MEKANISME KOMUNIKASI DATA GATEWAY MULTI-TERMINAL VMES JARINGAN ADHOC MENGGUNAKAN KONSEP METODE AKSES PROTOKOL MAC 802.11 Oleh : Ahmad Fuad 2209203013
Pembimbing : Dr. Ir. Achmad Affandi, DEA.
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Potensi perikanan dan kelautan wilayah perairan Indonesia Keterbatasan metode dan teknologi untuk mencari daerah potensi penangkapan ikan Ketentuan FAO mengharuskan penggunaan sistem Vessel Monitoring System (VMS) Sistem VMS MAHAL Sistem komunikasi dan navigasi alternatif (VMeS) Implementasi VMeS awal Pengembangan mekanisme komunikasi VMeS menggunakan konsep metode akses 802.11
Permasalahan
Tujuan Penelitian
Bagaimana membangun mekanisme komunikasi data gateway multi terminal. Bagaimana gateway menangani pengiriman paket dari beberapa terminal. Apakah rancangan mekanisme komunikasi data menggunakan metode akses protokol MAC 802.11 skema DCF dapat diterapkan dengan baik pada komunikasi gateway multi terminal.
Membangun mekanisme komunikasi data gateway multi terminal VMeS. Mengembangkan sistem VMeS jaringan wireless ad hoc yang memiliki unjuk kerja yang baik dalam menangani pengiriman paket data.
Relevansi
Sebagai sistem komunikasi dan navigasi alternatif pada kapal nelayan yang dapat membantu nelayan tradisional memperoleh informasi dengan mudah, biaya terjangkau dan andal.
Batasan Masalah
Desain mekanisme komunikasi data menggunakan skema DCF protokol MAC metode RTS/CTS berbasis reservasi. Ukuran paket data maksimal 160 byte dengan bit rate 1200 bps. Node diasumsikan dalam keadaan statis dengan jangkauan radio didefinisikan dan penerapan protokol routing AODV yang telah dikembangkan sebelumnya. Skema DCF dalam simulasi memperhitungkan setiap frame RTS, CTS, DATA dan ACK. Parameter interval frame DIFS dan SIFS skema DCF tidak diadopsi untuk penyederhanaan simulasi dengan pertimbangan simulasi dibangun secara virtual terpusat dalam 1 server komputer yang bekerja secara serial untuk menjalankan simulasi 8 node yang dapat menyebabkan beban kerja komputer sangat berat sehingga kemungkinan menghasilkan delay yang tinggi serta tumpang tindih antara frame. Untuk mengatasi interval frame dan waktu tunda dalam proses handshake, maka digunakan timer internal program dengan waktu 1 detik tiap frame berdasarkan pendekatan dari estimasi ukuran dan waktu frame. Timer juga berfungsi sebagai interval switching antara pemancar dan penerima. Pengujian sistem dilakukan dengan membangun simulasi menggunakan bahasa pemrograman DelphiI 6.0.
TINJAUAN PUSTAKA
Jaringan Adhoc Nirkabel
Jaringan Ad hoc Mobile (Amitava dkk, 2003) Jaringan ad hoc adalah kumpulan node nirkabel bergerak secara dinamis membentuk jaringan sementara tanpa menggunakan setiap infrastruktur jaringan yang ada atau administrasi terpusat. Karakteristik jaringan ad hoc :
Topologi yang dinamis Bandwidth constrained, variable capacity links Link asimetris
Congestion Multihop Limited physicaly security Energy-constrained
Protokol Routing Jaringan Ad Hoc Protokol routing dalam jaringan ad hoc bertujuan untuk menentukan jalur/rute terbaik (optimal routing) dan transportasi informasi dari sumber ke tujuan.
(a)
(b)
Mobilitas Routing a) Posisi Awal, b) Posisi Setelah Berpindah
Ad Hoc On-demand Distance Vector (AODV)
Mekanisme Pencarian Rute pada AODV (Kopp, 2002)
Mekanisme Rute Maintenance pada AODV (Kopp, 2002)
IEEE 802.11 Standar
IEEE 802.11 standar menyediakan solusi MAC (medium access control) dan PHY (physical layer) untuk konektivitas wireless LAN (local area network). Standar 802.11 mendukung topologi jaringan seperti Basic Service Set (BSS), Independent Basic Service Set (IBSS) networks dan Extended Service Set (ESS). Protokol IEEE 802.11 menggunakan standar Medium Acces Control (MAC) untuk menangani proses pengiriman data.
