MEKANISME KOMUNIKASI DATA GATEWAY
MULTI-TERMINAL VMES JARINGAN ADHOC
MENGGUNAKAN KONSEP METODE AKSES
PROTOKOL MAC 802.11
Pembimbing :
Dr. Ir. Achmad Affandi, DEA.
Oleh :
Ahmad Fuad
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Potensi perikanan dan kelautan wilayah perairan Indonesia
Keterbatasan metode dan teknologi untuk mencari daerah potensi penangkapan
ikan
Ketentuan FAO mengharuskan penggunaan sistem Vessel Monitoring System
(VMS)
Sistem VMS MAHAL
Sistem komunikasi dan navigasi alternatif (VMeS)
Implementasi VMeS awal
Pengembangan mekanisme komunikasi VMeS menggunakan konsep metode
Permasalahan
Bagaimana membangun mekanisme komunikasi data gateway multi terminal.
Bagaimana gateway menangani pengiriman paket dari beberapa terminal.
Apakah rancangan mekanisme komunikasi data menggunakan metode akses
protokol MAC 802.11 skema DCF dapat diterapkan dengan baik pada
komunikasi gateway multi terminal.
Tujuan Penelitian
Membangun mekanisme komunikasi data gateway multi terminal VMeS.
Mengembangkan sistem VMeS jaringan wireless ad hoc yang memiliki unjuk
kerja yang baik dalam menangani pengiriman paket data.
Relevansi
Sebagai sistem komunikasi dan navigasi alternatif pada kapal nelayan yang dapat
membantu nelayan tradisional memperoleh informasi dengan mudah, biaya
terjangkau dan andal.
Batasan Masalah
Desain mekanisme komunikasi data menggunakan skema DCF protokol MAC metode
RTS/CTS berbasis reservasi.
Ukuran paket data maksimal 160 byte dengan bit rate 1200 bps.
Node diasumsikan dalam keadaan statis dengan jangkauan radio didefinisikan dan
penerapan protokol routing AODV yang telah dikembangkan sebelumnya.
Skema DCF dalam simulasi memperhitungkan setiap frame RTS, CTS, DATA dan ACK.
Parameter interval frame DIFS dan SIFS skema DCF tidak diadopsi untuk
penyederhanaan simulasi dengan pertimbangan simulasi dibangun secara virtual terpusat
dalam 1 server komputer yang bekerja secara serial untuk menjalankan simulasi 8 node
yang dapat menyebabkan beban kerja komputer sangat berat sehingga kemungkinan
menghasilkan delay yang tinggi serta tumpang tindih antara frame.
Untuk mengatasi interval frame dan waktu tunda dalam proses handshake, maka
digunakan timer internal program dengan waktu 1 detik tiap frame berdasarkan
pendekatan dari estimasi ukuran dan waktu frame. Timer juga berfungsi sebagai interval
switching antara pemancar dan penerima.
Pengujian sistem dilakukan dengan membangun simulasi menggunakan bahasa
TINJAUAN PUSTAKA
Jaringan Adhoc Nirkabel
Jaringan Ad hoc Mobile (Amitava dkk, 2003)
Jaringan ad hoc adalah kumpulan node nirkabel bergerak secara dinamis membentuk
jaringan sementara tanpa menggunakan setiap infrastruktur jaringan yang ada atau
administrasi terpusat
.
Karakteristik jaringan ad hoc :
Topologi yang dinamis
Bandwidth constrained, variable
capacity links
Link asimetris
Congestion
Multihop
Limited physicaly security
Protokol Routing Jaringan Ad Hoc
Protokol routing dalam jaringan ad hoc bertujuan untuk menentukan jalur/rute terbaik
(optimal routing) dan transportasi informasi dari sumber ke tujuan.
(a)
(b)
Ad Hoc On-demand Distance Vector (AODV)
Mekanisme Pencarian Rute pada AODV (Kopp, 2002)
IEEE 802.11 Standar
IEEE 802.11 standar menyediakan solusi MAC (medium access control) dan PHY (physical
layer) untuk konektivitas wireless LAN (local area network).
Standar 802.11 mendukung topologi jaringan seperti Basic Service Set (BSS), Independent
Basic Service Set (IBSS) networks dan Extended Service Set (ESS).
Protokol IEEE 802.11 menggunakan standar Medium Acces Control (MAC) untuk
menangani proses pengiriman data.
