DESAIN PROTOKOL MAC PADA JARINGAN AD HOC MENGGUNAKAN ANTENA CERDAS UNTUK APLIKASI RADAR PELACAK

DESAIN PROTOKOL MAC PADA JARINGAN AD HOC MENGGUNAKAN ANTENA CERDAS UNTUK APLIKASI RADAR PELACAK

MAC PROTOCOL DESIGN OF AD HOC NETWORK USING SMART ANTENNA FOR TRACKING RADAR APPLICATION

Nurmayanti Zain, Elyas Palantei, Merna Baharuddin Jurusan Elektro, Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin, Makassar

Alamat Korespondensi : Nurmayanti Zain Jurusan Elektro Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan KM. 10 Makassar HP. 085255605285 Email : [email protected]

ABSTRAK Protokol MAC adalah protokol lapisan data link yang berperan sebagai pengalamatan node dalam jaringan ad hoc. Penelitian ini bertujuan untuk membuat desain protokol MAC IEEE 802.11 pada jaringan ad hoc menggunakan antena cerdas untuk aplikasi radar pelacak. Jenis penelitian ini adalah penelitian kuantitatif dengan metodologi deduktif. Sehingga penelitian ini bersifat pemodelan simulasi berbasis pemrograman bahasa C dengan menggunakan perangkat lunak Microsoft Visual C++ 2010 Express. Dalam menilai keberhasilannya, penelitian ini menggunakan dua skenario pemodelan sistem yakni protokol MAC dengan antena biasa berpola omnidirectional dan protokol MAC dengan antena cerdas berpola directional. Terdapat dua topologi yang disimulasikan yakni topologi string dan topologi mesh. Dari hasil simulasi, terbukti bahwa penggunaan antena cerdas pada protokol MAC merupakan inovasi yang bagus. Tampak dari nilai maksimum throughput yang mencapai 1,5 Mbps pada skenario topologi string, nilai collision probability yang rendah hingga mencapai 0,001 atau bahkan 0 (tidak terjadi tabrakan antarnode) dan nilai success rate yang mencapai 1 baik pada skenario topologi string maupun topologi mesh. Kesimpulan dari penelitian ini adalah penggunaan antena cerdas dalam mekanisme pertukaran data protokol MAC dapat memberikan performansi optimum pada jaringan ad hoc. Kata Kunci : Protokol MAC, IEEE 802.11, Jaringan Ad Hoc, Antena Cerdas, Aplikasi Radar Pelacak.

ABSTRACT MAC protocol is data link layer protocol which is used as node addressing in ad hoc network. This study aims to design IEEE 802.11 MAC protocol of ad hoc network using smart antenna for tracking radar application. This research is a quantitative study with a deductive methodology. Thus, this study is modeling and simulating based on C language using software Microsoft Visual C++ 2010 Express. It will be designed two scenarios simulation namely MAC protocol using regular antenna with omnidirectional pattern and MAC protocol using smart antenna with directional pattern. String and mesh topology are two topologies are conducted in the scenarios. From the simulation results, it proves using smart antenna in the MAC protocol is a good innovation. The results say that maximum throughput reaches up to 1.5 Mbps on string topology scenarios, the low value of collision probability decreases to 0,001 or even 0 (no collision) and the success rate increase to 1 for both string topology and mesh topology scenarios. The conclusion of this study is the use of smart antenna in the MAC protocol for data exchange mechanism can provide optimum performance in ad hoc network. Keywords : MAC Protocol, IEEE 802.11, Ad Hoc Network, Smart Antenna, Tracking Radar Application.

