1
Deskripsi
METODE KOMUNIKASI PADA JARINGAN AD-HOC BERUPA PROTOKOL DIVERSITAS KOOPERATIF
5
Bidang Teknik Invensi
Invensi ini berhubungan dengan metode komunikasi pada jaringan ad-hoc berupa protokol diversitas kooperatif. Lebih khusus, pada invensi ini menggunakan permasalahan jamak kinerja jaringan ad-hoc yang diselesaikan dengan optimasi permasalahan 10
jamak atau multi objective optimization (moo).
Latar Belakang Invensi
Pada jaringan ad-hoc, node-node dalam jaringan ad-hoc yang tanpa infrastruktur memiliki keterbatasan dalam hal jangkauan 15
transmisi dan kemampuan baterai (Perkins dkk, 2002). Untuk mengatasi keterbatasan tersebut maka diperlukan komunikasi kooperatif. Komunikasi kooperatif adalah sistem dimana source node bekerja sama dan berkoordinasi dengan nodes yang berfungsi sebagai relay sebelum sampai destination node. Komunikasi 20
kooperatif yang menggunakan antena tunggal dalam skenario multinode dapat memanfaatkan antena dari masing-masing node sehingga menciptakan diversitas kooperatif seperti sistem multi input multi output (MIMO) (Nosratinia dkk, 2004). Dengan demikian diversitas kooperatif dapat meningkatkan kualitas 25
transmisi.
Untuk mengimplementasikan diversitas kooperatif pada jaringan ad-hoc nirkabel maka diperlukan protokol dan kriteria-kriteria yang harus dipenuhi dalam komunikasi dari source ke destination. Sebagai contoh, Zhao dkk (2006) membuat protokol 30
2
diterima dengan baik sehingga transmisi langsung menjadi gagal. Ini menyebabkan full diversity tidak dapat tercapai yang berpengaruh terhadap kinerja menjadi turun. Padahal pada diversitas kooperatif dengan mengecek kinerja dari source ke destination dapat selalu diupayakan tercapai full diversity. 5
Pemilihan lintasan dalam diversitas kooperatif dapat dilakukan tergantung dari kriteria yang digunakan. Pemilihan lintasan dalam diversitas kooperatif dapat dilakukan berdasarkan SNR oleh Zhao dkk (2006), Adiyoni dkk (2009), Si dkk (2010), serta Melo dan Costa (2012), outage probability oleh Ding dkk 10
(2007), Seddik dkk (2007) serta Su dan Liu (2010), mutual information oleh Ratnarajah dkk (2007), dan symbol error rate oleh Song (2011). Tetapi makalah-makalah oleh Zhao dkk (2006), Adiyoni dkk (2009), Si dkk (2010), Melo dan Costa (2012), Ding dkk (2007), Seddik dkk (2007), Su dan Liu (2010), Ratnarajah dkk 15
(2007) dan Song (2011) menerapkan diversitas kooperatif menggunakan kriteria permasalahan tunggal (single-objective criterion). Padahal pemilihan lintasan dalam diversitas kooperatif perlu mempertimbangkan kombinasi beberapa kriteria. Invensi ini, mengusulkan protokol diversitas kooperatif dengan 20
kriteria permasalahan jamak lintas lapisan (cross layer multi-objective criterion) yang memperhitungkan kinerja dari source ke destination lebih dahulu sehingga selalu diupayakan tercapai full diversity. Kriteria dari multi-objective yang digunakan adalah SNR, power consumption, dan load variance. Dua yang 25
pertama berkaitan dengan physical layer, sedangkan yang ketiga merupakan permasalahan network layer (Gunantara dan Hendrantoro, 2013a).
