KUALITAS LAYANAN DAN DATA PADA JARINGAN NIRKABEL ZIGBEE/XBEE BERDASARKAN JARAK DAN CUACA
NASKAH PUBLIKASI
diajukan oleh Rangga Cakti Perdana 12.11.6194
kepada SEKOLAH TINGGI MANAJEMEN INFORMATIKA DAN KOMPUTER AMIKOM YOGYAKARTA YOGYAKARTA 2016
KUALITAS LAYANAN DAN DATA PADA JARINGAN NIRKABEL ZIGBEE/XBEE BERDASARKAN JARAK DAN CUACA Rangga Cakti Perdana1), Ferry Wahyu Wibowo 2), 1,2)
Teknik Informatika STMIK AMIKOM Yogyakarta Jl Ringroad Utara, Condongcatur, Depok, Sleman, Yogyakarta Indonesia 55283 Email :
[email protected]),
[email protected])
Abstract – Wireless Sensor Networks (WSN) working with limited energy and bandwidth, it needs a performance measurement to determined the level optimal reliability. The focus of this research is to measure and analyze the performance of Wireless Sensor Networks (WSN) based on ZigBee protocol. The Quality of Service (QoS) parameters are measured average delay, average throughput and packet loss percentage. This experiment is done by varying the values of packet length, transmitting time interval, distance, Line of Sight (LOS) transmission and Non Line of Sight (NLOS) transmission. The wireless hardware for experiment used XBee S2 (ZigBee) modules from Digi International. X-CTU sotfware is to configure the XBee module. Docklight sotfware is to simulate WSN in real time by setting the variable such as data packet, transmitting time interval, transmitting and receiving time, also log data result . Keyword : Zigbee/Xbee
1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang masalah yang telah diuraikan diatas maka dapat diambil suatu rumusan masalah sebagai berikut : melakukan perancangan skenario pengukuran JSN dan analisa parameter Quality of Service (QoS) yaitu rata-rata delay, rata-rata throughput dan persentase packet loss berdasarkan jarak dan cuaca yang dibangun menggunakan modul XBee/ZigBee. 1.3 Maksud dan Tujuan Penelitian Adapun tujuan penelitian adalah sebagai berikut : 1.
1. Pendahuluan 2. 1.1 Latar belakang XBee/ZigBee merupakan perangkat yang di pakai dalam Jaringan Sensor Nirkabel (JSN), yang di gunakan sebagai jaringan sistem pemantauan objek yang tersebar dalam cakupan area tertentu, dimana kondisi lingkungan tidak mendukung adanya transmisi data secara langsung melalui jaringan kabel Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) merupakan suatu jaringan dari beberapa perangkat XBee/ZigBee + penyensor keadaan fisik lingkungan yang menggunakan transmisi nirkabel sebagai media pengiriman data. Data hasil pengamatan kemudian dikirimkan kepada sebuah perangkat Xbee/ZigBee sebagai koordinator/gateway sebagai pengumpul data. Proses komunikasi data antar perangkat XBee/ZigBee dalam sebuah JSN diatur oleh protokol komunikasi. Protokol komunikasi nirkabel yang umumnya digunakan dalam membangun sebuah JSN yaitu protokol IEEE 802.15.4 dan ZigBee. XBee/ZigBee memiliki kemampuan untuk membentuk jaringan point to point, point to multipoint dan mesh. XBee/ZigBee juga memiliki kemampuan komunikasi multihop, sehingga dapat mencakup komunikasi dengan area yang luas.
2.
Mengetahui tingkat kinerja perangkat JSN yaitu XBee/ZigBee, dengan mengukur dan menganalisa parameter Quality of Service (QoS) yaitu ratarata delay, rata-rata throughput dan persentase packet loss berdasarkan jarak dan cuaca. Mengetahui di mana Xbee/ZigBee dapat dipergunakan sesuai dengan kemampuannya
Landasan Teori
2.1 Tinjauan Pustaka Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) merupakan sebuah jaringan yang disusun oleh sensor–sensor yang terdistribusi dalam suatu cakupan area tertentu yang dihubungkan melalui komunikasi nirkabel untuk saling bekarja sama melakukan pengukuran dan pemantauan fenomena fisik seperti suhu, suara, getaran, tekanan, tekanan atau kodisi – kondisi fisik tertentu. Secara umum JSN terdiri dari target atau fenomena fisik yang akan di ukur, sensor yang melakukan pengukuran fenomena fisik dan koordinator yang bertanggung jawab mengatur jaringan dan mengumpulkan data dari sensor. Perangkat sebuah JSN bersifat individu untuk melakukan pengukuran, control dan komunikasi terhadap parameter–parameter fisik. Sensor dikomposisikan dari beberapa modul seperti mikro controller, sensor dan perangkat Radio frequency (RF) transceiver dengan konsumsi energi yang minimum.