PENDAHULUAN Teknologi wireless memegang peranan penting dalam melayani kebutuhan informasi bagi pengguna. Ad hoc network misalnya yang merupakan desentraliasi dari jaringan wireless, menjadi topik yang signifikan untuk diteliti lebih lanjut. Hal ini karena ad hoc network bersifat dinamis dan tidak bergantung pada infrastruktur yang sudah ada seperti router dalam jaringan kabel atau access point pada jaringan nirkabel (Sanjeev et al., 2006). Aplikasi ad hoc network sendiri banyak digunakan pada bidang militer, komunikasi bergerak, jaringan personal dan komersial. Keuntungan menggunakan smart antenna pada ad hoc network adalah mampu mengolah sinyal untuk mengoptimalkan daya pancar secara adaptif sesuai kondisi respon lingkungan sehingga sangat cocok dikembangkan dalam aplikasi radar pelacak. Hal ini karena sistem radar pelacak (tracking radar system) dapat digunakan baik untuk mengukur koordinat target maupun untuk menentukan lintasan dan posisi yang telah dan akan ditempuh oleh suatu target (DAEnotes, 2012). Tak bisa dipungkiri, teknologi perangkat keras telah semakin berkembang. Inovasi pada bagian perangkat lunak pun terutama pada bagian desain protokol dengan menggunakan pemrograman dasar berbahasa C menjadi topik yang menarik untuk dibahas. Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh (Bellofiore et al., 2003) tentang “Smart Antenna System Analysis, Integration and Performance for Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs)” dan (Sanjeev et al., 2006) dalam penelitiannya tentang “Comparative Study of MAC Protocols for Mobile Ad Hoc Networks”. Penelitian tersebut berkaitan erat dengan interaksi dan integrasi beberapa komponen kritis pada ad hoc network dengan menggunakan sistem antena cerdas (El Zooghby et al., 2003). Pada penelitian ini akan memperlihatkan : “Desain Protokol MAC IEEE 802.11 pada Jaringan Ad Hoc Menggunakan Antena Cerdas untuk Aplikasi Radar Pelacak”. Desain ini dilakukan dengan menentukan topologi jaringan, konfigurasi node, algoritma tracking dan mekanisme transmisi datanya. Serta menganalisis performansi parameter jaringan wireless throughput dari hasil simulasi desain protokol MAC IEEE 802.11. Tujuan penelitian ini adalah membuat desain protokol MAC IEEE 802.11 pada jaringan ad hoc menggunakan antena cerdas untuk aplikasi radar pelacak. Parameter keberhasilan penelitian ini adalah dengan mengevaluasi performansi kinerja protokol MAC IEEE 802.11 berbasis sistem antena cerdas dibandingkan dengan standar protokol MAC IEEE 802.11 tanpa menggunakan antena cerdas pada jaringan ad hoc.

METODE PENELITIAN Lokasi dan Desain Penelitian Lokasi penelitian ini berada pada dua tempat yang berbeda. Satu tempat penelitan terletak di Sekiya Laboratory, Department of Informatics and Image Science, Chiba University, Nishi Chiba, Jepang dan tempat penelitian yang lain di Laboratorium Telekomunikasi, Radio dan Gelombang Pendek, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin, Makassar, Indonesia. Penelitian ini dilakukan sejak bulan Oktober 2012 dan selesai pada akhir bulan Maret 2013. Data yang akan dikumpulkan pada penelitian ini berupa hasil simulasi desain protokol MAC IEEE 802.11 pada jaringan ad hoc menggunakan antena cerdas untuk aplikasi radar pelacak. Teknik pengumpulan data dilakukan dengan mendapatkan nilai parameter jaringan wireless throughput dengan menggunakan program simulasi berbahasa C. Pengujian Sistem Pada simulasi ini, pengujian sistem dilakukan dengan pemodelan menggunakan bahasa pemrograman C melalui software Microsoft Visual C++ yang terdiri dari external dependencies, header files, source files dan resource files untuk memperoleh data output simulasi berupa text file dalam ekstensi txt atau dat. Metode Pengujian Metode yang dilakukan adalah membandingkan hasil simulasi antara protokol MAC IEEE 802.11 yang telah dirancang menggunakan antena cerdas dengan Protokol MAC IEEE 802.11 tanpa antena cerdas yang menjadi standardisasi untuk jaringan wireless. Proses perbandingan ini dengan menggunakan software Microsoft Office yakni Microsoft Excel dan software Matlab 7.11 Versi R2010b. Dari proses evaluasi tersebut, dapat ditarik sebuah benang merah untuk dijadikan sebagai kesimpulan dari hasil penelitian.

