRa  adalah  -127 dBm  yang  berarti  pada  nilai  tersebut  sinyal yang diterima oleh gateway buruk/lemah [10].

## Signal to Noise Ratio
Semakin  tinggi  nilai  SNR  maka  akan  semakin baik  pula  kualitas  sinyal  informasi  yang dikirimkan [11]. Untuk teknologi LoRa nilai SNR adalah  antara  -20  dB  dan  10  dB  dimana  saat nilai SNR mendekati 10 dB berarti sinyal yang diterima  tidak  terlalu  mengalami  corrupt  [10]. Nilai  S/N  dihitung  berdasarkan  rumus  berikut [5] :
𝑆 𝑁 = 10 log 𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑠𝑖𝑛𝑦𝑎𝑙 𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒 ……………………. (3)

## Transmission Time
Pada  teknologi  LoRa  Time  On  Air  atau  waktu siaran adalah lamanya waktu yang dibutuhkan untuk penerima menerima sinyal dari pengirim atau  bisa  disebut  juga  delay  yang  ditentukan berdasarkan  Spreading  Factor  dan  bandwidth yang  dibutuhkan  dimana  saat  pengiriman sejumlah data (payload) dengan SF yang tinggi dan bandwidth yang besar akan membutuhkan waktu siaran yang lebih lama. [12] Nilai Time on
Nubatonis 1 *, Lami 2 , dan Pella 3 39
Air  ini  juga  dapat  berbeda-beda  tergantung pada perubahan nilai CR. Pada teknologi LoRa, delay  didapat  dengan  mencari  nilai  data  rate terlebih dahulu kemudian menghitung transmission delay menggunakan rumus :
𝐷𝑅 = 𝑆𝐹 𝑥 𝐵𝑊 2 𝑆𝐹 𝑥 4 (4+ 𝐶𝑅) …………………… (4) 𝑻𝒓𝒂𝒏𝒔𝒎𝒊𝒔𝒔𝒊𝒐𝒏 𝑫𝒆𝒍𝒂𝒚 = 𝑼𝒌𝒖𝒓𝒂𝒏 𝑷𝒂𝒌𝒆𝒕 𝒅𝒂𝒕𝒂
𝑲𝒆𝒄𝒆𝒑𝒂𝒕𝒂𝒏 𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔𝒎𝒊𝒔𝒊
(5)

## Packet Delivery Ratio
Packet delivery ratio (PDR) adalah rasio paket yang  dikirim  yang  sampai  kepada  penerima. PDR  dapat  dihitung  dengan  rumus  sebagai berikut [13]:
PDR = Paket yang diterima Paket yang dikirim x 100% ……..…. (6)
Gambar 1. Konfigurasi pengirim dan penerima

## LoRa
Skenario  pengukuran  kualitas  sinyal dan  kinerja  jaringan  data  adalah  dengan melakukan pengukuran langsung pada Line Of Sight (LOS) pada jarak 100 m, 200 m, 500 m, dan 700 m untuk medapatkan nilai RSSI, SNR, dan Time On Air untuk mengetahui delay dalam pengiriman  data  IoT  berupa  teks  dan  analisis data multimedia serta kebutuhan  antenna dan daya ttansmitter. Anten yang digunakan adalah antenna  omni  directional  2  dbi  sehingga pengukuran hanya dilakukan dalam jarak yang pendek.
Pengukuran
kualitas sinyal menggunakan  dua  modul  lora  yaitu  Dragino LoRa  RFM95  dan  Electrow  Lora  RFM95, raspberry  pi  3  model  b+  yang  digunakan sebagai  gateway  dan  server  dan  juga  2  buah smartphone untuk pengaturan dan pemantauan proses kirim terima menggunakan VNC  viewer  dimana  pengukuran  dilakukan dengan  memvariasikan  nilai  SF,  Bandwidth, Panjang  karakter  serta  frekuensi  kerja  yaitu dengan  Spreading  Factor  7,  9,  dan  12, Bandwidth  125  KHz  frekuensi  923  MHz, Panjang paket yang dikirim adalah 50, 100, dan
200  karakter  dengan  menggunakan  daya transmit  10  dbm  dan  CR  4/5  kemudian  data yang  diterima  akan  disimpan  pada  database MySQL yang dapat diakses pada sisi penerima.
Gambar 2. Kode set-up pada Tx-Rx

