Ilmu Telekomunikasi dapat diibaratkan seperti sebuah pohon yang akarnya berupa ilmu fundamental telekomunikasi, seperti teori informasi, machine learning (mesin pembelajar), dan pemrosesan sinyal. Batangnya adalah teori coding; ranting dan daunnya adalah aplikasi serta piranti, sementara buahnya adalah produk atau teknologi yang dihasilkan. Invensi dan inovasi muncul berawal dari akar dan batang ini. Negara maju, biasanya memilih mengembangkan akar dan batang lebih daripada buahnya, karena ekonominya telah mapan, sehingga hikmah ilmu pengetahuan lebih mengarah pada kepuasan hidup. Jepang misalnya, menerapkan 60% biaya penelitian bagi ilmu-ilmu fundamental, sehingga banyak memiliki ilmuwan peraih nobel.
Ilmuwan yang baik adalah yang dapat mengembangkan akar, yakni riset fundamentalnya dan bukan melulu hanya memikirkan keuntungan materi melalui produk yang dihasilkan. Jika tidak ada lagi ilmuwan yang mengembangkan ilmu-ilmu fundamental, ilmu pengetahuan dikhawatirkan akan mati, karena yang berkembang hanya riset yang sesuai dengan selera dan kebutuhan pasar, dan bukan riset yang dapat menguak rahasia alam berikut hikmahnya. Keseimbangan dalam dua manfaat ini perlu dijaga setiap saat, bahwa tidak baik jika semua riset harus fundamental, tetapi tidak baik juga jika semua riset hanya yang sesuai keinginan pasar.
Secara umum, ilmu pengetahuan menjadi tidak berkembang dikarenakan dua hal, yakni (1) kurangnya keberanian dalam mengusulkan hal baru (dalam hal muamalah, bukan hal baru dalam agama), dan (2) kurangnya membaca-menulis. Kurangnya membaca menyebabkan wawasan kita sempit, sehingga takut mengusulkan hal baru. Ketika kita tidak memiliki keberanian, maka invensi dan inovasi tak bisa didapatkan. Betapa banyak data hasil riset yang bagus, tetapi tak bisa melahirkan ilmu baru karena tidak berani mengambil kesimpulan dan hikmah.
Saat seseorang mempelajari ilmu teknologi telekomunikasi, tidak banyak yang berpikir bahwa ilmu ini adalah sebuah pengetahuan yang dapat membawa pembelajarnya kepada hikmah. Padahal sesungguhnya pada ilmu ini, ada banyak hal yang bisa direnungkan dan membawa kita semakin dekat pada Sang Pencipta. Jika kita punya teknologi yang bagus namun iman kita tidak baik maka tak akan menghasilkan kebaikan yang paripurna, sebaliknya jika iman baik tapi tak menguasai ilmu dan teknologi yang tinggi, maka hal itu menjadikan kita kurang mulia.
Generasi Manusia, Telekomunikasi dan Revolusi Industri
Setelah Perang Dunia II hingga tahun 1960 generasi manusia disebut sebagai Baby Boomers, lalu dari tahun 60-80an disebut generasi X, selanjutnya dari tahun 80-2000 disebut generasi Y atau milenial. Generasi Alfa adalah generasi yang lahir setelah tahun 2010 hingga saat ini. Seiring perkembangan generasi ini, setiap 10 tahun, teknologi komunikasi pun mengalami pembaharuan. Pada tahun 80-an kita melihat lahirnya teknologi komunikasi analog generasi pertama (1G)-AMPS, pada tahun 90-an hadir generasi ke-2 (2G) GSM, lalu pada tahun 2000-an lahir generasi ke-3 (3G) WCDMA, pada 2010 lahir generasi ke-4 (4G) LTE, tahun 2020 lahir generasi ke-5 (5G) NR, dan in sya Allah pada 2030 akan lahir generasi ke-6 (6G). Di tahun 2040 yang merupakan tahun puncak bonus demografi bagi Indonesia kelak, semoga akan lahir generasi ke-7 (7G) yang menjadikan Indonesia Emas karena pertumbuhan ekonomi yang tinggi.
Teknologi 6G mulai diterapkan pada 2030, namun penelitiannya sudah dimulai sejak 2015. Saat sebuah generasi teknologi terbaru lahir (misalnya 5G), teknologi komunikasi yang lama (misalnya 4G) tidak serta merta berhenti. Dengan demikian, setiap generasi memiliki puncak perkembangan teknologi yang berbeda, sehingga setiap generasi berbeda mungkin memiliki karakter yang berbeda pula. Inilah mungkin yang harus diteliti oleh peneliti bidang sosial, yaitu tentang apa pengaruh kehebatan perkembangan teknologi telekomunikasi terhadap sifat-sifat tiap generasi manusia tersebut?