Struktur Lapisan MAC dan PHY
MAC Jaringan Wireless Ad hoc
MAC layer adalah serangkaian protokol yang bertanggung jawab untuk mengatur penggunaan medium bersama. Protokol MAC mendefinisikan bagaimana setiap unit node bergerak dapat berbagi sumber daya nirkabel bandwidth yang terbatas secara efisien. MAC bertanggung jawab membentuk dan membatalkan koneksi per-link. MAC sublayer yang bekerja dengan metode first-in-first-out (FIFO) transmission queue untuk menentukan bagaimana kanal dialokasikan MAC memiliki dua mekanisme akses dalam transmisi paket yaitu, DCF (Distributed Coordination Function), dan PCF (Point Coordination Function) Fungsi koordinasi DCF (distributed coordination function) menentukan kapan stasiun diizinkan untuk mengirim dan mungkin dapat menerima data melalui saluran nirkabel.
Metode Akses MAC 802.11 MAC sublayer menentukan dua mekanisme MAC yaitu, Distributed Coordination Function (DCF), dan Point Coordination Function (PCF).
Fungsi Koordinasi MAC
Mekanisme akses dasar CSMA/CA
Komunikasi Protokol Akses Paket Radio
Protokol AX.25 AX.25 adalah protokol komunikasi data yang dipergunakan pada TNC modem.
Format Protokol Link AX.25
Protokol RS-232 Untuk pengiriman data jarak jauh pada umumnya mempergunakan sistem transmisi serial untuk menghemat kabel.
METODE PENELITIAN
Konfigurasi Umum Sistem Setiap terminal memiliki konfigurasi perangkat terdiri dari terminal komunikasi data, modem radio, transceiver dengan antena dan alat input seperti keyboard, sensor dan GPS.
Rancangan Sistem Implementasi jaringan ad hoc pada gateway multi terminal untuk komunikasi kapal berbasis data melalui kanal VHF. Komunikasi data dirancang menggunakan bitrate 1200 bps atau sekitar 120 karakter per detik karena keterbatasan dari kanal radio. Setiap node dapat berkomunikasi apabila berada dalam jangkauan. Node yang berada diluar jangkauan membutuhkan perantara . Pengiriman pesan dari N1, N2 dan N3 ke Gw sangat memungkinkan terjadinya tabrakan paket. Penerapan konsep metode akses 802.11 untuk menangani multi paket yang datang. Standar MAC sublayer bekerja dengan metode first-infirst-out (FIFO) transmission queue untuk menentukan bagaimana kanal dialokasikan dan fungsi koordinasi DCF (distributed coordination function) yang menentukan kapan stasiun diizinkan untuk mengirim dan mungkin dapat menerima data melalui saluran nirkabel.
Desain Metode Akses MAC 802.11 Penelitian ini menggunakan mekanisme DCF dengan skema RTS/CTS berbasis reservasi
Mekanisme DCF dengan skema RTS/CTS berbasis CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance) yang memiliki kemampuan untuk mengurangi tabarakan paket. Protokol CSMA/CA bertugas mengatur delay antara urutan frame yang berdekatan dan mampu menghindari tabrakan antara beberapa stasiun dalam mengakses media pada titik di mana tabrakan kemungkinan besar terjadi, pada saat media dalam kondisi idle menyusul kondisi sibuk.
Penjelasan: RTS (Request to Send) : pesan yang digunakan sender untuk memberitahukan akan melakukan pengiriman data pada receiver; setelah medeteksi medium kondisi idle. CTS (Clear to Send): pesan balasan dari receiver untuk memberitahukan sender bahwa receiver telah menerima RTS dan siap menerima data. DATA: Informasi data yang relevan dari sender untuk receiver ACK (Acknowledgement): pesan dari receiver untuk memberitahukan sender bahwa data yang dikirim telah berhasil diterima. DIFS (Distributed IFS): Interval waktu yang dibutuhkan stasiun untuk memulai transmisi baru; Waktu tunda sebelum memulai Interval backoff. SIFS (Short IFS): Interval waktu antara frame; yang digunakan stasiun untuk prioritas transmisi frame tunggal.
