Analisis Peningkatan Kinerja Wimax Melalui Penambahan Booster Amplifier Pada Subscriber Station

5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Umum

Bab ini menjelaskan sekilas tentang teknologi Worldwide Interoperability Microwave Acces (WiMAX), perangkat lunak simulasi Network Simulator versi 2 (NS-2), kerangka evaluasi video EvalVid, modul simulasi WiMAX, amplifier dan parameter kerja yang dievaluasi.

2.2 Worldwide Interoperability Microwave Acces (WiMAX)

Worldwide Interoperability for Microwave (WiMAX) merupakan standar Broadband Wireless Access (BWA) dengan kemampuan untuk transmisi data dengan kecepatan tinggi. WiMAX menawarkan kemampuan transmisi yang

baik dalam kondisi Non Line of Sight (NLOS) serta data rate mencapai 70 Mbps dan dapat menjangkau user sampai 5km [1].

2.2.1 Standar Wimax

WiMAX menggunakan standar Institue of Electrical and Electronics Engineering (IEEE) 802.16 yang termasuk dalam kategori WMAN (Wireless Metropolitan Area Network ). Standar 802.16 telah mengalami beberapa perkembangan dan penyempurnaan sebagai berikut [1]:

- 802.16

6 pada aplikasi point to point. Standar ini bekerja pada daerah yang LOS (Line

Of Sight). Dengan bandwidth mencapai 32 – 124 Mbps.

- 802.16a

Standar ini dirilis pada Januari 2003 merupakan Original Fixed Wireless Broadband. Bekerja pada frekuensi radio 2 – 11 Ghz dan digunakan pada aplikasi point to multipoint.

- 802.16REVd

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

Ghz. Dengan bandwidth mencapai 70 Mbps. Standar ini berfungsi sebagai fixed wireless broadband access dengan konstruksi antena pelanggan dipasangkan pada atap rumah atau tiang. Teknologi ini menyediakan

jaringan tanpa kabel jarak jauh sebagai alternatif pengganti dari modem

kabel. WiMAX dapat dikombinasikan dengan jaringan WiFi dimana

WiMAX digunakan sebagai penghubung ke fixed outdoor atau fixed indoor

antena.

- 802.16e

Standar ini dirilis pada Desember 2005 yang merupakan amandemen

802.16a untuk perangkat mobile yang dapat melakukan prosedur handover dan roaming. Standar ini digunakan untuk WiMAX mobile.

2.2.2 Struktur Layer

Karakteristik standar 802.16 ditentukan oleh spesifikasi teknis dari Physical

(PHY) Layer dan Medium Access Control (MAC) Layer. Perbedaan

7

ditunjukkan lingkup dari standar yang meliputi PHY dan MAC. Sedangkan

Network Management System (NMS) dan Management Plane dapat

berbeda-beda mengikuti strategi desain dari masing-masing manufaktur atau vendor

pembuatnya [2].

Gambar 2.1. Layer PHY dan MAC pada standar 802.16

Physical layer menjalankan fungsi mengalirkan data di level fisik. MAC Layer berfungsi sebagai penterjemah protokol-protokol yang ada di

atasnya seperti ATM dan IP. MAC layer dibagi lagi menjadi tiga sub-layer :

Service Specific Convergence Sublayer (SS-CS), MAC Common Part Sublayer, dan Security Sublayer [2].

2.2.3 Phy Layer

Pada standar WiMAX, fungsi-fungsi penting yang di atur pada PHY

8 secara bersama-sama memberikan keunggulan yang cukup berarti dibandingkan

dengan BWA yang ada sebelumnya [2].

Dengan teknologi OFDM memungkinkan komunikasi berlangsung

dalam kondisi multipath LOS dan NLOS antara Base Station (BS) dan Subscriber Station (SS). Metode OFDM yang digunakan untuk WiMAX adalah Fast Fourier Transfer (FFT) 256 . Fitur PHY untuk sistem duplex pada standar WiMAX bisa diterapkan pada Frequency Division Duplexing (FDD),

Time Division Duplexing (TDD) atau keduanya TDD dan FDD. Fitur ini memberikan kemudahan pengaturan spektrum frekuensi yang akan digunakan

oleh para operator agar didapatkan efisiensi spektrum yang optimal. Hal ini

juga sejalan dengan penggunaan kanal (kanalisasi) yang diperbolehkan, yaitu

dari 1.7 MHz sampai dengan 20 MHz [2].

Varian PHY yang diadopsi dari standar 802.16 adalah

WirelessMAN-OFDM dan WirelessMAN-WirelessMAN-OFDMA untuk licensed frequency serta Wireless

HUMAN untuk frekuensi Unlicensed National Information Infrastructure (UNII) dan frekuensi unlicensed lainnya [2].