Kurva S pada gbr.1 menunjukkan bahwa satu kali revolusi memerlukan waktu 100 tahun. Kurva ini diawali oleh sebuah penemuan di bidang sains dan teknologi baru, lalu diikuti akselerasi dalam ekonomi. Ketika kurva mulai melandai, menandakan sebuah inovasi baru1 dibutuhkan. Kata kunci setiap revolusi dinyatakan dalam 3M, yaitu Material, Machine, dan Model. Yang dimaksud dengan Model di sini adalah model bisnis, karena setiap revolusi industri memiliki model bisnis berbeda.
Pada Revolusi Industri pertama materialnya adalah kain, mesinnya adalah alat tenun, sedangkan model bisnisnya adalah baju. Pada Revolusi Industri kedua materilnya adalah batu bara, mesinnya adalah mesin uap, dan model bisnisnya adalah transportasi. Pada Revolusi Industri ketiga materialnya adalah minyak, baja, dan listrik; mesinnya adalah mobil; model bisnisnya adalah pabrik. Pada Revolusi Industri keempat ini materinya adalah data, mesinnya adalah komputer, server, smartphone, sensor, serta IoT device; model bisnisnya adalah segala sesuatu yang bisa dilakukan di jaringan (networks), misalnya belanja online, taksi online, dan aplikasi online lainnya. Itulah alasan yang menjadi penjelasan bahwa siapa yang memegang data, dialah yang akan menguasai era ini. Suatu hal yang tidak bisa dipungkiri adalah bahwa teknologi menjadi salah satu mesin pertumbuhan ekonomi. Lebih dari 50% induk pertumbuhan ekonomi jangka panjang berasal dari perubahan teknologi.
Konsep Qana’ah Coding Pada Jaringan 5G dan 6G
Teknologi 5G yang memiliki target kecepatan 20 gigabit/detik merupakan salah satu milestone pada peradaban dunia. Mainstream 5G di dunia terkonsentrasi pada perkotaan, sementara penerapannya di Indonesia yang akan dilakukan pada sekitar tahun 2022 mencakup wilayah rural pedesaan, bidang transportasi, agrikultural, lalu lintas, pengelolaan wilayah bencana, dan industri. Target pertama teknologi 5G adalah high speed, yang kedua adalah latensi di bawah 1 mili detik, dan target ketiganya adalah massive machine type communication. Standard 5G untuk target 1 telah selesai pada 2019, sedangkan standar target kedua dan ketiga pada 2020.
Perbedaan setiap generasi teknologi telekomunikasi terletak pada gelombang dan frekuensinya. Teknologi 2G masih menggunakan gelombang dengan pita sempit atau narrowband, sedangkan 3G dan berikutnya mulai menggunakan pita lebar atau broadband. Teknologi 4G dan 5G menggunakan teknik orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), yaitu teknik yang memperbolehkan terjadinya overlapping subcarrier. Saat nilai sebuah subcarrier berada di puncak, nilai subcarrier yang lain berada di titik nol, sehingga keduanya tidak saling menginferensi. Perbedaannya, 5G memiliki lebar subcarrier dan durasi waktu yang bervariasi dibandingkan dengan 4G. Oleh karena itu, 5G menjadi sangat fleksibel untuk berbagai aplikasi dengan kombinasi variasi kecepatan dan variasi delay.
Teknolgi 6G bermotto “wireless at the speed of light” (komunikasi nirkabel berkecepatan cahaya), maksudnya adalah bahwa 6G memiliki kecepatan tinggi sekali di atas 1 tera bit per detik (Tbps), yang kemungkinan akan menggunakan gelombang cahaya, karena cahaya memiliki bandwidth yang sangat lebar hingga orde GHz. Jangan sampai terjadi kerancuan pemahaman ketika memahami lebar pita dan gelombang pembawa, karena keduanya sama-sama bersatuan Hz. Dengan perkembangan 5G dan 6G ini teknologi hologram akan sangat dimungkinkan, selain itu tele-operasi oleh dokter dan transportasi prioritas akan dapat dilakukan, misalnya ambulans dapat menjadi prioritas pertama pada transportasi sehingga memungkinkan mobil lain minggir saat ambulans akan datang. Transportasi prioritas ini menggunakan konsep coded random access (CRA) dan Raptor Coding yang merupakan salah satu jenis dari Fountain Code yaitu sebuah sistem yang bisa beradaptasi dengan alam karena memiliki kemampuan rateless, yaitu coding rate berubah-ubah sesuai dengan kondisi alam. Jika sebuah transmisi tidak memiliki coding rate berubah di bawah kapasitas kanal, maka transmisi tersebut akan mengalami error.