NAV (Network Allocation Vector): sebagai indikator pada setiap stasiun untuk mengatur periode waktu ketika transmisi ke media sedang media sibuk. NAV akan diupdate dengan durasi yang ditentukan dari proses komunikasi RTS/CTS dan indikasi dari kondisi kanal sibuk. Backoff: metode menyelesaikan pertentangan antara stasiun yang berbeda saat mengakses medium, metode ini mengharuskan setiap stasiun untuk memilih Random Number (n) antara 0 dan angka yang diberikan, dan menunggu jumlah Slots sebelum mengakses medium, selalu memeriksa apakah sebuah stasiun yang berbeda telah diakses media sebelumnya. Kondisi ini dimana stasiun mungkin mencoba mengirim congestion-based data, setelah transmisi frame selesai dan DIFS telah berlalu. Periode ini disebut juga contention windows.
Arsitektur Protokol
Format Frame MAC Format Frame MAC
Frame Control Field
Frame skema RTS/CTS
Fromat Frame RTS
Fromat Frame CTS
Fromat Frame ACK
Desain Format Frame Paket Data Frame Dest (id) Src (id) Tipe: RTS CTS DATA ACK Payload
Lebar data (B) 2 2 3 3 4 3 max 160
Diagram Alir Proses Pengiriman Data Mekanisme DCF
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengukuran Diagram Waktu
Diagram Waktu Respon Otomatis dari Terminal
Korelasi Sinyal pada Pemancar dan Penerima
Pengukuran diagram waktu bermanfaat untuk estimasi pemilihan interval tone sinkronisasi sebelum data dikirimkan. Diagram waktu respon otamatis terminal pada gambar pertama memperlihatkan sinyal yang dipancarkan pada detik 0.2 sampai 0.1, sedangkan pada detik 1.35 sampai detik 2.1 menunjukan sinyal output yang diredam karena posisi pemancar. Detik 1.0 sampai 1.35 adalah delay karena proses buffering. Gambar kedua menunjukan proses pemancaran, dimana saat PTT, program pre Tx delay diatur 200 ms dan post Tx delay 150 ms. Proses penekanan PTT pada detik 1.35 dan detik 1.55 sampai detik 1.92 menunjukan proses pengiriman data. Gambar kedua bagian bawah menunjukan Sinyal modem dapat dikirim dengan baik setelah detik 1.43. Waktu tunda yang diperlukan dalam pengiriman data ≥ 80 ms sejak tombol PTT ditekan dan saat berakhir setelah PTT dilepas nampak bawhwa pesawat penerima memerlukan waktu sekitar 100 ms untuk kembali siap.
Perhitungan Waktu Pengiriman Data Secara Teoritis Bitrate = 1200 bps Waktu kirim 1 bit = 0,833 ms Waktu kirim 1 karakter = 10x0,833 ms = 8,33 ms
Pengujian Mekanisme DCF Protokol MAC 802.1
Pengujian Pengiriman Data Antara Dua Node
Proses Deteksi Medium
Pengiriman Frame RTS
Pengiriman Frame CTS
Pengiriman Frame DATA
Pengiriman Frame ACK
Log Pengiriman Pesan
Pengujian Pengiriman Data Dari Dua Node
Proses Deteksi Medium
Pengiriman Frame RTS
Pengiriman Frame CTS
Pengiriman Frame DATA
Pengiriman Frame ACK
Log Pengiriman Pesan
Diagram Alir Hasil Program Flowchart Pengiriman Data Start
Flowchart Penerimaan Data Start
CTS Akrif?
Tipe = Data
Y
T CD Aktif?
Y
Y Tipe = RTS
T
Tipe = CTS T
Stop
Y
Kirim ACK
Y
Kirim CTS
T
Y
Dest id = Node id?
T
T
Kirim
Stop
Dest id = Node id?
T
T
Ada Data di Buffer?
