Reduksi Konsumsi Energi Perangkat Bergerak WiMAX Melalui Pengaturan Beban Protokol Transport

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Umum

Bab ini menjelaskan sekilas mengenai teknologi Worldwide

Interoperability Microwave Acces (WiMAX), perangkat lunak Network Simulator

NS-2, kerangka evaluasi video EvalVid, dan modul WiMAX NIST.

2.2 WiMAX

WiMAX merupakan standar Broadband Wireless Access (BWA) dengan

kemampuan transmisi data berkecepatan tinggi dan cakupan yang luas. WiMAX

menawarkan kemampuan transmisi yang baik dalam kondisi line of sight (LOS)

maupun nonline of sight (NLOS) dengan rate mencapai 70 Mbps dan dapat

menjangkau user sampai radius 5km [1].

2.2.1 Standar WiMAX

WiMAX menggunakan standar Institue of Electrical and Electronics

Engineering (IEEE) 802.16 yang termasuk dalam kategori Wireless Metropolitan

Area Network (WMAN). Standar 802.16 telah mengalami beberapa

perkembangan dan penyempurnaan sebagai berikut [1]:

a. 802.16

Standar 802.16 dirilis pada Desember 2001 untuk layanan fixed wireless

10-66 Ghz. Kondisi layanan adalah LOS dan bandwidth mencapai 32–124

Mbps.

b. 802.16a

Standar 802.16a dirilis pada Januari 2003 yang bekerja pada frekuensi 2–

11 GHz. Layanan sama dengan standar sebelumnya.

c. 802.16d

Standar ini dirilis pada Oktober 2004, berkerja pada frekuensi 2–11 Ghz

dengan bandwidth mencapai 70 Mbps.

d. 802.16e

Standar 802.16e dirilis pada Desember 2005 yang didesain agar user dapat

bergerak (mobile) dan dapat melakukan prosedur handover dan roaming.

2.2.2 Model Jaringan WiMAX

Struktur WiMAX meliputi struktur Base Station (BS), Subscriber Station

(SS), dan struktur Packet flows[2].

2.2.2.1BaseStation

Base station (BS) merupakan suatu perangkat pengirim dan penerima sinyal

radio ke subscriber station (SS). Paket pertama kali masuk dari higher layer

menuju flow classifier untuk mengatur arah paket yang akan dikirim ke dalam

antrian scheduler. Pada bagian scheduler ini terdapat bagian DL ARQ/HARQ

untuk menjaga banyaknya informasi yang masuk dan bagian uplink/downlink

Scheduler API yang mengatur jadwal paket saat hendak dikirim ke bagian DL

mengkombinasikan paket ke bentuk sebuah frame dan menambahkan informasi

seperti DL dan UL maps didalamnya. Kemudian paket dikirimkan oleh Tx PHY

Module melalui saluran nirkabel menuju Rx PHY Module. Setelah paket diterima

pada Rx PHY Module, maka selanjutnya paket dikirim ke Packet Parser untuk

mengklasifikasikan paket yang masuk berdasarkan jenis header paket. Setelah itu

menuju ke UL ARQ Module untuk mengelola paket yang diterima rusak

seluruhnya atau sebagian. Apabila ada yang rusak maka paket dikirim kembali

kebagian scheduler untuk dikelola kembali. Apabila tidak ada yang rusak maka

paket dikirimkan langsung menuju higher layer. Struktur node BS terlihat pada

Gambar 2.1 [2].

Gambar 2.1. Struktur Base Station

Struktur model BS memiliki bagian-bagian utama yaitu:

a. FlowClassifier

Flow Classifier berfungsi untuk mapping jaringan service data units (SDUs)

yang datang ke MAC service flow identifier (SFID) dan connection identifier

Suppression (PHS) jika aturan sesuai yang ditentukan oleh layanan. Semua paket

yang berasal dari layer aplikasi melewati bagian ini sebelum diarahkan ke antrian

sesuai dengan CID.

b. Scheduler (DL ARQ/HARQ)

Scheduler adalah bagian yang kompleks karena scheduler berfungsi untuk

menjaga banyak informasi untuk jadwal paket data dengan benar dan efisien.

Scheduler harus mempertahankan informasi seperti :

1. Informasi QoS untuk setiap flow.

2. Status antrian DL untuk setiap flow .

3. Bandwidth UL (bandwidth request dan bandwidth updated selama

pelayanan scheduling seperti UGS ) untuk setiap flow atau mobile.

