BAB II DASAR TEORI
2.1
Umum Bab ini menjelaskan sekilas tentang teknologi Worldwide Interoperability
Microwave Acces (WiMAX), perangkat lunak simulasi Network Simulator versi 2 (NS-2), kerangka evaluasi video EvalVid, modul simulasi WiMAX, amplifier dan parameter kerja yang dievaluasi.
2.2
Worldwide Interoperability Microwave Acces (WiMAX) Worldwide
Interoperability
for
Microwave
(WiMAX)
merupakan
standar Broadband Wireless Access (BWA) dengan kemampuan untuk transmisi data dengan kecepatan tinggi. WiMAX menawarkan kemampuan transmisi yang baik dalam kondisi Non Line of Sight (NLOS) serta data rate mencapai 70 Mbps dan dapat menjangkau user sampai 5km [1].
2.2.1 Standar Wimax WiMAX menggunakan standar Institue of Electrical and Electronics Engineering (IEEE) 802.16 yang termasuk dalam kategori WMAN (Wireless Metropolitan Area Network ). Standar 802.16 telah mengalami beberapa perkembangan dan penyempurnaan sebagai berikut [1]: -
802.16 Standar ini dirilis pada Desember 2001 yang merupakan Original Fixed Wireless Broadband. Bekerja pada frekuensi radio 10-66 Ghz. Digunakan
5
pada aplikasi point to point. Standar ini bekerja pada daerah yang LOS (Line Of Sight). Dengan bandwidth mencapai 32 – 124 Mbps. -
802.16a Standar ini dirilis pada Januari 2003 merupakan Original Fixed Wireless Broadband. Bekerja pada frekuensi radio 2 – 11 Ghz dan digunakan pada aplikasi point to multipoint.
-
802.16REVd Standar ini dirilis pada Oktober 2004, berkerja pada frekuensi radio 2 – 11 Ghz. Dengan bandwidth mencapai 70 Mbps. Standar ini berfungsi sebagai fixed wireless broadband access dengan konstruksi antena pelanggan dipasangkan pada atap rumah atau tiang. Teknologi ini menyediakan jaringan tanpa kabel jarak jauh sebagai alternatif pengganti dari modem kabel. WiMAX dapat dikombinasikan dengan jaringan WiFi dimana WiMAX digunakan sebagai penghubung ke fixed outdoor atau fixed indoor antena.
-
802.16e Standar ini dirilis pada Desember 2005 yang merupakan amandemen 802.16a untuk perangkat mobile yang dapat melakukan prosedur handover dan roaming. Standar ini digunakan untuk WiMAX mobile.
2.2.2 Struktur Layer Karakteristik standar 802.16 ditentukan oleh spesifikasi teknis dari Physical (PHY)
Layer
dan Medium
Access
Control (MAC)
Layer.
Perbedaan
karakteristik kedua layer membedakan varian-variannya. Pada Gambar 2.1
6
ditunjukkan lingkup dari standar yang meliputi PHY dan MAC. Sedangkan Network Management System (NMS) dan Management Plane dapat berbedabeda mengikuti strategi desain dari masing-masing manufaktur atau vendor pembuatnya [2].
Gambar 2.1. Layer PHY dan MAC pada standar 802.16 Physical layer menjalankan fungsi mengalirkan data di level fisik. MAC Layer berfungsi sebagai penterjemah protokol-protokol yang ada di atasnya seperti ATM dan IP. MAC layer dibagi lagi menjadi tiga sub-layer : Service Specific
Convergence
Sublayer
(SS-CS),
MAC
Common
Part
Sublayer, dan Security Sublayer [2].
