Unjukkerja Standar ZigBee pada WPAN dengan Topologi Mesh

40

JNTETI, Vol. 1, No. 2, Agustus 2012

Unjukkerja Standar ZigBee pada WPAN dengan Topologi Mesh Eka Wahyudi1, Risanuri Hidayat2, Sujoko Sumaryono3

Abstract ZigBee standard can be used in wireless sensor networks (WSN) with a mesh topology. WSN which formed WPAN that uses ZigBee standard has the capability to thousands of WSN devices can be combined in a single WPAN. With that ability need to do testing WPAN performance parameters to get the number of WSN devices for the best performance in mesh topology. Using simulation program, the research measure throughput, traffic (sent, receive and drop), delay and hop number parameters. Testing about the influence of the number of WSN devices is done by running a simulation of the 20 kind WPAN where every WPAN has one WSN gateway and the number of WSN devices ranging from 5 and increasingly by 5 to reach the 100 WSN devices in a single WPAN. The results showed that WPAN performance with ZigBee standard in mesh topology has the best conditions when the maximum number WSN devices achieve 20 WSN devices. Intisari Standar ZigBee dapat dipergunakan pada jaringan sensor nirkabel (WSN) dengan topologi mata jala (mesh). WPAN yang berupa WSN yang mempergunakan standar ZigBee memiliki kemampuan hingga ribuan perangkat WSN dapat digabungkan dalam satu WPAN. Dengan kemampuan tersebut perlu dilakukan pengujian parameter unjukkerja WPAN untuk mendapatkan jumlah perangkat WSN yang paling baik pada topologi mesh. Dengan mempergunakan program simulasi, penelitian ini mengukur parameter throughput, traffic (sent, receive dan drop), delay, dan jumlah hop. Pengujian terhadap pengaruh jumlah perangkat WSN dilakukan dengan menjalankan simulasi terhadap 20 WPAN dimana setiap WPAN memiliki satu gateway dan jumlah perangkat WSN mulai dari 5 dan bertambah dengan kelipatan 5 hingga mencapai jumlah 100 perangkat WSN dalam satu WPAN. Hasil penelitian menunjukkan bahwa unjukkerja WPAN dengan standar ZigBee pada topologi mesh memiliki kondisi terbaik pada saat jumlah perangkat WSN maksimum berjumlah 20 perangkat WSN. Kata Kunci

WPAN, ZigBee, throughput, delay, hop number.

I. PENDAHULUAN Pemanfaatan jaringan wilayah personal nirkabel (wireless personal area network, WPAN) mengalami perkembangan dan peningkatan yang semakin tinggi. Hal ini dapat terjadi dikarenakan penggunaan media yang bersifat nirkabel untuk mengirimkan isyarat informasi dalam sistem telekomunikasi memiliki berbagai keuntungan. Keuntungan yang dimaksud antara lain yaitu penggunaan media nirkabel untuk mengirimkan isyarat informasi mampu mengatasi keterbatasan jarak jangkauan/pancaran isyarat untuk wilayah yang memiliki keadaan geografis yang sulit (berbukit, bergunung, berdanau, dan lain-lain). Pada kondisi keadaan 1, 2, 3 Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jln. Grafika No. 2 Yogyakarta 55281 INDONESIA (telp: 0274-510983; fax: 0274-510983; e-mail: [email protected])

ISSN 2301

4156

geografis tersebut, penggunaan media komunikasi kabel untuk pengiriman isyarat informasi disamping kurang fleksibel juga membutuhkan biaya yang besar (high cost). Untuk itulah pada lingkungan yang dengan kondisi lingkungan dan medan yang ekstrem dan memiliki kesulitan yang tinggi, pemanfaatan media komunikasi nirkabel dapat lebih cepat direalisasikan dan lebih murah serta mampu menekan biaya komunikasi [1]. Standar Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) yang mengatur/merekomendasikan komunikasi nirkabel dikelompokkan dalam satu kelompok tersendiri, yaitu kelompok standar IEEE 802.xx.x. Khusus untuk standar komunikasi nirkabel yang bersifat personal maupun yang bersifat khusus (adhoc) dikelompokkan lagi dalam kelompok standar yang lebih khusus, yaitu kelompok standar IEEE 802.15.x. Kelompok standar ini merupakan standar yang diterapkan pada jaringan wilayah personal nirkabel. Dalam implementasinya pada WPAN standar IEEE 802.15.x ini pun masih dikelompokkan lagi dalam beberapa kelompok dengan fungsi yang berbeda-beda. Beberapa kelompok standar dalam WPAN tersebut diantaranya yaitu standar IEEE 802.15.1 untuk standar komunikasi Bluetooth, standar IEEE 802.15.2 merupakan standar untuk menyatukan antara WPAN (standar IEEE 802.15) dengan WLAN (IEEE 802.11), standar IEEE 802.15.3 untuk standar komunikasi personal dengan laju data tinggi (high rate), standar IEEE 802.15.4 untuk standar komunikasi personal dengan laju data rendah (low rate), standar IEEE 802.15.5 untuk standar komunikasi personal dengan laju data rendah (low rate) yang dikhususkan pada topologi mata jala (mesh), standar IEEE 802.15.6 untuk standar komunikasi personal pada aplikasi jaringan wilayah tubuh (body area network, BAN) dan standar IEEE 802.15.7 untuk standar komunikasi personal khusus untuk penggunaan pada komunikasi cahaya tampak (visible light communication, VLC) [2]. Standar ZigBee, yang dikembangkan oleh ZigBee Alliance, merupakan standar yang dibangun berlandaskan/berdasarkan standar IEEE 802.15.4. Dalam implementasinya pada WPAN, standar ZigBee dapat diaplikasikan pada jaringan sensor nirkabel (wireless sensor network, WSN). Aplikasi WSN dengan standar ZigBee pada WPAN tersebut terutama diperuntukkan pada layanan laju data rendah (low rate) [2], [3]. Dengan demikian standar ZigBee yang juga merupakan bagian dari kelompok standar IEEE 802.xx, memang dirancang untuk menyediakan layanan komunikasi nirkabel dengan laju data rendah (low rate), dengan laju data maksimal 250 kbps, baik untuk komunikasi yang bersifat statis ataupun komunikasi yang bersifat dinamis. Topologi yang dapat dipergunakan pada implementasi standar ZigBee dapat berupa topologi bintang (star), topologi pohon (tree) maupun topologi mata jala (mesh). Mekanisme pengalamatan pada standar ZigBee mampu mendukung atau memiliki