HASIL Hasil dari penelitian ini adalah evaluasi performansi kinerja dari protokol O-MAC atau protokol MAC berbasis antena biasa berpola radiasi omnidirectional dan protokol D-MAC atau protokol MAC berbasis antena cerdas berpola radiasi directional. Pada simulasi ini dibuat empat pemodelan jaringan ad hoc menggunakan standardisasi dari protokol MAC IEEE 802.11 untuk aplikasi radar pelacak. Pemodelan tersebut dibedakan berdasarkan jenis topologi (string dan mesh) dan sistem antena (omnidirectional dan directional) yang digunakan. Simulasi dilakukan menggunakan pemrograman bahasa C dengan perangkat lunak Microsoft Visual C++ 2010 Express.

Skenario Topologi String Simulasi pertama adalah skenario protokol MAC standar IEEE 802.11 dalam topologi string dengan dan tanpa menggunakan antena cerdas. Topologi string adalah topologi yang berbentuk garis lurus. Skenarionya dengan menempatkan sejumlah 20 node pada jaringan ad hoc. Dengan kata lain node-node tersebut disejajarkan dari node 0 hingga node 19. Tiap node tersebut berinisial nama node 0, node 1, node 2 dan seterusnya seperti terlihat pada gambar 1. Topologi string ini menerapkan simulasi pada jaringan multi-hop dengan one-way flow. Hal ini berarti ada satu aliran transmisi dari node 0 hingga node 19 dalam jaringan ad hoc tersebut tetapi terdapat banyak lompatan dalam transmisinya yakni 19 lompatan (Miyaji et al., 2010). Tentunya terdapat beberapa parameter yang harus diperhatikan dalam topologi garis lurus atau string topology tersebut. Misalnya saja jarak transmisi atau transmission range yang digunakan dalam skenario ini adalah 60 meter. Sedangkan jarak transmisi sinyal pembawa atau carrier transmission range yang digunakan adalah 115 meter. Perlu diingat jarak carrier transmission range idealnya adalah dua kali dari transmission range. Dan jarak antara node yang satu dengan yang lain adalah 45 meter (Mamshaei et al., 2004). Skenario Topologi Mesh Simulasi kedua dari pemodelan jaringan ad hoc ini adalah skenario Protokol MAC IEEE 802.11 menggunakan topologi mesh dengan dan tanpa menggunakan antena cerdas. Skenario ini dilakukan dengan menempatkan sejumlah 20 node secara acak atau random pada jaringan ad hoc seperti tampak pada gambar 2. Karena bersifat random, maka tiap-tiap node yakni node 0 hingga node 19 tersebut akan memilih sendiri node yang akan dijadikan sebagai penerima data yang dikirimkan tersebut. Dengan kata lain, tiap node akan secara otomatis mencari pasangan dalam pertukaran frame (Bazan et al., 2011) Untuk meningkatkan efisiensi jaringan komunikasinya, dibuat skenario jaringan ad hoc bertopologi mesh dengan menggunakan antena cerdas. Yang dimaksud dengan antena cerdas di sini adalah antena yang memiliki pola radiasi terarah atau pola directional. Selain itu, dikatakan antena cerdas karena melakukan transmisi dengan teknik beamforming. Ketika node 6 mengirimkan data ke node 10 dengan menerapkan pola directional dalam mekanisme pertukaran framenya maka node-node yang lain juga berada dalam keadaan bebas untuk melakukan pertukaran frame (Yazdanpanaha et al., 2011). Pemodelan Sistem Parameter sistem yang digunakan dalam pemodelan simulasi ini mengacu pada jenis antena yang digunakan. Pemodelan sistem ini bisa dibagi dalam dua kategori yaitu sistem antena biasa atau antena berpola omnidirectional dan sistem antena cerdas atau antena berpola

