ANALISA SISTEM KOMUNIKASI ANTAR KENDARAAN MENGGUNAKAN WAVE (WIRELESS ACCESS VEHICULAR ENVIRONMENT) DENGAN MODULASI QAM Richa Hanik, Hani ah Mahmudah, M. Zen Samsono H., Jurusan Telekomunikasi, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Kampus PENS –ITS, Keputih, Sukolilo, Surabaya Telp : +62+031+5947280; Fax. +62+031+5946011 Email :
[email protected]
Abstrak - Komunikasi wireless saat ini sedang berkembang pesat, salah satunya adalah komunikasi wireless untuk kendaraan. Pada masa yang akan datang akan ada kendaraan yang dapat digunakan sebagai alat komunikasi bukan hanya sebagai alat transportasi.Sehingga pada proyek akhir ini, akan dirancang sebuah simulasi untuk sistem komunikasi antar kendaraan dengan berbagai perubahan kombinasi parameter yang menggunakan Wireless access in Vehicular Environment (WAVE) dengan sistem Dedicated Short Range Communication (DSRC) dengan standart 802.11p yang dimodulasikan dengan QAM. Untuk mengimplementasikan simulasi ini diperlukan simulasi NS2.Hasil dari pembuatan tugas akhir ini diharapkan dapat mengetahui kombinasi terbaik dari parameter-parameter yang memiliki performansi terbaik, dan menjadikan sistem tersebut menjadi sistem WAVE yang dapat mengirimlan paket data pada kendaraan yang bergerak.. Kata kunci : WAVE, DSRC, Standar 802.11p, Modulasi QAM, NS2 . 1.
Pendahuluan Sistem komunikasi wireless antar kendaraan pada saat ini mengalami perkembangan yang begitu pesat. Vehicular to vehicular berfokus pada infrastuktur dan sistem komunikasi antar kendaraan. Rancangan mobil masa depan telah dikembangkan pada saat ini yaitu berupa Intelligent transportation Systems (ITSdimana mobil yang awalnya hanya berfungsi untuk alat transportasi, kini dirancang untuk bisa menjadi alat komunikasi mobile Pada proyek akhir ini berfokus pada komunikasi antar kendaraan dengan menganalisa performansi packet error rate (PER) melalui modulasi QAM, dengan kondisi jika kendaraan diberikan paket data untuk ditransmisikam ke kendaraan lain begitu pula sebaliknya, sehingga terjadi komunikasi antar kendaraan tersebut (v2v). Sistem ini menggunakan wireless access in vehicular environment dengan standar 802.11p dimodulasikan dengan QAM. Perubahan 802.11p (saat ini dalam draft) memodifikasi standar 802.11 untuk menambahkan dukungan untuk jaringan area lokal nirkabel (WLAN) di lingkungan kendaraan. Aplikasi utama 802.11p adalah untuk komunikasi kendaraan-ke-kendaraan. Dengan kata lain sistem komunikasinya merupakan komunikasi Dedicated Short Range Communication (DSRC). WAVE dan DSRC didasarkan pada standar 802.11p. Kendala utama bagi standar 802.11p adalah ketersediaan spektrum frekuensi dan pelemahan (fading). WAVE menggunakan Orthogonal Frequency
Division Multiplexing (OFDM), dan dimodulasikan dengan BPSK/QPSK atau QAM. Pada proyek akhir ini menganalisa sistem komunikasi antar kendaraan menggunakan wireless access in vehicular environment dengan modulasi QAM dan disimulasikan dengan menggunakan NS2 simulator. 2. 2.1
Teori Penunjang Penelitian yang pernah dilakukan Menurut Miguel Sepulcre, investigasi pada pendimensian dari sistem ini dapat dianalisa melelui dampak dari kondisi dari perubahan parameter pada performansinya [1]. Dalam paper ini dilakukan sebuah penelitian terhadap kinerja sistem komunikasi antar kendaraan berdasarkan IEEE 802.11p / WAVE dimana hanya berfokus pada parameter – parameter, seperti kecepatan kendaraan, power transmisi wireless dan vehicular traffic density. American Society for Testing and Materials (ASTM) telah menggembangkan Dedicated Short Range Communications (DSRC) berdasarkan standar IEEE 802.11 untuk untuk aplikasi meningkatkan keselamatan di jalan. Sistem komunikasi ini menggunakan WAVE, dimana komunikasi wireless antar kendaraan ini adalah teknologi untuk sistem transportasi yang handal untuk berbagai aplikasi yang awalnya dilakukan melalui alat komunikasi, kini dirancang dapat dilakukan oleh alat transportasi [2]. Perkembangan komunikasi wireless pada kendaraan yang begitu pesat, maka IEEE mengembangkan amandemen/perubahan IEEE