Unjukkerja Standar ZigBee

JNTETI, Vol. 1, No. 2, Agustus 2012 kemampuan hingga 65.000 alamat dalam satu jaringan untuk jenis pengalamatan 16 bit [1]. WPAN yang dibentuk dari implementasi standar ZigBee, misalnya perangkat WSN, memiliki kemampuan hingga 65.000 perangkat WSN yang dapat digabungkan dalam satu jaringan. Salah satu topologi dalam membentuk WPAN yaitu dengan mempergunakan topologi mata jala (mesh). Dengan topologi mata jala (mesh), maka tersedia beberapa jalur pilihan/alternatif untuk membentuk jalur komunikasi antar perangkat WSN. Dalam aplikasi perangkat WSN, parameter yang penting untuk diamati dalam hal pengaruh jumlah perangkat WSN yaitu waktu tunda (delay time), hilangnya informasi (data drop), lewatan informasi (throughput data), jumlah loncatan (hop number). Meskipun standar ZigBee dinyatakan mampu mendukung hingga sejumlah 65.000 perangkat WSN dalam satu jaringan, namun unjukkerja parameter di atas dalam implementasi standar ZigBee pada perangkat WSN dengan topologi mata jala (mesh) perlu dibuktikan. Pembuktian tersebut dapat dilakukan dengan menguji parameter tersebut terhadap perubahan jumlah perangkat WSN dalam WPAN. Dari pembuktian tersebut akan dapat diketahui jumlah perangkat WSN yang paling baik (optimal) dalam membentuk WPAN yang mempergunakan standar ZigBee dengan topologi mata jala (mesh). II. TINJAUAN PUSTAKA DAN TEORI A. Tinjauan Pustaka Pemanfaatan personal area network (PAN) sebagai jaringan yang bersifat personal semakin pesat perkembangannya, terutama dengan penggunaan teknologi nirkabel yang menghasilkan teknologi wireless personal area network (WPAN). Dengan teknologi nirkabel maka keterbatasan penggunaan teknologi kabel (wired) seperti keterbatasan jarak jangkauan/pancaran isyarat untuk wilayah dengan keadaan geografis yang sulit (perbukitan, pegunungan, danau, rawa dan lain-lain) dapat teratasi. Penggunaan teknologi nirkabel pada kondisi tersebut membuat komunikasi menjadi lebih fleksibel dan juga dapat menekan biaya komunikasi menjadi lebih murah (low cost) [1]. Implementasi WPAN dapat mempergunakan standar yang dikeluarkan oleh Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Standar IEEE yang dapat dipergunakan dalam komunikasi personal dengan laju data rendah (low rate) yaitu standar IEEE 802.15.4 atau standar ZigBee [2], yang merupakan pengembangan dari standar IEEE 802.15.4 yang dikembangkan oleh ZigBee Alliance. Implementasi standar ZigBee untuk membentuk WPAN salah satunya dapat mempergunakan perangkat sensor untuk membentuk jaringan sensor nirkabel (wireless sensor network, WSN). Pemanfaatan WSN dengan mempergunakan standar ZigBee pada WPAN umumnya diperuntukkan pada layanan dengan laju data yang rendah (low rate) [2], [3] pada komunikasi nirkabel baik untuk komunikasi yang bersifat statis ataupun komunikasi yang bersifat dinamis. Dukungan topologi jaringan yang dapat diimplementasikan pada standar ZigBee antara lain berupa topologi bintang (star), topologi pohon (tree) maupun topologi mata jala (mesh). Secara teoritis berdasarkan


41 spesifikasi dari standar ZigBee, WPAN dapat terbentuk dari perangkat WSN dengan standar ZigBee hingga mencapai 65.000 perangkat WSN sekaligus dalam satu jaringan untuk jenis pengalamatan 16 bit [1]. Dari beberapa penelitian, implementasi standar ZigBee pada WSN telah dapat diterapkan dengan baik pada topologi jaringan bintang (star) maupun topologi pohon (tree/cluster tree). Sedangkan implementasi standar ZigBee pada WSN dengan topologi mata jala (mesh) masih diteliti lebih lanjut unjukkerjanya. Hal ini juga yang melatarbelakangi akan dikeluarkannya standar baru dari IEEE yang masih berada dalam kelompok standar nirkabel untuk PAN. Standar baru tersebut secara khusus diperuntukkan sebagai standar komunikasi personal untuk laju data rendah (low rate) dengan dukungan secara khusus pada topologi mata jala (mesh) yang diberi nama standar IEEE 802.15.5. Penelitian [1] membahas penelitian tentang pemulihan (recovery) jalur komunikasi antar perangkat WSN secara otomatis akibat adanya gangguan koneksi (link failure). Untuk pengjiannya, pengukuran parameter perangkat WSN melibatkan/mempergunakan dua buah perangkat WSN dan satu buah pintu gerbang jaringan (gateway) dengan mempergunakan topologi bintang (star). Pada penelitian [3] telah dibahas implementasi standar ZigBee pada WPAN dengan membandingkan unjukkerjanya pada topologi bintang, topologi pohon dan topologi mata jala (mesh). Tujuan dari penelitian tersebut yaitu untuk mengetahui unjukkerja protokol routing adhoc on demand distance vector (AODV) pada berbagai topologi jaringan yang berbeda dengan menganalisis parameter lewatan (throughput) dan jumlah loncatan (hop number). Penelitian [4] telah menyimpulkan penekanan pentingnya pemilihan bentuk topologi jaringan pada WSN yang mempergunakan standar IEEE 802.15.4/standar ZigBee. Beberapa parameter unjukkerja dari standar ZigBee yang diuji seperti luaran (throughput), data terkirim (traffic sent), data diterima (traffic receive) telah diukur pada penelitian tersebut. Pada penelitian tersebut, parameter yang diukur mempergunakan topologi jaringan pohon (tree/cluster tree) dan topologi jaringan mata jala (mesh) dan dilihat pengaruhnya terhadap fungsi peubah/perubahan waktu. Pada hasil penelitian yang lain [5] diperoleh kesimpulan hasil penelitian bahwa penggunaan alat bantu aplikasi untuk simulasi WSN mampu menghasilkan analisis unjukkerja jaringan yang akurat bagi para peneliti. Salah satu aplikasi yang dipergunakan dalam simulasi tersebut yaitu OPNET ® Modeler®. Penelitian yang lain [6] menunjukkan bahwa OPNET ® Modeler®. merupakan salah satu dari beberapa aplikasi simulasi yang bersifat berorientasi obyek (object oriented) dan bersifat discrete event simulation environment. OPNET ® Modeler® memiliki sumber daya dan kemampuan yang cukup baik untuk dipergunakan sebagai alat penelitian (research tool) dan juga sebagai alat desain dan analisis jaringan komunikasi (communication network design/analysis tool).

