Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
ISSN: 2088-9984
Pengaruh Preamble HT-Mixed dan HT-Greenfield Terhadap Throughput MAC DCF pada IEEE 802.11n Teuku Yuliar Arif 1,2) 1)
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala Program Studi Magister Teknik Elektro, Program Pascasarjana, Universitas Syiah Kuala Jl. Syech Abdul Rauf No. 7, Darussalam, Banda Aceh, Indonesia
2)
Email :
[email protected]
antara lain yaitu peningkatan data rate pada lapisan PHY, peningkatkan throughput dan penyediaan mekanisme QoS pada lapisan MAC. Adopsi hasil penelitian tersebut pada IEEE 802.11 dilakukan dengan amandemen standar IEEE 802.11g [2], 802.11a [3] dan 802.11e [4]. Amandemen paling akhir terhadap standar IEEE 802.11 untuk meningkatkan data rate lapisan PHY hingga 600 Mbps dan throughput lapisan MAC paling kurang 100 Mbps berdasarkan standar IEEE 802.11n [5]. Lapisan PHY pada IEEE 802.11n disebut juga sebagai High Throughput PHY atau disingkat HT-PHY. Pada lapisan HT-PHY diadopsi penggunaan transceiver Multiple Input Multiple Output (MIMO), Guard Interval 400/800 ns dan bandwidth kanal 20/40 MHz. Pada lapisan HT-PHY juga diperkenalkan dua tipe baru preamble PHY Layer Convergence Procedure (PLCP) yaitu HT-Mixed dan HT-Greenfield. Sementara itu, skema baru yang digunakan pada lapisan MAC IEEE 802.11n yaitu Aggregate MAC Service Data Unit (A-MSDU), Aggregate MAC Protocol Data Unit (A-MPDU) dan skema Block Acknowledgement (Block ACK). Di dalam paper ini, dilakukan analisis pengaruh penggunaan dua tipe baru preamble PLCP yaitu HT-Mixed dan HT-Greenfield terhadap throughput lapisan MAC DCF. Agar throughput DCF dapat diketahui, dilakukan pemodelan terhadap MAC DCF dan penurunan persamaan matematis yang dapat digunakan untuk menghitung durasi slot transmisi, slot collision dan slot error berdasarkan tipe preamble HT-Mixed dan HT-Greenfield. Persamaan matematis model DCF yang dihasilkan kemudian disimulasikan menggunakan Matlab agar throughput MAC DCF dapat diketahui. Bagian selanjutnya dari paper ini diorganisasikan sebagai berikut. Pada bagian 2 disampaikan studi tentang protokol IEEE 802.11n. Pada bagian 3 diuraikan pemodelan throughput MAC DCF menggunakan lapisan HT-PHY. Pada bagian 4 dilakukan simulasi dan pembahasan hasil simulasi. Pada bagian 5 disampaikan kesimpulan dan rencana penelitian lanjutan.
ABSTRAK Pada standar IEEE 802.11n diperkenalkan dua tipe preamble baru pada sub lapisan PLCP yaitu HT-Mixed dan HT-Greenfield. Preamble HT-Mixed digunakan untuk penyediaan kompatibilitas dengan standar IEEE 802.11b,a,g dan preamble HT-Greenfield hanya digunakan untuk pengiriman MSDU pada STA HT. Paper ini menganalisis pengaruh penggunaan kedua preamble baru tersebut terhadap throughput MAC DCF. Agar throughput dapat diketahui, dilakukan pemodelan dan penurunan persamaan matematis pengiriman MSDU menggunakan skema DCF dan lapisan HT-PHY. Hasil simulasi menggunakan Matlab memperlihatkan HTGreenfield menghasilkan throughput MAC DCF yang lebih tinggi dibandingkan HT-Mixed pada transmisi MSDU yang berukuran besar.