4. Informasi keadaan channel untuk setiap mobile.

Scheduler memilikibeberapa bagian yaitu DL/UL scheduling,DL resource

allocator, dan Packet fragmentation/packing.

c. UL ARQ

UL ARQberfungsi untuk mengelola paket yang diterima rusak seluruhnya

atau sebagian. Informasi ARQ feedback dkirim kembali ke pengirim melalui

informasi keadaan yang ditransfer antara UL ARQ dan DL ARQ / HARQ.

d. DL FrameAssembler

DL frameassembler berfungsimengkombinasikan semua paket yang

dibangkitkan oleh scheduler ke bentuksebuah frame dan menambahkan beberapa

e. Packet Parse

BS Packet Parserberfungsiuntuk mengklasifikasikan paket yang masuk

berdasarkan jenis di header paket (data paket atau paket kontrol). Contoh paket

kontrol adalah Bandwidth request ( BWR ) paket.

f. Tx/Rx PHY

Tx PHY Moduleberfungsi untuk mengirim paket melalui saluran nirkabel.

Rx PHY Module berfungsi untuk menerima paket melalui saluran nirkabel. Modul

DL PHY hanya melewati paket ke saluran nirkabel.Tanda beberapa informasi

PHY untuk paket-paket, seperti waktu transmisi, listrik, dan frekuensi.Modul UL

PHY menghitung informasi SINR untuk semua paket masuk dan

mengimplementasikan antarmuka untuk lapisan PHY yang menyediakan Blokir

Kesalahan Informasi ketika berdasarkan Blokir Ukuran dan nilai SINR .

2.2.2.2MobileSubscriber Station

Subsriber merupakan interface yang terhubung langsung ke user untuk

mengirim dan menerima paket ke dari tujuan. Setelah paket dari base station

diterima pada Rx PHY Module, maka selanjutnya paket dikirim ke Packet Parser

untuk mengklasifikasikan paket yang masuk berdasarkan jenis header paket.

Setelah itu menuju ke DL ARQ Module untuk mengelola paket yang diterima

rusak seluruhnya atau sebagian. Apabila ada yang rusak maka paket dikirim

kembali kebagian scheduler untuk dikelola kembali. Apabila tidak ada yang rusak

maka paket dikirimkan langsung menuju higher layer.Kemudian paket tersebut

diterima dan dikirimkan melalui higher layer menuju flow classifier untuk

scheduler ini terdapat bagian DL ARQ/HARQ untuk menjaga banyaknya

informasi yang masuk dan bagian Uplink Scheduler API yang mengatur jadwal

paket saat hendak dikirim ke bagian UL Assembler. Pada bagian UL Assembler ini

berfungsi untuk mencari antrian di MSS yang akan diblokir. Kemudian paket

dikirimkan oleh Tx PHY Module melalui saluran nirkabel menuju Rx PHY

Module. Struktur Mobile Subscriber Stationdiperlihatkan pada Gambar 2.2 [2].

Salah satu fungsi utama dari MSS untuk mengambil informasi kedatangan

UL-Maps dan mengekstrak informasi waktu awal dan akhir burst pada SC-PHY

dan merancang burst menggunakan data dari antrian data yang terkait dengan

MSS. Bagian-bagian MSS akan dijelaskan sebagai berikut:

a. UL Scheduler (ARQ/HARQ Module)

UL schedulerberfungsi mendapatkan bandwidth grant untuk mobile di

setiap frame dari packet parser dan kemudian menjadwalkan jumlah yang tepat

dari data dalam slot UL yang diberikan .

b. UL Assembler

UL Assemblerberfungsi untuk mencari antrian di MSS yang akan diblokir

danmembuat burst data yang sesuai kedalam slot yang diberikan. Fungsi blokir

yang lain sama seperti pada base station.

2.2.2.3PacketFlows

Packet flows merupakan jalur paket yang terjadi pada proses pengiriman

dan penerima dari mobile ke base station atau sebaliknya. Ada beberapa packet

flow pada proses pengiriman dan penerimaan data diantaranya seperti Regular DL

datapacket flow ,Regular UL Data Packet Flowdan lainnya [2].

a. Regular DL data packet flow

Suatu proses packet flow yang biasa terjadi pada downlink yaitu pengiriman

paket dari base station ke mobile. Paket pertama kali masuk dari higher layerBase

station menuju flow classifier untuk mengatur arah paket yang akan dikirim ke

dalam antrian scheduler. Pada bagian scheduler ini terdapat bagian DL

ARQ/HARQ untuk menjaga banyaknya informasi yang masuk dan bagian

uplink/downlink Scheduler API yang mengatur jadwal paket saat hendak dikirim

ke bagian DL Frame Assembler. Pada bagian DL Frame Assembler ini berfungsi

untuk mengkombinasikan paket ke bentuk sebuah frame dan menambahkan

informasi seperti DL dan UL maps didalamnya. Kemudian paket dikirimkan oleh

Tx PHY Module melalui saluran nirkabel menuju Rx PHY Module. Setelah paket

diterima pada Rx PHY Module, maka selanjutnya paket dikirim ke Packet Parser

untuk mengklasifikasikan paket yang masuk berdasarkan jenis header paket.