2.2.3 Phy Layer Pada standar WiMAX, fungsi-fungsi penting yang di atur pada PHY adalah: OFDM,
Duplex
Sistem,
Adaptive
Modulation,
Variable
Error
Correction, dan Adaptive Antenna System (AAS). Semua fungsi-fungsi ini
7
secara bersama-sama memberikan keunggulan yang cukup berarti dibandingkan dengan BWA yang ada sebelumnya [2]. Dengan
teknologi
OFDM
memungkinkan
komunikasi
berlangsung
dalam kondisi multipath LOS dan NLOS antara Base Station (BS) dan Subscriber Station (SS). Metode OFDM yang digunakan untuk WiMAX adalah Fast Fourier Transfer (FFT) 256 . Fitur PHY untuk sistem duplex pada standar WiMAX bisa diterapkan pada Frequency Division Duplexing (FDD), Time Division Duplexing (TDD) atau keduanya TDD dan FDD. Fitur ini memberikan kemudahan pengaturan spektrum frekuensi yang akan digunakan oleh para operator agar didapatkan efisiensi spektrum yang optimal. Hal ini juga sejalan dengan penggunaan kanal (kanalisasi) yang diperbolehkan, yaitu dari 1.7 MHz sampai dengan 20 MHz [2]. Varian PHY yang diadopsi dari standar 802.16 adalah WirelessMANOFDM dan WirelessMAN-OFDMA untuk licensed frequency serta Wireless HUMAN untuk frekuensi Unlicensed National Information Infrastructure (UNII) dan frekuensi unlicensed lainnya [2].
2.2.4 Medium Access Layer Medium Access (MAC) layer didesain untuk aplikasi Point to Multi Point (PMP). Berbeda dengan WiFi, mekanisme pengalokasian dipersiapkan untuk menangani ratusan terminal per kanal, dan setiap terminal memungkinkan lagi untuk penggunaan secara bersama dengan beberapa pengguna akhir. Pada MAC Layer digunakan dua jalur data berkecepatan data tinggi untuk komunikasi dua arah antara BS dan SS, masing-masing disebut dengan Up Link
8
(UL) untuk komunikasi menuju ke BS, dan Down Link (DL) untuk komunikasi dari BS . Secara umum DL ditransmisikan secara broadcast dari BS dan semua SS menerima sinyal DL tersebut tanpa koordinasi langsung antar SS yang ada. Pada penggunaan sistem TDD, ditentukan periode transmit untuk DL dan UL. MAC Layer mempunyai karakteristik connection-oriented dan setiap sambungan diidentifikasi oleh 16-bit Connection Identifiers (CID) . CID digunakan untuk mernbedakan kanal UL dan lainnya. Setiap SS memiliki MAC Address dengan lebar standar 48 bit. Dalam mekanisme sambungan antar SS dan BS, terdapat tiga jenis koneksi manajemen untuk setiap arah, yang masing-masing memerlukan tingkat penanganan QoS yang berbeda [2]. Ketiga sambungan tersebut adalah: -
Basic
Connection,
menjalankan
transfer
yang
relatif
singkat,
melibatkan Radio Link Contol (RLC), dan kritis terhadap waktu -
Primary Management Connection, menjalankan transfer relatif lama, lebih toleran terhadap delay, digunakan untuk proses otentikasi dan connection setup.
-
Transport Connection, digunakan untuk pengaturan layanan, QoS dan parameter-parameter trafik.
2.3
Quality Of Service (Qos) MAC layer WiMAX merupakan bagian yang mengatur keadaan QoS.