Kata kunci HT-Mixed,HT-Greenfield,Throughput, DCF, IEEE 802.11n
1. Pendahuluan Saat ini jaringan Wireless Local Area Network (WLAN) standar IEEE 802.11 telah digunakan secara luas untuk menghubungkan berbagai perangkat mobile seperti smartphone, tab dan notebook. Standar IEEE 802.11 menetapkan mekanisme kerja dua lapisan terbawah model referensi ISO/OSI, yaitu lapisan Medium Access Control (MAC) dan lapisan Physical (PHY) [1]. Lapisan MAC IEEE 802.11 berfungsi untuk menerima paket data yang disebut MAC Service Data Unit (MSDU) dari lapisan atas dan lapisan PHY berfungsi untuk menerima paket data yang disebut PHY Service Data Unit (PPDU) dari lapisan MAC. PSDU kemudian ditransmisikan melalui medium wireless menggunakan metode akses kanal Distributed Coordination Fuction (DCF). Perkembangan penggunaan standar IEEE 802.11 telah menarik perhatian para peneliti untuk melakukan penelitian dan pengembangan lanjutan. Penelitian yang dilakukan telah banyak menghasilkan perkembangan baru 92
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
ISSN: 2088-9984
2. Studi Protokol IEEE 802.11n
H
Aliran transmisi MSDU
2.1 802.11n MAC DCF Fungsi utama lapisan MAC IEEE 802.11 adalah menerima dan mengantarkan paket data dari sub lapisan LLC/SNAP sumber ke LLC/SNAP tujuan seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1. Paket data yang telah diterima oleh lapisan MAC disebut sebagai MAC Service Data Unit (MSDU). Pada lapisan MAC, setiap MSDU dapat mengalami proses pemberian nomor urut, fragmentasi, enkripsi, proteksi integritas, pemberian header MAC dan trailer CRC untuk membentuk MAC Protocol Data Unit (MPDU). Pada lapisan MAC 802.11n, beberapa MSDU dapat dikirim secara bersamaan menggunakan A-MSDU, A-MPDU dan Block ACK. MPDU yang telah diproses oleh lapisan MAC kemudian diserahkan pada lapisan HT-PHY untuk ditransmisikan ke station (STA) tujuan melalui kanal wireless. Penggunaan kanal wireless pada IEEE 802.11 diatur berdasarkan metode akses kanal yang digunakan yaitu Distributed Coordination Function (DCF) atau Hybrid Coordination Function (HCF). Pada DCF, penggunaan kanal wireless diatur berdasarkan mekanisme contention. HCF merupakan ekstensi dari skema DCF dan memiliki keunggulan dapat memberikan prioritas akses yang berbeda berdasarkan klasifikasi jenis trafik. Skema DCF mengatur koordinasi secara terdistribusi penggunaan kanal wireless antar STA dalam sebuah jaringan WLAN. Sebelum MPDU ditransmisikan, STA transmitter terlebih dahulu melakukan carrier sense untuk mengetahui apakah ada STA lain sedang menggunakan kanal wireless. Jika kanal wireless dalam kondisi idle ditandai dengan kemunculan durasi Distributed Inter Frame Space (DIFS) maka STA dapat memulai proses transmisi MPDU. Namun jika selama durasi DIFS kanal diketahui dalam kondisi sibuk, maka STA akan menunda proses transmisi sampai kanal kembali dalam kondisi idle. Jika kanal dalam kondisi idle, STA dapat menjalankan proses backoff seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2. Proses backoff menghasilkan durasi waktu acak (random) tambahan yang harus ditungu oleh sebuah STA sebelum dapat mentransmisikan MPDU. Nilai counter pada proses backoff akan didekremen saat satu time slot diketahui dalam kondisi idle. Pada saat nilai counter backoff sudah mencapai nol dan kanal masih dalam kondisi idle baru kemudian MPDU dapat ditransmisikan melalui kanal wireless.
H
LLC/SNAP
Paket data
MSDU
MSDU
Agregasi A-MSDU
De-agregasi A-MSDU
PS defer Queuing
MSDU Integrity and Protection
Aliran penerimaan MSDU
Protokol IEEE 802.11 terdiri dari dua lapisan utama yaitu MAC dan PHY. Lapisan MAC menyediakan Service Access Point (SAP) yang digunakan sebagai interface untuk aliran paket data dari dan ke lapisan protokol atas. Paket data yang telah diproses oleh lapisan MAC kemudian diserahkan pada lapisan PHY untuk ditransmisikan melalui kanal wireless.
