Rancang Bangun Jaringan Ad Hoc Berbasis Radio Paket pada Kanal Frekuensi Tinggi untuk Layanan Data Telemedika

Rancang Bangun Jaringan

Ad Hoc Berbasis Radio Paket

pada Kanal Frekuensi Tinggi

untuk Layanan Data Telemedika

Oleh: Khoirul Fahmi (2208100049)

Dosen Pembimbing: Dr. Ir. Achmad Affandi, DEA Atik Choirul Hidajah, dr. M.Kes

Sekilas Telemedika

• Telemedika merupakan penggunaan teknologi informasi dan

komunikasi untuk mentransfer informasi medik bagi penyampaian servis klinik dan pendidikan.

• Data telemedika terdiri dari: 1. Data Teks dan Numerik

Contoh: Laporan, catatan pasien dalam rekam medik 2. Data Audio

Contoh: Suara pembicaraan, sinyal audio dari stetoskop digital 3. Citra Diam (Still Image)

Contoh: Foto rontgen, citra dermatologi, hasil CT-scan. 4. Data Video (Citra Sekuensial)

Kompleksitas Aplikasi Telemedika

Terhadap Kebutuhan Bandwidth

300 – 1200 bps Radio Paket HF/VHF

Struktur Kewenangan Pengiriman

Rekam Medis di Indonesia

Dinas Kesehatan Kab / Kota Setempat Puskesmas Puskesmas Puskesmas Puskesmas Puskesmas Feedback

Rekam Medis Berdasarkan

Rentang Waktu Pengiriman

• Rekam Medis Mingguan

Berisi laporan yang paling update dan sedikit datanya • Rekam Medis Bulanan

Berisi laporan yang agak kompleks • Rekam Medis 3 Bulanan

Latar Belakang

1. Pelayanan rekam medis masih dilakukan secara konvensional yaitu paper based document

2. Layanan telemedika di Indonesia sangat bergantung pada kecepatan akses data internet

3. Kanal frekuensi radio sebagai media komunikasi dan media transmisi data yang gratis untuk berbagai keperluan khususnya dalam bidang medis

4. Jaringan ad hoc cocok diterapkan di daerah terpencil yang terbatas akan dana dan bantuan tenaga medis.

Permasalahan

1. Bagaimana protokol jaringan ad hoc yang sesuai karakteristik kanal radio

2. Bagaimana implementasi protokol jaringan ad hoc pada terminal komunikasi data

3. Bagaimana implementasi layanan data telemedika pada terminal

4. Bagaimana algoritma pengiriman paket radio dalam jaringan ad hoc

5. Bagaimana kinerja pengiriman paket radio dalam jaringan

Batasan Masalah

1. Pengujian mode point-to-point dilakukan pada kanal HF 2. Pengujian mode ad hoc dilakukan pada kanal VHF

3. Node maksimal yang digunakan sebanyak tiga

4. Analisis yang dilakukan untuk menguji unjuk kerja pengiriman data berdasarkan parameter delay, throughput, dan delivery packet ratio.

Alur Kegiatan Tugas Akhir

1. Merancang protokol komunikasi data ad hoc

2. Integrasi hardware terminal (laptop), modem MFJ, dan radio transceiver HF

3. Pengujian skala laboratorium (uji algoritma protokol) 4. Pengujian di lapangan (uji kinerja sistem komunikasi) 5. Analisa kinerja sistem

6. Evaluasi hasil desain protokol 7. Kesimpulan

Penentuan Protokol

• Kanal HF tergolong sebagai narrowband dengan bitrate 300 bps sehingga flooding untuk update tabel routing ditekan seminimal mungkin

• Dengan mengadopsi protokol jenis reaktif yaitu DSR (Dynamic Source Routing) - rfc4728 - dimana update tabel routing jarang dilakukan sehingga cocok untuk topologi jaringan mobilitas rendah yang memiliki bitrate rendah

Tipe Paket Protokol

• Protokol terdiri dari lima pesan kontrol yang dikirimkan dalam

bentuk paket

1. RREQ: mencari rute

2. RREP: sbg balasan setelah rute telah terbentuk 3. Route Cache: menyimpan rute yang terbentuk 4. Data: untuk transfer data

Mekanisme Protokol

RREQ RREP Route Cache Data ACK/NAK W ak tu

Implementasi Terminal Layanan

Data Telemedika

Pengujian

1. Menguji kanal HF antara Surabaya dan Lawang • Mengirim paket radio KISS dengan modem MFJ • Mengirim sinyal carrier AM

• Menggabungkan hasil modulasi dengan noise HF 2. Menguji algoritma protokol

3. Menguji kinerja sistem antara 2 node dan 3 node (delay,

throughput, packet delivery ratio)