ISSN 2301 4156

42


B. Tinjauan Wireless Personal Area Network (WPAN) Standar dalam wireless personal area network (WPAN) ditetapkan oleh standar group ke-15 dari kelompok standar nirkabel IEEE 802.xx.x. Kelompok standar group ke-15 tersebut terdiri dari beberapa kelompok tugas yang memiliki tugas dan fungsi untuk menyusun standar sebagai berikut [7]: 1) IEEE 802.15.1: Bluetooth 2) IEEE 802.15.2: Coexistence WPAN dan WLAN 3) IEEE 802.15.3: High rate WPANs (HR-WPAN), UWB 4) IEEE 802.15.4: Low rate WPANs (LR-WPAN), ZigBee 5) IEEE 802.15.5: Mesh network 6) IEEE 802.15.6: Body Area Network 7) IEEE 802.15.7: Visible Light Communication Dari daftar standar yang dikerjakan kelompok standar group ke-15 di atas, standar ZigBee yang dikembangkan oleh ZigBee Alliance berpedoman pada standar IEEE 802.15.4 untuk aplikasi standar low rate wireless personal area network (LR-WPAN). ZigBee Alliance pertama kalinya mengesahkan standar ZigBee pada tahun 2004. C. Tinjauan umum standar ZigBee [8] Sejalan dengan perkembangan teknologi frekuensi radio (RF) dan teknologi rangkaian terpadu (IC) maka teknologi jaringan sensor nirkabel (wireless sensor network, WSN) menjadi kian murah dan mudah dalam pemanfaatannya. Berbagai macam penggunaan WSN telah membantu memudahkan kehidupan manusia diantaranya dipergunakan dalam pengawasan gedung/bangunan, otomasi peralatan industri/pabrik, sistem inventaris (inventory) barang di gudang, sistem pengukuran (metering) secara otomatis, sistem keamanan/peringatan dini, monitoring kondisi kesehatan pasien, otomasi kendaraan, permainan interaktif edukatif dan lain-lain [9] - [12]. WSN dalam membentuk WPAN pada umumnya berbentuk kombinasi sejumlah simpul-simpul dari perangkat WSN yang tersebar secara luas dan dioperasikan dalam jangka waktu yang lama dengan memanfaatkan catu daya tenaga dari baterai. Oleh karena itu, dalam berbagai implementasi WPAN, biaya pembuatan/pengadaan simpul sensor perangkat WSN, ukuran perangkat WSN dan konsumsi daya perangkat WSN selalu menjadi perhatian utama. Dengan demikian implementasi WSN diharapkan membutuhkan biaya yang rendah, ukuran perangkat WSN yang kecil dan kebutuhan/konsumsi energi yang rendah [13]. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) sebagai salah satu lembaga yang merumuskan standar-standar komunikasi telah menyusun berbagai standar untuk keperluan komunikasi, baik komunikasi yang bersifat global dan infrastruktur ataupun komunikasi yang bersifat personal. Standar IEEE yang mengatur komunikasi nirkabel yang bersifat personal dikelompokkan dalam kelompok standar IEEE 802.xx.x. Dari kelompok tersebut, standar komunikasi nirkabel yang bersifat personal dikelompokkan dalam kelompok standar IEEE 802.15.x. Lebih rinci lagi kelompok