Paket data
De-fragmentasi
Sequence Number Assigment
Block Ack Re-ordering MPDU Decription and Integrity
MAC
Fragmentasi MPDU Encription and Integrity
Duplicate Removal
MPDU Header + CRC
MPDU Header + CRC Validation
Agregasi A-MPDU
De-agregasi A-MPDU
HT-PHY
HT-PHY Kanal wireless: MIMO-OFDM
Gambar 1 Aliran MSDU melalui lapisan MAC IEEE 802.11n
1-p W-1
1-p W-1
+
0 ,0
p W1
2,0
p W2 1
0 ,W-3
+
0 ,W-2
1
p W1 …
1,1
1
p W2
p W
1-p W-1 +
…
0 ,1
1
p W1 1,0
1-p W-1 +
p W2
p W 1
p W 0-,1
…
p W 0-,W-2
1
0-,W-1
p W1 1,W1-2
1,W1-1
1
p W2 …
2,1
0-,0
2,W2-2
1
2,W2-1
… R-1,0 p WR R,0
p WR
p WR 1
R,1
p WR …
R,WR-2
1
R,WR-1
Gambar 2 Model Markov chain proses backoff skema DCF
Jika pada saat yang bersamaan ada lebih dari satu STA memiliki nilai counter backoff sama dengan nol, maka kedua STA dapat melakukan transmisi MPDU. Kondisi ini mengakibatkan MPDU yang ditransmisikan dapat saling bertabrakan (collision) pada kanal wireless. Untuk mengevaluasi performansi skema DCF, Bianchi mengajukan model analitikal yang memodelkan proses backoff skema DCF menggunakan Markov chain [6]. Namun model Bianchi menggunakan asumsi pengurangan counter backoff tidak sesuai penjelasan dokumen standar IEEE 802.11. Tinnirello dkk. [7] mengajukan model Markov chain yang lebih akurat untuk memperkirakan throughput skema DCF dengan memperhatikan pengaruh kemunculan slot anomali. Namun model Tinnirello tidak memperhatikan pengaruh penggunaan preamble HT-Mixed dan HT-Greenfield pada lapisan HT-PHY sesuai penjelasan standar IEEE 802.11n. Pada paper [8] dilakukan analisis throughput A-MSDU 93
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
ISSN: 2088-9984
dan Block ACK menggunakan model analitikal dan simulasi NS-3.
Penelitian terkait preamble PLCP pada lapisan HTPHY diantaranya dilakukan oleh Wenxuan dkk. [9] dan Abu-Sharkh dkk. [10]. Paper [9] mengajukan desain baru deretan HT-LTF yang dapat memperkirakan kondisi kanal MIMO. Namun perubahan deretan HT-LTF tersebut menyebabkan preamble PLCP menjadi tidak kompatibel dengan standar IEEE 802.11n. Paper [10] menginvestigasi pengaruh preamble HT-Greenfield pada anomali performansi multi rate menggunakan A-MSDU dan AMPDU. Namun hasil analisis tidak memperlihatkan performansi throughput menggunakan skema DCF. Sementara itu paper [11] mengajukan model analitikal untuk memperkirakan frame error probability pada skema DCF menggunakan lapisan HT-PHY.
2.2 High Throughput PHY Lapisan HT-PHY terdiri dari dua sub lapisan yaitu Physical Layer Convergence Procedure (PLCP) dan Physical Medium Dependent (PMD). Sub lapisan PLCP berfungsi untuk menerima MPDU dari lapisan MAC dan disebut sebagai PHY Service Data Unit (PSDU). Setiap PSDU akan diacak, di-interleave dan dikodekan serta ditambahkan preamble PLCP untuk membentuk PHY Protocol Data Unit (PPDU). Preamble PLCP berfungsi untuk membawa informasi yang dibutuhkan oleh receiver agar PPDU yang diterima dapat didekodekan dengan benar. Pada IEEE 802.11n, PSDU dapat dikodekan menggunakan Binary Convolutional Code (BCC) atau Low Density Parity Check (LDPC). Pada HT-PHY, preamble PLCP dapat berupa HTMixed atau HT-Greenfield. Struktur preamble PLCP diperlihatkan pada Gambar 3. Elemen pembentuk preamble PLCP diperlihatkan pada Tabel 1. Di sisi receiver, informasi pada preamble PLCP digunakan untuk mengetahui jenis coding, modulasi dan jumlah spatial stream yang digunakan oleh transmitter sehingga PSDU yang dibawa dapat diekstrak dengan benar oleh receiver. Format preamble HT-Mixed digunakan untuk menyediakan kompatibilitas dengan STA yang menggunakan standar IEEE 802.11b/g/a (non-HT). Bagian L-STF, L-LTF dan L-SIG pada struktur HT-Mixed digunakan oleh STA non-HT. Sedangkan bagian HT-STF, HT-LTF dan HT-SIG digunakan oleh STA IEEE 802.11n (HT). Format preamble HT-Greenfield tidak menyediakan kompatibilitas dengan standar sebelumnya dan hanya dapat digunakan oleh STA HT. Sub lapisan PMD berfungsi untuk mengatur bagaimana PPDU ditransmisikan melalui kanal wireless seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4. Bandwidth 20/40 MHz pada HT-PHY dimultiplek menjadi 56/114 subcarrier OFDM. Bit-bit pada bagian preamble HT-Mixed dan HTGreenfield dimodulasikan pada subcarrier OFDM menggunakan Binary Phase Shift Keying (BPSK) atau Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) dengan coding rate 1/2. Bit-bit pada bagian PSDU dimodulasikan pada subcarrier OFDM menggunakan BPSK, QPSK, 16Quadrature Amplitude Modulation (16-QAM) atau 64QAM dengan coding rate 1/2, 2/3, 3/4, atau 5/6. Antar simbol OFDM disisipkan Guard Interval (GI) 800 ns atau Short Guard Interval (SGI) 400 ns. Simbol OFDM yang membawa bit-bit PPDU kemudian ditransmisikan menggunakan transceiver MIMO dengan 1, 2, 3 atau 4 spatial stream. Penggunaan ukuran bandwidth, tipe pengkodean, coding rate, jenis modulasi dan jumlah spatial stream pada standar IEEE 802.11n dibedakan berdasarkan indek Modulation and Coding Scheme (MCS).
