IoT Satelit di Era 5G: Peran Algoritma Kaczmarz dalam Skema Akses Tanpa Izin
Komunikasi tipe mesin besar (mMTC) melalui Internet of Things satelit (S-IoT) sedang mengalami perkembangan pesat, terutama dengan meningkatnya kebutuhan akan konektivitas global di area yang sulit dijangkau. Dalam sistem ini, perangkat-perangkat kecil seperti sensor diaktifkan secara periodik dan mengirimkan data melalui paket pendek, yang memerlukan akses cepat dan efisien tanpa menggunakan banyak sumber daya jaringan. Namun, salah satu tantangan terbesar yang dihadapi dalam implementasi S-IoT adalah tabrakan pilot---ketika beberapa perangkat secara acak memilih urutan pilot yang sama untuk mengirimkan data. Hal ini dapat menyebabkan kegagalan akses dan menurunkan kinerja sistem secara keseluruhan.
Artikel "Low-Correlation Superimposed Pilot Grant-Free Massive Access for Satellite Internet of Things" karya Liang Xu, Jian Jiao, Ye Wang, Shaohua Wu, Rongxing Lu, dan Qinyu Zhang (2023), menawarkan solusi inovatif untuk mengatasi tantangan ini. Dalam studi tersebut, peneliti mengusulkan skema akses besar tanpa izin (Grant-Free Massive Access atau GFMA) dengan menggunakan urutan pilot berzona korelasi rendah (LPS) yang bertumpang tindih, serta memanfaatkan Algoritma Kaczmarz untuk estimasi saluran. Algoritma ini dirancang untuk memperbaiki estimasi kondisi saluran dengan kompleksitas rendah, memungkinkan perbaikan signifikan dalam komunikasi satelit.
Penelitian ini sangat relevan karena industri komunikasi satelit saat ini sedang mengalami lonjakan kebutuhan, terutama dengan perkembangan jaringan 5G dan 6G. Menurut data dari International Telecommunication Union (ITU), pada tahun 2022 saja, jumlah perangkat IoT yang aktif secara global diperkirakan mencapai 14,4 miliar, dan diproyeksikan akan terus bertambah hingga 25,4 miliar perangkat pada tahun 2030. Dalam konteks ini, solusi yang ditawarkan oleh Xu et al. sangat penting karena mereka mampu meningkatkan efisiensi spektrum dan mengurangi risiko kegagalan akses hingga lebih dari 20% dibandingkan metode tradisional.
***
Penggunaan Algoritma Kaczmarz dalam skema Low-Correlation Superimposed Pilot Grant-Free Massive Access (LSP-GFMA) untuk komunikasi IoT satelit menjadi sebuah terobosan dalam mengatasi salah satu masalah paling menantang dalam sistem ini: tabrakan pilot. Dalam komunikasi tipe mesin besar (mMTC) melalui satelit, ribuan hingga jutaan perangkat berusaha mengakses jaringan secara bersamaan, sering kali menghasilkan tabrakan ketika beberapa perangkat memilih urutan pilot yang sama untuk mengirimkan data. Dalam artikel tersebut, peneliti menemukan bahwa dengan menggunakan urutan pilot zona korelasi rendah (LPS), probabilitas tabrakan pilot dapat dikurangi secara signifikan. Faktanya, skema LSP-GFMA berhasil menurunkan probabilitas tabrakan pilot hingga lebih dari 23 kali dibandingkan dengan metode Zero-Correlation Sequences (ZCS) tradisional, yang merupakan peningkatan luar biasa dalam efisiensi.
Yang menarik dari solusi ini adalah penggunaan Algoritma Kaczmarz untuk memperbaiki estimasi kondisi saluran. Estimasi saluran yang akurat sangat penting dalam komunikasi satelit, karena satelit bergerak cepat di orbit rendah bumi, menyebabkan variasi besar dalam kondisi saluran. Algoritma Kaczmarz bekerja dengan memperkirakan informasi kondisi saluran melalui serangkaian iterasi sederhana, yang menjadikannya lebih hemat biaya dalam hal komputasi dibandingkan metode tradisional seperti Minimum Mean Square Error (MMSE). Penelitian menunjukkan bahwa algoritma ini mampu menghasilkan kesalahan estimasi rata-rata normalisasi (Normalized Mean Square Error atau NMSE) yang 60 kali lebih baik daripada MMSE setelah hanya 10 iterasi, dengan kompleksitas yang lebih rendah.
Selain itu, penelitian ini juga membahas cara mengatasi masalah interferensi yang ditimbulkan oleh perangkat-perangkat non-ortogonal dalam skenario akses tanpa izin (grant-free). Dalam skema tradisional, ketika perangkat non-ortogonal memilih urutan pilot yang sama, terjadi interferensi yang menyebabkan kegagalan dalam estimasi saluran dan deteksi perangkat. Algoritma Kaczmarz bersama dengan urutan pilot LPS berhasil mengurangi kegagalan deteksi ini, dengan simulasi menunjukkan bahwa skema ini mampu mencapai throughput yang lebih tinggi di atas sistem serupa yang menggunakan ZCS. Pada skenario dengan 50 perangkat yang aktif secara bersamaan, throughput yang dapat dicapai meningkat sebesar 15% dibandingkan skema tradisional yang menggunakan ZCS.
Dengan pencapaian ini, solusi yang ditawarkan oleh Xu et al. tidak hanya meningkatkan efisiensi spektrum dalam komunikasi IoT satelit, tetapi juga membuka peluang bagi aplikasi-aplikasi lain dalam jaringan 5G dan bahkan 6G. Dalam era ketika miliaran perangkat IoT terhubung setiap saat, kemampuan untuk menangani akses besar-besaran secara efisien akan menjadi salah satu pilar utama dalam pengembangan infrastruktur telekomunikasi global. Skema LSP-GFMA dengan Algoritma Kaczmarz memberikan kontribusi besar dalam mencapai tujuan ini, terutama di wilayah-wilayah terpencil di mana jaringan terestrial tidak bisa diandalkan.
***
Penelitian yang dilakukan oleh Liang Xu, Jian Jiao, Ye Wang, Shaohua Wu, Rongxing Lu, dan Qinyu Zhang ini memberikan kontribusi signifikan terhadap perkembangan komunikasi IoT satelit, terutama dalam konteks mMTC dan akses tanpa izin. Penggunaan Algoritma Kaczmarz untuk estimasi saluran telah terbukti secara empiris mampu meningkatkan akurasi dan efisiensi sistem, dengan kesalahan estimasi yang 60 kali lebih baik dibandingkan metode tradisional. Selain itu, probabilitas tabrakan pilot yang berkurang hingga 23 kali melalui skema LSP-GFMA menunjukkan potensi yang luar biasa dalam meningkatkan throughput dan menurunkan kegagalan akses.