rusak seluruhnya atau sebagian. Apabila ada yang rusak maka paket dikirim

kembali kebagian scheduler untuk dikelola kembali. Apabila tidak ada yang rusak

maka paket dikirimkan langsung menuju higher layerpada mobile subscriber

station. Regular DL data packet flowdiperlihatkan pada Gambar 2.3.

b. Regular UL Data Packet Flow

Suatu proses packet flow yang biasa terjadi pada uplink yaitu pengiriman

paket dari mobile subscriber station ke base station. Setelah paket dari base

station diterima oleh mobile subscriber station pada Rx PHY Module, maka

selanjutnya paket dikirim ke Packet Parser untuk mengklasifikasikan paket yang

masuk berdasarkan jenis header paket. Setelah itu menuju ke DL ARQ Module

untuk mengelola paket yang diterima rusak seluruhnya atau sebagian. Apabila ada

yang rusak maka paket dikirim kembali kebagian scheduler untuk dikelola

kembali. Apabila tidak ada yang rusak maka paket dikirimkan langsung menuju

higher layer.Kemudian paket tersebut diterima dan dikirimkan melalui higher

layer menuju flow classifier untuk mengatur arah paket yang akan dikirim ke

dalam antrian scheduler. Pada bagian scheduler ini terdapat bagian DL

ARQ/HARQ untuk menjaga banyaknya informasi yang masuk dan bagian Uplink

Scheduler API yang mengatur jadwal paket saat hendak dikirim ke bagian UL

Assembler. Pada bagian UL Assembler ini berfungsi untuk mencari antrian di

MSS yang akan diblokir. Kemudian paket dikirimkan oleh Tx PHY Module

melalui saluran nirkabel menuju Rx PHY Modulepada base station. Regular UL

data packet flow diperlihatkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Regular UL data packet flow

2.3 Network Simulator NS-2

NS-2merupakan sebuahprogramsimulasi berbasis event (kejadian)yang

banyak digunakanuntuk mempelajarisifat dinamis darijaringan dan protokol

komunikasi. NS-2 mampu mensimulasikan jaringankabeldanjaringan

nirkabelserta protokolnya mencakupalgoritmarouting,protokol komunikasi,

algoritma akses dan lain-lain [3].

Gambar 2.5 menunjukan arsitektur dasar NS-2. NS-2 menggunakan dua

jenis bahasa pemrograman, C++ dan TCL. Bahasa C++ digunakan sebagai inti

Gambar 2.5. Arsitektur dasar NS-2

TclCL dan OTcl adalah komponen TCL yang berfungsi untuk

menjembatani konfigurasi dengan proses simulasi. Program NS-2 menggunakan

command line interface, yang menghasilkan trace atau catatan yang dapat

dipergunakan oleh modul network animator (NAM) (Gambar2.6) maupun piranti

plot grafik Xgraph[3].

2.4 Kerangka Evaluasi Video Evalvid

Simulator NS-2 menyediakan presentasi data menggunakan Xgraph.

Namun Xgraph kehilangan detail kejadian pengiriman data dan hanya

menampilkan data rata-rata untuk parameter yang ditinjau. Oleh karenanya, untuk

mempresentasikan parameter yang dievaluasi, penelitian ini menggunakan

EvalVid.

EvalVid adalah framework dan tool set untuk evaluasi kualitas video yang

dikirimkan melalui jaringan komunikasi nyata ataupun simulasi [4].Struktur dari

framework EvalVid ditunjukan Gambar 2.7 [5].

Video

Gambar 2.7. Struktur framework EvalVid

Komponen utama dari struktur EvalVid dijelaskan sebagai berikut :

1. Source: Sumber video dapat berupa raw file YUV dengan resolusi Quarter

Common Intermediate Format (QCIF, 176 x 144) atau di Common

Intermediate Format(CIF, 352 x 288).

2. Video Encoder dan Decoder:EvalVid mendukung dua codec MPEG4 ,

yaitu codec NCTU dan ffmpeg.

output encoder, menfragmentasi setiap frame video yang berukuran besar

menjadi segmen yang berukuran kecil dan kemudian mengirimkan segmen

ini melalui paket UDP pada jaringan nyata atau simulasi. Untuk setiap

pengiriman paket UDP,framework mencatat tanda waktu, id paket, dan

ukuran paket di sender trace file dengan bantuan tcp dump atau win

dump, jika jaringan adalah Link nyata. Namun, jika jaringan

disimulasikan,sender trace file disediakan oleh entitas pengirim.

komponen VS juga membangkitkanvideo trace file yang berisi informasi

tentang setiap framepadafile video real. Video trace file dan sender trace

file yang kemudian digunakan untuk evaluasi kualitas video berikutnya .