8µs L-STF
8µs
4µs
L-LTF
LSIG
8µs
4µs
HT-SIG
HTSTF
Data HT-LTFs 4µs per LTF HTHT... LTF LTF
Ext. HT-LTFs 4µs per LTF HTHT... LTF LTF
Data
(a) Preamble HT-Mixed 8µs
8µs
8µs
HT-GFSTF
HT-LTF1
HT-SIG
Data HT-LTFs 4µs per LTF HTHT... LTF LTF
Ext. HT-LTFs 4µs per LTF HTHT... LTF LTF
Data
(b) Preamble HT-Greenfield
Gambar 3 Struktur preamble PLCP pada IEEE 802.11n
Elemen L-STF L-LTF L-SIG HT-SIG HT-STF HT-GF-STF HT-LTF1 HT-LTF
Tabel 1 Elemen preamble PLCP Keterangan Non-HT Short Training field Non-HT Long Training field Non-HT SIGNAL field HT SIGNAL field HT Short Training field HT-Greenfield Short Training field HT Long Training field pertama HT Long Training field tambahan
MAC
MPDU
L-SIG
HT-SIG
PSDU
TAIL (BCC)
PHY PLCP Non-HT Training Symbols
PHY PMD
Non-HT Preamble
L-SIG
HT-SIG
L-SIG
HT-SIG
OFDM BPSK Rate 1/2
OFDM QBPSK Rate 1/2
HT Training Symbols
HT Training
Scrambling + Coding PSDU
PAD
Data (simbol OFDM) OFDM, MCS
(a) Model transmisi HT-Mixed MAC
MPDU
HT-SIG
PSDU
TAIL (BCC)
PHY PLCP HT Training Part1
PHY PMD
HT Training Part1
HT-SIG
HT-SIG OFDM QBPSK Rate 1/2
HT Training Symbols
HT Training
Scrambling + Coding PSDU
PAD
Data (simbol OFDM) OFDM, MCS
(b) Model transmisi HT-Greenfield Gambar 4 Prosedur transmisi HT-Mixed dan HT-Greenfield
94
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
(a) Slot Idle
ISSN: 2088-9984
dkk. pada paper [7] adalah durasi masing-masing tipe slot akan bertambah lama sebanyak satu slot. Jika sebuah STA berhasil mentransmisikan sebuah MSDU dan kemudian kembali melakukan proses backoff untuk mentransmisikan MSDU berikutnya, maka probabilitas STA tersebut berhasil mentransmisikan MSDU berikutnya pada slot transmisi yang sama atau probabilitas STA tersebut berhasil mengekstrak nilai backoff counter sama dengan nol adalah . Oleh karena itu durasi rata-rata kanal dalam kondisi sibuk karena ada satu atau multiple MSDU berhasil ditransmisikan oleh sebuah STA dalam satu slot transmisi dapat dihitung sebagai berikut :
σ TI
(b) Slot Transmisi
HTPHY
MAC
MSDU
FCS SIFS
HTPHY
ACK
DIFS
TS-MSDU (c) Slot collision
HTPHY
MAC
MSDU
FCS
σ
EIFS
Slot anomali
TC-MSDU (d) Slot MPDU error
HTPHY
MAC
MSDU
FCS
σ
EIFS
Slot anomali
TE-MPDU (e) Slot ACK error
HTPHY
MAC
MSDU
FCS SIFS
σ Slot anomali
HTPHY
TE-ACK
ACK
DIFS
σ Slot anomali
Gambar 5 Pemodelan slot DCF
(2)
3. Pemodelan Throughput DCF IEEE 802.11n adalah durasi keberhasilan transmisi sebuah MSDU. Pada mode transmisi Basic Access, dapat dihitung sebagai berikut :
Throughput DCF didefinisikan sebagai jumlah bit MSDU yang dapat ditransmisikan dalam satu slot transmisi menggunakan skema DCF. Throughput MSDU melalui MAC DCF dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut :
(3) dan adalah durasi waktu yang dibutuhkan untuk mentransmisikan MPDU dan sebuah ACK. adalah delay propagasi, adalah durasi Short Inter Frame Space (SIFS) dan adalah durasi DIFS. Pada mode transmisi RTS/CTS, dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut :
(1) Pada persamaan (1), adalah rata-rata panjang MSDU yang dapat dikirimkan dalam satu slot transmisi, adalah probabilitas transmisi MSDU berhasil dilakukan dalam satu slot transmisi dan adalah perkiraan durasi waktu total yang dibutuhkan untuk mentransmisikan MSDU pada skema DCF. Untuk menghitung , skema skema DCF dapat dimodelkan terdiri dari lima tipe slot yang berbeda seperti yang diperlihatkan pada Gambar 5. Kelima tipe slot tersebut adalah : - Slot idle ( ); - Slot Transmisi ( ), yaitu rata-rata durasi kanal dalam kondisi sibuk karena MSDU berhasil ditransmisikan; - Slot Collision ( ), yaitu rata-rata durasi kanal dalam kondisi sibuk karena MSDU yang sedang ditransmisikan mengalami collision; - Slot MSDU error ( ), yaitu rata-rata durasi kanal dalam kondisi sibuk karena MSDU yang sedang ditransmisikan mengalami error; - Slot ACK error ( ) yaitu rata-rata durasi kanal dalam kondisi sibuk karena ACK yang sedang ditransmisikan mengalami error. Model DCF yang diajukan memperhitungkan pengaruh kemunculan slot anomali pada tipe slot transmisi, collision dan error. Pengaruh kemunculan slot anomali pada masing-masing tipe slot sebagaimana penjelasan Tinnirello