ISSN 2301

4156

standar IEEE 802.15.x dalam implementasi WPAN masih dikelompokkan menjadi beberapa kelompok sesuai dengan fungsinya. Standar komunikasi Bluetooth ditetapkan dengan standar IEEE 802.15.1, standar IEEE 802.15.2 merupakan standar yang mengatur hubungan antara kelompok standar IEEE 802.15 dengan kelompok standar IEEE 802.11, standar IEEE 802.15.3 dipergunakan pada komunikasi personal dengan laju data tinggi (high rate), sedangkan standar IEEE 802.15.4 diperuntukkan pada komunikasi personal dengan laju data rendah (low rate) dan standar IEEE 802.15.5 yang masih dalam pengembangan dipergunakan pada komunikasi personal dengan laju data rendah (low rate) yang diperuntukkan pada topologi mata jala (mesh) [2], [7]. Selanjutnya standar ZigBee yang dikembangkan oleh ZigBee Alliance, merupakan standar komunikasi personal dengan laju data rendah (low rate) yang dibangun berlandaskan/berdasarkan standar IEEE 802.15.4. Sebagai implementasi dalam membentuk WPAN, standar ZigBee dapat dipergunakan pada jaringan sensor nirkabel (wireless sensor network, WSN) yang merupakan aplikasi WSN yang diperuntukkan pada layanan laju data rendah (low rate) [2], [3]. Standar komunikasi ZigBee yang mulai diperkenalkan oleh ZigBee Alliance pada tahun 2004 memiliki beberapa fungsi utama yang memungkinkan komunikasi pada berbagai kondisi lingkungan. Fungsi utama tersebut antara lain mencakup [10]: 1) Perbaikan mandiri (self healing): merupakan kemampuan secara dinamis untuk memperbaiki/ memperbaharui hubungan komunikasi secara mandiri/ otomatis. 2) Konfigurasi mandiri (self configuration): merupakan kemampuan untuk menemukan/mendapatkan tambahan perangkat baru yang bergabung dalam WPAN. Dengan kemampuan ini maka WPAN secara otomatis akan memperbaharui struktur jaringan untuk mendapatkan jalur jaringan yang terbaik. Dengan fungsi ini, maka campur tangan manusia dalam mengendalikan WPAN dapat diminimalkan. 3) Operasi catu daya rendah (low power operation): merupakan kemampuan perangkat WSN untuk beroperasi dengan daya yang rendah. Dengan operasi berdaya rendah, maka wilayah cakupan setiap perangkat WSN terbatas pada wilayah tertentu, sehingga akan mengurangi pengaruh interferensi antar perangkat WSN dalam WPAN. Disamping itu juga akan memperpanjang umur baterai, yang berdampak positif dengan bertambahnya umur WPAN. 4) Jaringan mata jala (mesh networking): fasilitas/ kemampuan yang fleksibel dan terorganisasi dalam WPAN, yaitu dengan cara membolehkan setiap perangkat WSN untuk membentuk jalur lintasan mata jala (mesh) antar perangkat WSN. 5) Pencadangan (redundancy): merupakan kemampuan WPAN yang tersusun dari sejumlah besar perangkat WSN untuk memungkinkan interkoneksi antar perangkat WSN. Dengan kemampuan tersebut maka akan mengurangi atau memperkecil kemungkinan waktu jaringan jatuh (down time).



43

TABEL I PITA FREKUENSI PADA ZIGBEE/802.15.4 [14]

Frequency Range (MHz) 868 868,6 902 928 2400 2483,5

Numbers of Channels Available 1 10 16

Region Used Europe North America Worldwide

Standar ZigBee bekerja pada pita frekuensi bebas (free licence). Pita frekuensi yang dipergunakan merupakan salah satu frekuensi (ISM), yaitu pada pita 2450 MHz (Tabel I). Pada pilihan frekuensi terdapat frekuensi 868 MHz yang hanya secara khusus dipergunakan di negara Eropa, frekuensi 915 MHz yang dipergunakan di negara Amerika Utara dan frekuensi 2450 MHz yang dipergunakan di seluruh dunia. Standar IEEE 802.15.4 merupakan landasan untuk spesifikasi standar ZigBee. Pada standar tersebut ditetapkan lapisan fisik media access control (MAC) untuk aplikasi low rate wireless personal area network (LR WPAN). Lapisan yang lebih tinggi dari susunan protokolnya merupakan bentuk layanan aplikasi yang ditetapkan oleh ZigBee Alliance. Arsitektur standar ZigBee/standar IEEE 802.15.4 ditunjukkan pada Gbr. 1.

5) Otomatis: pengendalian jaringan secara otomatis oleh coordinator 6) Power management 7) Jumlah kanal: memiliki total 27 kanal Jumlah kanal sebesar 27 kanal tersebut terdistribusi menjadi 16 kanal pada frekuensi 2450 MHz, 10 kanal pada frekuensi 915 MHz dan 1 kanal pada frekuensi 868 MHz. Skema susunan arsitektur standar ZigBee yang ditetapkan oleh ZigBee Alliance lebih berfokus pada lapisan jaringan dan lapisan aplikasi dari standar ZigBee/IEEE 802.15.4 pada Gbr. 1 tersebut. Secara lebih rinci ilustrasi skema susunan arsitektur standar ZigBee dapat dijelaskan dengan Gbr. 2. Pada Gbr. 2 sebuah ZigBee Device Object (ZDO) merupakan perangkat khusus dalam susunan standar ZigBee. ZDO bertanggungjawab dalam sejumlah tugas antara lain menjaga aturan antar perangkat, mengatur permintaan bergabung ke suatu jaringan, pencarian perangkat terdekat dan keamanan jaringan. ZDO terdiri dari ZDO management plane yang juga menentukan peraturan dari perangkat di dalam jaringan, seperti ZigBee coordinator ataupun end device. ZDO juga dapat mengawali atau menjawab permintaan penggabungan. Fungsi lain dari ZDO yaitu membangun hubungan yang aman diantara perangkat di dalam jaringan.

Gbr. 1 Arsitektur standar ZigBee/IEEE 802.15.4 [7]

Arsitektur pada Gbr. 1 tersebut sengaja didesain berbeda dengan arsitektur lapisan interkoneksi sistem terbuka (open system interconnection, OSI) dikarenakan arsitektur standar ZigBee berfokus pada biaya rendah (low cost), kecepatan rendah (low speed) dan komunikasi yang menyebar dimanamana antar perangkat WSN. Ciri dan spesifikasi lebih lanjut dari standar ZigBee/standar IEEE 802.15.4 yaitu [7]: 1) Memiliki laju data maksimal 250 kbps: meskipun laju data memiliki nilai maksimal 250 kbps, namun laju data dapat ditentukan dengan nilai yang lain. Nilai yang sering dipergunakan selain nilai tersebut diantaranya yaitu 20 kbps dan 40 kbps yang masuk dalam kelompok aplikasi low rate wireless personal area network (LR-WPAN). 2) Support untuk topologi star dan peer to peer: standar ZigBee/standar IEEE 802.15.4 mendukung aplikasi dengan topologi jaringan berupa bintang (star) ataupun peer to peer 3) Pengalamatan secara dinamis: pengalamatan dengan mempergunakan dua jenis pengalamatan, yaitu pengalamatan 16 bit dan pengalamatan IEEE 64 bit 4) Akses kanal: akses kanal secara carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA-CA)