MAC Jaringan Wireless Ad hoc
MAC layer adalah serangkaian protokol yang bertanggung jawab untuk mengatur
penggunaan medium bersama.
Protokol MAC mendefinisikan bagaimana setiap unit node bergerak dapat berbagi
sumber daya nirkabel bandwidth yang terbatas secara efisien.
MAC bertanggung jawab membentuk dan membatalkan koneksi per-link.
MAC sublayer yang bekerja dengan metode first-in-first-out (FIFO) transmission queue
untuk menentukan bagaimana kanal dialokasikan
MAC memiliki dua mekanisme akses dalam transmisi paket yaitu, DCF (Distributed
Coordination Function), dan PCF (Point Coordination Function)
Fungsi koordinasi DCF (distributed coordination function) menentukan kapan stasiun
Metode Akses MAC 802.11
MAC sublayer menentukan dua mekanisme MAC yaitu, Distributed Coordination Function
(DCF), dan Point Coordination Function (PCF).
Fungsi Koordinasi MAC
Komunikasi Protokol Akses
Paket Radio
Protokol AX.25
Format Protokol Link AX.25
Protokol RS-232
Untuk pengiriman data jarak jauh pada umumnya mempergunakan sistem transmisi serial
untuk menghemat kabel.
METODE PENELITIAN
Konfigurasi Umum Sistem
Setiap terminal memiliki konfigurasi perangkat terdiri dari terminal komunikasi data,
modem radio, transceiver dengan antena dan alat input seperti keyboard, sensor dan GPS.
Rancangan Sistem
Implementasi jaringan ad hoc pada gateway multi
terminal untuk komunikasi kapal berbasis data melalui
kanal VHF.
Komunikasi data dirancang menggunakan bitrate 1200
bps atau sekitar 120 karakter per detik karena
keterbatasan dari kanal radio.
Setiap node dapat berkomunikasi apabila berada dalam
jangkauan.
Node yang berada diluar jangkauan membutuhkan
perantara .
Pengiriman pesan dari N1, N2 dan N3 ke Gw sangat
memungkinkan terjadinya tabrakan paket.
Penerapan konsep metode akses 802.11 untuk
menangani multi paket yang datang.
Standar MAC sublayer bekerja dengan metode
first-in-first-out (FIFO) transmission queue untuk menentukan
bagaimana kanal dialokasikan dan fungsi koordinasi DCF
(distributed coordination function) yang menentukan
kapan stasiun diizinkan untuk mengirim dan mungkin
dapat menerima data melalui saluran nirkabel.
Desain Metode Akses MAC 802.11
Penelitian ini menggunakan mekanisme DCF dengan skema RTS/CTS berbasis reservasi
Mekanisme DCF dengan skema RTS/CTS berbasis CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance) yang memiliki kemampuan untuk mengurangi tabarakan paket.
Protokol CSMA/CA bertugas mengatur delay antara urutan frame yang berdekatan dan mampu
menghindari tabrakan antara beberapa stasiun dalam mengakses media pada titik di mana tabrakan
kemungkinan besar terjadi, pada saat media dalam kondisi idle menyusul kondisi sibuk.
Penjelasan:
RTS (Request to Send) : pesan yang digunakan sender untuk memberitahukan akan melakukan
pengiriman data pada receiver; setelah medeteksi medium kondisi idle.
CTS (Clear to Send): pesan balasan dari receiver untuk memberitahukan sender bahwa receiver telah
menerima RTS dan siap menerima data.
DATA: Informasi data yang relevan dari sender untuk receiver
ACK (Acknowledgement): pesan dari receiver untuk memberitahukan sender bahwa data yang dikirim
telah berhasil diterima.
DIFS (Distributed IFS): Interval waktu yang dibutuhkan stasiun untuk memulai transmisi baru; Waktu
tunda sebelum memulai Interval backoff.
SIFS (Short IFS): Interval waktu antara frame; yang digunakan stasiun untuk prioritas transmisi frame
tunggal.
NAV (Network Allocation Vector): sebagai indikator pada setiap stasiun untuk mengatur periode waktu
ketika transmisi ke media sedang media sibuk. NAV akan diupdate dengan durasi yang ditentukan dari
proses komunikasi RTS/CTS dan indikasi dari kondisi kanal sibuk.