directional. Pada tabel 1 dijabarkan parameter sistem untuk jaringan ad hoc dengan menggunakan antena omnidirectional atau tanpa menggunakan antena cerdas. Berpola omnidirectional berarti antena memiliki sudut pancar sebesar 360 derajat. Pada tabel 1 pula dijabarkan parameter sistem untuk jaringan ad hoc dengan menggunakan antena directional atau berbasis antena cerdas. Antena yang digunakan termasuk dalam kategori antena cerdas yakni adaptive array antenna. Dikatakan antena cerdas, karena antena ini mampu memberikan dua pola radiasi (omnidirectional dan directional) yang sesuai dengan kondisi node dalam jaringan ad hoc. Mode omnidirectional adalah pola radiasi dengan sudut 0 – 360 derajat. Sedangkan mode directional adalah pola radiasi 0 – 90 derajat. Kepadatan node dalam jaringan wireless topologi mesh tesebut adalah 0,0011 node/m2 (Palantei, 2010). Secara umum, parameter sistem untuk skenario simulasi pada jaringan ad hoc ini baik pada topologi string maupun topologi mesh menggunakan waktu simulasi 30 detik. Dimulai dengan mengirimkan contention window minimum atau CWmin sebesar 15 dan contention window maksimum atau CWmax sebesar 1025. Diperbolehkan pengulangan transmisi hingga mencapai batas tujuh kali. Sehingga ketika transmisi data melebihi tujuh kali maka akan terjadi packet drop (Jing et al., 2012)..

PEMBAHASAN Penelitian ini menemukan bahwa penggunaan antena cerdas berpola radiasi directional dalam mekanisme pertukaran frame pada protokol MAC untuk aplikasi radar pelacak memberikan performansi yang optimum dalam jaringan ad hoc. Hal ini selaras dengan penelitian tentang antena cerdas pelacak pada jaringan syaraf yang dikemukakan oleh (El Zooghby et al., 2003). Dengan demikian, dapat dikatakan beberapa kelebihan performansinya antara lain mampu mereduksi interferensi, meningkatkan jangkauan dan kapasitas, mereduksi daya pancar, mereduksi handoff dan mitigasi efek multipath. Hasil yang sama ditunjukkan oleh penelitian (Borja et al, 2006) yang menguji protokolnya pada jaringan akustik bawah laut. Begitupula dengan studi perbandingan jaringan wireless yang dilakukan oleh (Sanjeev et al., 2006) pada komunikasi bergerak. Pemaparan lebih detail tentang penelitian ini akan memperlihatkan perbandingan evaluasi performansi kinerja antara protokol MAC berbasis antena cerdas dan tanpa menggunakan antena cerdas. Analisis terhadap pemodelan simulasi IEEE 802.11 protokol MAC pada jaringan ad hoc dengan dan tanpa menggunakan sistem antena cerdas dimaksudkan untuk mengetahui performansi dari kinerja tiap jaringan wireless yang telah dirancang berdasarkan pada