Dilihat dari paten sebelumnya yaitu US 20030033394 A1 mengklaim sebuah metode operasi jaringan nirkabel ad-hoc, 30
3
konsumsi energi yang besar, dan lifetime jaringan yang pendek. WO 2002078229 A1 mengklaim bahwa sebuah metode operasi jaringan nirkabel ad-hoc, terdiri dari sinkronisasi node pada kanal nirkabel dari jaringan ad-hoc untuk waktu yang sama, sinkronisasi akses kanal untuk semua node dan menggunakan sinyal 5
untuk menyelesaikan akses diantara node-node pesaing sebagai relay.
Pemilihan lintasan secara multi-objective dapat dilakukan dengan metode Pareto dan skalarisasi. Berdasarkan waktu komputasi, metode skalarisasi membutuhkan waktu yang lebih cepat 10
dalam melakukan simulasi dibandingan dengan metode Pareto (Gunantara dan Hendrantoro, 2013b). Sehingga penyelesaian dari multi-objective criterion pada protokol diversitas kooperatif yang diusulkan disini menggunakan metode skalarisasi. Dengan metode skalarisasi, setiap objective diberikan bobot dan 15
dinormalisasi. Normalisasi dengan skala prioritas cenderung memisahkan obyek yang diutamakan dan mengabaikan obyek yang lain (Chen dkk, 1995). Pada invensi ini, normalisasi yang digunakan adalah root mean square (rms) untuk memberikan fairness diantara tiap-tiap obyek permasalahan.
20
Tujuan invensi ini adalah menyediakan metode komunikasi pada jaringan ad-hoc berupa protokol diversitas kooperatif. Protokol yang menggunakan tiga kriteria permasalahan yaitu SNR, power consumption, dan load variance yang menjamin full diversity. Kinerja dari protokol ini adalah nilai SNR yang 25
diperoleh dengan algoritma yang diusulkan memberikan improvement sebesar 3,06 dB dibandingkan protokol pada makalah (Zhao dkk, 2006) dan konsumsi daya cendrung sebesar 3 W. Sedangkan dari nilai load variance protokol yang diusulkan mengakibatkan beban trafik menjadi lebih terdistribusi.
30
Ringkasan Invensi
4
broadcast ke semua node. Apabila kondisi sinyal S-D bagus maka akan memilih satu relay terbaik melalui mengecek daya terima. Apabila kondisi sinyal S-D jelek maka akan memilih dua relay terbaik melalui mengecek daya terima. Selanjutnya relay tersebut dicek dengan menggunakan permasalahan jamak yang diselesaikan 5
dengan optimasi permasalahan jamak skalarisasi seperti persamaan (10). Tahapan berikutnya apabila S-D bagus dan 1 relay baik maka akan terjadi diversity di D yaitu S-D dan S-R-D. Apabila relay jelek maka akan terjadi no diversity di D yaitu lintasan S-D. Apabila dua relay tersebut baik maka akan terjadi diversity di D 10
yaitu S-R1-D dan S-R2-D. Apabila 1 relay yang baik maka akan terjadi no diversity di D yaitu S-R-D. Apabila tidak ada relay yang baik maka akan terjadi no connection.
Uraian Singkat Gambar 15
Uraian singkat gambar dari invensi ini adalah sebagai berikut :
Gambar 1 adalah kemungkinan hasil pemilihan path.
Gambar 2 adalah diagram alir protokol diversitas kooperatif. Gambar 3 adalah model jaringan ad-hoc nirkabel.
20
Gambar 4 adalah pasangan lintasan terbaik.
Gambar 5 adalah histogram dari power consumption. Gambar 6 adalah CDF dari SNR.
Gambar 7 adalah CDF dari load variance. 25
Uraian Lengkap Invensi
Pemilihan relay yang akan digunakan didasarkan pada kombinasi tiga kriteria, yaitu SNR, power konsumption, dan varians beban trafik untuk setiap kemungkinan relay node. Formulasi dari ketiga kriteria tersebut beserta skalarisasi 30
untuk penggabungannya dijelaskan sebagai berikut. Terdapat 5 kemungkinan hasil pemilihan path yaitu S-D only, S-R-D only, S-D and S-R-D, S-R1-D and S-R2-D, dan no connection. Kemungkinan hasil pemilihan path dapat dilihat pada Gambar 1.