Backoff: metode menyelesaikan pertentangan antara stasiun yang berbeda saat mengakses medium,
metode ini mengharuskan setiap stasiun untuk memilih Random Number (n) antara 0 dan angka yang
diberikan, dan menunggu jumlah Slots sebelum mengakses medium, selalu memeriksa apakah sebuah
stasiun yang berbeda telah diakses media sebelumnya. Kondisi ini dimana stasiun mungkin mencoba
mengirim congestion-based data, setelah transmisi frame selesai dan DIFS telah berlalu. Periode ini disebut
juga contention windows.
Arsitektur Protokol
Format Frame MAC
Format Frame MAC
Frame skema RTS/CTS
Fromat Frame RTS
Desain Format Frame Paket Data
Frame
Lebar data (B)
Dest (id)
2
Src (id)
2
Tipe:
RTS
3
CTS
3
DATA
4
ACK
3
Payload
max 160
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengukuran Diagram Waktu
Diagram Waktu Respon Otomatis dari Terminal
Pengukuran diagram waktu bermanfaat untuk estimasi pemilihan interval tone
sinkronisasi sebelum data dikirimkan.
Diagram waktu respon otamatis terminal pada gambar pertama memperlihatkan
sinyal yang dipancarkan pada detik 0.2 sampai 0.1, sedangkan pada detik 1.35 sampai
detik 2.1 menunjukan sinyal output yang diredam karena posisi pemancar.
Detik 1.0 sampai 1.35 adalah delay karena proses buffering.
Gambar kedua menunjukan proses pemancaran, dimana saat PTT, program pre Tx
delay diatur 200 ms dan post Tx delay 150 ms.
Proses penekanan PTT pada detik 1.35 dan detik 1.55 sampai detik 1.92 menunjukan
proses pengiriman data.
Gambar kedua bagian bawah menunjukan Sinyal modem dapat dikirim dengan baik
setelah detik 1.43.
Waktu tunda yang diperlukan dalam pengiriman data ≥ 80 ms sejak tombol PTT
ditekan dan saat berakhir setelah PTT dilepas nampak bawhwa pesawat penerima
memerlukan waktu sekitar 100 ms untuk kembali siap.
Perhitungan Waktu Pengiriman Data Secara Teoritis
Bitrate = 1200 bps
Waktu kirim 1 bit = 0,833 ms
P
engujian Mekanisme DCF Protokol MAC 802.1
Pengujian Pengiriman Data Antara Dua Node
Pengujian Pengiriman Data Dari Dua Node
Diagram Alir Hasil Program
Flowchart Pengiriman Data
Flowchart Penerimaan Data
Start CTS Akrif? CD Aktif? Ada Data di Buffer? Kirim Stop Y T Y Y T T Start Tipe = Data Tipe = RTS Stop Y T Y Y T T Tipe = CTS Dest id = Node id? Dest id = Node id? Kirim ACK Kirim CTS Aktifkan Timer CTS T Y T Y
Diagram Keadaan
Proses:
Gw broadcast RTS dengan tujuan N1 RTS di dengar oleh N1, N2 dan N3
N1 mendengar RTS dan mengidentifikasi untuk dirinya N1 mengirimkan CTS sebagai balasan RTS telah diterima CTS didengar oleh GW, N2 dan N3
Gw mengirim Data ke N1
N1 mengirimkan ACK sebagai tanda bahwa Data telah diterima
Proses pada N2:
N2 mendengar RTS dr GW dan mengidentifikasi RTS bukan untuk dirinya
N2 menahan transmisinya, menunggu sampai waktu tertentu; setelah mendengar CTS
dari N1
N2 mendengar CTS N1 telah diterima Gw. N2 menunda transmisinya sampai data
selesai dikirim
Proses pada N3:
N3 mendengan RTS dr GW dan mengidentifikasi RTS bukan untuk dirinya N3 menunda transmisi
Proses Kirim Data
Siap Transmit Idle (deteksi media) Kirim Data Menunggu ACK Siap Receive Idle Data diterima Data siap RTS Kirim data CTS ACK ACK telah diterima ACK telah dikirim Pengirim Penerima Penerima dalam jangkauan dan tidak sibuk Identifikasi RTS apakah untuk penerima? Penerima siap terima data
T
abel Transisi Keadaan
Input State S1/RTS S1/- S1/- S1/-S2/- S2/CTS S2/- S2/-S3/- S3/- S3/Data S3/-S4/- S4/- S4/- S4/ACK RTS CTS Data ACK S1 S2 S3 S4
Pengujian Pengiriman Paket Data Kondisi Real Penelitian Sebelumnya
Packet Loss Pada Pengiriman Data