standar 802.11 (IEEE 802.11p) sebagai wireless in acces vehicular environment (WAVE) [3]. 2.2 Wireless Access in Vehicular Environment Sistem komunikasi antar-kendaraan secara wireless saat ini sedang dikembangkan sebagai teknologi menjanjikan untuk berbagai aplikasi. Sehingga diperlukan sistem yang menjamin efisiensi dan dapat diandalkan untuk broadcast pengiriman pesan. Maka diperlukan dimensioning sistem tersebut dengan menganalisis dampak dari kondisi operasional utama pada kinerjanya [4]. WAVE adalah komunikasi standar yang digunakan dalam komunikasi antarkendaraan. WAVE adalah salah satu bagian dari kelompok standar protokol untuk DSRC. Penelitian yang dilakukan oleh IEEE menjelaskan bahwa fitur-fitur yang dikenal dengan WAVE adalah standar 802,11p. WAVE menggunakan konsep multiple channel, di U.S dan Eropa teknologi WAVE menggunakan frekuensi 5.8GHz/5.9 GHz dengan guard band dari 5.850-5.855 GHz. 2.3
Standar 802.11p Standar 802,11-2.007 ditetapkan melalui tiga modus yang berbeda pada PHY Layer. Yaitu mode 20 MHz, 10 MHz dan 5 MHz. Cara yang berbeda dapat dicapai dengan menggunakan mengurangi clock / sampling rate. 802.11a biasanya menggunakan modus clock penuh dengan bandwidth 20 MHz, sedangkan 802.11p biasanya menggunakan setengah mode clock bandwidth 10 MHz. Tabel-1. Perbandingan Implementasi Physical layer 802.11a dengan 802.11p [5]
DSRC Dedicated short range communication adalah protokol pada sistem komunikasi yang ditujukan untuk komunikasi antar kendaraan untuk publik yang terdapat pada jalur kendaraan. Dirancang untuk melengkapi komunikasi selular pada kendaraan dengan tingkat transfer data sangat tinggi, minimum latency dan jaringan komunikasi yang handal. Berdasarkan Federal Communication Commision (FCC) lisensi operasi dengan prioritas untuk komunikasi kendaraan 5,9 GHz dialokasikan pada Channel plan (5,850-5,925 GHz) DSRC spektrum dibagi menjadi tujuh 10 saluran MHz seperti ditunjukkan pada dibawah. Data rate berkisar antara 6-27 Mbps per kanal. Untuk saat ini, saluran 184 adalah direncanakan untuk keselamatan
publik dan 172 saluran untuk komunikasi menggunakan High Availability and Low Latency (HALL). 2.5 Modulasi QAM Salah satu analisa yang akan dilakukan pada sistem komunikasi ini adalah dengan menggunakan Modulasi QAM. Quadrature amplitude modulation (QAM) merupakan sebuah kombinasi dari amplitude modulation (AM) dan phase shift keying (PSK). QAM digunakan pada asymmetric digital subscriber line (ADSL) dan komunikasi nirkabel. QAM Mengirimkan dua sinyal pembawa secara bersamaan yang saling berbeda berbeda phasa 90°, tetapi frekuensinya sama. 2.6
NS2 Simulator Simulasi yang digunakan adalah NS2. Kelebihan dari NS2 adalah sebagai perangkat lunak simulasi pembantu analisis dalam riset atau penelitian. NS2 dilengkapi dengan tool validasi. Tool validasi digunakan untuk menguji validitas pemodelan yang ada pada NS2. Pembuatan simulasi dengan menggunakan NS2 jauh lebih mudah daripada menggunakan software developer lainnya. Pada software NS2 ini user tinggal membuat topologi dan skenario simulasi yang sesuai dengan riset yang ada. Pemodelan media, protokol dan network component lengkap dengan perilaku trafiknya sudah tersedia pada library NS2. 3.