1
melalui media nirkabel akan mengalami beberapa fenomena fisik yang mendistorsi bentuk gelombang asli yang diperoleh penerima.
2.2 Komponen-k omponen Jaringan Sensor Nirkabel Normalnya pada JSN terdiri dari empat komponen yaitu perangkat sensor, media nirkabel, koordinator/gateway dan PC server/administrator, yang digambarkan menurut gambar 2.1.
2.2.3 Perangkat kordinator atau gateway Pada implentasinya JSN tidak cukup jika JSN tersebut hanya dapat berinteraksi dengan dirinya s endiri. JSN harus mampu berinteraksi dengan perangkat informasi lainnya seperti PDA maupun perangkat komputer pengguna yang memberikan permintaan data dari JSN. Selain dapat melakukan pertukaran data pada perangkat tersebut, JSN juga harus mampu melakukan pertukaran data dengan perangkat internet. 2.2.4 PC server/administrator Gambar 2.1Komponen dasar JSN
PC server/administrator merupakan perangkat pengguna yang melakukan permintaan terhadap data hasil pemantauan oleh JSN, perangkat ini dapat berupa komputer yang terhubung secara langsung dengan koordinator/gateway.
Tetapi pada penelitian untuk melakukan pengukuran (QOS). Penelitian hanya akan menggunakan 2 buah perangkat Xbee dan 2 buah perangkat komputer untuk melakukan pengukuran transfer data antar komponen Xbee.
2.3 Quality of Service (QoS) Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) Quality of Service (QoS) menunjukkan kemampuan sebuah jaringan untuk menyediakan layanan yang lebih baik lagi bagi layanan trafik yang melewatinya. QoS suatu jaringan merujuk ke tingkat kecepatan dan kehandalan penyampaian berbagai jenis beban data di dalam suatu komunikasi. Kemampuan JSN dalam menyediakan suatu penanganan terhadap permintaan data hasil pemantauannya menentukan tingkat performa JSN, tingkat performa JSN bergantung pada bidang implementasinya. Untuk mengetahui QoS suatu JSN, perlu dilakukan kuantifikasi terhadap beberapa metrik parameter yang dapat mewakili QoS JSN. Beberapa parameter tersebut yaitu throughput, delay, dan packet loss
2.2.1 Perangkat Sensor Perangkat sensor merupakan perangkat pada JSN yang bertugas melakukan pemantauan atau pengukuran terhadap suatu fenomena fisik tertentu, melakukan pemrosesan terhadap data yang diperoleh dari fenomena fisik tersebut, dan mengirimkan data yang diperoleh tersebut kepada koordinator/gateway. Sebuah perangkat sensor harus memenuhi kebutuhan minimum agar dapat berfungsi dengan baik pada JSN.