4. ET (Evaluate Trace): Evaluasi berlangsung di sisi pengirim. Oleh karena

itu, informasi tanda waktu, id paket, dan ukuran paket yang diterima pada

penerima harus dikirim kembali ke pengirim. Berdasarkan file video asli

yang dikodekan, file video trace, file sender trace, dan file received

trace,komponen ET menghasilkan laporandelay, packet loss, jitterserta file

video rekontruksi untuk melihat hasil video pada sisi penerima mengalami

kerusakan atau tidak.

5. FV (Fix Video): penilaian kualitas video digital dilakukan dari frame demi

frame. Oleh karena itu, jumlah total frame video di sisi penerima, termasuk

yang salah, harus sama seperti video asli di sisi pengirim.

6. PSNR (Peak Signal Noise Ratio): PSNR adalah salah satu objek untuk

menilai QoSaplikasi pada transmisi video.

7. MOS (Mean Opinion Score):suatu subjektif untuk mengukur kualitas

2.5 Modul WiMAX NIST

Modul WiMAX ini modul yang dibuat oleh National Institute of Standards

and Technology (NIST) berdasarkan WirelessMAN-OFDM. Proses UL dan DL

dipisahkan oleh TDD. Modul NIST menyediakan basic scheduler round robin

dan mendukung scanning dan handover, serta fragmentation and

framereassembling[6].

Gambar 2.8 menunjukan struktur utama dari modul WiMAX NIST. Modul

802.16 ini mewakili MAC module pada NS-2. Ada 6 komponen utama pada

Modul ini yaitu peer node; connection; service flow; classifier; scheduler dan

statistics. Peer node merekam informasi peer termasuk Subscriber Station dan

Base Station[6].

Gambar 2.8. Struktur utama modul WiMAX NIST

Pada WiMAX setiap subscriber station hanya mempunyai 1 connection.

Dimana, keadaan dari incoming dan outgoingconnections diatur oleh modul

oleh modul service flows. Modul classifier merekamdan memproses incoming dan

outgoing paket.

Modul WiMAX NIST ditambahkan ke NS-2 dan divalidasi pada beberapa

test dan verifikasi kebenaran penambahan fungsi dan memenuhi standard IEEE

802.16. Beberapa metode validasi adalah link adaptation, data rate validation,

frame validation dan QoS validation. link adaptation untuk memvalidasi

kecenderungan benar dari Signal to Noise Ratio pada posisi Subscriber Station;

data rate validation mengukur consistency bandwidth sel; frame validation and

QoS validation mengecek formatframe pada mode TDD; QoS validation

mengecek kebenaran dari tiap class of service[6].

2.6 Pengaturan Beban TransportLayer Protokol

Pengaturan beban transportlayer protokol dikembangkan berdasarkan ide

dari Seyed Mohammad Ali Zeinolabedin lulusan dari Azad University di Negara

Iran. Secara normal, frame video yang dihasilkan dalam jangka waktu yang tetap

sehingga video memiliki parameter frame tertentu per detik (fps). Selanjutnya,

kompresi video membedakan ukuran frame berdasarkan jenis framenya. Frame I

berisi gambar asli yang memiliki kapasitas sedikit lebih tinggi daripada jenis

frame video P atau B yang hanya dibangun oleh bagian perubahan byte gambar

Di sisi lain, komunikasi nirkabel untuk lalu lintas berbasis IP

membutuhkan permintaan bandwidth, seperti permintaan untuk kirim (RTS) dan

Clear untuk kirim (CTS) di jaringan 802.11, atau permintaan bandwidth di

jaringan 802.16. Beberapa dipisahkan dengan permintaan byte kecil dalam waktu

singkat tidak efisien dan cenderung mengurangi kinerja akses karena akan lebih

sering mengalami kompetisi pada permintaan.

Frame video yang dihasilkan oleh aplikasi perangkat lunak lapisan

buffer akan bergabung dua atau lebih frame untuk mencapai permintaan

bandwidth yang sering berkurang dan ukuran lalu lintas yang lebih padat. Gambar

2.9 bdan 2.9 c menunjukkan bahwa dengan menggabungkan dua atau lebih frame,

lalu lintas lebih padat dan sering berkurang. lalu lintas asli tanpa buffering berisi

120 frame dengan ukuran rata-rata 9362 bit. Dengan asumsi jaringan tidak lebih

dari kapasitas, lalu lintas ini dapat menghasilkan 120 waktu transmisi. Ketika dua

atau tiga frame bergabung, jumlah transmisi dikurangi, 90 dan 72 kali dengan

trafik padat 12.482 dan 15.600 bit dalam rata-rata [7].