Perancangan Sistem
Berikut rancangan sistem dapat dilihat pada flowchart di bawah ini :
2.4
Gambar 1. Flowchart Perancangan system a. Menentukan WAVE rate parameter untuk sistem komunikasi V2V, parameter-parameter tersebut dijadikan input untuk kemudian diolah b. WAVE rate parameter tersebut diolah pada sistem komunikasi dengan proses modulasi, yaitu modulasi BPSK dengan menggunakan software Matlab. c. Dari proses modulasi yang diolah dari matlab tersebut, akan diperoleh nilai PER yang
kemudian akan dikombinasikan dengan parameter sistem. d. Setelah mendapatkan PER dari matlab, maka parameter sistem simulasi untuk NS2 dijadikan inputan untuk NS2. e. Proses simulasi dilakukan pada NS2 Simulator dengan merubah nilai-nilai parameter sistem yang terlibat. Dari hasil simulasi tersebut akan dianalisa performansi dari masing-masing kombinasi parameter-parameternya.
Tabel-5. Parameter Simulasi [1] Parameter Value Speed [km/h] 40, 70, 100 Transmission Power 20 - 33 [dBm] Rx threshold (dBm) Berdasarkan jarak diperoleh dari perhitungan Matlab Inter-Vehicle Spacing 1000, 700, 500, (IVS) [m] 300 100 Packet Size [bytes] 39 , 275. 2304 Path-loss Exponent 2.7 Floor Noise [dBm] -95
Penentuan Parameter WAVE untuk Sistem Komunikasi V2V pada Matlab
Parameter
Tabel-2.Kondisi LOS Units Nilai
Daya Transmit Frequensi Kecepatan Sinyal radio Panjang gelombang Koefisien Path Loss Tinggi Mobil Jarak Daya Terima Noise Floor ∑I
dBm GHz m/s
20 - 33 5.9 3x10^8
m
0.050847 2.7
m m dBm dBm dBm
Ket. Ref [6] [7]
[8]
1.6 1-1000 95
Tabel-3.Kondisi Non LOS Parameter Units Nilai
4. [8]
Ket. Reff [6] [7]
Daya Transmit Frequensi Kecepatan Sinyal radio Panjang gelombang Koefisien Path Loss Tinggi Mobil Jarak Daya Terima
dBm GHz m/s
20 - 33 5.9 3x10^8
m
0.050847
m m dBm
1.6 1-1000
Noise Floor ∑I
dBm dBm
95
Gain Antena Transmit Gain natena Receive
dBi
10
[6]
dBi
10
[6]
Hasil dan Analisa
Pembahasan paper ini dititik beratkan pada perancangan WAVE vehicle to vehicle dan perancangan simulasi menggunakan software NS2 dengan memformulasikan parameter-parameter WAVE pada NS2. Pada bagian ini akan dibahas tentang pengaruh perubahan jarak terhadap level daya terima (power receive). Berikut gambar grafik yang menunjukkan perbandingan jarak terhadap daya terima pada kondisi LOS Grafik Power Receiver terhadap Jarak Pada Kondisi Los Pt= 20 dBm -20 Daya Terima Rentang Dinamis
-30
2.7
[8]
[7]
Daya Yang Diterima (dBm)
3.1
3.2 Penentuan Parameter pada Simulator NS2 Tabel-4. WAVE rate parameter [1] Data Data Modulation Coding Rate rate rate (Mbps) (Mbps) 802.11 WAVE 24 12 16-QAM ½ 36 18 16-QAM ¾ 48 24 64-QAM 2/3 54 27 64-QAM ¾
-40
-50
-60
-70
-80
-90
0
100
200
300
400
500 600 Jarak (m)
700
800
900
1000
Gambar 2 Grafik Jarak terhadap Daya Terima Kondisi LOS Pt= 20 dBm
Grafik Power Receiver terhadap Jarak Pada Kondisi Los Pt= 33 dBm -10
10 Daya Terima Rentang Dinamis
10
10
-40
10 BER
-30
-3
10
-4
-60
10
-5
-70
10
0
100
200
300
400
500 600 Jarak (m)
700
800
900
-6
-7
0
5
10
15 Eav/N0[dB]
20
25
30
Gambar 5.Grafik target BER 10-6 untuk Pt= 20 dBm kondisi LOS Untuk daya pancar 20 dBm, maka modulasi 16 QAM memiliki nilai Cumulative Interference sebesar 5.4 % terhadap level daya terima, sedangkan untuk modulasi 64 QAM nilai dari cumulative interferencenya bernilai 4.3% terhadap level daya terima. Kurva BER Pada Kondisi NLos Pt= 20 dBm
0
10
4-QAM 16-QAM 64-QAM
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
0
5
10
15 Eav/N0[dBm]
20
25
30
-6
Gambar 6.Grafik target BER 10 untuk Pt= 20 dBm Non LOS pathloss eksponent 2.7 Untuk daya pancar 20 dBm, maka modulasi 16 QAM memiliki nilai Cumulative Interference sebesar 6.1 % terhadap level daya terima, sedangkan untuk modulasi 64 QAM nilai dari cumulative interferencenya bernilai 4.9% terhadap level daya terima.