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan  hasil  pengukuran  yang tersimpan  pada  database  maka  data  hasil pengukuran  dihitung  nilai  rata-ratanya  untuk memperoleh nilai RSSI, SNR, dan Time On Air.
Gambar 3. Grafik RSSI terhadap jarak dengan daya transmit 10 dbm
Nilai RSSI berdasarkan hasil pengukuran  terlihat  bahwa  SF  tidak  terlalu mempengaruhi  RSSI  dan  faktor  yang  paling mempengaruhi  nilai  RSSI  adalah  jarak  antar pengirim  dan  penerima  LoRa.  Sementara perhitungan  menggunakan  persamaan  (1) dengan  nilai  n  adalah  2  menunjukan  bahwa pada  pengukuran  yang  dilakukan  nilai  RSSI tidak  lebih  dari  hasil  perhitungan  berdasarkan teori.  Pada  hasil  pengukuran  juga  terlihat bahwa  pada  keadaan  LoS  dengan  daya pengirim 10 dbm dan antenna pengirim dengan gain antenna 2 db sampai pada jarak 700 meter RSSI masih kategori nilai RSSI yang baik untuk teknologi LoRa yaitu tidak lebih kecil dari -127 dbm.  Kemudian  dilakukan  perhitungan  RSSI menggunakan persamaan (1) untuk mendapatkan jarak maksimum perangkat LoRa yang digunakan dan didapat hasil perhitungan bahwa  perangkat  LoRa  ini  dapat  mencapai jarak  5  km  pada  keadaan  LOS  dengan  RSSI pada jarak referensi adalah -53 dbm.
100 200 300 400 500 600 700 -115 -110 -105 -100 -95 -90 -85 -80 -75 Jarak (m) RSSI (d b m) RSSI vs Jarak SF 7 SF 9 SF 12 Perhitungan
Pada hasil pengukuran pada jarak 100 m dan 200 m saat SF dinaikan dari SF 7 ke SF 9  nilai  SNR  semakin  baik  namun  saat  SF diubah  dari  SF  9  ke  SF  12  mengalami penurunan nilai,  pada jarak 500 meter saat SF dinaikan  mengalami  penurunan  yang  cukup besar hingga ke -3.09 dB dan saat SF dinaikan dari SF 7 ke SF 9 nilai SNR semakin kecil yaitu -4.96 dB namun saat SF diubah dari SF 9 ke SF 12  terjadi  penurunan  yang  cukup  besar  pada nilai SNR hingga ke -7.56 dB, selanjutnya pada jarak 700 meter saat SF dinaikan dari SF 7 ke SF  9  nilai  SNR  semakin  kecil  yaitu  -10.29  dB namun  saat  SF  diubah  dari  SF  9  ke  SF  12 terjadi  kenaikan  nilai  SNR  yang  cukup  besar atau terjadi penguatan sebesar 9
Gambar 4. Grafik SNR terhadap jarak dengan daya transmitter 10 dbm Tabel 2. Perhitungan Time On Air file gambar Ukuran file gambar Resolusi Jumlah paket yang dibutuhkan Time On Air 104 kb 504x500 468 7 min 46 sec 548 kb 1181x790 2462 40 min 53 sec 1.05 MB 1974x3412 4514 1 h 14  min 50 sec 1.50 MB 645x2362 6737 1 h 51 min 54 sec 2.06 MB 2088x3374 9010 2 h 29 min 40 sec 2.50 MB 2126x2778 11229 3 h 6 min 31 sec 3.12 MB 4500x1800 14013 3 h 52 min 46 sec Kebutuhan  antenna  untuk  transmisi jarak  jauh  menggunakan  LoRa  dapat  dihitung menggunakan rumus Egli karena tidak memperhitungan  efek  bangunan  seperti  pada Okumura  Hatta  [13].  Untuk  perhitungan kebutuhan  antenna  untuk  transmisi  jarak  jauh pada  penelitian  ini  menggunakan  rumus  Egli sebagai berikut :
𝑃 𝑟 = 𝐺 𝑡 𝑥 𝐺 𝑟 𝑥  ( ℎ 𝑡 𝑥 ℎ 𝑟 𝑑 2 ) 2 ( 40 𝑓 ) 2 𝑃 𝑡 (7)
Gambar 11. Grafik Kebutuhan minimum daya
Transmitter Gambar 12. Grafik Kebutuhan minimum gain antena
Berdasarkan perhitungan menggunakan rumus Egli  maka  didapat  hasil  perhitungan  bahwa dengan  sensitivitas  receiver  (daya  yang diterima) -127 dbm maka agar jarak jangkauan LoRa sesuai dengan spesifikasi dari perangkat LoRa maka jika dikirim dengan gain antenna 2 dBi  memerlukan  daya  transmitter  sekitar  25 dbm,  dengan gain antenna 4 dBi memerlukan daya  sekitar  23  dbm,  dengan  gain  antenna  8 dBi  memerlukan  daya  sekitar  20  dbm  dan dengan gain antenna 16 dB memerlukan daya sekitar  11  dbm.  Kemudian  penggunaan  daya transmitter  terhadap  gain  antenna  yang digunakan seperti yang terlihat pada gambar 12
0 5000 10000 15000 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Jarak (m) D a y a T ra n s m it e r (d Bm ) Kebutuhan Minimum Daya Transmiter G=2dBi G=4dBi G=8dBi G=16dBi
100 200 300 400 500 600 700 -15 -10 -5 0 5 10 15 Jarak (m) SN R (d B) SNR vs Jarak SF 7 SF 9
SF 12
0 5000 10000 15000 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 Jarak (m) G a in (d Bi ) Kebutuhan Minimum Gain Antena Pt=10dBm Pt=20dBm Pt=30 dBm Pt=40dBm
Nubatonis 1 *, Lami 2 , dan Pella 3 41
dimana  dengan  daya  10  dbm  (0.01  watt) dengan tinggi antenna pengirim dan penerima 10 m maka untuk mencapai jarak 15 km maka diperlukan antenna dengan gain sekitar 17 dBi, dengan  daya  20  dbm  (0.1  watt)  diperlukan antenna dengan gain sekitar 8 dBi, sedangkan dengan daya 30 dbm (1 watt) dan 40 dbm (10 watt) didapatkan gain negatif.

