PENGOPTIMALAN THROUGHPUT dan KESAMARATAAN INDEKS FAIRNESS PADA JARINGAN NIRKABEL CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA)

(1)

JETri

, Volume 6, Nomor 1, Agustus 2006, Halaman 57-68, ISSN 1412-0372

PENGOPTIMALAN THROUGHPUT dan

KESAMARATAAN INDEKS FAIRNESS

PADA JARINGAN NIRKABEL

CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS

(CDMA)

Yuli Kurnia Ningsih & Andy Wiryanto*

Dosen Jurusan Teknik Elektro-Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti

Abstract

Currently, Code Division Multiple Access (CDMA) technology was not only utilize for voice communication, but for data communication too. TCP throughput get important role in this case. Frequently, performance and unfairness index throughput which is accepted user are a serious problem in the CDMA network. This paper describe about solution of unfairness throughput’s problem. From simulation results, index fairness every user approach one (1) with let more RTT connection so long and power control. That’s mean throughput every user have been optimal.

Keywords: throughput, TCP, Round Trip Times (RTT), Power control

1. Pendahuluan

Jaringan selular nirkabel awalnya didesain untuk mendukung informasi suara, tetapi kemudian digunakan pula untuk komunikasi data. Pada jaringan wireless, rugi-rugi yang terjadi disebabkan karena kesalahan pada transmisi. Akibatnya, ketika terjadi timeout dan Transmission Control Protocol (TCP) akan menurunkan transmisi rate secara cepat. Menurunnya transmisi rate secara mendadak, akan mengakibatkan penurunan kinerja throughput yang sangat serius (Zorz, 2002: 3).

Masalah lainnya, ketidaksamaan alokasi ketika banyak koneksi dengan RTT yang berbeda-beda, berbagi pada suatu jaringan yang sama. Hal ini disebabkan karena congestion avoidance algorithm yang digunakan oleh TCP protocol. Selama Congestion Avoidance, congestion window meningkat satu segmen ketika tidak ada congestion yang terdeteksi, dan menurun setengah nilainya ketika congestion diamati.

Mekanisme ini dikenal sebagai Additive Increase and

(2)

JETri

, Tahun Volume 6, Nomor 1, Agustus 2006, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372

TCP sekitar satu setengah untuk tiap koneksi, dan peningkatan rate sekitar satu segmen per RTT, peningkatan pada transmisi rate tidaklah sama tetapi sangat bervariasi tergantung RTT pada tiap koneksi (Laura, 2002: 4).

Jika TCP bekerja melalui jaringan nirkabel, AIMD lebih sering terjadi karena ditafsirkan salah oleh TCP dan dianggap sebagai congestion clue. Jika koneksi dengan RTT yang berbeda tetapi membagi link yang sama, maka ketidakseimbangan akan muncul karena koneksi dengan RTT yang lebih rendah akan memonopoli sumber sebelum koneksi yang lebih lambat menduduki bandwidth.

Pada beberapa jurnal yang ada, banyak solusi yang ditujukan untuk meningkatkan keseimbangan TCP pada berbagai keadaan telah diusulkan (Zorz, 2002: 4). Tetapi, hanya berdasarkan perbaikan pada congestion of avoidance algorithm dan karena itu, solusi ini hanya cocok untuk jaringan kabel (wired). Tujuan dari paper ini, selain mendemonstrasikan power manajemen yang sesuai dapat juga memberikan peningkatan keseimbangan TCP tanpa memerlukan modifikasi pada congestion avoidance algorithm.

2. Analytical Framework

Tujuan dari analisis adalah untuk mengetahui hubungan antara probabilitas loss dengan power yang diterima pada base station dan berkaitan pada koneksi yang diberikan.

Makalah ini merujuk pada system M koneksi nirkabel pada W-CDMA. Koneksi terdiri dari TCP protocol dan karakterisasi RTTs yang berbeda.

Anggap Ci menerima power pada base Station untuk koneksi ke-i. Kemudian Eb/Io rasio, didefinisikan sebagai rasio antara energi rata-rata

untuk bit informasi (Eb) dan densitas power spectral dari interferensi (Io).

Rasio ini, untuk user ke-i, dievaluasi pada base station, yang dapat ditulis dengan Persamaan (1) (Laura, 2002: 2):





W C R C I E M j j j i i o b



         1 1

(3)

Yuli Kurnia Ningsih & Andi Wiryanto, Pengoptimalan Throughput dan Kesamarataan Indeks n



   _M j j j i i C C R W 1 1 . (1) dimana:

Ri : user bit rate,

W : chip rate yang dipakai

W merupakan tipe FDD sebesar 3,84 Mcps, rasio W/Ri mewakili Process Gain (PG) dari system W-CDMA.

Pada multiple akses W-CDMA, jika daya transmisi dan daya yang diterima pada koneksi meningkat, maka rasio Eb/Io akan lebih tinggi pula.

Artinya koneksi lainnya yang menggunakan link yang sama akan merasakan level interferensi yang lebih tinggi. Penyaluran distribusi daya untuk semua koneksi dapat memberi peningkatan pada tiap keseimbangan throughput.