Grafik Power Receiver terhadap Jarak Pada Kondisi NLos Pt= 33 dBm 20 Daya Terima Rentang Dinamis
0
10
1000
Gambar 3 Grafik Jarak terhadap Daya Terima Kondisi LOS Pt= 33 dBm Dari grafik diperoleh nilai dari daya terima terendah terletak pada daya pancar 20 dBm pada jarak 1000 m yaitu yang bernilai -87.17 dBm, sedangkan untuk daya pancar terbesar yaitu 33 dBm daya terima terkecil pada jarak 1000m bernilai -74.17 dBm. Hal tersebut menunjukkan bahwa jika daya pancar semakin kecil maka daya terima di sisi Rx akan semakin rendah, Daya terima pada daya terendah maupun teringgi merupakan daya yang mampu diterima, karena range dari daya terima tersebut masih berada pada range dari daya rentang dinamis kondisi LOS untul masing-masing daya pancar yang digunakan. Untuk daya terima pada kondisi jarak 1000m masih berada diatas level noise floor dari system yang bernilai -95 dBm, sehingga daya terendah pada jarak 1000m tidak selevel dengan noise floor.
Daya Yang Diterima (dBm)
-2
-50
-80
4-QAM 16-QAM 64-QAM
-1
BER
Daya Yang Diterima (dBm)
-20
Kurva BER Pada Kondisi LOS Pt= 20 dBm
0
-20
-40
-60
-80
Kurva BER Pada Kondisi LOS Pt= 20 dBm
0
10
4-QAM 16-QAM 64-QAM
-100 -2
10 -120
0
100
200
300
400
500 600 Jarak (m)
700
800
900
1000 -4
BER
10
Gambar 4. Grafik Jarak terhadap Daya Terima Kondisi Non LOS Pt= 33 dBm dengan Pathloss Eksponent 2.7 Pada simulasi dilakukan perubahan terhadap daya pancar yaitu 20 dBm, 23 dBm, 26 dBm, 28.8 dBm, 30 dBm, dan 33 dBm. Perubahan dari daya pancar berpengaruh terhadap level daya terima pada sisi Rx. Untuk daya pancar terendah yautu 20 dBm diketahui bahwa daya terima terendah terletak pada jarak 1000m yang bernilai -88.86 dBm dan untuk daya pancar sebesar 33 dBm daya terima untuk jarak 1000m daya terimanya bernilai -75.86 dBm. Daya terima untuk jarak 1000m pada masingmasing penggunaan daya pancar merupakan daya terima yang masih memiliki level diatas level noise floor yang sebesar -95 dBm,
-6
10
-8
10
-10
10
-12
10
5
10
15
20
25
30
Eav/N0[dB]
Gambar 7.Grafik Nilap BER saat kondisi target PER 10-5 untuk Pt= 20 dBm LOS pathloss eksponent 2
Grafik Eav/N0 vs PER untuk packet size 39,275,2304 (byte) Kondisi LOS Pt= 20 dBm 0 10
PER
10 10 10 10
-2
-3
-4
-5
-6
4-QAM 10 10
16-QAM 64-QAM
-7
-8
5
10
15
20
25
30
Eav/N0[dB]
-5
%
Gambar 8.Grafik target PER 10 untuk Pt= 20 dBm LOS pathloss eksponent 2 Untuk daya pancar 20 dBm LOS, maka modulasi 16 QAM memiliki nilai Cumulative Interference sebesar 4.9 % terhadap level daya terima, sedangkan untuk modulasi 64 QAM nilai dari cumulative interferencenya bernilai 3.9% terhadap level daya terima. Mak target PER untuk masing-masing packet size 39 bytes, 275 bytes, dan 2304 bytes akan mencapai target PER 10-5, sedangakan target BER memnuhi 10-10. Perbandingan PDF
98 97.9 97.8 97.7 0
20