Contoh Fountain Codes ditunjukkan oleh gambar 2 yang menunjukkan bahwa setiap perangkat bisa mengalami kondisi channel berbeda karena berbeda lokasi atau waktu. Jika sebuah perangkat mengalami channel yang buruk, sehingga mengalami error, perangkat terebut harus rela menunggu beberapa saat untuk paket berikutnya sampai hingga dianggap cukup (tidak perlu menunggu seluruhnya), lalu mulai melakukan decoding dan deteksi. Konsep inilah yang disebut qona’ah, yaitu merasa cukup dengan pemberian Allah Subhânahu wa ta’âla. Device merasa cukup dengan paket yang diterima, dan langsung melakukan decoding, tanpa perlu menunggu semua paket diterima. Inilah kehebatan sebuah Rateless Fountain Codes. Ibarat seseorang yang membawa gelas untuk minum dari sebuah pancuran air, maka pancuran tersebut mampu membuat puas siapapun, baik untuk orang yang membawa gelas kecil maupun besar. Sebuah server dengan Fountain codes, mampu memberikan kepuasan atau service terbaik bagi device apapun, sesuai kondisi channel masing-masing.
Jika ukuran gelas bisa digunakan sebagai durasi transmisi, maka gelas besar melambangkan kanal yang buruk, karena perlu waktu lama untuk bisa terisi sampai penuh, sedangkan gelas kecil melambangkan kanal yang baik, karena cepat terisi penuh. Bagaimana caranya agar apapun ukurannya, gelas bisa terisi penuh? Jawabannya adalah dengan membuat konsep fountain atau rateless, yaitu sebuah teknik yang menjadikan ukuran air yang terpancar beragam menyesuaikan ukuran gelas. Dalam teori coding, ini disebut Fountain Codes yang mampu menyesuaikan ukuran rate sesuai keadaan kapasitas kanal. Karena kesederhaaannya, Fountain codes (atau disebut LT codes) ternyata kadang tidak terlalu kuat, sehingga harus diproteksi lagi dengan coding lain yang disebut precoding misalnya, low density parity check (LDPC) codes atau low density generator matrix (LDGM). Konsep inilah yang kemudian melahirkan jenis coding baru yang disebut Raptor Codes seperti yang ditunjukkan gambar 3. Karya seperti Raptor Codes ini dipakai pada 5G beserta variannya, mungkin akan tetap dipakai pada telekomunikasi masa depan, seperti 6G atau 7G, karena kemampuannya akan dua hal, yaitu beradaptasi dengan kanal dan memastikan keandalan tinggi dengan melindungi bit yang tertinggal, seperti b3 pada gambar 3, untuk tetap terkirimkan.
Jika dua prinsip Fountain dan Raptor Codes ini direnungkan, maka menjadi penjelas tambahan tentang makna hadis Rasulullah tentang pentingnya sifat qana’ah. Dari Abdullah bin ‘Amr radhiyallahu ‘anhuma, ia berkata, “Rasulullah shallallahu ‘alaihi wa sallam bersabda, “Sungguh beruntung orang yang masuk Islam, ia diberi rezeki yang cukup dan diberikan oleh Allah sikap qana’ah (rasa cukup) terhadap pemberian-Nya” (HR. Tirmidzi).
Makna merasa cukup atau qana’ah yang dipakai konsep Fountain Codes (Raptor Codes adalah varian dari Fountain Codes) ini menjadikan sistem telekomunikasi maksimal dalam kondisi apapun. Dalam telekomunikasi, sampai saat ini belum ada sistem yang memberikan hasil maksimal (memaksimalkan rate dan sekaligus mengurangi error), kecuali jika konsep qana’ah tadi dipakai. Dengan konsep qana’ah, saat sebuah receiver merasa cukup dengan parity check yang diterima, ia akan segera melakukan decoding tanpa menunggu seluruh parity check diterima penuh. Pada konsep transmisi konvensional, jika sebuah receiver tidak menerima sinyal, receiver tadi akan mengirimkan negatif acknowledgment (NACK) untuk meminta pengiriman ulang. Dengan sifat qana’ah, receiver tidak akan meminta pengiriman ulang, tetapi menunggu beberapa saat untuk menerima parity berikutnya, lalu langsung melakukan decoding. Konsep ini akan bermanfaat di masa depan karena setiap receiver tidak perlu meminta pengiriman ulang paket atau parity check yang hilang, karena selain merepotkan transmitter, juga berpotensi menjadikan jaringan overload.