## PENUTUP
Berdasarkan  hasil  pengukuran  dan analisis  dapat  disimpulkan  beberapa  kondisi sebagai berikut :
1.  Received  Signal  Strength  Indicator (RSSI)  menurun  terhadap  jarak  dan Spreading Factor tidak terlalu mempengaruhi  nilai  RSSI  dan  faktor yang  paling  mempengaruhi  nilai  RSSI adalah  jarak  antar  pengirim  dan penerima LoRa.
2.  Nilai  Signal  To  Noise  Ratio  (SNR) dipengaruhi oleh jarak antara pengirim dan penerima LoRa dan juga
Spreading Factor dimana ada perbedaan kecil untuk setiap penggunaan Spreading Factor.
3.  Packet  Delivery  Ratio  menurun  ketika jarak bertambah tetapi dengan menggunakan  SF  9  menunjukan  hasil yang lebih bagus dibandingkan dengan menggunakan SF 7 dimana pada jarak 700 m dengan SF 9 tingkat keberhasilan  data  terkirim.  adalah 76%  sedangkan  dengan  SF  7  tingkat keberhasilan data terkirim adalah 44%.
4.  Delay  lebih  dipengaruhi  oleh  panjang paket  dan  besar  setting  SF  yang digunakan
dimana dengan menggunakan  SF  9  menghasilkan delay yang signifikan lebih besar yaitu 0.996 s sedangkan
dengan menggunakan  SF  7  menghasilkan delay 0.060 s.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] LoRa Alliance. What is LoraWAN. LoRa  Alliance:  Fremont,  CA,  USA,  2015.
[2] Kementrian  Komunikasi  dan  Informatika.
RANCANGAN  PERATURAN  DIREKTUR JENDERAL SUMBER DAYA DAN PERANGKAT  POS  DAN  INFORMATIKA NOMOR TAHUN 2018 TENTANG PERSYARATAN TEKNIS DAN/ATAU PERANGKAT  TELEKOMUNIKASI  LOW
POWER WIDE AREA. Republik Indonesia.
2018
[3] Mekki,  Kais,  Eddy  Bajic,  Frederic  Chaxel, and  Fernand  Meyer.  "A comparative  study of LPWAN technologies for large-scale IoT deployment." ICT express 5, no. 1, pp 1-7,
2019 [4] the  things  network.  LoRaWAN  frequency plan [online]. Available : https://www.thethingsnetwork.org/docs/lora wan [5] Semtech. A technical overview of loRa and
LoRaWAN : Semtech Corporation. 2019
[6] Pella, S. I., & Lami, H. J. F. IDENTIFIKASI RADIUS  SENSOR  NODE  -GATEWAY PADA SISTEM
IOT BERBASIS
PROTOKOL MQTT. SAINSTEK , 5 (1), 261- 269. 2021
[7] L.  Lay,  K.  Rantelobo,  and  B.  Manafe, “ANALISIS PROPAGASI PADA KAWASAN KAMPUS UNIVERSITAS
NUSA CENDANA PENFUI KUPANG”, jme , vol. 8, no. 1, pp. 7-14, Apr. 2019
[8] Goldoni,  Emanuele,  Alberto  Savioli, Marco Risi,  and  Paolo  Gamba.  "Experimental analysis  of  RSSI-based  indoor  localization with  IEEE  802.15.  4."  In 2010  European Wireless  Conference  (EW) ,  pp.  71-77.
IEEE, 2010.
[9] Siswandari, Nur Adi, Okkie Puspitorini, and Agung  Surya  Jati.  "Analisa  Pathloss
Exponent  di  Area  Terbuka  untuk  Aplikasi Wireless Sensor Network." Prosiding
SNaPP:  Sains,  Teknologi 2,  no.  1  (2011): 401-408.
[10] Microelectronics HR. RFM95/96/97/98 (W)- Low  Power  Long  Range  Transceiver
Module. v1. 0. 2006. [11] John Price, Terry Goble, in Telecommunications Engineer's Reference Book, 1993
[12] Noreen  Umber,  Ahcène  Bounceur,  and Laurent Clavier. "A study of LoRa low power and wide area network technology." In 2017 International  Conference  on  Advanced Technologies  for Signal  and  Image Processing (ATSIP), pp. 1-6. IEEE, 2017
[13] Egli,  John  J. Radio  Propagation  above  40 MC  over  Irregular  Terrain .  Proceedings  of the  IRE.  IEEE.  45  (10):  1383 –1391.  Oct 1957