40
Daya Pancar (dBm)
16 QAM 1/2 16 QAM 3/4 64 QAM 2/3
Gambar 9.Grafik Perbandingan PDF kondisi Packet size 275 bytes kecepatan 40 km/h pada jarak 100m
%
Nilai PDF untuk perubahan paket size 275 bytes tidak memilki perbedaan yang terlalu besar, yang berbeda adalah banyak paket yang dikirim. Pada packet size 275 bytes jumlah paket yang dikirim ebih sedikit daripada pada pengiriman dengan packet size 39 bytes. Nilai PDF optimum saat jarak kurang dari sama denagn 500 m karena PDF bernilai hampir 100%. Perbandingan PDF
200 100 0
16 QAM 1/2 0
20
40
Daya Pancar (dBm)
16 QAM 3/4
Gambar 10.Grafik Perbandingan PDF kondisi Packet size 2304 bytes kecepatan 40 km/h pada jarak 100m Nilai PDF untuk perubahan paket size 2304 bytes tidak memilki perbedaan yang terlalu besar, yang berbeda adalah banyak paket yang
Throughput (Paket/s)
10
dikirim. Pada packet size 2304 bytes jumlah paket yang dikirim ebih sedikit daripada pada pengiriman dengan packet size 39 dan 275 bytes. Nilai PDF optimum saat jarak kurang dari sama denagn 500 m karena PDF bernilai hamper 99.29% namun lebih rendah dari PDF data packet size 275 yaitu 99.6%. Perbandingan Throughput 300 200 100 0
16 QAM 1/2 16 QAM 3/4
0
20
40
64 QAM Daya Pancar (dBm) 2/3
Gambar 11.Grafik Perbandingan Throughput kondisi Packet size 275 bytes kecepatan 40 km/h pada jarak 100m Nilai throughput pada jarak maksimal terjadinya komunikasi yaitu dibawah 500m, nilai throughput akan semakin besar apabila orde modulasi ditingkatkan yaitu bertambahnya nilai data rate. Penambahan nilai dari daya pancar juga akan meningkatkan throughput. NIlai throughput terbesar terjadi saat jarak 100 m pada data rate 12 Mbps sebesar 124 paket/s, 18 Mbps sebesar 163 paket/s. pada 24 Mbps sebesar 188 paket/s dan 27 Mbps sebesar 206 paket/s. Nilai throughput pada kecepatan dan daya pancar yang sama namun pada packet size 275 bytes nilainya akan lebih rendah daripada pada packet size 39 bytes, hal ini disebabkan pada pengiriman packet size 275, jumlah paket yang dikirim lebih sedikit daripada saat mengirim packet size 39 bytes.
msec
10
-1
Perbandingan Delay 16 QAM 1/2
0.6 0.4 0.2 0 0
20
40
16 QAM 3/4
64 QAM Daya Pancar (dBm) 2/3
Gambar 12.Grafik Perbandingan Delay kondisi Packet size 275 bytes kecepatan 70 km/h pada jarak 100m Delay akan bernilai semakin rendah apabila data rate bertambah dan jarak komunikasi diperpendek. Saat kecepatan 70 km/h dan range transmite 100 m memiliki delay yaitu untuk 12 Mbps sebesar 0.44 ms, 18 Mbps sebesar 0.37ms, 24 Mbps 0.34 ms, dan 27 Mbps sebesar 0.33 ms. Sedangkan pada kecepatan 40 km/h yaitu12 Mbps sebesar 8.06 ms, 18 Mbps sebesar 6.12 ms, 24 Mbps 5.3 ms, dan 27 Mbps sebesar 4.85. hal ini
menunjukkan bahwa jika kecepatan node diubah menjadi 70 km/h maka delay akan relative lebih kecil. 5.