2.2.4 Medium Access Layer

Medium Access (MAC) layer didesain untuk aplikasi Point to Multi Point (PMP). Berbeda dengan WiFi, mekanisme pengalokasian dipersiapkan untuk

menangani ratusan terminal per kanal, dan setiap terminal memungkinkan

lagi untuk penggunaan secara bersama dengan beberapa pengguna akhir. Pada

MAC Layer digunakan dua jalur data berkecepatan data tinggi untuk

9 (UL) untuk komunikasi menuju ke BS, dan Down Link (DL) untuk komunikasi

dari BS . Secara umum DL ditransmisikan secara broadcast dari BS dan semua SS menerima sinyal DL tersebut tanpa koordinasi langsung antar SS yang

ada. Pada penggunaan sistem TDD, ditentukan periode transmit untuk DL dan

UL. MAC Layer mempunyai karakteristik connection-oriented dan setiap sambungan diidentifikasi oleh 16-bit Connection Identifiers (CID) . CID digunakan untuk mernbedakan kanal UL dan lainnya. Setiap SS memiliki MAC

Address dengan lebar standar 48 bit. Dalam mekanisme sambungan antar SS dan BS, terdapat tiga jenis koneksi manajemen untuk setiap arah, yang masing-masing

memerlukan tingkat penanganan QoS yang berbeda [2]. Ketiga sambungan

tersebut adalah:

- Basic Connection, menjalankan transfer yang relatif singkat,

melibatkan Radio Link Contol (RLC), dan kritis terhadap waktu

- Primary Management Connection, menjalankan transfer relatif lama, lebih

toleran terhadap delay, digunakan untuk proses otentikasi dan connection

setup.

- Transport Connection, digunakan untuk pengaturan layanan, QoS dan

parameter-parameter trafik.

2.3 Quality Of Service (Qos)

MAC layer WiMAX merupakan bagian yang mengatur keadaan QoS. Kemampuan untuk mengontrol QoS agar baik dicapai dengan menggunakan

arsitektur MAC berorientasi koneksi, di mana semua koneksi downlink dan uplink

10 searah, yang disebut koneksi, antara dua MAC-layer. Setiap koneksi diidentifikasi

oleh connection identifier (CID), yang berfungsi sebagai alamat sementara untuk

transmisi data melalui link tertentu [3].

WiMAX juga terdapat konsep service flow. Service flow adalah aliran satu arah dimana paket memiliki susunan parameter QoS tertentu, dan diidentifikasikan dengan sebuah service flow identifier (SFID). Parameter QoS dapat terdiri dari prioritas trafik, sustained traffic rate maksimum, burst rate maksimum, tolerable rate minimum, tipe scheduling, tipe ARQ, delay maksimum,

tolerated jitter, service data unit type dan ukuran, mekanisme permintaan bandwidth yang digunakan, dan seterusnya. Service flow dapat ditentukan melalui sistem manajemen jaringan yang dibuat secara dinamis dengan mendefinisikan

mekanisme pensinyalan dalam standar. BS bertanggung jawab untuk menerbitkan

SFID dan memetakannya ke CID. Service flow juga dapat dipetakan ke titik kode

Differentiated Services (DiffServ) atau label aliran Multi Protocol Label Swiching (MPLS) untuk mengizinkan QoS berbasis end-to-end [3].

Untuk mendukung berbagai macam aplikasi, WiMAX mendefinisikan lima

layanan penjadwalan yang harus didukung oleh MAC base station scheduler untuk transportasi data melalui koneksi [3].

- Unsolicited grant services (UGS) : UGS dirancang untuk mendukung paket

data dengan ukuran tetap pada Constant Bit Rate (CBR). Contoh aplikasi

yang dapat menggunakan layanan ini adalah T1 / E1 QoS service flow

parameter yang digunakan pada kelas UGS adalah Maximum Sustained

11 Policy. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah Voice Over

Internet Protocol (VOIP) tanpa silence suppression..

- Real-time polling services (rtPS) : Layanan ini dirancang untuk mendukung

layanan real-time, seperti MPEG video, yang menghasilkan paket data

dengan ukuran variabel secara periodik. QoS service flow parameter yang

digunakan pada kelas rtPS adalah Maximum Sustained Traffic Rate,

Maximum latency, Request/Trasmission Policy, dan Minimum Reserved

Traffic Rate. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah transmisi

video dalam format Moving Pictures Experts Group (MPEG).