2.2.2 Media Nirkabel Media nirkabel merupakan media bebas tanpa kabel yang berarti bahwa perambatan sinyal tidak terbatas pada lokasi atau saluran yang sudah ditentukan sebagaimana ditentukan pada transmisi menggunakan kabel berpelindung tertentu. Pada media nirkabel gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang bebas antara pemancar dan penerima, dimana sinyal merambat bukan pada media terbatas sebagaimana pada media transmisi kabel. Jaringan nirkabel menggunakan radio sebagai media transmisi informasinya. Radio adalah teknologi untuk pengiriman sinyal dengan cara modulasi dan radiasi elektromagnetik (gelombang elektromagnetik). Gelombang yang transmisikan
2.3.1 Delay Delay adalah waktu tunda yang disebabkan oleh proses transmisi dari satu titik ke titik lain yang menjadi tujuannya. Delay dinyatakan sebagai rata-rata perbedaan antara waktu penerimaan denga waktu pengiriman paketpaket. Rata-rata delay diperoleh dengan Persamaan 2.1 :
(2.1)
2
2.3.2 Throughput ApplicatLay ion er Pengukuran throughput dilakukan dengan megukur sejumlah data yang dikirimkan dari suatu tempat ke tempat yang lain, atau dengan mengukur sejumlah data yang dapat diproses pada suatu waktu tertentu. Pada umumnya pengukuran throughput dilakukan dalam satuan bits per second (bps). Perhitungan throughput tidak mengikutsertakan frame header namun hanya memperhitungkan payload yang dikirimkan. Hal ini dapat dirumuskan dengan Persamaan 2.2 :
NetwoLay rk er MA Lay C er Physical Layer
ZigB ee
IEEE 802.15.4
Gambar 2.4 Stack Protokol ZigBee. 2.5 Standar IEEE 802.15.4
(2.2)
Standar IEEE 802.15.4 bermaksud untuk menawarkan fundamental lapisan jaringan yang lebih rendah dari jenis jaringan nirkabel pribadi (WPAN) yang berfokus pada komunikasi yang murah dan kecepatan rendah. Hal ini dapat dibandingkan dengan jaringan lain, seperti Wi-Fi, yang menawarkan lebih banyak bandwidth dan membutuhkan daya lebih. Penekanannya adalah pada komunikasi dengan biaya yang sangat rendah dengan sedikit perangkat infrastruktur dasar, dalam rencana mengembangkan perangkat dengan konsumsi daya yang lebih rendah lagi. Standarnya adalah komunikasi sejauh 10-30 meter dengan transfer rate 250 kbit/s. tetapi setelah direvisi kecepatan terendah untuk standar ini adalah 100kbit/s, Bahkan tingkat yang lebih rendah dapat dipertimbangkan dengan efek yang dihasilkan pada konsumsi daya. Seperti telah disebutkan, fitur yang utama pada standar IEEE 802.15.4 untuk WPANs adalah pentingnya mencapai manufaktur dan operasi yang sangat rendah biaya dan kesederhanaan teknologi, tanpa mengorbankan fleksibilitas
2.3.3 Packet loss Packet loss merupakan suatu nilai yang menyatakan jumlah paket yang gagal disampaikan kepada tujuannya melalui media transmisi tertentu. Packet loss dapat disebabkan oleh berbagai faktor termasuk degradasi sinyal pada kanal jaringan, paket yang rusak (corrupt) menyebabkan ditolaknya paket pada transit, kegagalan pada perangkat jaringan, kegagalan dalam routing jaringan. Persentase Packet loss diperoleh dari Persamaan 2.3 :
Persentase Packet loss = ((jumlah paket dikirim Jumlah paket sampai) / jumlah paket dikirim) x 100% (2.3) 2.4 Protocol ZigBee
2.6 XBee S2
ZigBee merupakan spesifiksi protokol komunikasi yang mengacu pada standar IEEE 802.15.4 untuk jaringan Wireless Personal Area Network s (WPANs). ZigBee fokus pada aplikasi Radio frequency (RF) jarak dekat dengan daya transfer tingkat rendah, baterai tahan lama dan jaringan yang aman. Stack protokol ZigBee seperti diperlihatkan pada Gambar 2.4 terdiri dari IEEE 802.15.4 mendefinisikan dua layer terbawah yaitu layer physical (PHY) dan layer Medium Access Control (MAC) dan ZigBee Alliance membangun layer network dan layer application diatas IEEE 802.15.4.
XBee merupakan modul komunikasi nirkabel yang dibuat oleh Digi International yang mendukung berbagai protokol komunikasi termasuk IEEE 802.15.4 dan ZigBee. XBee memiliki fitur RF modul kompleks yang menjadi solusi dan sangat baik untuk membangun sebuah JSN. Modul XBee dapat berkomunikasi dengan mikrokontroller melalui komunikasi serial UART dan juga memiliki pin tambahan yang dapat digunakan untuk aplikasi XBee secara mandiri. 3.
Analisis dan Perancangan
3.1
Metode Penelitian
Metode yang dilakukan pada penelitian ini adalah melakukan pengukuran dan analisa Quality of service (QoS) dari Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) yang berbasis protokol ZigBee. Pengujian dilakukan dengan mengukur paremeter Quality of service (QOS) yaitu yaitu rata-rata delay, rata-rata throughput dan persentase packet loss. 3
3.3.1 Pengukuran rata-rata delay dan throughput
Pengukuran dan analisa menggunakan skenario pengujian yang telah dirancang untuk mengetahui tingkat kehandalan dari Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) berbasis protokol ZigBee yang dibangun dengan modul XBee S2.