Daftar Pustaka : [1].
Kesimpulan :
1. Pada kondisi LOS diperoleh nilai dari daya
2. 3.
4.
5.
6.
7.
8.
terima terendah terletak pada daya pancar 20 dBm pada jarak 1000 m yaitu yang bernilai 87.17 dBm, sedangkan untuk daya pancar terbesar yaitu 33 dBm daya terima terkecil pada jarak 1000m bernilai -74.17 dBm. Jika daya pancar semakin kecil maka daya terima di sisi Rx akan semakin rendah, Untuk daya terima pada kondisi jarak 1000m masih berada diatas level noise floor dari system yang bernilai -95 dBm, sehingga daya terendah pada jarak 1000m tidak selevel dengan noise floor. Untuk NLOS Untuk daya pancar terendah yautu 20 dBm diketahui bahwa daya terima terendah terletak pada jarak 1000m yang bernilai -88.86 dBm dan untuk daya pancar sebesar 33 dBm daya terima untuk jarak 1000m daya terimanya bernilai -75.86 dBm Untuk daya pancar kondisi Non LOS 33 dBm, maka modulasi 16 QAM memiliki nilai Cumulative Interference sebesar 6.6 % terhadap level daya terima, sedangkan untuk modulasi 64 QAM nilai dari cumulative interferencenya bernilai 5.4% terhadap level daya terima. Pada kondisi LOS untuk daya pancar 33 dBm, maka modulasi 16 QAM memiliki nilai Cumulative Interference sebesar 5.7 % terhadap level daya terima, sedangkan untuk modulasi 64 QAM nilai dari cumulative interferencenya bernilai 4.69% terhadap level daya terima. Daya pancar 33 dbm memiliki range jangkau yang lebih besar daripada daya yang lebih rendah Semakin besar nilai daya transmit yang digunakan maka nilai PDF akan semakin optimal atau semakin besar dan akan konstan pada daya transmit tertentu. Nilai throughput akan semakin besar apabila orde modulasi ditingkatkan yaitu bertambahnya nilai data rate. Penambahan nilai dari daya pancar juga akan meningkatkan throughput. NIlai throughput terbesar terjadi saat jarak 300 m pada kec 100 km/h dan packet size 39 bytes,data rate 12 Mbps sebesar 116 paket/s, 18 Mbps sebesar 123 paket/s. pada 24 Mbps sebesar 130 paket/s dan 27 Mbps sebesar 132 paket/s.
[2].
[3].
[4].
[5].
[6].
[7]. [8].
Sepulcre, Miguel, “Dimensioning Wave Based Inter Vehicle Communication Systems for Vehicular Safety Applications”, Elche Spain, 2006. ASTM,“Standard Specification for Telecommunications and Information Exchange Betwen Roadside and Vehicle system 5 GHz Band DSRC Mediumaccrss Control (MAC) and physical layer Specifications”, 2002 IEEE P802.11p/D0.21, “Draft Part 11 : WLAN MAC and PHY Specifivations Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE)”, IEEE Standards Association, June 2005 M. Torrent-Moreno, M. Killat and H. Hartenstein,”The challenges of robust inter vehicle communication”, Procedings of the IEEE Vehicular Technology Conference, pp. 319-323, September 2005 Rohde&schwarz, “WLAN 802.11p Measurements for Vehicle to Vehicle DSRC”, T. M. Kurihara,”Dedicataed Short Range Communication (DSRC) Standards- IEEE 1609 Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE) Standard- IEEE 802.11p”, September 30, 2007 Mangold, Stefan,”An Error for Radio Transmissions of Wireless Lan at 5 GHz” Belanovic, Pavle, “On Wireless Links for Vehicle-to-infrastucture Communications”