5
A. SNR
Apabila diinginkan spektral efisiensi sebesar r maka diperlukan rate sebesar 2r untuk paket yang dikirimkan oleh S berhasil diterima di D. Secara matematis dapat digunakan persamaan berikut (Hong dkk, 2010) :
5
(1)
Bentuk lain dari persamaan (1) dapat dituliskan sebagai berikut:
(2) 10
Jika kondisi tersebut tidak terpenuhi maka lintasan langsung S-D dianggap tidak layak digunakan, atau :
(3)
Keberhasilan komunikasi dengan konfigurasi S-D dan S-R-D 15
dengan relay AF ditentukan besarnya nilai kapasitas kanal
terhadap spektral efisiensi . Nilai kapasitas kanal dari metode AF dapat dihitung dengan persamaan berikut :
=
=
(4)
20
Dari persamaan (4) maka kapasitas kanal akan mencapai nilai
optimal apabila nilai optimal juga. Sehingga untuk mencapai
nilai optimal maka dibutuhkan relay yang memberikan nilai
optimal. Relay terbaik diberikan oleh nilai optimal. Secara matematis dapat ditulis menjadi (Zhao dkk, 2006):
25
6
di mana tanda ( ) berarti nilai optimal.
B. Power Consumption
Konsumsi daya pada lintasan adalah kebutuhan daya 5
keseluruhan yang diperlukan dalam mengirimkan data dari S ke D yang melewati beberapa relay dalam setiap lintasan. Jika
diasumsikan bahwa semua node memiliki daya pancar yang
seragam, maka konsumsi daya pada lintasan ke- yang terdiri dari L hop adalah:
10
(6)
Sedangkan banyaknya konsumsi daya untuk pasangan lintasan diperoleh dari persamaan berikut :
15
(7)
di mana , dan menyatakan konsumsi daya pasangan
lintasan dengan hop, hop, serta hop dan hop.
C. Load Variance 20
Load variance, yaitu varians beban trafik semua node, berbanding terbalik dengan load balance atau fairness (Wong dkk, 1982). Pada jaringan ad-hoc nirkabel, load balance menjadi sangat penting karena beberapa node mungkin memiliki kesempatan yang lebih besar untuk menjadi relay. Pada pasangan lintasan 25
dimana node digunakan sebagai relay maka beban node tersebut menjadi :
(8) dengan dan berturut-turut adalah beban trafik dirinya
sendiri dan beban trafik yang menuju ke node tesebut. 30
7
tiap node yang dihitung untuk semua node di dalam pasangan lintasan tersebut. Nilai load variance tersebut dapat diketahui dengan menghitung load balance dengan persamaan berikut (Wong dkk, 1982):
5
(9)
D. Skalarisasi
Pada metode skalarisasi, semua kriteria dikombinasi menjadi bentuk skalar dengan memberikan bobot setiap objective. Fungsi yang diminimumkan diberi tanda negatif, sedangkan fungsi yang 10
dimaksimumkan diberi tanda positif. Pada penelitian ini untuk memperoleh fairness setiap objective dinormalisasi. Normalisasi dilakukan terhadap rms dari setiap objective.
Bentuk skalarisasi dari ketiga objective tersebut menjadi : 15
(10)
di mana menyatakan fungsi fitness, , , menjadi fungsi
obyektif ke – , dan , , menyatakan bobot masing-masing.
, , dan secara berturut-turut dihitung dengan persamaan (5),
(6), dan (9). Bobot dapat ditentukan secara acak, 20
dipilih, maupun berubah secara bertahap dan periodik (Murata dan
Ishibuchi, 1996). Pada invensi ini, , , dan diset 1/3. Dalam invensi ini setiap node dapat bertindak sebagai source (S), relay (R), dan destination (D). Ciri-ciri dari model sistem adalah :
25
• Tiap-tiap node mengunakan antena tunggal dengan radiasi omnidirectional.