Pengukuran rata-rata delay transmisi bertujuan untuk mengetahui pengaruh besarnya paket data yang ditransmisikan terhadap lamanya waktu untuk pentransmisian paket data tersebut. Nilai delay transmisi merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mengirimkan paket dari sumber ke tujuan. Pengukuran rata-rata throughput bertujuan untuk mengetahui pengaruh besarnya paket data terhadap throughput dari pentransmisian paket data tersebut.
3.2 Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah :
1.
Hardware
3.3.2
a. Personal komputer digunakan untuk konfigurasi modul XBee dan pembacaan hasil transfer data. b. XBee S2 sebagai modul transceiver. c. XBee adapter digunakan sebagai interface dalam penkonfigurasian modul XBee. XBee adapter juga berfungsi untuk menghubungkan modul XBee S2 dengan komputer.
2.
Pengukuran packet loss
Packet loss merupakan nilai yang menyatakan banyaknya paket yang gagal selama proses pentransmisian. Pengukuran packet loss dilakukan dengan membandingkan jumlah paket data yang diterima dengan jumlah paket data yang dikirimkan. Untuk mengetahui banyaknya paket yang dikirimkan dengan banyaknya paket yang diterima.
Software
a. X-CTU digunakan untuk proses konfigurasi parameter-parameter dan update firmware modul XBee. b. Docklight V2.1 digunakan untuk memonitorisasi komunikasi data dan pengukuran QoS jaringan.
3.3.3
pada tahap ini dilakukan proses analisa dari data yang dihasilkan pada proses pengukuran QoS JSN berdasarkan skenario pengukuran yang telah dibuat yaitu rata-rata throughtput, rata-rata delay, persentase packet loss dan pengujian jaringan mesh. Dari pengukuran yang dilakukan akan diketahui hubungan variabel-variabel pentransmisian seperti, ukuran paket data, jarak transmisi, kondisi LOS (Line of Sight) maupun N-LOS (Non- Line of Sight), serta pengaruh cuaca lalu membandingkan dengan datasheet dari pabrik pembuat Xbee S2 dan standar IEEE 802.15.4
3.3 Tahap Alur Penelitian Tahap penelitian yang akan dilakukan mengikuti diagram alir yang tertera pada Gambar 3.2 berikut ini.
MULAI
Studiterat i l ur
Pengukuran packet loss
Pengukuran -rata rata throughput
Analisadata hasil pengukuran
Penulisan laporan
Analisa data hasil pengukuran
Perancangan skenario pengukuran QoS JSN
Pengukuran -rata rat delay
4.
Hasil dan Pembahasan
4.1
Hasil
Dari hasil pengambilan data dengan konfigurasi paling maksimal telah didapatkan nilai throughput, delay, serta packet loss dari perangkat Xbee S2 dan dapat kami bandingkan dengan spesifikasi di atas kertas yang dikeluarkan oleh pabrik pembuat Xbee S2 dan dapat dapat di ambil kesimpulan apakah Xbee S2 memenuhi standar IEEE 802.15.4 untuk jaringan Wireless personal area networks (WPANs). 4.2. Pembahasan
a
SELESAI
Dari hasil diatas dapat dilihat kualitas layanan yaitu throughput, delay, dan packet loss dari Xbee S2 dan dapat dibandingkan dengan datasheet produk dan standar IEEE 802.15.4
Gambar 3.2. Diagram alur penelitian.
4
topologi jaringan dengan menggunakan banyak Xbee S2. Bagi pemakai Zigbee/XBee saya menyarankan untuk penggunaan alat ini sebaiknya pada jarak maksimal 50 meter pada kondisi (Line Of Sight) LOS dan 40 meter pada kondisi (Non – Line Of Sight) N-LOS, karena jarak terbaik dengan data throughtput dan data lost yang masi dapat ditoleransi adalah jarak tersebut.