- Extended Real Time Packet Service (ertPS) : Layanan ini dirancang

berdasarkan efisiensi dari kelas UGS dan rtPS. Unicastgrant diberikan oleh

BS tanpa diminta seperti halnya kelas UGS. Besar paket yang dikirim dapat

beragam (tidak fixed size) seperti pada kelas rtPS. QoS service flow

parameter yang digunakan pada kelas ertPS adalah Maximum Sustained

Traffic Rate, Maximum latency, Request/ Trasmission Policy, dan Minimum

Reserved Traffic Rate. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah

Voice Over IP dengan silence suppression.

- Non-Real Time Packet Service (nrtPS) : Layanan ini dirancang untuk

melayani non real time data service dan delay tolerant service yang

membutuhkan minimum data rate tertentu. QoS service flow parameter

yang digunakan pada kelas nrtPS adalah Maximum Sustained Traffic Rate,

Request/Trasmission Policy, Minimum Reserved Traffic Rate, dan Traffic

Priority. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah File Transfer

12

- Best Effort (BE) : Didesain untuk melayani data streaming service yang

tidak memerlukan permintaan minimum data service. QoS service flow

parameter yang digunakan pada kelas BE adalah Maximum Sustained

Traffic Rate, Request/Trasmission Policy, dan Traffic Priority. Contoh

aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah telnet dan http transmission.

2.4 Network Simulator 2 (Ns-2)

Network Simulator versi 2 atau yang dikenal sebagai NS-2 merupakan sebuah program simulasi berbasis kejadian yang banyak digunakan untuk

mempelajari sifat dinamis dari jaringan dan protokol komunikasi. NS-2 mampu

mensimulasikan jaringan kabel dan jaringan nirkabel serta protokolnya yang

meliputi: algoritma routing, protokol komunikasi, penjadwalan, algoritma akses dan lain-lain [4].

Gambar 2.2 menunjukan arsitektur dasar NS-2. NS-2 menggunakan dua

jenis bahasa pemrograman, C++ dan TCL. C++ digunakan sebagai core proses

simulasi, sementara TCL untuk konfigurasi jaringan.

13 TclCL dan OTcl adalah komponen TCL yang berfungsi untuk

menjembatani konfigurasi dengan proses simulasi. NS-2 dieksekusi melalui

perintah eksekusi command line. Hasil simulasi berupa catatan atau trace yang dapat dipergunakan oleh Network Animator (NAM) (Gambar 2.3) maupun plot grafik Xgraph [4].

Gambar 2.3. Tampilan NAM (Network AniMator)

2.4.1 Model Propagasi Free Space

Model propagasi merupakan model perambatan sinyal untuk

menggambarkan proses kemungkinan kehilangan sinyal pada waktu sinyal

ditransmisikan. Model propagasi dihitung pada layer fisik untuk mendapatkan besar power pada penerima [5]. Pada NS-2 terdapat 3 model propagation sebagai

default model, yakni model free space, model two-ray ground dan model shadowing.

Model free space merupakan model yang digunakan pada simulasi ini.

Model ini mengasumsikan pemancar (t) dan penerima (r) berada pada sebuah jalur

yang lurus dan bebas dari penghalang. Pr merupakan Power receive dimana

14 transmitter (Gr, Gt), panjang gelombang λ, jarak antara 2 node d, dan kostanta

loss sistem L [5].

Pada parameter tersebut, jarak yang mempengaruhi perubahaan Pr ketika

simulasi berjalan. Perhitungan Pr pada model propagasi free space dapat dilihat

2.4.2 Kerangka Evaluasi Video Evalvid

NS-2 menyediakan presentasi data menggunakan Xgraph. Namun Xgraph kehilangan detail dari kejadian pengiriman data dan hanya menampilkan data

rata-rata untuk parameter yang ditinjau. Oleh karenanya, untuk membantu

mempresentasikan parameter yang dievaluasi, digunakanlah evalvid.

EvalVid adalah framework dan tool set untuk evaluasi kualitas video yang dikirimkan melalui jaringan komunikasi nyata ataupun simulasi [6]. Struktur dari

framework EvalVid ditunjukan Gambar 2.4 [7].

Video

15 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.

3. VS (Video Sender): komponen VS membaca file video yang dikompres dari

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

membangkitkan video trace file yang berisi informasi tentang setiap frame

pada file 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 laporan packet loss, jitter serta file video

16 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. Jika codec tidak dapat mencegah hilangnya suatu frame maka, FV digunakan untuk

mengatasi masalah tersebut, dengan memasukkan frame terakhir yang berhasil dikodekan pada bagian frame yang hilang sebagai sebuah teknik penyembunyian error.

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

menilai QoS aplikasi pada transmisi video.

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

digital pada aplikasi.

2.4.3 Modul WiMAX

Modul WiMAX ini modul yang dibuat oleh National Institute of Standards

and Technology (NIST) berdasarkan WirelessMAN-OFDM. Proses UL dan DL dipisahkan oleh Time Division duplexing (TDD). Modul NIST menyediakan basic

scheduler round robin dan mendukung scanning dan handover, serta fragmentation and frame reassembling [8].