No Payload (byte) Jumlah Paket Yang Dikirim Jumlah Paket Diterima Jumlah Paket yang Hilang Packet loss (%) 1 10 15 15 0 0 2 20 15 15 0 0 3 40 15 13 2 13,33 4 60 15 13 2 13,33 5 80 15 13 2 13,33 6 90 15 13 2 13,33 7 110 15 12 3 20.00 8 130 15 11 4 26.67
Grafik Packet loss terhadap Payload
0 0 13.33 13.33 13.33 13.33 20.00 20.00 0 5 10 15 20 25 10 20 40 60 80 90 110 130 P ack et Lo ss (% ) Payload (B)Waktu Kirim Pada Pengiriman Data
No . Overhe ad (Byte) Payloa d (Byte) Total Panjang Paket (Byte) Waktu Kirim Teoritis (detik) Waktu Kirim Pengukuran (detik) 1 22 10 32 266,56 271,2 2 22 20 42 349,86 360,8 3 22 40 62 516,46 536,8 4 22 60 82 683,06 683,2 5 22 80 102 849,66 860,66 6 22 90 112 932,96 1104 7 22 110 132 1099,56 1316,3 8 22 130 115 1266,16 1410,45Grafik Payload terhadap Waktu Kirim
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 10 20 40 60 80 90 110 130 Series1 Series2 W aktu K ir im (s) Payload (B)PENUTUP
Kesimpulan
Mekanisme DCF protokol MAC 802.11 dapat bekerja dengan baik dalam komunikasi data antara gateway dengan terminal,
sebagaimana terlihat dari hasil simulasi program.
Hasil simulasi program menunjukan proses pengiriman data dari terminal ke gateway berjalan sesuai skema yang dibangun
dalam simulasi dengan interval waktu yang ditentukan. Setiap frame membutuhkan waktu 1 detik. Sedangkan peralihan proses antara frame membutuhkan waktu 2 detik untuk interval frame CTS terminal tetangga dan 3 detik untuk terminal lain. Untuk pengiriman dari dua terminal secara bersamaan, interval frame CTS terminal tetangga membutuhkan waktu 3 detik dan terminal lain 4 detik.
FIFO buffer mengizinkan paket yang duluan masuk walaupun dalam orde mili detik, akan ditangani. Hal ini diperlihatkan
pada log pengiriman data dimana dua RTS dari dua node dimpung dalam buffer yang kemudian oleh node penerima menangani berdasarkan informasi waktu paket yang datang.
Ukuran frame mempengaruhi kecepatan pengiriman data. Makin panjang ukuran frame maka waktu yang dibutuhkan oleh
frame saat transmisi lebih besar, seperti yang terlihat pada perhitungan diagram dan log pengiriman pesan. Untuk
menyederhanakan simulasi sehingga tidak banyak waktu yang terbuang dan menghindari terjadinya delay antara frame yang tinggi, maka perlu dibuat asumsi berdasarkan perhitungan waktu kirim per karakter, ukuran setiap frame dan pengujian diagram waktu. Hasil dari perhitungan ini ditetapkan bahwa asumsi diberikan pada setiap frame dengan timer frame sebesar 1 detik.
Pengujian setiap frame dari mekanisme yang berjalan menunjukan selisih waktu yang tidak lebih dari 1 detik dan tidak ada
tabrakan antara frame.
Pada pengujian diagram waktu, delay yang terbuang pada setiap kali penekanan PTT adalah sekitar 200 milidetik (setara
dengan panjang pengiriman data 24 karakter) sehingga panjang paket data harus lebih besar daripada 24 karakter. Untuk menjaga kompatibilitas dengan sistem SMS maka panjang maksimumnya diambil 160
Lamanya waktu kirim dipengaruhi oleh panjang paket data dan adanya beberapa node lain yang melakukan pengiriman data
Saran
Untuk pengembangan penelitian diperlukan simulasi yang memperhitungkan semua parameter dari
mekansime DCF protokol MAC 802.11 seperti penerapan interval waktu frame (IFS) dan metode
backoff random sehingga mendapatkan kondisi yang mendekati kenyataan.
Dengan menerapkan semua parameter mekanisme, maka simulasi sebaiknya dibuat dalam kondisi
nyata dengan membangun 1 terminal menggunakan 1 mesin. Hal ini untuk menghindari
permasalahaan yang dihadapi dengan simulasi virtual 1 server menangani 8 terminal dalam
berkomunikasi secara serial yang sangan memungkinkan terjadinya delay yang tinggi dan tumpang
tindih frame.