Agar dapat meningkatkan keandalan jaringan, diamati dengan TCP dan juga Forward Error Connection (FEC) berdasarkan jumlah redundansi data yang ditransmisikan. Redundansi ini akan digunakan pada tujuan akhir untuk memperbaiki kemungkinan error transmisi yang dapat timbul.

Anggap paket informasi dari K bit, FEC menambahkan beberapa redundan

data, sehingga ukuran data baru yang dikode menjadi N bit, dimana N>K. Persamaan BER untuk koneksi ke-i dapat ditulis pada persamaan (2):

BERi = 12 . Q _             H i o b d R I E . . 2 (2)

Pada persamaan (2) R mewakili code rate, dan didefinisikan sebagai R=K/N, dH adalah Hamming distance mewakili jumlah bit. Selain itu, hubungan paket loss dan BERi dapat ditulis pada Persamaan (3):

PS i LOSS BER P i 1 (1 ) 2 _ _ _ (3) dimana: PS = ukuran paket(bit)

(4)

JETri

, Tahun Volume 6, Nomor 1, Agustus 2006, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372

3. Model Simulasi

Dalam memecahkan masalah ketidakseimbangan throughput dan

menjamin throughput yang sama untuk semua koneksi yang menggunakan

link yang sama, dibuat satu set simulasi untuk memperoleh nilai PLOSS yang memenuhi keadaan pemberian throughput yang sama.

Simulasi ini mengacu pada topologi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1

: sorce : router : sink

: link wireless 384 Kbit/s : link wired 384 Kbit/s

Gambar.1. Jaringan Topologi

Empat terminal bergerak (source), yang menggunakan teknologi CDMA berkomunikasi dengan base station melalui link nirkabel yang terbagi.

Stasiun ini dilengkapi router dengan link keluaran menghubungkan

ke suatu ujung (sink) dengan menggunakan link kabel. Koneksi

dikelompokkan dalam dua set, masing-masing, dari dua koneksi dengan RTT yang sama.

Nilai Process Gain (PG ) diasumsikan sama untuk empat koneksi, yaitu.PG =10, sedangkan tiga skenario berbeda untuk RTT dan dua set koneksi-koneksi dipertimbangkan, yaitu :

1

2

4 3

(5)

a Kasus I

Dua di antara empat koneksi mempunyai ketetapan RTT yang sama sepadan dengan 100 ms sedangkan koneksi dua lainnya mempunyai RTT yang sama, tetapi variabel di dalam range (100,400) ms.

b Kasus II

c Kasus III

Simulasi yang bertujuan untuk mengevaluasi kinerja TCP ini

dilakukan dengan Berkeley Network Simulator version 2. Untuk

karakterisasi TCP, New Reno version digunakan, karena implementasinya diasumsikan fast recovery dan fast retransmitted.

Sehingga diperoleh kinerja yang sangat bagus pada jaringan nirkabel, jika dibandingkan dengan TCP versi lainnya. Koneksi TCP mendukung aplikasi File Transfer Protocol (FTP).

Untuk mensimulasi suatu keadaan pembagian sumber, diletakkan suatu buffer di dalam router dengan skema antrian First in First Out (FIFO). Ukuran antrian maksimum yang digunakan adalah 50 paket.

Dalam simulasi ini, ukuran paket data ditetapkan pada 128 byte. Link kabel mewakili bottleneck dari jaringan dan bit rate yang tersedia adalah 384 kbit/s.

Kemungkinan paket loss PLOSS melalui sambungan nirkabel, diasumsikan di dalam range 10-5 - 10-2. Parameter-parameter lainnya dalam simulasi ini dapat dilihat di dalam Tabel 1. seperti pada halaman berikut ini.

Banyak simulasi dijalankan untuk mendapatkan nilai-nilai dari

PLOSS yang dapat menjamin throughput yang baik. Nilai – nilai yang

berasal dari probabilitas paket loss disubstitusi ke persamaan (3), dan dengan mengkombinasi persamaan (2) dan persamaan (1), nilai yang dicari untuk power yang diterima dari tiap koneksi dapat diperoleh.

(6)

JETri

, Tahun Volume 6, Nomor 1, Agustus 2006, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372

Tabel.1. Parameter Simulasi

4. Hasil Simulasi

Performa dari algoritma yang diusulkan dievaluasi dalam kaitannya dengan throughput rata-rata untuk masing-masing koneksi TCP yang terlibat. Pendekatan yang dilakukan dibandingkan dengan teknik pengontrolan standar power yang digunakan di dalam sistem CDMA.

Skema standar ini mengarahkan pada batasan suatu near-far effect melalui satu persamaan yang sesuai dari daya transmisi dari semua koneksi yang terlibat (Laura, 2003: 5).