(4)
pada persamaan (3) dan (4) adalah overhead lapisan HT-PHY dan dapat dihitung berdasarkan jenis preamble PLCP yang digunakan. Jika digunakan preamble HT-Mixed maka : (5)
Jika preamble PLCP yang digunakan adalah HTGreenfield maka : (6) pada persamaan (5) dan (6) adalah jumlah spatial stream yang digunakan pada transceiver MIMO untuk mentransmisikan MPDU. Durasi waktu dan bergantung pada indek MCS dan jenis pengkodean yang digunakan pada lapisan HT-PHY. Jika digunakan pengkodean BCC, maka dan dapat dihitung sebagai berikut :
95
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
ISSN: 2088-9984
kanal dalam kondisi sibuk yang diakibatkan oleh adanya MPDU mengalami error dapat dihitung sama dengan persamaan (9), yaitu: (14) Jika MPDU yang ditransmisikan berhasil diterima dengan baik oleh STA receiver namun ACK yang diterima oleh STA transmiter mengalami kerusakan, maka rata-rata durasi kanal sibuk akibat pengiriman ACK yang mengalami error dapat dihitung sama dengan , jadi : (15) Dari persamaan-persamaan di atas maka durasi slot transmisi MSDU pada persamaan (1) dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut :
(7)
Jika pada lapisan HT-PHY digunakan pengkodean LDPC, maka dan dapat dihitung sebagai berikut : (8)
Pada persamaan (7) dan (8), operasi merupakan fungsi ceiling (batas atas) yang menghasilkan bilangan integer terkecil lebih besar atau sama dengan nilai argumennya. , , , , , , dan masing-masing adalah durasi simbol OFDM, panjang bagian SERVICE, panjang header MAC, ukuran MSDU, panjang FCS, panjang bagian TAIL, dan panjang bagian PAD. adalah jumlah bit per simbol OFDM sesuai indek MCS yang digunakan untuk mentransmisikan MSDU melalui HT-PHY. Berdasarkan pemodelan slot DCF pada Gambar 5, jika diketahui MSDU mengalami collision pada saat ditransmisikan, maka semua STA (selain STA yang mentransmisikan MSDU yang mengalami collision) akan menunggu durasi collision sebelum melanjutkan proses backoff. Jadi rata-rata durasi kanal dalam kondisi sibuk karena ada MSDU yang sedang ditransmisikan mengalami collision dengan memperhatikan pengaruh slot anomali dapat dihitung sebagai berikut : (9) Jika MSDU yang mengalami collision ditransmisikan menggunakan mode transmisi Basic Access, dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut : (10) dan jika menggunakan mode transmisi RTS/CTS, dihitung sebagai berikut : (11) dapat dihitung sebagai berikut : (12) Sementara itu, STA yang mentransmisikan frame yang mengalami collision akan menunggu selama durasi sebelum menjalankan proses backoff selanjutnya. Berdasarkan standar 802.11n [5], dapat dihitung sebagai berikut : (13) Jadi STA yang mentransmisikan MSDU yang mengalami collision menunggu durasi sama besar dengan STA lainnya. Skema DCF tidak dapat membedakan MPDU yang mengalami kerusakan diakibatkan oleh collision atau diakibatkan oleh error pada kanal wireless, maka rata-rata