Inspirasi Angka dari Al-Baqarah Ayat 261 untuk Konstruksi Raptor–Codes Baru
Ketika membaca Q.S. Al-Baqarah ayat 261 yang artinya: “Perumpamaan (nafkah yang dikeluarkan oleh) orang-orang yang menginfakkan hartanya di jalan Allah adalah serupa dengan sebutir benih yang menumbuhkan tujuh bulir, pada tiap-tiap bulir seratus biji. Allah melipatgandakan (ganjaran) bagi siapa yang Dia kehendaki. Dan Allah Maha Luas (karunia-Nya) lagi Maha Mengetahui”, kita mungkin bertanya tentang maksud angka 1-7-100 dalam ayat ini. Kita yakin bahwa angka ini memiliki maksud tertentu, karena Allah tidak akan menciptakan hal yang sia-sia atau kebetulan. Semua hal diciptakan selalu dengan maksud tertentu. Gambar 4 menunjukkan proses Raptor Coding bertingkat dengan contoh R1=1/2, dan R2=1/2 yang menghasilkan total R=R1*R2=1/2*1/2=1/4, yaitu proses pengiriman informasi 2 bit [a, b] menggunakan 8 simbol [x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8] untuk memenuhi R= 2/8 atau 1/4.
Ayat ini sangat menarik karena Allah menunjukkan bahwa ada dua level angka yang dipakai sebagai perumpamaan yaitu 1 menjadi 7 dan 1 menjadi 100, sehingga total menjadi 700. Apa kira-kira maksud Allah dengan tidak menjelaskannya secara langsung dari satu menjadi tujuh ratus? Penulis berusaha memahami makna ini dengan menerapkannya dalam ilmu telekomunikasi dengan coding bertingkat dua level, yaitu angka 1 menjadi 7 adalah rate R1=1/7 dan 1 menjadi 100 adalah rate R2=1/100, sehingga rate total menjadi R=R1*R2=1/7*1/100=1/700. Ini adalah nilai rate sangat rendah untuk transmisi telekomunikasi, yang biasanya dipakai untuk transmisi sinyal dari dan ke luar angkasa.
Menurut ilmu telekomunikasi, R=1/700 memiliki nilai Shannon Limit dalam signal to noise power ratio (SNR) sebesar 10*log10 (2(1/7*1/00)-1)=-30.04 dB. SNR ini bernilai negatif yang berarti bahwa sinyal masih bisa dideteksi meskipun tingkat kebisingan lebih tinggi dibandingkan dengan kekuatan sinyal. Penulis berharap bahwa sistem ini, jika berhasil dibuat, bisa dipakai untuk telekomunikasi antar-planet. Teori yang masih dalam proses penelitian ini, salah satu hasil awalnya ditunjukkan oleh gambar 5. Jika ternyata ditemukan bahwa nilai 1/7*1/100 ini menunjukkan angka perhitungan terbaik, maka penulis bermaksud mengajukannya sebagai dasar channel coding pada teknologi 6G, terutama untuk aplikasi zero-power communications, yaitu komunikasi yang meskipun dengan power yang hampir nol, tetapi tetap berhasil.
Polar Coding bagi 5G dan Hadis Arbain No. 6
Hikmah selanjutnya yang bisa kita dapatkan adalah dari hadis Rasulullah shallallahu ‘alaihi wasallam yang menjelaskan tentang makanan halal dan haram. “Dari Abu Abdillah Nu’man bin Basyir r.a. berkata, Aku telah mendengar Rasulullah bersabda: ”Sesungguhnya yang halal itu jelas dan yang haram itu jelas. Di antara keduanya ada perkara samar-samar (syubhat) yang tidak diketahui orang banyak. Barang siapa takut terhadap yang syubhat berarti dia telah menyelamatkan agamanya dan kehormatannya” (HR. Imam Bukhari dan Muslim).