Kemampuan untuk mengontrol QoS agar baik dicapai dengan menggunakan arsitektur MAC berorientasi koneksi, di mana semua koneksi downlink dan uplink dikendalikan oleh BS. Sebelum transmisi data terjadi, BS dan SS membangun link
9
searah, yang disebut koneksi, antara dua MAC-layer. Setiap koneksi diidentifikasi oleh connection identifier (CID), yang berfungsi sebagai alamat sementara untuk transmisi data melalui link tertentu [3]. WiMAX juga terdapat konsep service flow. Service flow adalah aliran satu arah
dimana
paket
memiliki
susunan
parameter
QoS
tertentu,
dan
diidentifikasikan dengan sebuah service flow identifier (SFID). Parameter QoS dapat terdiri dari prioritas trafik, sustained traffic rate maksimum, burst rate maksimum, tolerable rate minimum, tipe scheduling, tipe ARQ, delay maksimum, tolerated jitter, service data unit type dan ukuran, mekanisme permintaan bandwidth yang digunakan, dan seterusnya. Service flow dapat ditentukan melalui sistem manajemen jaringan yang dibuat secara dinamis dengan mendefinisikan mekanisme pensinyalan dalam standar. BS bertanggung jawab untuk menerbitkan SFID dan memetakannya ke CID. Service flow juga dapat dipetakan ke titik kode Differentiated Services (DiffServ) atau label aliran Multi Protocol Label Swiching (MPLS) untuk mengizinkan QoS berbasis end-to-end [3]. Untuk mendukung berbagai macam aplikasi, WiMAX mendefinisikan lima layanan penjadwalan yang harus didukung oleh MAC base station scheduler untuk transportasi data melalui koneksi [3]. -
Unsolicited grant services (UGS) : UGS dirancang untuk mendukung paket data dengan ukuran tetap pada Constant Bit Rate (CBR). Contoh aplikasi yang dapat menggunakan layanan ini adalah T1 / E1 QoS service flow parameter yang digunakan pada kelas UGS adalah Maximum Sustained Traffic Rate, Maximum latency, Tolerated Jitter, dan Request/Trasmission
10
Policy. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah Voice Over Internet Protocol (VOIP) tanpa silence suppression.. -
Real-time polling services (rtPS) : Layanan ini dirancang untuk mendukung layanan real-time, seperti MPEG video, yang menghasilkan paket data dengan ukuran variabel secara periodik. QoS service flow parameter yang digunakan pada kelas rtPS adalah Maximum Sustained Traffic Rate, Maximum latency, Request/Trasmission Policy, dan Minimum Reserved Traffic Rate. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah transmisi video dalam format Moving Pictures Experts Group (MPEG).
-
Extended Real Time Packet Service (ertPS) : Layanan ini dirancang berdasarkan efisiensi dari kelas UGS dan rtPS. Unicast grant diberikan oleh BS tanpa diminta seperti halnya kelas UGS. Besar paket yang dikirim dapat beragam (tidak fixed size)
seperti pada kelas rtPS. QoS service flow
parameter yang digunakan pada kelas ertPS adalah Maximum Sustained Traffic Rate, Maximum latency, Request/ Trasmission Policy, dan Minimum Reserved Traffic Rate. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah Voice Over IP dengan silence suppression. -
Non-Real Time Packet Service (nrtPS) : Layanan ini dirancang untuk melayani non real time data service dan delay tolerant service yang membutuhkan minimum data rate tertentu. QoS service flow parameter yang digunakan pada kelas nrtPS adalah Maximum Sustained Traffic Rate, Request/Trasmission Policy, Minimum Reserved Traffic Rate, dan Traffic Priority. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah File Transfer Protocol (FTP) transmission.
11
-
Best Effort (BE) : Didesain untuk melayani data streaming service yang tidak memerlukan permintaan minimum data service. QoS service flow parameter yang digunakan pada kelas BE adalah Maximum Sustained Traffic Rate, Request/Trasmission Policy, dan Traffic Priority. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah telnet dan http transmission.
2.4
Network Simulator 2 (Ns-2) Network Simulator versi 2 atau yang dikenal sebagai NS-2 merupakan
sebuah program simulasi berbasis kejadian yang banyak digunakan untuk mempelajari sifat dinamis dari jaringan dan protokol komunikasi. NS-2 mampu mensimulasikan jaringan kabel dan jaringan nirkabel serta protokolnya yang meliputi: algoritma routing, protokol komunikasi, penjadwalan, algoritma akses dan lain-lain [4]. Gambar 2.2 menunjukan arsitektur dasar NS-2. NS-2 menggunakan dua jenis bahasa pemrograman, C++ dan TCL. C++ digunakan sebagai core proses simulasi, sementara TCL untuk konfigurasi jaringan.