(16) adalah probabilias sebuah slot dalam kondisi idle, adalah probabilitas MSDU berhasil ditransmisikan, dan adalah probabilitas MSDU mengalami kerusakan pada saat ditransmisikan yang diakibatkan bit error pada lapisan HT-PHY, dan adalah probabilitas MSDU mengalami kerusakan akibat adanya collision pada kanal. , dan masing-masing dapat dihitung sebagai berikut : (17) Probabilitas MSDU berhasil ditransmisikan dalam satu slot transmisi dapat dihitung sebagai berikut : (18) dan probabilitas sebuah MSDU mengalami collision ketika ditransmisikan dapat dihitung sebaga berikut : (19) Dengan memperhitungkan pengaruh slot anomali maka panjang rata-rata MSDU ketika ditransmisikan dalam satu slot transmisi yang sama dapat dihitung sebagai berikut :
(21)
4. Simulasi dan Pembahasan Hasil Pada bagian ini digunakan simulasi matematis untuk menganalisis pengaruh penggunaan preamble HT-Mixed dan HT-Greenfield terhadap throughput lapisan MAC DCF pada IEEE 802.11n. Throughput MSDU yang diterima di sisi LLC/SNAP tujuan dihitung berdasarkan
96
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
ISSN: 2088-9984
dua variabel, yaitu ukuran MSDU dan jumlah STA pada jaringan WLAN. Pengaruh kedua variabel tersebut terhadap throughput model DCF disimulasikan menggunakan Matlab. Parameter simulasi diperlihatkan pada Tabel 2. Simulasi performansi throughput skema MAC DCF melalui lapisan HT-PHY berdasarkan variable ukuran MSDU diatur sebagai berikut. Ukuran MSDU yang ditransmisikan adalah 200-2200 byte. Sebelum diserahkan pada pada lapisan HT-PHY, MSDU terlebih dahulu ditambahkan 30 byte header MAC dan 4 byte FCS oleh lapisan MAC untuk membentuk MPDU. Ukuran Contention Window minimum (CWmin) proses backoff skema DCF adalah 15 dan Contention Window maximum (CWmax) adalah 1023. Pada sub lapisan PLCP, susunan bit MPDU diacak, dikodekan dengan BCC 5/6, ditambahkan 4 byte padding dan diberikan preamble HT-Mixed atau HT-Greenfield. Pada sublapisan PMD, PPDU yang sudah terbentuk kemudian dimodulasikan menggunakan 64-QAM pada subcarrier OFDM dan ditransmisikan menggunakan 1, 2, 3 atau 4 spatial stream. Di sisi receiver, simbol-simbol OFDM yang membentuk preamble HT-Mixed atau HTGreenfield didekodekan untuk diketahui jenis modulasi dan coding rate yang digunakan agar PSDU dapat diekstrak menjadi MPDU dengan benar. MPDU yang telah diterima oleh lapisan MAC tujuan akan direspon dengan pengiriman 14 byte ACK pada STA transmitter. Pada simulasi diasumsikan jumlah STA adalah 5 dan kondisi Bit Error Rate (BER) kanal wireless adalah 10-7.
(a) Bandwidth 20 MHz
Tabel 2 Elemen preamble PLCP Parameter DCF CWmin : 15 CWmax : 1023 Maks. retransmisi :7 Durasi slot : 9 µs SIFS : 16 µs DIFS : 34 µs MAC header : 30 byte MSDU (byte) : 200-2200 FCS : 4 byte ACK : 14 byte Mode transmisi : Basic Access Jumlah STA : 5-50 Parameter HT-PHY Modulasi : 64-QAM Pengkodean : BCC Coding Rate : 5/6 Bandwidth : 20/40 MHz Pading : 4 byte Guard Interval (SGI/GI) : 400/800 ns Jumlah spatial stream : 1/2/3/4 Data Rate (GI, 20MHz) : 65/130/195/260 Mbps Data Rate (SGI, 20MHz) : 72,2/144,4/216,7/288,9 Mbps Data Rate (GI, 40MHz) : 135/270/405/540 Mbps Data Rate (SGI, 40MHz) : 150/300/450/600 Mbps BER : 10-5/10-6/10-7 Delay propagasi : 1 µs
(b) Bandwidth 40 MHz Gambar 6 Throughput HT-Mixed
Hasil simulasi performasi throughput MAC DCF menggunakan preamble HT-Mixed diperlihatkan pada Gambar 6. Gambar 6(a) memperlihatkan pada transmisi MSDU dengan ukuran 200 byte, menggunakan preamble HT-Mixed dan bandwidth 20 MHz, dihasilkan throughput MAC DCF sama dengan 10 Mbps untuk transmisi menggunakan 1, 2, 3 dan 4 spatial stream dan menggunakan 400/800 ns Guard Interval. Jika ukuran MSDU yang dikirim dibesarkan maka throughput MAC DCF menjadi meningkat. Pada transmisi 2200 byte MSDU, throughput MAC DCF meningkat menjadi 70 Mbps. Kondisi throughput tersebut diperoleh menggunakan transmisi 4 spatial stream dan 400 ns Guard Interval. Jika 2200 byte MSDU ditransmisikan hanya menggunakan 1 spatial stream dan GI 800 ns, throughput MAC DCF adalah 38 Mbps. Gambar 6(b) memperlihatkan throughput pengiriman 200 byte MSDU menggunakan HT-Mixed dan bandwidth 40 MHz adalah sama seperti menggunakan bandwidth 20 MHz, yaitu 10 Mbps. Kondisi throughput yang sama tersebut diperoleh pada transmisi menggunakan 1, 2, 3