• Uji coba route discovery • Uji coba route cache

Konfigurasi Peralatan Perekaman

Sinyal Paket Radio HF

Terminal Pengirim

Modem MFJ 1278B

ICOM IC-718 Tuner MFJ 948 Antena Balun Inverted V Dipole

Antena Balun Inverted V Dipole Program Mode KISS

ICOM IC-718

Behringer UCA 222

Terminal Penerima Audacity

Konfigurasi Peralatan Demodulasi

Data Radio Paket

Modem MFJ 1278B Line Out PC ke Port Radio Pin

Receive Audio

Terminal PC Port Serial Modem ke USB/ Serial Port PC

Putty / Hyperterminal

Hasil Perekaman Paket Radio HF pada Domain Waktu

Hasil Pengujian Paket Radio HF

22 Mei 2012 pk. 20.30 WIB f = 6,304 MHz P_Tx = 110 W = 50,41 dBm Modulasi: LSB t = 2,8 s FFT size = 4096 f_peak = 2,28 kHz P_{Rx peak audio} = -30,97 dB

Konfigurasi Peralatan Pengujian

Level SNR Audio Kanal HF

Antena Balun Inverted V Dipole Radio HF

Tranmitter

Radio Tuner Antena Balun Inverted V Dipole Radio HF Receiver Behringer UCA 222 Terminal Penerima Audacity

Laboratorium B406 Teknik Elektro ITS Surabaya

Sekitar Hotel Arjuna Lawang PTT On-Off

Hasil Pengujian Komunikasi Radio HF

Hasil Rekam Komunikasi Radio HF pada Domain Waktu

Hasil Rekam Komunikasi Radio HF pada Domain Frekuensi

3 Juni 2012 pk. 12.15 WIB f = 6,308 MHz P_Tx = 80 W = 49 dBm Modulasi: AM t = 3,87 s FFT size = 4096 f_peak = 1,009 kHz P_{Rx peak audio} = -24,65 dB SNR_audio = -4,293 dB

Konfigurasi Peralatan Perekaman

Sinyal Data Hasil Modulasi

Modem MFJ 1278B

Terminal Penerima Terminal Pengirim

Audio Line Out PC ke Port Serial Modem

Port Radio Pin Mic ke Port Audio Line In PC

Hasil Modulasi Paket Tanpa Noise HF

Sinyal Modulasi Media Kabel pada Domain Waktu

Hasil Sinyal Modulasi Media Kabel pada Domain Frekuensi

FFT size = 4096 f_peak = 2,28 kHz

Hasil Penggabungan Paket dgn Noise HF

Sinyal Modulasi dgn Noise HF pada Domain Waktu

Sinyal Modulasi dgn Noise HF pada Domain Frekuensi

FFT size = 4096 f_peak = 2,28 kHz

P_{Rx peak audio} = -24,62 dB

Konfigurasi Pengujian Protokol

Mode Point-to-Point

Terminal Pengirim Terminal Penerima Modem KYL 600L Modem KYL 600L Antena VHF mobile Antena VHF mobile

Laboratorium B401 Teknik Elektro ITS Surabaya Plasa Teknik Material dan Metalurgi ITS Surabaya

Konfigurasi Pengujian Protokol

Mode Ad Hoc

Terminal Pengirim Terminal Perantara Modem KYL 600L Modem KYL 600L Antena VHF mobile Antena VHF mobile

Laboratorium B401 Teknik Elektro ITS Surabaya Plasa Teknik Material dan Metalurgi ITS Surabaya

Terminal Penerima Modem KYL 600L Antena VHF mobile No Link

Pengujian Delay Sistem

Semakin banyak node yang berpartisipasi, makin besar delay pengirimannya.

Selisih waktu antar pengiriman berpengaruh pada delay

pengiriman 2 node karena proses antrian paket pada modem

sedangkan pada 3 node paket langsung diforward.

Pengujian Throughput Sistem

Semakin banyak node yang berpartisipasi, makin kecil throughput sistem.

Throughput teoritis = Total Byte x 10 bit / Delay Teoritis

Selisih waktu antar pengiriman berpengaruh pada throughput pengiriman 2 node karena proses antrian paket pada modem

sedangkan pada 3 node paket langsung diforward.