Gbr. 2 Skema susunan arsitektur standar ZigBee [7]

Fungsi dan kegunaan dari Application Support Sublayer (APS) yaitu menyediakan antar muka antara lapisan aplikasi (application layer) dan lapisan jaringan (network layer). Layanan dari antarmuka ditawarkan dalam dua bentuk, yaitu layanan data (data service) dan layanan manajemen (management service). Layanan APS data entity (APSDE) menyediakan layanan pengiriman data sedangkan layanan APS management entity (APME) menyediakan layanaan manajemen. Bagian application framework merupakan tempat dimana obyek dari aplikasi yang dimiliki perangkat ZigBee berada. Bagian ini bertanggungjawab dalam hal pengiriman dan penerimaan data dan menyediakan beberapa fungsi tambahan, seperti fungsi pengendalian dan pengaturan lapisan protokol dan fungsi inisialisasi fungsi standar jaringan. Bagian penyedia layanan keamanan (Security Service Provider, SSP) bertanggungjawab dalam hal pembentukan, pengiriman, perlindungan bingkai (frame protection) dan manajemen perangkat. Secara umum spesifikasi dari standar ZigBee dapat ditunjukkan pada Tabel II [1].

ISSN 2301 4156

44

JNTETI, Vol. 1, No. 2, Agustus 2012 TABEL II SPESIFIKASI UMUM STANDAR ZIGBEE [1]

Parameter Spesifikasi Transmission range (meters)

ZigBee 802.15.4 1 100

Battery life (days)

10

Network size (# of nodes)

max 64.000

Throughput (kb/s)

20

1.000 250

III. METODE PENELITIAN A. Peralatan Penelitian Penelitian unjukkerja standar ZigBee pada wireless personal area network (WPAN) dengan topologi mesh ini menggunakan suatu pemodelan dalam menganalisis unjukkerjanya. Model simulasi yang diimplementasikan dalam penelitian ini menggunakan aplikasi OPNET® Modeler® 14.5 Educational Version yang dijalankan dengan sistem operasi Microsoft® Windows® XP Service Pack 3. B. Tahapan Penelitian Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan. Tahaptahap yang dimaksud yaitu tahap perancangan sistem, tahap pembuatan/pemodelan simulasi, tahap pengujian simulasi, dan yang terakhir adalah tahap analisis dari hasil pengujian simulasi [1], [5]. Tahap pemodelan yang dilakukan akan mengacu pada parameter-parameter standar ZigBee yang tersedia pada aplikasi OPNET® Modeler® 14.5 Educational Version. Pemodelan tersebut termasuk dalam penentuan dimensi jaringan, misalnya jumlah perangkat WSN yang akan membentuk WPAN dengan standar ZigBee, topologi jaringan yang akan dipergunakan dalam simulasi (tree, star, mesh) maupun jenis dari perangkat WSN dari standar ZigBee yang akan dipergunakan (end device, router, coordinator). Proses pengujian simulasi dilakukan dengan mengamati perilaku kecenderungan parameter standar ZigBee yang diamati seiring dengan perubahan peubah yang dipergunakan. Setelah proses simulasi selesai maka akan diperoleh data hasil simulasi. Perilaku yang diperoleh dari hasil simulasi akan dibandingkan dengan informasi spesifikasi teknis dari standar ZigBee. Dari hasil perbandingan tersebut akan dilakukan analisis untuk mendapatkan informasi jawaban dari pertanyaan penelitian dan apakah perilaku kecenderungan ZigBee dalam simulasi sesuai dengan spesifikasi teknisnya. Parameter hasil simulasi yang akan diperoleh dalam proses pengujian meliputi [3], [4] parameter lewatan informasi (throughput data) pada jaringan seiring dengan penambahan perangkat WSN (end device), parameter jumlah data yang terlibat dalam komunikasi (sent, receive dan drop) pada jaringan seiring dengan penambahan perangkat WSN (end device). Parameter jumlah data yang dimaksud terdiri dari parameter jumlah data yang dikirimkan (traffic sent), parameter jumlah data yang diterima (traffic receive) dan parameter jumlah data yang hilang (traffic drop), parameter waktu tunda (delay time) atau end to end delay pada jaringan seiring dengan penambahan perangkat WSN (end device), Parameter jumlah loncatan (hop number), seiring dengan penambahan perangkat WSN (end device). Parameter jumlah

ISSN 2301

4156

loncatan ini nantinya akan dirinci menjadi tiga bagian, yaitu parameter jumlah insiden perubahan hop, parameter insiden maksimum hop dan parameter rerata jumlah hop. C. Parameter Simulasi Parameter utama yang dipergunakan dalam simulasi ini ditunjukkan sebagaimana tertera pada Tabel III. Parameter ini dipergunakan pada pemodelan untuk seluruh jumlah perangkat WSN (end device) yang akan disimulasikan. Dalam simulasi yang akan dijalankan, perangkat WSN (end device) yang akan dipergunakan/diamati dalam simulasi terdiri dari dua jenis, yaitu satu buah perangkat WSN yang berjenis coordinator/gateway (WSN Gateway) dan beberapa perangkat WSN yang berjenis router (WSN) yang membentuk WPAN. Dalam satu WPAN hanya terdapat satu coordinator/gateway (WSN Gateway). Sedangkan untuk jumlah perangkat WSN dalam satu WPAN dimulai dari 5 buah perangkat WSN, selanjutnya bertambah dengan kelipatan 5 hingga maksimal 100 perangkat WSN. Distribusi perangkat WSN dalam satu WPAN dilakukan secara acak dengan memperhatikan batasan luas wilayah dari ukuran skalabilitas WPAN yang ditetapkan yaitu seluas 10.000 meter persegi atau 100 m x 100 m. Nilai dari parameter teknis dari coordinator/gateway (WSN Gateway) dan router (WSN) merujuk pada Tabel III. TABEL III PARAMETER TEKNIS WSN GATEWAY & WSN