97
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
ISSN: 2088-9984
dan 4 spatial stream dan menggunakan Guard Interval 400/800 ns. Namun pada transmisi 2200 byte MSDU, throughput bandwidth 40 Mhz lebih tinggi dibandingkan 20 MHz. Pada transmisi menggunakan 1 spatial stream dan GI 800 ns, throughput MAC DCF meningkat menjadi 58 Mbps. Throughput maksimum HT-Mixed 82 Mbps diperoleh menggunakan transmisi 4 spatial stream dan 400 ns Guard Interval. Hasil simulasi performansi throughput MAC DCF menggunakan HT-Greenfield diperlihatkan pada Gambar 7. Gambar 7(a) dan 7(b) memperlihatkan throughput pengiriman 200 byte MSDU menggunakan HTGreenfield pada bandwidth 20/40 MHz relatif sama dengan transmisi menggunakan HT-Mixed. Namun pada pengiriman 2200 byte MSDU, throughput HT-Greenfield lebih tinggi dibandingkan HT-Mixed. Pada bandwidth 20 MHz, throughput maksmimum HT-Greenfield adalah 74 Mbps atau 4 Mbps lebih tinggi dibandingkan throughput HT-Mixed. Sementara itu, pada bandwidth 40 MHz, throughput maksmimum HT-Greenfield adalah 88 Mbps atau 8 Mbps lebih tinggi dibandingkan throughput HTMixed.
Simulasi performansi throughput skema MAC DCF melalui lapisan HT-PHY berdasarkan variable jumlah STA diatur sebagai berikut. Jumlah STA dalam jaringan WLAN adalah 5-50. Ukuran MSDU yang ditransmisikan adalah 2200 byte. Pada sub lapisan PLCP, MPDU diberikan preamble HT-Mixed atau HT-Greenfield. MPDU ditransmisikan menggunakan bandwidth 20/40 MHz dan 4 spatial stream. Diasumsikan BER kanal wireless adalah 10-7. Gambar 8 memperlihatkan hasil simulasi throughput maksimum skema MAC DCF menggunakan preamble HT-Mixed dan HT-Greenfield menurun ketika jumlah STA kompetitor dalam sebuah jaringan WLAN meningkat. Saat jumlah STA meningkat dari 5 menjadi 50, pada bandwidth 20 MHz throughput HT-Mixed menurun dari 68 Mbps menjadi 54 Mbps dan throughput HT-Greenfield menurun dari 75 Mbps menjadi 56 Mbps. Pada bandwidth 40 MHz throughput HT-Mixed menurun dari 81 Mbps menjadi 61 Mbps dan thoughput HTGreenfield menurun dari 88 Mbps menjadi 67 Mbps. Penurunan throughput ini disebabkan karena ketika jumlah STA meningkat maka probabilitas MPDU mengalami collision juga meningkat. Hasil simulasi memperlihatkan ketika jumlah STA meningkat, throughput yang dihasilkan oleh transmisi MPDU dengan HT-Greenfield lebih tinggi dibandingkan dengan HTMixed. Pada bandwidth 20 MHz dan jumlah STA 50, throughput HT-Greenfield adalah 56 Mbps atau 4 Mbps lebih tinggi dibandingkan throughput HT-Mixed. Sementara itu pada bandwidth 40 MHz, throughput HTGreenfield adalah 67 Mbps atau 6 Mbps lebih tinggi dibandingkan throughput HT-Mixed. Gambar 9 memperlihatkan hasil simulasi throughput MPDU yang ditransmisikan menggunakan HT-Mixed dan HT-Greenfield pada kondsi BER 10-5, 10-6 dan 10-7. Pada WLAN dengan 5 STA, bandwidth 40 MHz dan menggunakan 4 spatial stream, throughput HT-Mixed turun dari 81 Mbps menjadi 74 Mbps saat BER 10 -6 dan turun menjadi 34 Mbps saat BER 10-5. Throughput HTGreenfield turun dari 88 Mbps menjadi 82 Mbps saat BER 10-6 dan turun menjadi 42 Mbps saat BER 10-5. Pada saat jumlah STA meningkat menjadi 50, throughput HT-Mixed dan HT-Greenfield menurun pada masingmasing kondisi BER 10-5, 10-6 dan 10-7. Penurunan ini disebabkan pada saat kondisi BER memburuk, probabilitas MPDU dan ACK mengalami error menjadi meningkat.