Pengujian PDR Sistem

Banyak node yang berpartisipasi untuk 2 dan 3 node tidak

berpengaruh pada packet delivery ratio pengiriman asalkan delay pengiriman antar paket lebih dari delay pengiriman teoritis.

Pengiriman kontinyu 160 karakter U (total 178B) tiap 3s sebanyak 10x hanya pengiriman pertama yang sukses terkirim utk 3 node.

Karena antrian data yang tidak dapat ditangani modem sehingga paket akan ditolak.

Delay teoritis 160char U 2 node = 8,33ms x (160+18) x 1 = 1482,74ms ≈ 1,5s Delay teoritis 160char U 3 node = 8,33ms x (160+18) x 2 = 2965,48ms ≈ 3s

Kesimpulan (1)

• Sistem komunikasi data menggunakan kanal HF dengan bitrate 300 bps antara Surabaya dan Lawang membutuhkan penelitian lebih lanjut untuk optimasi kanal.

• Protokol terdiri dari lima pesan kontrol yang dikirimkan dalam bentuk paket

– Tipe 1: Route Cache  menyimpan rute yang terbentuk – Tipe 2: RREQ  mencari rute

– Tipe 3: RREPsbg balasan setelah rute telah terbentuk – Tipe 4: Data  untuk transfer data

– Tipe 5: ACK/NAK  sbg balasan setelah data diterima

• Protokol ini diwujudkan dalam bentuk program pada terminal komunikasi data telemedika

Kesimpulan (2)

• Delay pengiriman berbanding lurus dengan jumlah pesan yang dikirim dan banyak node.

• Throughput berbanding lurus dengan jumlah pesan yang dikirim dan berbanding terbalik dengan banyak node.

• Sedangkan packet delivery ratio tergantung dari besar delay antar pengiriman paket data dan jumlah karakternya.

• Jumlah node yang berpartisipasi untuk 2 dan 3 node tidak berpengaruh pada packet delivery ratio pengiriman asalkan delay pengiriman antar paket lebih dari delay pengiriman teoritis

• Pengiriman paket data dgn 1 node perantara pada kanal VHF, batas maksimal pengiriman pesan kontinyu setiap 3s adalah 140 karakter U (158 Byte total).

Referensi

1. Keputusan Menteri Kesehatan Republik Indonesia 2007, Standar Profesi Perekam Medis dan Informasi Kesehatan – bagian C no.2b: bentuk pelayanan rekam medis, No:377/Menkes/SK/III/2007, MenKes Republik Indonesia, Jakarta.

2. Soegijoko & Soegijardjo 2005, “Development of ICT-Based Mobile Telemedicine System with Multi Communication Links for Urban and Rural Areas in Indonesia”, Asia Pacific Development Information Programme.

3. Harris, T.J., “Characterisation of Narrowband HF Channels in the Mid and Low Latitude Ionosphere” Defence Science and Technology Organisation West Avenue, Edinburgh, Australia, 2006.

4. M. Ardita. “Kinerja Modem Adhoc Radio Untuk Mendukung Manajemen Transportasi Kapal Tradisional. Master Thesis. Surabaya: Postgraduate ITS:2010.

5. K. Gupta, “Performance analysis of AODV, DSR & TORA Routing Protocols”, IACSIT International Journal of Engineering and Technology Vol.2, No.2, April 2010.

6. Broch J., ”A Performance Comparison of Multi-Hop Wireless Ad Hoc Network Routing Protocols”. Proceedings of the Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking, 1998.

7. Johnson D., “Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks”. Computer Science Department Carnegie Mellon University, 1996.

8. Beech 1998, “AX.25 Link Access Protocol for Amateur Packet Radio, Version 2.2”, Tucson Amateur Packet Radio Corporation.

9. C, Mike, “The KISS TNC: A Simple Host-to-TNC Communications Protocol”, ARRL 6th Computer Networking Conference, Redondo Beach CA, 1987.

10.Fahmi, Purbo, 1999, “Radio Paket Amatir”, Computer Network Research Group, Institut Teknologi Bandung. 11.MFJ 1278B/1278BT Fast Start, Instruction Manual Rev 4.2. MFJ Enterprises Inc., 1994.