Jenis Atribut Skala jaringan Ukuran metrik jaringan Teknologi Jenis end device (optional) Ambang batas daya terima (dBm) Ukuran paket (bit) Pita frekuensi (MHz) Daya Pancaran (mW) Kemampuan Mesh Routing Route Destination

Isi Atribut Jaringan kampus 100 m x 100 m ZigBee Router/Coordinator -85 1024 2450 0,05 Enable Random

D. Model Jaringan Untuk menjalankan simulasi WPAN dengan standar ZigBee, pemodelan setiap jaringan yang dibuat tergabung dalam satu PAN (single PAN). Jumlah perangkat WSN (end device) yang disimulasikan dalam satu PAN dan membentuk WPAN berjumlah kelipatan 5 dengan jumlah awal 5 buah perangkat WSN dan maksimal sejumlah 100 perangkat WSN. IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Simulasi unjukkerja standar ZigBee pada wireless personal area network (WPAN) dengan topologi mata jala (mesh) ini dilakukan dengan menjalankan berbagai model perangkat WSN yang telah ditentukan pada bagian sebelumnya (model jaringan). Hasil data dari simulasi yang akan dianalisis pada awalnya berupa data/grafik fungsi waktu. Selanjutnya dari seluruh data/grafik fungsi waktu tersebut diubah menjadi data/grafik dalam bentuk fungsi jumlah dari perangkat WSN. Pengubahan ini dilakukan dengan cara mengambil data/nilai


JNTETI, Vol. 1, No. 2, Agustus 2012 pengukuran pada waktu yang sama untuk setiap data/grafik dari untuk keseluruhan grafik. Waktu yang ditetapkan untuk pengubahan fungsi tersebut yaitu pada waktu simulasi telah berjalan 19 menit (1140 detik). Dari grafik dengan fungsi jumlah dari perangkat WSN tersebut maka data hasil simulasi dapat dianalisis untuk menjawab pertanyaan penelitian. Analisis data hasil simulasi mencakup analisis fungsi jumlah dari perangkat WSN yang meliputi throughput vs jumlah node, end to end delay vs jumlah node, data terkirim vs jumlah node, data terima vs jumlah node, data hilang vs jumlah node, jumlah insiden perubahan hop vs jumlah node, insiden maksimum hop vs jumlah node, rataan jumlah hop vs jumlah node. Grafik dengan fungsi jumlah perangkat WSN yang pertama yaitu lewatan/throughput vs jumlah node yang ditunjukkan pada Gbr. 3. Berdasarkan dari gambar tersebut, terlihat nilai lewatan/throughput membesar seiring dengan bertambahnya perangkat WSN dalam WPAN. Peningkatan lewatan/ throughput cukup berarti pada jumlah perangkat WSN mulai dari 5 perangkat WSN hingga 60 perangkat WSN. Nilai tertinggi dari lewatan/throughput pada kondisi tersebut sebesar 42.649 bit/second.

45 Analisis selanjutnya yaitu untuk nilai end to end delay vs jumlah node seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 4. Pada Grafik tersebut terlihat kecenderungan nilai end to end delay semakin besar seiring dengan bertambahnya perangkat WSN. Nilai maksimal dari end to end delay adalah sebesar 0,0369 second pada kondisi jumlah perangkat WSN sebesar 60. Namun karena harga end to end delay semakin besar semakin buruk, maka apabila diambil batas nilai end to end delay sebesar 0,0300 second merupakan kondisi yang buruk, diperoleh jumlah perangkat WSN yang memenuhi syarat terpenuhi hingga jumlah perangkat WSN dalam satu WPAN sebanyak 20.

Gbr. 5 Data Terkirim vs Jumlah Node

Gbr. 3 Throughput vs Jumlah Node

Dengan melihat pola grafik, maka nilai lewatan/throughput yang bernilai di atas 40.000 bit/second diperoleh hingga jumlah perangkat WSN dalam WPAN sebesar 85 perangkat WSN. Dengan demikian dapat ditarik kesimpulan sementara jumlah perangkat WSN yang membentuk WPAN akan menghasilkan lewatan/throughput maksimum pada kondisi jumlah perangkat WSN dalam WPAN sebesar 60 perangkat WPAN dan jumlah perangkat WSN hingga sebesar 85 perangkat WSN masih menghasilkan nilai lewatan/throughput di atas 40.000 bit/second.

Parameter selanjutnya yaitu data terkirim vs jumlah node seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 5. Dari perilaku yang ditunjukkan grafik pada gambar tersebut terlihat jumlah data yang terkirim memiliki kecenderungan berbanding lurus terhadap jumlah perangkat WSN yang membentuk WPAN. WPAN dengan jumlah perangkat WSN sedikit maka jumlah data terkirim bernilai rendah, semakin besar jumlah perangkat WSN maka jumlah data terkirim bernilai semakin membesar. Dari perilaku tersebut maka parameter data terkirim memiliki nilai maksimal dan optimal pada setiap jumlah perangkat WSN (all value).