Y
Y Aktifkan Timer CTS
Diagram Keadaan
Proses:
Proses pada N2:
Gw broadcast RTS dengan tujuan N1 RTS di dengar oleh N1, N2 dan N3 N1 mendengar RTS dan mengidentifikasi untuk dirinya N1 mengirimkan CTS sebagai balasan RTS telah diterima CTS didengar oleh GW, N2 dan N3 Gw mengirim Data ke N1 N1 mengirimkan ACK sebagai tanda bahwa Data telah diterima N2 mendengar RTS dr GW dan mengidentifikasi RTS bukan untuk dirinya N2 menahan transmisinya, menunggu sampai waktu tertentu; setelah mendengar CTS dari N1 N2 mendengar CTS N1 telah diterima Gw. N2 menunda transmisinya sampai data selesai dikirim
Proses pada N3:
N3 mendengan RTS dr GW dan mengidentifikasi RTS bukan untuk dirinya N3 menunda transmisi N3 mendengar data dikirim dan menunda transmisinya sampai data berakhir
Proses Kirim Data Pengirim Penerima dalam jangkauan dan tidak sibuk
Idle
Penerima Data siap
(deteksi media)
Idle
Identifikasi RTS apakah untuk penerima?
RTS
ACK telah diterima
Siap Transmit
CTS
Siap Receive
Kirim data
Data diterima
Penerima siap terima data
Kirim Data
ACK
Menunggu ACK
ACK telah dikirim
Tabel Transisi Keadaan Input State S1 S2 S3 S4
RTS
CTS
Data
ACK
S1/RTS S2/S3/S4/-
S1/S2/CTS S3/S4/-
S1/S2/S3/Data S4/-
S1/S2/S3/S4/ACK
Pengujian Pengiriman Paket Data Kondisi Real Penelitian Sebelumnya
No
Payload (byte)
1 2 3 4 5 6 7 8
10 20 40 60 80 90 110 130
Jumlah Paket Yang Dikirim 15 15 15 15 15 15 15 15
Jumlah Paket Diterima
15 15 13 13 13 13 12 11
Jumlah Paket yang Hilang 0 0 2 2 2 2 3 4
Packet Loss Pada Pengiriman Data
Packet loss (%)
0 0 13,33 13,33 13,33 13,33 20.00 26.67
25 20.00
20.00
110
130
Packet Loss (%)
20 15
13.33
13.33
13.33
13.33
40
60
80
90
10 5
0
0
10
20
0
Payload (B)
Grafik Packet loss terhadap Payload
No .
Overhe ad (Byte)
Payloa d (Byte)
1 2 3 4 5 6 7 8
22 22 22 22 22 22 22 22
10 20 40 60 80 90 110 130
Total Panjang Paket (Byte) 32 42 62 82 102 112 132 115
Waktu Kirim Teoritis (detik) 266,56 349,86 516,46 683,06 849,66 932,96 1099,56 1266,16
Waktu Kirim Pada Pengiriman Data
Waktu Kirim Pengukuran (detik) 271,2 360,8 536,8 683,2 860,66 1104 1316,3 1410,45
1600
Waktu Kirim (s)
1400 1200
1000 Series1
800
Series2
600
400 200 0
10
20
40
60
80
90
110
130
Payload (B)
Grafik Payload terhadap Waktu Kirim
PENUTUP
Kesimpulan
Mekanisme DCF protokol MAC 802.11 dapat bekerja dengan baik dalam komunikasi data antara gateway dengan terminal, sebagaimana terlihat dari hasil simulasi program.
Hasil simulasi program menunjukan proses pengiriman data dari terminal ke gateway berjalan sesuai skema yang dibangun dalam simulasi dengan interval waktu yang ditentukan. Setiap frame membutuhkan waktu 1 detik. Sedangkan peralihan proses antara frame membutuhkan waktu 2 detik untuk interval frame CTS terminal tetangga dan 3 detik untuk terminal lain. Untuk pengiriman dari dua terminal secara bersamaan, interval frame CTS terminal tetangga membutuhkan waktu 3 detik dan terminal lain 4 detik.