8
• Metode pengiriman paket berdasarkan half duplex.
• Transmisi dilakukan dalam fase transmisi langsung dan satu atau lebih fase transmisi kooperatif.
• Daya pancar S dan R dianggap sama sebesar .
• Model kanal yang digunakan adalah model path loss yaitu 5
distance power law yang dipengaruhi oleh shadowing (Gunantara dan Hendrantoro, 2013b).
• Noise yang mempengaruhi adalah noise AWGN dengan varian . Invensi ini mengasumsikan dalam protokol ini masing-masing node menyiarkan informasi tentang daya yang diterima dan beban 10
trafik dari node lain secara bergantian sehingga masing-masing node mengetahui daya terima setiap node berupa tabel daya yang diterima. Protokol komunikasi dimulai dari source mengirimkan paket secara broadcast. Keputusan bahwa kualitas S-D bagus ditentukan berdasarkan persamaan (2). Sedangkan dalam pemilihan 15
relay terbaiknya dilakukan melalui persamaan (5). Hasil dari protokol tersebut adalah salah satu dari tiga kemungkinan yaitu diversity, no diversity, dan no connection. Protokol diversitas kooperatif tersebut dapat dijelaskan oleh diagram alir pada Gambar 2. Keterangan Gambar 2 :
20
*) : daya terima D dari S dihitung oleh D kemudian diumpanbalikkan ke S.
**) : dihitung oleh tiap-tiap R selanjutnya di cek oleh S. ***) : dilakukan berdasarkan persamaan (10). dihitung oleh
tiap-tiap R dicek oleh S sedangkan dihitung oleh D
dicek oleh tiap-tiap R.
Parameter-parameter simulasi diambil berdasarkan penerapan WLAN pada jaringan ad-hoc nirkabel yang ditunjukkan pada Tabel 1. Model jaringan ad-hoc yang digunakan adalah satu source, satu destination, dan multi relay. Semua node berada pada ruang 25
9
invensi ini, ditentukan sebanyak 30 node memiliki peluang menjadi relay.
Untuk simulasi perhitungan load variance, diasumsikan bahwa selain source yang mengirim data ke destination terdapat lima node lain yang mengirimkan data secara bersamaan ke node tujuan 5
masing-masing. Akibatnya ada beberapa node yang memiliki peluang lebih besar untuk menjadi relay karena memiliki beban yang relatif lebih rendah. Dalam contoh ini lima pasangan node tersebut menggunakan lintasan 4-12-31, 7-11-25, 10-19-23, 16-12-2, dan 25-20-6. Diasumsikan bahwa source, node 4, node 7, node 10
10, node 16, node 25 masing-masing mengirimkan data secara berturut-turut sebesar 5 Mbps, 3 Mbps, 8 Mbps, 7 Mbps, 2 Mbps, dan 11 Mbps. Sedangkan node-node lain diasumsikan memiliki beban secara acak sebesar 2 Mbps, 7 Mbps, 12 Mbps, atau 17 Mbps.
15
Tabel 1. Parameter Simulasi
Parameter : Value
Path loss exponent , : 4
Standard deviation of shadowing, : 8 dB
Power Transmit, : 1 W
Transmit antenna gain, Gt : 2 dB
Receive antenna gain, Gr : 2 dB
Frequency, f : 2,5 GHz
Noise, : - 101 dBm
Spektral Efisiensi, : 4 Mbps/Hz
Gambar 3 mengilustrasikan salah satu contoh hasil dari simulasi. Tanda ‘square’ merupakan node source dan destination, 20
‘star’ menandakan bahwa node tersebut aktif atau sedang ada komunikasi dengan node lain, dan ‘circle’ merupakan node-node sebagai relay.