Gambar 2.2. Arsitektur dasar NS-2
12
TclCL dan OTcl adalah komponen TCL yang berfungsi untuk menjembatani konfigurasi dengan proses simulasi. NS-2 dieksekusi melalui perintah eksekusi command line. Hasil simulasi berupa catatan atau trace yang dapat dipergunakan oleh Network Animator (NAM) (Gambar 2.3) maupun plot grafik Xgraph [4].
Gambar 2.3. Tampilan NAM (Network AniMator)
2.4.1 Model Propagasi Free Space Model
propagasi
merupakan
model
perambatan
sinyal
untuk
menggambarkan proses kemungkinan kehilangan sinyal pada waktu sinyal ditransmisikan. Model propagasi dihitung pada layer fisik untuk mendapatkan besar power pada penerima [5]. Pada NS-2 terdapat 3 model propagation sebagai default model, yakni model free space, model two-ray ground dan model shadowing. Model free space merupakan model yang digunakan pada simulasi ini. Model ini mengasumsikan pemancar (t) dan penerima (r) berada pada sebuah jalur yang lurus dan bebas dari penghalang. Pr merupakan Power receive dimana tergantung pada Power transmit (Pt) yang ditransmisikan. Gain receiver dan
13
transmitter (Gr, Gt), panjang gelombang λ, jarak antara 2 node d, dan kostanta loss sistem L [5]. Pada parameter tersebut, jarak yang mempengaruhi perubahaan Pr ketika simulasi berjalan. Perhitungan Pr pada model propagasi free space dapat dilihat pada Persamaan 2.1 [5]. Pr =
Pt .Gt .Gr . λ2 (4π .d )2 . L
…(2.1)
2.4.2 Kerangka Evaluasi Video Evalvid NS-2 menyediakan presentasi data menggunakan Xgraph. Namun Xgraph kehilangan detail dari kejadian pengiriman data dan hanya menampilkan data ratarata untuk parameter yang ditinjau. Oleh karenanya, untuk membantu mempresentasikan parameter yang dievaluasi, digunakanlah evalvid. EvalVid adalah framework dan tool set untuk evaluasi kualitas video yang dikirimkan melalui jaringan komunikasi nyata ataupun simulasi [6]. Struktur dari framework EvalVid ditunjukan Gambar 2.4 [7].
loss/delay
EvalvidAPI
VS Video Trace
Network (or simulation)
User Video Decoder
tcpdump
Video Decoder
EvalvidAPI
Source
tcpdump
Play-Out Buffer
Sender Trace
ET
Receive Trace
Coded Video Reconstructed erroneous video
Result: -Frame Loss/ Frame Jitter -user perceived quality
FV raw YUV video Reconstructed raw YUV video
PSNR
erroneous video
raw YUV video
MOS
Gambar 2.4 Struktur framework EvalVid
14
Komponen utama dari struktur EvalVid dijelaskan sebagai berikut : 1.
Source: Sumber video dapat berupa raw file YUV dengan resolusi Quarter Common Intermediate Format (QCIF, 176 x 144) atau di Common Intermediate Format (CIF, 352 x 288) .
2.
Video Encoder dan Decoder: EvalVid mendukung dua codec MPEG4 , yaitu codec NCTU dan ffmpeg.
3.
VS (Video Sender): komponen VS membaca file video yang dikompres dari output encoder, menfragmentasi setiap frame video yang berukuran besar
menjadi segmen yang berukuran kecil dan kemudian mengirimkan segmen ini melalui paket UDP pada jaringan nyata atau simulasi. Untuk setiap pengiriman paket UDP, framework mencatat tanda waktu, id paket, dan ukuran paket di sender trace file dengan bantuan tcp dump atau win dump, jika jaringan adalah Link nyata. Namun, jika jaringan disimulasikan, sender trace
file disediakan
oleh
entitas
pengirim.
komponen
VS
juga
membangkitkan video trace file yang berisi informasi tentang setiap frame pada file video real. Video trace file dan sender trace file yang kemudian digunakan untuk evaluasi kualitas video berikutnya . 4.