Gambar 2.5 menunjukan struktur utama dari modul WiMAX NIST. Modul

17 Gambar 2.5. Struktur utama modul WiMAX NIST

Pada WiMAX setiap subscriber station hanya mempunyai 1 connection. Dimana, keadaan dari incoming dan outgoing connections diatur oleh modul connection. Tiap connection dapat berisi beberapa service flows, yang dihandel oleh modul service flows. Modul classifier merecord dan memproses incoming dan outgoing paket. Algoritma di terapkan pada tiga modul scheduler [8].

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

18

2.5 Amplifier

Amplifier merupakan perangkat elektronik yang dapat meningkatkan kekuatan sinyal. Hal ini dilakukan dengan mengambil energi dari power supply dan mengendalikan output untuk mencocokkan bentuk sinyal input tetapi dengan

amplitudo yang lebih besar. Dalam hal ini, amplifier memodulasi output dari power supply untuk membuat sinyal keluaran lebih kuat dari sinyal input [9].

Gain atau penguatan dari sebuah amplifier adalah tidak linier. Dengan input lebih tinggi dari masukan yang diizinkan menyebabkan nilai gain cenderung jenuh. Persamaan penguatan sistem non-linear pada amplifier dapat dinyatakan dengan Persamaan 2.2 [10]:

)

2.6 Parameter Kinerja Jaringan 2.6.1 Signal To Noise Ratio (SNR)

Interferensi dan noise merupakan parameter komunikasi yang dapat diukur

secara fisik. Interferensi dan noise dapat disebabkan karena gangguan listrik, variasi suhu, maupun noise buatan manusia seperti pengapian pada mesin. Jika

level noise lebih tinggi dari sinyal yang diterima, maka terjadi penurunan kinerja [11].

Signal to Noise Ratio (SNR) merupakan perbandingan sinyal yang diterima

dengan noise yang mengganggu. Besarnya SNR merupakan probabilitas besar

sinyal menjadi sinyal pesan atau sinyal yang diinginkan [11]. Signal to noise ratio

dihitung dari power yang diterima oleh penerima dan noise yang terukur. Signal

19

transmisi (dBm) yang dihitung dengan Persamaan 2.4 [12].

) (

0 ThermalNoise NoiseFigure NF

N = + …(2.4)

2.6.2 Bit Error Rate (BER)

Bit Error Rate (BER) atau probabilitas bit error merupakan nilai ukur

kualitas sinyal yang diterima untuk sistem transmisi data digital. BER juga

dapat didefinisikan sebagai perbandingan jumlah bit error terhadap total bit

yang diterima. Nilai BER (Pb) untuk teknik modulasi QPSK dituliskan dalam

Persamaan 2.5 [12].

E_b merupakan rasio energi bit terhadap noise sistem (dB) yang dihitung

dengan Persamaan 2.6 :

20 2.6.3 Konsumsi Energi

Konsumsi energi adalah besarnya energi yang dibutuhkan selama perangkat

berkerja atau juga dapat didefenisikan sebagai daya yang diperlukan untuk

melakukan suatu mode operasi dikalikan dengan berapa waktu berlangsung mode

operasi tersebut. Ada beberapa mode operasi yang dilakukan pada perangkat

antara lain On dl subframe; On ul subframe; On sleep mode; On idle mode;

Turned on; Transmitting ul burst; dan Receiving dl burst. On dlsubframe kondisi

proses untuk downlink suatu frame. On ul subframe kondisi proses uplink suatu

frame. On sleep mode kondisi untuk efektif off sendiri dan menjadi tidak tersedia

untuk periode yang telah ditentukan; On idle mode kondisi off dan tidak terdaftar

di BS apapun, namun masih menerima broadcast traffic downlink; Turned on

kondisi ketika perangkat start untuk on; Transmitting ul burst kondisi untuk

melakukan uplink suatu frame; Receiving dl burst kondisi untuk melakukan

downlink suatu frame.

Nilai daya yang ternormalisasi dari tiap kondisi mode operasi dapat dilihat

pada Tabel 2.1 [13].

Tabel 2.1 Power konsumsi pada WiMAX

Operation Mode NS-2 state Normalized power

consumption

On dl subframe While_dl_subframe 1.00

On ul subframe While_ul_subframe 1.00

On sleep mode while_sleep_mode 0.29

On idle mode while_idle_mode 0.06

Turned on while_turned_on 1.00

Transmitting ul burst while_ul_burst ratio 0.17

Transmitting ul burst while_ul_burst_energy ratio 0.01