Untuk simulasi ini terpilih pasangan relay yang optimal yaitu (1-21-32) dan (1-14-32) dengan SNR yang diperoleh 25
10
sesuai makalah oleh Zhao dkk (2006) yang single objective dan tidak memperhatikan kondisi S-D sebesar 37,26 dB, SNR untuk konfigurasi S-R-D only sebesar 24,37 dB, dan SNR untuk S-D only sebesar 15,27 dB. Sedangkan konsumsi daya diperoleh sebesar 3 W karena digunakannya 3 pemancar yaitu node S, node 21, dan node 5
14 serta load variance sebesar 40,65 Mbps2. Pemilihan pasangan lintasan tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.
Simulasi dilakukan sebanyak 1000 kali dengan posisi dan beban node yang acak untuk mengetahui distribusi dari masing-masing kriteria dan dibandingkan dengan algorithma single 10
objective tanpa memperhitungkan kondisi S-D, transmisi langsung (S-D) dan transmisi kooperatif (S-R-D).
Hasil simulasi yang dilakukan sebanyak 1000 kali ditampilkan pada Gambar 5 sampai Gambar 7. Gambar 5 menampilkan histogram dari power consumption untuk pasangan lintasan 15
terbaik. Hasil yang diperoleh menunjukkan konsumsi daya sebesar 2 W terjadi sebanyak 42 kali sedangkan konsumsi daya sebesar 3 W sebanyak 958 kali. Hal ini berarti konfigurasi S-R1-D dan S-R2-D lebih sering terjadi. Dari Gambar 5 dapat diketahui bahwa transmisi langsung (S-D only) lebih sering gagal, sehingga 20
sesuai makalah oleh Zhao dkk (2006) tidak tercapai full diversity. Solusi dari permasalahan ini yaitu protokol yang diajukan pada paper ini yang menjamin komunikasi full diversity.
Nilai CDF (cumulative distribution function) dari SNR pada protokol diversitas kooperatif dapat dilihat pada Gambar 6. Dari 25
Gambar 6 tersebut dapat dijelaskan bahwa nilai SNR dari metode yang diusulkan (marked “MO” in the figure) berkisar 18,01 sampai 47,07 dB. Sebagai perbandingan ditampilkan juga nilai SNR yang single objective dan tidak memperhatikan kondisi S-D (“SO”) sebesar 15,02 sampai 42,39 dB. Selisih median dari SNR yang 30
11
atas 0 dB sebesar 99,0 %. Dari hasil tersebut maka dapat disimpulkan bahwa dengan protokol yang diajukan diperoleh nilai SNR terbesar dibandingkan dengan yang lain.
Selanjutnya dianalisa nilai CDF dari load variance dimana hasil simulasinya dapat dilihat pada Gambar 7. Nilai load 5
variance dari protokol yang diusulkan diperoleh berkisar 39,24 sampai 51,12 Mbps2. Sebagai perbandingan ditampilkan juga nilai load variance single objective dan load variance untuk lintasn S-D only. Nilai load variance single objective dan tidak memperhatikan kondisi S-D diantara 38,23 sampai 51,83 Mbps2. 10
Sedangkan nilai load variance lintasan S-D adalah tetap karena tidak adanya perubahan beban trafik pada node. Gambar 7 menunjukkan bahwa nilai load variance dengan protokol yang diusulkan lebih kecil dibandingan load variance single objective dan tidak memperhatikan kondisi S-D. Hal ini disebabkan oleh 15
beban trafik dari node-node pada protokol yang diusulkan lebih terdistribusi dengan diterapkannya mullti-objective criterion dibandingkan beban trafik dari node-node dengan protokol single objective.
20
25
30
12
Klaim
1. Suatu metode komunikasi pada jaringan ad-hoc yang berupa
protokol diversitas kooperatif, dimana memiliki tahapan sebagai berikut :
5
a.Source (S) mengirimkan informasi secara broadcast ke semua node.
b.apabila kondisi sinyal source-destination (S-D) bagus maka akan memilih satu relay terbaik melalui mengecek daya terima.