FIFO buffer mengizinkan paket yang duluan masuk walaupun dalam orde mili detik, akan ditangani. Hal ini diperlihatkan pada log pengiriman data dimana dua RTS dari dua node dimpung dalam buffer yang kemudian oleh node penerima menangani berdasarkan informasi waktu paket yang datang.
Ukuran frame mempengaruhi kecepatan pengiriman data. Makin panjang ukuran frame maka waktu yang dibutuhkan oleh frame saat transmisi lebih besar, seperti yang terlihat pada perhitungan diagram dan log pengiriman pesan. Untuk menyederhanakan simulasi sehingga tidak banyak waktu yang terbuang dan menghindari terjadinya delay antara frame yang tinggi, maka perlu dibuat asumsi berdasarkan perhitungan waktu kirim per karakter, ukuran setiap frame dan pengujian diagram waktu. Hasil dari perhitungan ini ditetapkan bahwa asumsi diberikan pada setiap frame dengan timer frame sebesar 1 detik.
Pengujian setiap frame dari mekanisme yang berjalan menunjukan selisih waktu yang tidak lebih dari 1 detik dan tidak ada tabrakan antara frame.
Pada pengujian diagram waktu, delay yang terbuang pada setiap kali penekanan PTT adalah sekitar 200 milidetik (setara dengan panjang pengiriman data 24 karakter) sehingga panjang paket data harus lebih besar daripada 24 karakter. Untuk menjaga kompatibilitas dengan sistem SMS maka panjang maksimumnya diambil 160
Lamanya waktu kirim dipengaruhi oleh panjang paket data dan adanya beberapa node lain yang melakukan pengiriman data yang hampir bersamaan, seperti ditunjukan pada tabel 4.3.
Saran
Untuk pengembangan penelitian diperlukan simulasi yang memperhitungkan semua parameter dari mekansime DCF protokol MAC 802.11 seperti penerapan interval waktu frame (IFS) dan metode backoff random sehingga mendapatkan kondisi yang mendekati kenyataan.
Dengan menerapkan semua parameter mekanisme, maka simulasi sebaiknya dibuat dalam kondisi nyata dengan membangun 1 terminal menggunakan 1 mesin. Hal ini untuk menghindari permasalahaan yang dihadapi dengan simulasi virtual 1 server menangani 8 terminal dalam berkomunikasi secara serial yang sangan memungkinkan terjadinya delay yang tinggi dan tumpang tindih frame.
Perlu memperhitungkan mekanisme pada FIFO buffer dengan menerapkan pewaktuan tertentu untuk menghindari banjir paket apabila trafik komunikasi data sangat padat.
Perlu adanya penambahan algoritma forward error correction untuk mengurangi packet loss saat paket data di forward.
DAFTAR PUSTAKA 1.
Affandi, A (2007), “Sistem Komunikasi Data Trepadu Armada Perahu Nelayan Menggunakan Kanal Frekuensi Tinggi (VMeS-Vessel Messaging System)”, Hibah Pasca (HPTP), ITS.
2.
Ardita, M. (2010), “Perancang Terminal Komunikasi Data Terintegrasi untuk Jaringan Ad-hoc VMES”, Tesis, JTE- FTI, ITS.
3.
Amitava M, dkk (2003), Location Management And Routing In Mobile Wireless Networks, Artech House, Boston & London.
4.
ANSI/IEEE Std 802.11, (1999) , “Information Technology - Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications”.
5.
Beech, dkk, (1998), “AX.25 Link Access Protocol for Amateur Packet Radio”, American Radio Relay League.
6.
DKP, (2006), ”Peraturan Menteri Kelautan Dan Perikanan Nomor: Per.17/Men/2006, Tentang Usaha Perikanan Tangkap”, Menteri Kelautan dan Perikanan.
7.
Duggirala, R. (2000), “A Novel Route Maintenance Technicque for Ad hoc Network Routing Protocol”, M.S. Thesis, University of Cincinnati.
8.
Fajarwati, I.N. (2008), “Pemodelan Trafik Komunikasi Data Melalui Kanal Radio VHF pada Band Maritim”, Tugas Akhir, JTE-FTI.
9.
FAO, (1998), “FAO Technical Guidelines For Responsible Fisheries”, 1, FAO of The United Nations, Rome.