Gbr. 6 Data Terima vs Jumlah Node

Gbr. 4 End to End Delay vs Jumlah Node


Untuk parameter data terima vs jumlah node yang ditunjukkan pada Gbr. 6 terlihat perilaku yang ditunjukkan grafik berbeda dengan perilaku grafik data terkirim pada Gbr. 5. Pada Gbr. 6 nilai data terima pada saat jumlah perangkat WSN sebanyak 5 bernilai 5.592 bit/second. Nilai data terima tersebut seiring dengan bertambahnya perangkat WSN akan semakin membesar hingga mencapai puncaknya pada saat jumlah perangkat WSN sebanyak 20 dengan nilai data terima sebesar 8.318 bit/second. Nilai data terima yang memiliki

ISSN 2301 4156

46


kisaran harga mendekati nilai data terima tertinggi terjadi pada saat jumlah perangkat WSN sebanyak 25 dengan nilai data terima sebesar 8.223 bit/second dan pada saat jumlah perangkat WSN sebanyak 30 dengan nilai data terima sebesar 8.270 bit/second. Pada saat jumlah perangkat WSN lebih dari 30 terlihat nilai data terima semaki menurun dan bernilai mendekati nilai data terima pada saat grafik naik pada saat jumlah perangkat WSN sebanyak 75 dengan nilai data terima sebesar 5.368 bit/second. Dengan demikian nilai data terima terbaik pada saat jumlah perangkat WSN sebanyak 20 dan nilai data terima masih optimal hingga jumlah perangkat WSN sebanyak 75.

semakin besar dengan jumlah maksimum perubahan hop sebanyak 9.754 kali pada kondisi jumlah perangkat WSN sebesar 20. Selanjutnya pada kondisi jumlah perangkat WSN di atas 20 jumlah perubahan hop mengalami penurunan, namun hingga jumlah perangkat WSN sebesar 40, jumlah perubahan hop masih di atas nilai 9.000 kali. Penurunan jumlah perubahan hop masih berada di atas nilai awal (pada kondisi jumlah perangkat WSN sebesar 5) tercapai pada kondisi jumlah perangkat WSN sebesar 70, sehinga nilai optimal ditentukan pada nilai tersebut.

Gbr. 9 Insiden Maksimum Hop vs Jumlah Node Gbr. 7 Data Hilang vs Jumlah Node

Untuk parameter data hilang yang ditunjukkan pada Gbr. 7 merupakan grafik yang masih terkait dengan parameter data terkirim (Gbr. 5) dan parameter data terima (Gbr. 6). Parameter data hilang merupakan parameter data terkirim dikurangi dengan parameter data terima. Nilai parameter data hilang memiliki kecenderungan nilai yang sebanding dengan jumlah perangkat WSN pada WPAN, meskipun tidak sama dengan perilaku grafik data terkirim pada Gbr. 5. Namun dapat disimpulkan pula bahwa parameter nilai data yang hilang memiliki nilai yang hampir sama baik untuk nilai maksimal ataupun nilai optimal pada setiap jumlah perangkat WSN yang membentuk WPAN.

Pada parameter insiden maksimum hop (Gbr. 9) terlihat semakin besar jumlah perangkat WSN yang membentuk WPAN, maka insiden maksimum hop semakin besar. Semakin besar maksimum hop seiring dengan semakin membesarnya jumlah insiden hop dan semakin besarnya jumlah perangkat WSN maka end to end delay akan semakin besar. Dengan end to end delay semakin besar, maka data hilang akan semakin besar dan berakibat lewatan/throughput semakin rendah. Sesuai dengan spesifikasi dari standar ZigBee, jumlah maksimum hop yang ditentukan sebesar 5. Dengan demikian, berdasarkan grafik pada Gbr. 9, maka WPAN dengan jumlah perangkat WSN di atas 50 memiliki insiden maksimum hop di atas 5. Dengan demikian nilai maksimum dan optimal berada pada jumlah perangkat WSN sebesar 50. Sedangkan untuk parameter rataan jumlah hop (Gbr. 10) merupakan rerata hop yang terjadi dari seluruh insiden. Terlihat pada grafik tersebut, semakin besar jumlah perangkat WSN nilai rerata hop semakin besar. Nilai rerata hop akan cenderung mantap pada nilai 2,5.

Gbr. 8 Jumlah Insiden Perubahan Hop vs Jumlah Node

Selanjutnya parameter jumlah loncatan (hop number), grafik perilaku dari data yang diukur dari WPAN ditunjukkan dalam tiga bentuk, yaitu jumlah insiden perubahan hop (Gbr. 8), insiden maksimum hop (Gbr. 9) dan rataan jumlah hop Gbr. 10). Untuk parameter jumlah insiden perubahan hop (Gbr. 8) menunjukkan untuk WPAN dengan jumlah perangkat WSN sebesar 5 memiliki insiden perubahan hop jumlah sebanyak 6.560 kali. Seiring dengan meningkatnya jumlah perangkat WSN dalam WPAN, jumlah perubahan hop

ISSN 2301

4156

Gbr. 10 Rataan Jumlah Hop vs Jumlah Node

V. KESIMPULAN Berdasarkan pembahasan simulasi dan analisis pada bagian sebelumnya tentang unjukkerja standar ZigBee pada wireless