10
c.apabila kondisi sinyal S-D jelek maka akan memilih dua relay terbaik melalui mengecek daya terima.
d.pada poin b, maka relay dicek dengan menggunakan permasalahan jamak yang diselesaikan dengan optimasi permasalahan jamak skalarisasi seperti persamaan (10), 15
apabila relay baik maka akan terjadi diversity di destination (D).
e.pada poin b, maka relay dicek dengan menggunakan permasalahan jamak yang diselesaikan dengan optimasi permasalahan jamak skalarisasi seperti persamaan (10), 20
apabila relay jelek maka akan terjadi no diversity di D.
f. pada poin c, dua relay dicek dengan menggunakan
permasalahan jamak yang diselesaikan dengan optimasi permasalahan jamak skalarisasi seperti persamaan (10), apabila dua relay tersebut baik maka akan terjadi diversity 25
di D.
g. pada poin c, dua relay dicek dengan menggunakan
permasalahan jamak yang diselesaikan dengan optimasi permasalahan jamak skalarisasi seperti persamaan (10), apabila 1 relay yang baik maka akan terjadi no diversity di 30
D.
13
apabila tidak ada relay yang baik maka akan terjadi no connection.
2. Suatu metode komunikasi seperti pada klaim 1 dimana pada
langkah d sampai dengan langkah h menggunakan tiga kriteria permasalahan yaitu :
5
a.Signal to Noise Ratio (SNR) b. Power Consumption
c.Load Variance
3. Suatu metode komunikasi pada jaringan ad-hoc yang berupa
protokol diversitas kooperatif seperti pada klaim 1 sampai 10
klaim 2 dimana memiliki kinerja sebagai berikut :
a. nilai SNR dengan algoritma yang diusulkan dengan
memperhatikan kondisi S-D lebih besar dibandingkan dengan algoritma permasalahan tunggal yang tidak mempertimbangkan
kondisi S-D, perbaikan SNR diperoleh sebesar 3,06 dB. 15
b.konsumsi daya cenderung sebesar 3 W, dari hasil ini diketahui bahwa transmisi langsung lebih sering gagal, sehingga tidak tercapai full diversity, solusi dari permasalahan ini yaitu model yang diajukan seperti pada invensi ini yang lebih menjamin komunikasi full diversity. 20
c. nilai load variance dengan menggunakan protokol yang
diusulkan lebih kecil dibandingkan dengan protokol permasalahan tunggal, ini berarti bahwa komunikasi dengan protokol yang diusulkan mengakibatkan beban trafik menjadi terdistribusi lebih merata.
25
30
14
Abstrak
METODE KOMUNIKASI PADA JARINGAN AD-HOC BERUPA PROTOKOL DIVERSITAS KOOPERATIF
5
Relay berperan sangat penting dalam jaringan ad-hoc nirkabel. Sehingga pemilihan relay menjadi fokus dalam invensi ini. Pada invensi ini dibuat metode komunikasi pada jaringan ad-hoc yang berupa protokol diversitas kooperatif yang sederhana dan mudah dipahami dengan multi objective criterion yang 10
mempertimbangkan kondisi source – destination (S-D) dengan metode amplify and forward (AF). Selain itu, protokol diversitas kooperatif ini menjamin full diversity berdasarkan tiga kriteria permasalahan yang dinormalisasi dengan root mean square (rms) untuk memperoleh fairness. Tiga kriteria permasalahan tersebut 15
adalah signal to noise ratio (SNR), power consumption, dan load variance. Dari hasil simulasi diperoleh nilai SNR dengan algoritma yang diusulkan lebih besar dibandingkan protokol dengan permasalahan tunggal tanpa mermperhatikan kondisi S-D. Perbaikan SNR sebesar 3,06 dB dan konsumsi daya cendrung sebesar 20
3 W. Sedangkan dari nilai load variance protokol yang diusulkan mengakibatkan beban trafik menjadi lebih terdistribusi.
25
30