Pada tahun 2009 Erdal Arıkan dari Turki akhirnya menemukan konsep dasar Polar Codes, yang telah ia teliti selama 10 tahun. Beliau mengatakan bahwa kanal yang awalnya samar-samar bisa dipolarisasi menjadi hitam sekali (buruk sekali) dan jernih sekali (baik sekali). Terlebih lagi, proses polarisasi pada Polar codes ini hanya menggunakan operasi sederhana, yaitu kombinari XOR, yang kompleksitasnya sangat rendah sehingga bisa dipakai untuk banyak aplikasi.2 Gambar 6 menunjukkan proses XOR dan polarisasi Polar Codes 8 bit yang berhasil mengubah kapasitas dari I(W)=0.5 menjadi I(W)=0.0039 (buruk sekali, mendekati nol) dan I(W)=0.9961 (baik sekali, mendekati satu). Sedangkan informasi diletakkan pada kanal yang baik-baik saja, misalnya I(W)={0.9961, 0.8789, 0.8086, 0.6836}.
Prinsip meletakkan informasi pada kanal yang baik-baik saja, yaitu I(W)={0.9961, 0.8789, 0.8086, 0.6836}, menunjukkan bahwa apa yang kita kerjakan dan makan harus sedemikian rupa sehingga hanya melalui dan menghasilkan hal-hal yang halal saja. Gambar 6 menunjukkan bahwa halal bernilai mendekati 0.9961 dengan ranking 1. Kanal ranking menunjukkan urutan pemakaian kanal. Kanal rangking 2, 3, 4 baru dipakai jika data 2, 3, 4 harus dikirimkan. Jika tidak, maka proses pengiriman cukup memakai kanal terbaik. Setelah diuji, Polar Codes ternyata menjadi satu-satunya coding saat ini yang bisa mencapai Shannon limit secara teori. Coding lainnya sulit dibuktikan secara teori, baru dibuktikan secara eksperimen yang hasilnya mendekati (bukan mencapai) Shannon limit.
Penelusuran atas beberapa perenungan ini membawa kita pada kebenaran bahwa “memikirkan tanda-tanda kebesaran Allah, baik ketika duduk maupun berdiri” sembari memperbanyak studi ayat-ayat Al-Qur’an dan hadis Rasulullah dapat mengarahkan kita pada penemuan (invensi) serta rekacipta (inovasi) dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan. Maka tak heran jika dalam kitab tafsir Al-Lama’at dikatakan bahwa semua Sunnah Nabi shallallahu ‘alaihi wasallam bahkan dalam hal yang sederhana sekalipun, berposisi seperti kompas yang menunjukkan arah laju kapal. Semuanya seperti kunci penerang yang menerangi jalan-jalan gelap tak terhingga banyaknya.4
Terkait kontribusi dalam ilmu pengetahuan, prinsip amal jariyah tak boleh dilupakan. Amal jariyah sangat penting karena umur manusia sangat pendek. Jika kita meninggal, maka seluruh amalan akan terhenti. Kita tidak lagi mendapat pahala dari salat 5 waktu, karena sudah tidak bisa salat. Kita sudah tidak bisa mendapatkan pahala tilawah Al-Quran karena sudah tidak bisa lagi membaca Al-Qur’an. Cara terbaik untuk beramal yang sehingga seolah-olah kita memiliki umur panjang adalah dengan melakukan amal jariyah, karena pahalanya yang terus mengalir meskipun kita telah meninggal dunia.
Salah satu amal jariyah terbaik adalah dengan berkontribusi besar pada penemuan teknologi yang bermanfaat bagi umat manusia. Sepanjang umat manusia menggunakannya, maka pahala terus mengalir seperti seolah kita masih hidup. Maka sangat penting untuk menggiatkan diri mempelajari ayat-ayat Allah dan Sunnah Rasulullah, sembari tekun melakukan penemuan dan pengembangan ilmu pengetahuan agar menjadi amal jariyah, karena semangat ini dapat menjadi energi besar yang mengantarkan seorang ilmuwan tak hanya tenar di bumi namun semoga juga tenar di antara penghuni langit.
Dr. Eng. Khoirul Anwar adalah dosen tetap di Telkom University, Bandung dan Direktur di The University Center of Excellence for Advanced Intelligent Communications (AICOMS). Beliau dikenal sebagai pemilik paten teknologi broadband yang menjadi standard internasional ITU, baik untuk sistem teresterial (di bumi) maupun satelit (di luar angkasa). Patennya tentang double FFT juga menjadi konsep dasar pada teknologi uplink 4G LTE dan 5G NR.
Referensi:
- Malcolm Frank, Paul Roehrig and Ben Pring. What to do when machine do everything, Wiley, 2017
- E.Arıkan. Systematic Polar Coding, IEEE Comm. Letters-Computer Science, 2011
- Larry Hardesty. Explained: The Shannon limit, MIT News Office, January 19, 2010
- Badiuzzaman Said Nursi. Al-Lamaat: Membumikan Inspirasi Ilahi, Risalah Nur Press, 2014
Discussion about this post