parameter-parameter sistemnya. Setelah mengetahui bagaimana mekanisme pertukaran frame dari tiap pemodelan sistem tersebut, selanjutnya akan dipaparkan performansi evaluasi dari pemodelan simulasinya. Analisis ini dilakukan berdasarkan data statistik dan desain grafik yang diperoleh dengan menggunakan perangkat lunak pemrograman Microsoft Visual C++ 2010 Express dan Microsoft Excel. Pada gambar 3 menunjukkan hasil simulasi pada skenario pertama yakni skenario dengan string topology multi hop networks with one way flow yang disusun berdasarkan standardisasi dari protokol IEEE 802.11 yakni protokol dasar MAC pada jaringan ad hoc dengan dan tanpa menggunakan antena cerdas. Secara sederhana, grafik fungsi throughput terhadap beban tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: pada kondisi underload atau beban yang diberikan masih dalam jangkauan sistem maka nilai throughput akan naik hampir secara linear. Ketika sumber daya sistem sudah digunakan semuanya, sistem mencapai batas jenuh (saturation bound) dan fungsi throughput mulai bergerak secara tetap (statis). Pada kondisi overload atau beban yang diberikan telah melebihi kapasitas sistem maka nilai throughput akan menurun dan sistem mengalami thrashing effect (Bellofiore et al., 2003). Terkait penjelasan fungsi load throughput di atas, hal ini berarti bahwa penggunaan antena cerdas dengan pola directional mampu mengefisiensikan daya pancar sehingga sistem jaringan ad hoc mampu menerima beban yang lebih besar dan tidak cepat mengalami titik saturasi. Berbeda dengan penggunaan antena biasa yang berpola omnidirectional, penggunaan daya pancarnya tidak efektif sehingga sistem jaringan ad hoc akan menciptakan kondisi overload dengan beban yang sedikit. Hal ini terbukti dari titik maksimum throughput yang dicapai pada protokol D-MAC lebih tinggi dibandingkan dengan protokol O-MAC pada gambar 3. Terdapat perbedaan nilai throughput sebesar 0,651 Mbps antara protokol MAC berbasis antena cerdas dan protokol MAC tanpa menggunakan antena cerdas. Selanjutnya analisis dari skenario topologi mesh dengan dan tanpa antena cerdas. Nilai throughput pada gambar 4 yang terlihat tidak beraturan tersebut disebabkan oleh pengaruh interferensi antarnode dan fungsi load throughput. Topologi mesh atau topologi jala walaupun memiliki sifat robust (ketahanan koneksi antarnode) yang tinggi tetapi tidak bisa terhindar dari interferensi yang terjadi di dalam jaringannya. Gangguan interferensi ini bisa diatasi oleh protokol D-MAC melalui pengaturan pola pancarnya. Tetapi tidak demikian dengan protokol O-MAC yang daya pancarnya melebar dari 0 derajat s.d. 360 derajat, akibatnya pada awal pemberian beban, tidak terdapat throughput dalam mekanisme pertukaran frame tersebut. Bila fungsi throughput ini dianalisis lebih lanjut, protokol O-MAC yang menggunakan antena berpola omnidirectional ternyata tidak mampu menangani beberapa interaksi

antarnode. Besarnya tabrakan antarnode dalam jaringan tersebut menyebabkan posisi node walaupun diberikan beban yang sedikit, sayangnya protokol O-MAC tidak mampu menampungnya. Sehingga terjadi overload dini dan thrashing di awal waktu. Berbeda dari simulasi skenario topologi string, pada skenario topologi mesh ini hasil simulasinya menunjukkan nilai throughput yang bervariasi dan tidak menentu. Terlihat dari grafik yang naik turun bahkan mencapai titik terendah 0 Mbps dan titik tertinggi sekitar 1,7 Mbps.

KESIMPULAN Protokol MAC IEEE 802.11 berbasis antena cerdas memberikan performansi yang lebih baik bila dibandingkan dengan protokol MAC IEEE 802.11 tanpa berbasis antena cerdas. Beberapa kelebihan performansinya antara lain mampu mereduksi interferensi, meningkatkan jangkauan dan kapasitas, mereduksi daya pancar, mereduksi handoff dan mitigasi efek multipath. Dari hasil simulasi yang telah dipaparkan untuk jaringan ad hoc bertopologi string dan topologi mesh, penggunaan antena cerdas berpola radiasi directional pada protokol MAC merupakan inovasi yang bagus. Terbukti dari nilai maksimum throughput yang mencapai 1,5 Mbps untuk protokol D-MAC pada skenario topologi string. Secara garis besar fungsi throughput pada skenario topologi string cenderung lebih stabil dibandingkan simulasi skenario topologi mesh. Hal tersebut karena kepadatan node dan besarnya beban mempengaruhi nilai throughput. Dengan demikian, berdasarkan beban yang diberikan, protokol MAC berbasis antena cerdas sesuai diterapkan untuk nilai beban yang rendah dan protokol MAC tanpa menggunakan antena cerdas sesuai diterapkan untuk nilai beban yang relatif tinggi. Hal ini karena protokol MAC berbasis antena cerdas memiliki nilai throughput pada beban yang rendah sedangkan protokol MAC tanpa menggunakan antena cerdas memiliki nilai throughput pada beban yang tinggi.