(a) Bandwidth 20 MHz
(b) Bandwidth 40 MHz Gambar 7 Throughput HT-Greenfield
98
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
ISSN: 2088-9984
preamble yang lebih efisien namun tidak menyediakan kompatibilitas dengan standar sebelumnya. Penelitian lanjutan yang akan dilakukan adalah perancangan preamble PLCP bagi standar IEEE 802.11ac/ad yang lebih efisien dan kompatibel dengan standar terdahulu.
REFERENSI [1] Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band," IEEE Std 802.11b-1999 , vol., no., pp.i-90, 2000. [2] Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications," IEEE Std 802.11g2003, vol., no., pp.i-67, 2003. [3] Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band," IEEE Std 802.11a-1999 , vol., no., pp.i, 1999. [4] Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 8: Medium Access Control (MAC) Quality of Service Enhancements," IEEE Std 802.11e-2005, vol., no., pp.0_1189, 2005. [5] Wireless LAN Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 5: Enhancements for Higher Throughput," IEEE Std 802.11n-2009, vol., no., pp.1-565, Oct. 29 2009. [6] Bianchi, G.; , "Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function," Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, vol.18, no.3, pp.535547, Mar 2000. [7] Tinnirello, I.; Bianchi, G.; Yang Xiao; , "Refinements on IEEE 802.11 Distributed Coordination Function Modeling Approaches," Vehicular Technology, IEEE Transactions on , vol.59, no.3, pp.1055-1067, March 2010. [8] Arif, T.Y.; Sari, R.F., "An analytical model of A-MSDU scheme with enhanced Block ACK for IEEE 802.11n networks," Networks (ICON), 2012 18th IEEE International Conference on , vol., no., pp.291,298, 12-14 Dec. 2012. [9] Wenxuan Zhang; Jing Wang; Guixia Kang; , "A novel High Throughput Long Training Field sequence design for nextgeneration WLAN," Wireless Telecommunications Symposium (WTS), 2011 , vol., no., pp.1-5, 13-15 April 2011. [10] Abu-Sharkh, O.M.F.; Abdelhadi, M.J., "The impact of multi-rate operation on A-MSDU, A-MPDU and block acknowledgment in greenfield IEEE802.11n wireless LANs," Wireless Advanced (WiAd), 2011 , vol., no., pp.116,121, 20-22 June 2011. [11] Arif, T.Y.; Sari, R.F., "Frame Error Estimation for DCF Scheme with HT-PHY Performance Evaluation," The 2013 International Conference on Internet Services Technology and Information Engineering (ISTIE 2013), 12-13 May. 2013.
Gambar 8 Perbandingan throughput HT-Mixed dan HT-Greenfield
Gambar 9 Perbandingan throughput berdasarkan kondisi BER
4. Kesimpulan Di dalam paper ini telah dilakukan pemodelan skema DCF dan penurunan persamaan matematis untuk menghitung throughput pengiriman MSDU menggunakan preamble HT-Mixed dan HT-Greenfield pada MAC DCF IEEE 802.11n. Hasil simulasi menggunakan Matlab memperlihatkan penggunaan preamble HT-Mixed dan HTGreenfield untuk transmisi 200 byte MSDU menghasilkan throughput MAC DCF 10 Mbps. Namun pada transmisi 2200 byte MSDU menggunakan preamble HT-Greenfield, menghasilkan throughput MAC DCF yang lebih tinggi dibandingkan dengan transmisi MSDU menggunakan preamble HT-Mixed. Throughput maksimum HTGreenfield adalah 88 Mbps dan throughput maksimum HT-Mixed adalah 80 Mbps. Pada saat jumlah STA 50, throughput maksimum HT-Greenfield turun menajdi 67 Mbps dan throughput maksimum HT-Mixed turun menjadi 61 Mbps. Throughput HT-Greenfield lebih tinggi dibandingkan HT-Mixed disebabkan memiliki struktur
99