10.
Gaus, (2008), “Pemodelan Kanal HF VMeS”, Tugas Akhir, JTE-FTI, ITS.
11.
Geier, J. (1996), “Wireless Networking Handbook”, New Riders Publishing Indianapolis.
12.
Hac, (2003), “Mobile Telecommunication Protocol For Data Network”, Jhon Wiley & Sons, Inc., New York.
13.
Harada dan Prasad, (2002), “Simulating and Software Radio for Mobile Communication”, Artech House.
14.
Hou dan Li, (1986) "Transmission Range Control in Multihop Packet Radio Networks", IEEE Trans. Communication, vol. 34, issue: 1, p. 38–44.
15.
Haoming L., dkk, (2010), “Multi-User Medium Access Control in Wireless Local Area Network”, Proc. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), p. 1-6.
16.
Johnson, D., (1994), “Routing in Ad Hoc Networks of Mobile Host”, Proc. IEEE Workshop on Mobile Computing System and Applications, p. 158–163.
17.
Kopp, C., (2002), “Ad hoc Networking”, Background Article, Published in „System‟, p.33-40.
18.
Lami, H.F.J. (2009), “Implementasi Teknik Roll Call Polling Pada Gateway Multi Terminal”, Tesis, JTE-FTI, ITS.
19.
Manafe,Y.Y. (2009), “Pengembangan Modem Untuk Sistem Komunikasi Data Nirkabel Ad Hoc”, Tesis, JTE-FTI, ITS.
20.
Mawardi, M.T. (2007), “Rancang Bangun Sistem Gateway VMeS Untuk Akuisisi Data Posisi Dan Informasi Pada Kanal HF”, Tugas Akhir JTE-FTI, ITS.
21.
Meok, N.J. (2009), “Pengembangan Routing Protocol Untuk Gateway Ad Hoc Wireless Networks”, Tesis, JTE-FTI, ITS.
22.
Mohapatra dan Krishnamurthy, (2005), ”Ad Hoc Networks Technologies And Protocols”, Springer.
23.
Pablo B., (1997), “A Technical Tutorial on the IEEE 802.11 Protocol”, BreezeCOM Wireless Communication.
24.
Prassad, (2003), Principles of Digital Communication Systems and Computer Networks, Charles River Media.
25.
Putri N.K, (2010), “Karakterisasi Kanal Propagasi VHF Bergerak di Atas Permukaan Laut”, Tugas Akhir, JTE- FTI, ITS.
26.
Rifat A.S.M., dkk, (2010), “Packet Distribution Based Tuning of RTS Threshold in IEEE 802.11”, IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC), p. 1-6.
27.
Royer E.M., Chai K.T., (1999), “A Review of Current Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless Networks” IEEE Personal Communications, vol. 6, issue: 2, p. 46-55.
28.
Sari, R.F., dkk, (2008), Analisa Kinerja Protokol Routing Ad hoc On-demand Distance Vector (AODV) pada Jaringan Ad hoc Hybrid: Perbandingan Hasil Simulasi dengan NS-2 dan Implementasi pada Testbed dengan PDA, Prosiding MAKARA Teknologi, vol. 12, no. 1, April.
29.
Sarkar, S.K, dkk (2007), “Ad Hoc Mobile Wireless Networks: Principles, Protocols, and Applications”, Auerbach Publications.
30.
Tobagi, F.A. (1980), "Multi Access Protocols in Packet Communication Systems", IEEE Trans. Communication, vol. 28, issue: 4, p. 468-488.
31.
Yoshikawa T., dkk, (2010), “Development od 27MHz/40MHz Bands Maritime Wireless Ad-hoc Networks”, Proc. IEEE Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), p. 177-182.
32.
Yunarso, M. (2003), “Rancang Bangun Fitur Message pada Sistem Monitoring Posisi Kapal Laut melalui Kanal HF”, Tugas Akhir, JTE- FTI, ITS.
33.
Wismanu, (2004), “Evaluasi Unjuk Kerja Protokol Rute pada Jaringan Wireless Ad Hoc Multi Hop”, Tesis, JTE-FTI, ITS.
TERIMA KASIH