DAFTAR PUSTAKA Bazan, Osama dan Jaseemuddin, Muhammad. (2011). “Survey On MAC Protocols for Wireless Adhoc Networks with Beamforming Antennas”. IEEE Communications Surveys Tutorials Volume 10, Issue 99, Pages 1 – 24. Bellofiore, Salvatore; Foutz Jeffrey; et al. (2003). “Smart Antenna System Analysis, Integration and Performance for Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs)”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 50, Number 5. Borja, Peleato dan Stojanovic, Milica. (2006). “A MAC Protocol for Ad Hoc Underwater Acoustic Sensor Networks”. Pro. ACM International Workshop on Underwater Networks, Pages 113 – 115.

DAEnotes. (2012). Theory and Projects for Engineering Students. Microware & Radar. [Online] [Diakses 15 Februari 2013]. http://www.daenotes.com/electronics/microwaveradar/radar. El Zooghby, Ahmed H dan Christodoulou, Christos. (2003). “A Neural Network-Based Smart Antenna for Multiple Source Tracking”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 48, Number 5. Jing, Ma; Sekiya, Hiroo; et al. (2012). “MAC Protocol for Smart-antenna Used Ad Hoc Networks with RTS/CTS Overhead Reduction”. Cyber Journals: Multidisciplinary Journal in Science and Technology. Mamshaei, Mohammad Hossein; Cantieni, Gion Reto; et al. (2004). “Performance Analysis of the IEEE 802.11 MAC and Physical Layer Protocol”. France : Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (INRIA). Miyaji, Yuichi; Kawai, Masahiro; et al. (2010). “Directional Monitoring MAC protocol using smart antenna in wireless multihop Networks”. Jeju Island, Korea : Pro. ICUFN. Palantei, Elyas. (2010). “Switched Parasitic Smart Antenna: Design and Implementation for Wireless Communication System”. Ph.D Dissertation Thesis. Centre for Monitoring & Application (CWMA) Griffith School of Engineering and Information Technology. Australia: Griffith University. Sanjeev, Sharma; R.C. Jain; et al. (2006). “Comparative Study of MAC Protocols for Mobile Ad Hoc Networks”. International Journal of Soft Computing, Volume 1, Issue 3, Pages 225–231. Yazdanpanaha, Mina; Assib, Chadi; et al. (2011). “Cross-ayer optimization for wireless mesh networks with smart antennas”. Computer Communications Volume 34, Issue 16, Pages 1894–1911.

HIDDEN NODE 0

1

Transmission range of the node 1

3

2

4

19

HIDDEN NODE

Carrier sensing range of the node 1

Gambar 1: Skenario Topologi String Tanpa Antena Cerdas

3

7

11

15

19

2

6

10

14

18

1

5

9

13

17

0

4

8

12

Gambar 2: Skenario Topologi Mesh dengan Antena Cerdas

16

Fungsi Throughput Terhadap Beban 1.6

Throughput (Mbps)

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Offered Load (Mbps) O-MAC

D-MAC

Gambar 3: Fungsi Throughput pada Topologi String

Fungsi Throughput Terhadap Beban 2 1.8

Throughput (Mbps)

1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Offered Load (Mbps) D-MAC NODE 6

D-MAC NODE 10

O-MAC NODE 6

O-MAC NODE 10

Gambar 4: Fungsi Throughput pada Topologi Mesh

3

Tabel 1: Parameter Sistem Parameter Sistem

Value

Sudut Pancar Omnidirectional Sudut Pancar Directional Algoritma Total Node Konfigurasi Node Tipe Jaringan Packet payload (DATA) UDP/IP header PLCP preamble MAC header LLC header PHY header RTS frame length CTS frame length ACK frame length PHY layer Data channel rate Control channel rate Transmission range Carrier sensing range Distance of each node SIFS time DIFS time Slot time CWmin CWmax Retransmission limit Simulation time

2 /4 Beamforming, Beamsteering 20 Peer to Peer Ad hoc 200 bytes 20 bytes 16 sec 20 bytes 8 bytes 24 bytes 20 bytes 14 bytes 14 bytes IEEE 802.11a 18 Mbps 12 Mbps 60 m 115 m 45 m 16 sec 34 sec 9 sec 15 1025 7 30 s