47

personal area network (WPAN) dengan topologi mesh, maka dari analisis fungsi jumlah perangkat WSN dapat diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut. Hasil analisis dari pengukuran parameter lewatan/ throughput menunjukkan perilaku semakin besar jumlah perangkat WSN, maka lewatan/throughput akan semakin membesar untuk jumlah perangkat WSN mencapai jumlah hingga 60 perangkat WSN. Selanjutnya apabila jumlah perangkat WSN semakin diperbesar maka akan menyebabkan nilai parameter lewatan/throughput menurun. Penurunan ini mulai terlihat pada saat jumlah perangkat WSN mencapai jumlah 85 perangkat WSN. Untuk analisis parameter end to end delay menunjukkan kondisi WPAN paling optimal yang tidak melampui ambang batas nilai end to end delay (maksimal 0,0300 detik) terjadi/dicapai pada saat kondisi jumlah perangkat WSN maksimal 20 perangkat WSN. Sedangkan untuk parameter trafik (data kirim, data terima dan data hilang) memiliki unjukkerja dalam kondisi maksimal pada saat jumlah perangkat WSN yang membentuk WPAN berjumlah 20 perangkat WSN. Kondisi yang masih optimal untuk parameter ini masih dapat dicapai asalkan jumlah perangkat WSN tidak melampaui jumlah 75 perangkat WSN. Untuk parameter maksimum jumlah hop, jumlah perangkat WSN pada WPAN yang memiliki parameter maksimum jumlah hop berada di bawah ambang batas nilai maksimal dapat tercapai/terpenuhi pada saat jumlah perangkat WSN tidak melebihi jumlah 50 perangkat WSN. Di atas jumlah tersebut, maka maksimum jumlah hop akan semakin besar dan melewati ambang batas maksimum. Secara keseluruhan unjukkerja WPAN dengan standar ZigBee dan topologi mata jala (mesh) terbaik akan tercapai pada saat jumlah perangkat WSN maksimum berjumlah 20 perangkat WSN. Namun unjukkerja yang optimal (masih memenuhi syarat) akan dapat dicapai hingga jumlah perangkat WSN berjumlah 50 perangkat WSN

[7]

REFERENSI

[24]

[1]

[2]

[3]

[4] [5] [6]

Leung Sam, Gomez Wil, Kim Jung Jun, ZigBee Mesh Network Simulation Using Opnet and Study of Routing Selection, Final Project Communication Networks, Simon Fraser University (SFU), 2009. Myung J. Lee, Rui Zhang, Jianliang Zheng, Gahng-Seop Ahn, Chunhui Zhu, Tae Rim Park, Sung Rae Cho, Chang Sub Shin, And Jun Sun Ryu, WPAN Mesh Standard Low Rate Part: Meshing the Wireless Sensor Networks, IEEE Journal On Selected Areas In Communications, 2010,Vol. 28, No. 7, pp. 973 983. Hammoodi, I.S. Stewart B.G. Kocian A. McMeekin S.G., A Comprehensive Performance Study of OPNET Modeler For ZigBee Wireless Sensor Networks, Third International Conference on Next Generation Mobile Applications, Services and Technologies, 2009, pp 357- 362. Devineni Abhiram, Performance Evaluation of Body Area Network Using ZigBee Protocol, Thesis, San Diego State University, 2011. Hnatyshin Vasil, Asenov Hristo And Robinson John, Practical Methodology For Modeling Wireless Routing Protocols Using Opnet Modeler, Department of Computer Science, Rowan University, 2010. Sajjad A. Madani, Jawad Kazmi, Stefan Mahlknecht, Wireless Sensor Networks: Modeling and Simulation, Vienna University of Technology, Vienna, Austria, 2010.


[8] [9] [10] [11] [12] [13]

[14]

[15] [16] [17] [18]

[19] [20]

[21] [22] [23]

[25]

Chung Ming Huang, Yuh Shyan Chen, Telematics Communication Technologies and Vehicular Networks: Wireless Architectures and Applications, Information Science Reference, 2010. Sinan Gezici, Ulas C. Kozat, Reliable Communications for Short Range Wireless Systems, University Press, Cambridge, 2011. J. Zhang, P. P. Orlik, Z. Sahinoglu, A. F. Molisch, and P. Kinney, UWB Systems for Wireless Sensor Networks, Proc. IEEE, 2009, vol. 97, no. 2, pp. 313 331. Daintree Networks, Mesh Networks?, white paper, 2007. ZigBee Alliance, ZigBee Wireless Sensor Applications for Health, Wellness and Fitness, white paper, 2009. B. Heile, Wireless Sensors and Control Networks: Enabling New Opportunities with ZigBee, San Jose, CA, ZigBee Alliance Tutorial, 2006. R. Kraemer and M. D. Katz, Short Range Wireless Communications: Emerging Technologies and Applications, 1st ed. Chichester, UK: John Wiley, 2009. IEEE Computer Society, Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) (Revision of IEEE Std 802.15.4-2003), Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2006. Pei Zheng, Feng Zhao, David Tipper, Wireless Networking Complete, Morgan Kaufmann Publishers, USA, 2010. Xiang Yang Li, Wireless Ad Hoc and Sensor Networks, Cambridge University Press, 2008. Lukosius Arturas, Opportunistic Routing in Multi-Sink Mobile Ad Hoc Wireless Sensor Networks, Master Thesis, Communication Networks, University of Bremen, 2007. Magsino Kristoffer Clyde, Kamath H. Srikanth, Simulation of Routing Protocols of Wireless sensor Networks, World Academy of Science, Engineering and Technology, pp. 211 213, 2009. Cho Kideok, Le Mun Young, Ko Dong-il, Kwon Taek Young, Choi Yanghee, An Efficient Multicast Routing in IEEE 802.15.5 Networks, Computer Science and Engineering, Seoul National University, 2009. IEEE Standard for Information Technology, Telecommunications and Information Exchange Between Systems, Local and Metropolitan Area , available online: http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2006.pdf, 2006. Ismail Guvenc, Zafer Sahinoglu, ZigBee Networks and Low-Rate UWB Communications, University Press, Cambridge, 2011. IEEE 802.15 Working Group for WPAN, available online: http://ieee802.org/15/index.html Thonet Gilles, Allard-Jacquin Patrick, Colle Pierre, ZigBee WiFi Coexistence, White Paper and Test Report, Schneider Electric, 2008. Binhack Michael, Kupris Gerald, Customer Specific Wireless Network Solutions Based on Standard IEEE 802.15.4, Freescale Semiconductor GmbH, Germany, 2006. Burchfield T. Ryan and S. Venkatesan, Maximizing Throughput in ZigBee Wireless Networks through Analysis, Simulations and Implementations, Computer Engineering Program, University of Texas at Dallas, 2006.

ISSN 2301 4156

Unjukkerja Standar ZigBee pada WPAN dengan Topologi Mesh

Recommend Documents