ET (Evaluate Trace): Evaluasi berlangsung di sisi pengirim. Oleh karena itu, informasi tanda waktu, id paket, dan ukuran paket yang diterima pada penerima harus dikirim kembali ke pengirim. Berdasarkan file video asli yang dikodekan, file video trace, file sender trace, dan file received trace, komponen ET menghasilkan laporan packet loss, jitter serta file video rekontruksi untuk melihat hasil video pada sisi penerima mengalami kerusakan atau tidak.
15
5.
FV (Fix Video): penilaian kualitas video digital dilakukan dari frame demi frame. Oleh karena itu, jumlah total frame video di sisi penerima, termasuk yang salah, harus sama seperti video asli di sisi pengirim. Jika codec tidak dapat mencegah hilangnya suatu frame maka, FV digunakan untuk mengatasi masalah tersebut, dengan memasukkan frame
terakhir yang
berhasil dikodekan pada bagian frame yang hilang sebagai sebuah teknik penyembunyian error. 6.
PSNR (Peak Signal Noise Ratio): PSNR adalah salah satu objek untuk menilai QoS aplikasi pada transmisi video.
7.
MOS (Mean Opinion Score): suatu subjektif untuk mengukur kualitas video digital pada aplikasi.
2.4.3 Modul WiMAX Modul WiMAX ini modul yang dibuat oleh National Institute of Standards and Technology (NIST) berdasarkan WirelessMAN-OFDM. Proses UL dan DL dipisahkan oleh Time Division duplexing (TDD). Modul NIST menyediakan basic scheduler round robin dan mendukung scanning dan handover, serta fragmentation and frame reassembling [8]. Gambar 2.5 menunjukan struktur utama dari modul WiMAX NIST. Modul 802.16 ini mewakili MAC module pada NS-2. Ada 6 komponen utama pada Modul ini yaitu peer node; connection; service flow; classifier; scheduler dan statistics. Peer node merekam informasi peer termasuk Subscriber Station dan Base Station [8].
16
Gambar 2.5. Struktur utama modul WiMAX NIST Pada WiMAX setiap subscriber station hanya mempunyai 1 connection. Dimana, keadaan dari incoming dan outgoing connections diatur oleh modul connection. Tiap connection dapat berisi beberapa service flows, yang dihandel oleh modul service flows. Modul classifier merecord dan memproses incoming dan outgoing paket. Algoritma di terapkan pada tiga modul scheduler [8]. Modul WiMAX NIST ditambahkan ke NS-2 dan divalidasi pada beberapa test dan verifikasi kebenaran penambahan fungsi dan memenuhi standard IEEE 802.16. Beberapa metode validasi adalah link adaptation, data rate validation, frame validation dan QoS validation. link adaptation untuk memvalidasi kecenderungan benar dari Signal to Noise Ratio pada posisi Subscriber Station; data rate validation mengukur consistency bandwidth sel; frame validation and QoS validation mengecek format frame pada mode TDD; QoS validation mengecek kebenaran dari tiap class of service [8].