Protokol Routing Ad Hoc

Berdasarkan Tabel Routing

 Proaktif: Update tabel routing setiap saat

+ Pengiriman data lebih cepat

- Trafik kanal tinggi (karena flooding paket tabel routing)

 Reaktif: Update tabel routing dilakukan saat ada

permintaan pengiriman data saja

+ Trafik kanal rendah (cocok utk bitrate rendah)

- Pengiriman data lebih lama (sebelum pengiriman data ada

Arsitektur Protokol

Arsitektur

Protokol

Route

Discovery

Transfer

Data

1) RREQ

2) RREP

3) Route Cache

4) Data Transfer 5) Acknowledgement

Paket RREQ (Route Request)

• Dikirimkan dari node pengirim ke node tujuan jika ada permintaan pengiriman data dan rute pengiriman tidak ada dalam tabel rute yang telah ada.

Nama Bagian Lebar Data (Byte)

Header 3

Tipe Paket 1 Node Pengirim 1 Node Tujuan 1 Total Hop (Node) 1 Nomer Urutan 1

Alamat Rute 2 /3

Footer 3

Format Paket RREQ Mekanisme Paket RREQ

Paket RREP (Route Reply)

• Dikirimkan dari node tujuan ke node asal pengirim setelah paket RREQ diterima.

Nama Bagian Lebar Data (Byte)

Header 3

Tipe Paket 1

Node Pengirim 1

Node Tujuan 1

Total Hop (Node) 1

Nomer Urutan 1

Alamat Rute 2 / 3

Footer 3

Format Paket RREP Mekanisme Paket RREP

Paket Route Cache

Nama Bagian Lebar Data (Byte)

Header 3 Tipe Paket 1 Node Pengirim 1 Node Tujuan 1 Rute 1 2 / 3 Rute 2 2 / 3 Rute 3 0 /3 Rute 4 0 / 3 Footer 0 / 3

Mekanisme Paket Route Cache Format Paket Route Cache

• Pengiriman paket route cache pada node tujuan dilakukan setelah paket RREP diterima agar node tujuan tadi dapat mengirim paket data juga.

Paket Data

• Setelah proses pengiriman route cache dilakukan, maka paket

data dapat dikirimkan baik dari node pengirim yang mengawali RREQ maupun sebaliknya.

Nama Bagian Lebar Data

(Byte) Header 3 Tipe Paket 1 Node Pengirim 1 Node Tujuan 1 Total Hop (Node) 1 Nomer Urutan 1 Alamat Rute 2 / 3 Payload (Variatif) FCS 3 Footer 3

Paket ACK / NAK

• Setelah paket data diterima, akan dilakukan proses pengecekan payload dengan mengecek data FCS yang diterima dan dicek ulang dengan FCS payload yang diterima. • Apabila checksum sama, maka node tujuan mengirimkan paket

ACK ke node asal.

• Apabila checksum tidak sama, maka node tujuan mengirimkan paket NAK ke node asal. Nama Bagian Lebar Data

(Byte) Header 3 Tipe Paket 1 Node Pengirim 1 Node Tujuan 1 Total Hop (Node) 1 Nomer Urutan 1 Alamat Rute 2 / 3 FCS 3 Footer 3

Pemilihan Model ACK

• Model ACK pada desain protokol ada dua yaitu ACK end-to-end

dan ACK segment-to-segment.

• Yang digunakan adalah ACK end-to-end karena lebih efisien waktu dan menghemat trafik pada kanal.

Mode Paket KISS Frame

• Untuk memudahkan pengiriman paket radio dalam TCP/IP • Bekerja dengan menumpangkan protokol TCP/IP pada

protokol AX.25

Karakter Spesial KISS Mode

Hasil Pengujian Route Discovery

Delay teoritis = Waktu kirim per 1 Byte x Total Byte x Jumlah Hop Delay teoritis 2 Node (16B) = 8,33ms/B x 16B x 1 = 133,28ms

Hasil Pengujian Route Cache

Delay teoritis = Waktu kirim per 1 Byte x Total Byte x Jumlah Hop Delay teoritis 2 Node (24B) = 8,33ms/B x 24B x 1 = 199,92ms

Hasil Pengujian Data Telemedika

Delay teoritis = Waktu kirim per 1 Byte x Total Byte x Jumlah Hop Delay teoritis 2 Node (245B) = 8,33ms/B x 245B x 1 = 2040,85ms Delay teoritis 3 Node (245B) = 8,33ms/B x 245B x 2 = 4081,17ms

Hasil Pengujian ACK

Delay teoritis = Waktu kirim per 1 Byte x Total Byte x Jumlah Hop Delay teoritis 2 Node (20B) = 8,33ms/B x 20B x 1 = 166,6ms

Performance Curves for Digital Modulation Systems (K.V. Prasad, 2003)