Jika skema standar digunakan, maka rasio daya yang diterima untuk koneksi-koneksi yang terlibat adalah satu dan rasio

o b I E

untuk koneksi tertentu, yang dievaluasi di base station adalah:

1 1 .         M R W I E i i o b Parameter Value Number of connections 4

TCP version New Reno

Packet size 128 bytes

Buffer type FIFO

Buffer size 50 pkts

Wireless link bandwidth 384 Kb/s

Wired link bandwidth 384 Kb/s

(7)

Jika persamaan (2) dan persamaan (3): PG=10

M = 4 Maka:

PLOSS=8,3.10-3

Pada paper ini keseimbangan metrik , mengacu pada parameter fairness. Metrik ini disebut Jain fairness index (Jain, 1984: 4). Mempertimbangkan n arus, dengan arus i menerima sebagian fraksi dari xi, dari link bandwidth yang diberi, maka indeks fairness , menggunakan Jain metrik, dijabarkan sebagai:











   _n i i n i i n x n x x x x f 1 2 2 1 2 1, ,...,

dimana range fairness index pada persamaan (5) ada pada interval _1,1_ n .

Gambar. 2 sampai dengan Gambar. 7 menunjukkan throughput

rata-rata dan nilai indeks fairness (indeks keseimbangan throughput) untuk ke-tiga kasus yang disebutkan di atas. Gambar 2 menunjukkan throughput untuk dua set koneksi yang menggunakan pendekatan Standard dan Modified (yang dimodifikasi) dengan keadaan pada Kasus I. Pada Gambar . 2, pasangan koneksi-koneksi mempunyai RTT yang sama (contohnya 100 ms) dan throughput yang sama, diplot bersama.

Seperti yang dapat dilihat pada Gambar. 2. pada halaman berikut, pendekatan Modified menjamin kedua kurva throughput berjalan saling mendekat satu sama lain kendati RTT meningkat.

Ini adalah bukti bahwa keseimbangan yang diharapkan dapat dicapai. Di sisi lain, solusi standar menyebabkan peningkatan perbedaan pada throughput dari kedua set koneksi sepanjang RTT . Sebagai tambahan, dapat diamati, di dalam 200 ms, total rata-rata throughput, yang dapat

diperoleh dari penjumlahan dua throughput untuk masing-masing

(8)

JETri

, Tahun Volume 6, Nomor 1, Agustus 2006, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372

Gambar.2. Perbandingan Throughput untuk metode Modified dan Standard pada Kasus I

Gambar. 3. pada halaman berikut menunjukkan indeks fairness untuk pendekatan Modified dan Standard. Hal tersebut sangat jelas menunjukkan bahwa indeks fairness pada solusi Modified mendekati nilai 1. Ini adalah bukti, solusi pengontrolan power memberikan, tidak hanya throughput rata-rata yang sangat dekat satu sama lain yang dapat diperoleh di sistem standard CDMA, tetapi juga indeks fairness yang diinginkan yaitu dekat dengan nilai 1.

Ketika fixed RTT dari dua di antara empat koneksi adalah 200 ms atau 300 ms, maka Gambar. 4. sampai dengan Gambar. 7. pada halaman berikut, merupakan hasil throughput yang diperoleh.

Di dalam dua kasus terakhir ini (Kasus II dan Kasus III), keadaan juga menjadi lebih baik. Sebenarnya, dengan pengontrolan daya tidak hanya throughput yang diperoleh saling mendekat, tetapi indeks fairness yang diperoleh dengan teknik modified juga menjadi solusi yang terbaik untuk sistem CDMA

(9)

Gambar 3. Perbandingan Indeks Fairness untuk metode Modified dan

Standard pada Kasus I

Gambar 4. Perbandingan Throughput untuk metode Modified dan

Standard pada Kasus II

(10)

JETri

, Tahun Volume 6, Nomor 1, Agustus 2006, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372

Gambar 5. Perbandingan Fairness Index untuk metode Modified dan Standard pada Kasus II

Gambar.6. Perbandingan Throughput untuk metode Modified dan Standard pada Kasus III

(11)

Gambar.7. Perbandingan Fairness Index untuk metode Modified dan Standard pada Kasus III

4. Kesimpulan

Dengan strategi pengontrolan daya, maka masalah

ketidakseimbangan (unfairness) throughput yang muncul ketika banyak koneksi dengan nilai-nilai RTT yang berbeda membagi sumber yang sama dapat diatasi. Secara khusus, dengan menghitung nilai-nilai yang dibutuhkan transmisi daya untuk koneksi yang terlibat, dapat menjamin fairness pada sumber yang tersedia. Dengan demikian kinerja throughput telah optimal

Daftar Pustaka

1. Laura Gauccio, Allesandro Leonardi, Giocomo Morabito. 2002.

Interactions Between Transmission Power and TCP Throughput

Fairness in Wireless CDMA Networks”, Dipartimento di Ingegneria Informatica e delle Telecommunicazioni, University of Catania.

2. Zorzi M. Rossi, M.Mazzini. G. 2002. Throughput and energy

performance of TCP on a wideband CDMA air interface”, Journal of Wireless Communications and Mobile Computing (WCMC)

(12)

JETri

, Tahun Volume 6, Nomor 1, Agustus 2006, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372

3. Jain.R.Chiu.D., Hawe.W. 1984. A quantitative measure of fairness and discrimination for resource allocation in shared computer systems”, DEC Research Report TR-301