17
2.5
Amplifier Amplifier merupakan perangkat elektronik yang dapat meningkatkan
kekuatan sinyal. Hal ini dilakukan dengan mengambil energi dari power supply dan mengendalikan output untuk mencocokkan bentuk sinyal input tetapi dengan amplitudo yang lebih besar. Dalam hal ini, amplifier memodulasi output dari power supply untuk membuat sinyal keluaran lebih kuat dari sinyal input [9]. Gain atau penguatan dari sebuah amplifier adalah tidak linier. Dengan input lebih tinggi dari masukan yang diizinkan menyebabkan nilai gain cenderung jenuh. Persamaan penguatan sistem non-linear pada amplifier dapat dinyatakan dengan Persamaan 2.2 [10]: y (t ) = a1 * x (t ) + a 2 * x 2 (t ) + a 3 * x 3 (t )
2.6
…(2.2)
Parameter Kinerja Jaringan
2.6.1 Signal To Noise Ratio (SNR) Interferensi dan noise merupakan parameter komunikasi yang dapat diukur secara fisik. Interferensi dan noise dapat disebabkan karena gangguan listrik, variasi suhu, maupun noise buatan manusia seperti pengapian pada mesin. Jika level noise lebih tinggi dari sinyal yang diterima, maka terjadi penurunan kinerja [11]. Signal to Noise Ratio (SNR) merupakan perbandingan sinyal yang diterima dengan noise yang mengganggu. Besarnya SNR merupakan probabilitas besar sinyal menjadi sinyal pesan atau sinyal yang diinginkan [11]. Signal to noise ratio dihitung dari power yang diterima oleh penerima dan noise yang terukur. Signal to noise ratio diukur dalam desibel dengan Persamaan 2.3 [12]:
18
SNR = Pr − N 0
…(2.3)
dimana Pr adalah daya yang diterima oleh receiver (dBm), dipengaruhi oleh propagasi dari pengirim ke penerima dan N 0 adalah total daya noise saluran transmisi (dBm) yang dihitung dengan Persamaan 2.4 [12]. N 0 = Thermal Noise + Noise Figure ( NF )
…(2.4)
2.6.2 Bit Error Rate (BER) Bit Error Rate (BER) atau probabilitas bit error merupakan nilai ukur kualitas sinyal yang diterima untuk sistem transmisi data digital. BER juga dapat didefinisikan sebagai perbandingan jumlah bit error terhadap total bit yang diterima. Nilai BER (Pb) untuk teknik modulasi QPSK dituliskan dalam Persamaan 2.5 [12].
P
B
QPSK
=
1 2
1 −
1 1 +
E
b
1 / N
0
…(2.5)
Eb / N 0 merupakan rasio energi bit terhadap noise sistem (dB) yang dihitung dengan Persamaan 2.6 :
Eb / N 0 = SNRsistem + 10 log
Bsistem R
…(2.6)
dimana, Bsistem adalah bandwith pada sistem (Hz), R merupakan laju data total (bps), dan SNRsistem adalah Signal to Noise Ratio Sistem (dB) yang dihitung dengan Persamaan 2.7. SNRsistem = (1 − α CP ) SNR
… (2.7)
Dengan, α CP adalah faktor cyclic prefix.
19
2.6.3 Konsumsi Energi Konsumsi energi adalah besarnya energi yang dibutuhkan selama perangkat berkerja atau juga dapat didefenisikan sebagai daya yang diperlukan untuk melakukan suatu mode operasi dikalikan dengan berapa waktu berlangsung mode operasi tersebut. Ada beberapa mode operasi yang dilakukan pada perangkat antara lain On dl subframe; On ul subframe; On sleep mode; On idle mode; Turned on; Transmitting ul burst; dan Receiving dl burst. On dl subframe kondisi proses untuk downlink suatu frame. On ul subframe kondisi proses uplink suatu frame. On sleep mode kondisi untuk efektif off sendiri dan menjadi tidak tersedia untuk periode yang telah ditentukan; On idle mode kondisi off dan tidak terdaftar di BS apapun, namun masih menerima broadcast traffic downlink; Turned on kondisi ketika perangkat start untuk on; Transmitting ul burst kondisi untuk melakukan uplink suatu frame; Receiving dl burst kondisi untuk melakukan downlink suatu frame. Nilai daya yang ternormalisasi dari tiap kondisi mode operasi dapat dilihat pada Tabel 2.1 [13]. Tabel 2.1 Power konsumsi pada WiMAX Operation Mode
NS-2 state
Normalized power consumption
On dl subframe
While_dl_subframe
1.00
On ul subframe
While_ul_subframe
1.00
On sleep mode
while_sleep_mode
0.29
On idle mode
while_idle_mode
0.06
Turned on
while_turned_on
1.00
Transmitting ul burst
while_ul_burst ratio
0.17
Transmitting ul burst
while_ul_burst_energy ratio
0.01
Receiving dl burst
while_dl_burst
0.07
20