4.2.1 Perbandingan dengan datasheet produk XbeeS2 Dalam datasheet Xbee S2 tertulis bahwa data rate/throughput dapat mencapai 250 kbps dalam jarak 120 meter kondisi LOS dan 40 meter kondisi N-LOS, namun dari hasil pengujian kami data rate/throughput pada Xbee S2 sangat jauh dari apa yang tertulis pada datasheet, dalam pengujian dengan jarak terendah sekalipun XBee S2 maksimal rata-rata throughput hanya mencapai 32,68 kbps, nilai ini sangat jauh jika dibandingkan dengan 250 kbps seperti yang tertulis pada datasheet, lalu jarak juga makin memperkecil nilai throughput sampai 41% pada jarak terjauh yaitu 120 meter.
Daftar Pustaka 5.
Penutup
5.1
Kesimpulan
[1] Kompasiana. 2015. ZigBee. http://kompasiana.com/prahareza/zigbee-teknologinirkabel-handal-danefisien_552c07c66ea834ba288b 4595 [2] Robert Faludi. 2010. Building Wireless Sensor Networks: with ZigBee, XBee, Arduino, and Processing. O'Reilly Media, Inc. [3] Digi. 2015. Xbee S2 DataSheet. http://www.digi.com/pdf/ds_xbeemultipointmodules .pdf. [4] IEEE. 2011. IEEE 802.15.4. https://standards.ieee.org/getieee802/download/802. 15.4-2011.pdf [5] Digi. 2015. XCTU User Guide. https://docs.digi.com/display/XCTU/User+Guide. [6] Telekom UII. 2015. Pengantar Wireless Sensor Network. http://telekom.ee.uii.ac.id/index.php/berita/15-wsn1. [7] Aldim Irfani Vikri, Sabriansyah Rizqika Akbar, ST., M.Eng., Eko Sakti Pramukantoro, S.Kom., M.Kom. Komunikasi Pengiriman Data Dengan Protokol Zigbee Menggunakan Mekanisme Internet Checksum Untuk Mengubah Parameter Modul Arduino.
Berdasarkan pengujian Xbee S2 untuk mengukur nilai rata-rata throughput, rata-rata delay, dan packet loss yang memenuhi standar IEEE 802.15.4 pada berbagai kondisi variasi jarak dan cuaca dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Nilai rata-rata delay transmisi cenderung mengalami kenaikan seiring dengan meningkatnya jarak transmisi untuk setiap jenis ukuran paket data yang dikirimkan, cuaca hujan hampir tidak memberi pengaruh yang cukup terlihat, Nilai rata-rata delay terbesar yaitu 166,4 ms pada cuaca cerah dan 168,3 ms pada cuaca hujan dengan jarak yaitu 120 meter. 2. Nilai rata-rata throughput cenderung mengalami penurunan seiring dengan semakin besar jarak trasnmisi antar XBee S2 untuk setiap jenis ukuran paket data yang dikirimkan. Nilai rata-rata throughput terbesar yaitu 32,68 kbps pada cuaca cerah dan 32,52 kbps pada cuaca hujan dengan jarak terdekat yaitu 5 meter. 3. Pada jarak lebih dari 50 meter packet loss mulai terjadi dan makin meningkat dengan bertambahnya jarak transmisi. 4. Dari hasil pengujian, throughput Xbee S2 tidak mencapai 250 kbps seperti yang tertulis pada datasheet atau spesifikasi produk 5. Xbee S2 tidak memenuhi standar IEEE 802.15.4 karena throughput tidak mencapai 100 kbit/s pada jarak 30 meter.
Biodata Penulis Rangga Cakti Perdana, memperoleh gelar Sarjana Komputer (S.Kom), Jurusan Teknik Informatika STMIK AMIKOM Yogyakarta, lulus tahun 2016. Ferry Wahyu Wibowo, S.Si, M.Cs. SD N Wates 5 Mojokerto SLTP N 4 Mojokerto SMU N O1 Puri Mojokerto D3 Teknik Elektro UGM Jogjakarta S1 Fisila UGM Jogjakarta S2 Ilmu Komputer UGM Jogjakarta.
5.2 Saran
Pengujian yang dilakukan penulis mungkin masih terdapat banyak kekurangan dan masih banyak sekenario atau variasi pengujian yang belum dilakukan. Salah satu pengembangan dalam pengujian yang dapat dilakukan adalah dengan memakai lebih dari 2 buah Xbee S2 dan membuat 5