Perlu memperhitungkan mekanisme pada FIFO buffer dengan menerapkan pewaktuan tertentu
untuk menghindari banjir paket apabila trafik komunikasi data sangat padat.
Perlu adanya penambahan algoritma forward error correction untuk mengurangi packet loss saat paket
DAFTAR PUSTAKA
1. Affandi, A (2007), “Sistem Komunikasi Data Trepadu Armada Perahu Nelayan Menggunakan Kanal Frekuensi Tinggi (VMeS-Vessel Messaging System)”, Hibah Pasca (HPTP), ITS.
2. Ardita, M. (2010), “Perancang Terminal Komunikasi Data Terintegrasi untuk Jaringan Ad-hoc VMES”, Tesis, JTE- FTI, ITS. 3. Amitava M, dkk (2003), Location Management And Routing In Mobile Wireless Networks, Artech House, Boston & London.
4. ANSI/IEEE Std 802.11, (1999) , “Information Technology - Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications”.
5. Beech, dkk, (1998), “AX.25 Link Access Protocol for Amateur Packet Radio”, American Radio Relay League.
6. DKP, (2006), ”Peraturan Menteri Kelautan Dan Perikanan Nomor: Per.17/Men/2006, Tentang Usaha Perikanan Tangkap”, Menteri Kelautan dan Perikanan.
7. Duggirala, R. (2000), “A Novel Route Maintenance Technicque for Ad hoc Network Routing Protocol”, M.S. Thesis, University of Cincinnati. 8. Fajarwati, I.N. (2008), “Pemodelan Trafik Komunikasi Data Melalui Kanal Radio VHF pada Band Maritim”, Tugas Akhir, JTE-FTI.
9. FAO, (1998), “FAO Technical Guidelines For Responsible Fisheries”, 1, FAO of The United Nations, Rome. 10. Gaus, (2008), “Pemodelan Kanal HF VMeS”, Tugas Akhir, JTE-FTI, ITS.
11. Geier, J. (1996), “Wireless Networking Handbook”, New Riders Publishing Indianapolis.
12. Hac, (2003), “Mobile Telecommunication Protocol For Data Network”, Jhon Wiley & Sons, Inc., New York. 13. Harada dan Prasad, (2002), “Simulating and Software Radio for Mobile Communication”, Artech House.
14. Hou dan Li, (1986) "Transmission Range Control in Multihop Packet Radio Networks", IEEE Trans. Communication, vol. 34, issue: 1, p. 38–44. 15. Haoming L., dkk, (2010), “Multi-User Medium Access Control in Wireless Local Area Network”, Proc. IEEE Wireless Communications and Networking
Conference (WCNC), p. 1-6.
16. Johnson, D., (1994), “Routing in Ad Hoc Networks of Mobile Host”, Proc. IEEE Workshop on Mobile Computing System and Applications, p. 158–163.
17. Kopp, C., (2002), “Ad hoc Networking”, Background Article, Published in „System‟, p.33-40.
18. Lami, H.F.J. (2009), “Implementasi Teknik Roll Call Polling Pada Gateway Multi Terminal”, Tesis, JTE-FTI, ITS.
19. Manafe, Y.Y. (2009), “Pengembangan Modem Untuk Sistem Komunikasi Data Nirkabel Ad Hoc”, Tesis, JTE-FTI, ITS.
20. Mawardi, M.T. (2007), “Rancang Bangun Sistem Gateway VMeS Untuk Akuisisi Data Posisi Dan Informasi Pada Kanal HF”, Tugas Akhir JTE-FTI, ITS.
21. Meok, N.J. (2009), “Pengembangan Routing Protocol Untuk Gateway Ad Hoc Wireless Networks”, Tesis, JTE-FTI, ITS. 22. Mohapatra dan Krishnamurthy, (2005), ”Ad Hoc Networks Technologies And Protocols”, Springer.
23. Pablo B., (1997), “A Technical Tutorial on the IEEE 802.11 Protocol”, BreezeCOM Wireless Communication. 24. Prassad, (2003), Principles of Digital Communication Systems and Computer Networks, Charles River Media.
25. Putri N.K, (2010), “Karakterisasi Kanal Propagasi VHF Bergerak di Atas Permukaan Laut”, Tugas Akhir, JTE- FTI, ITS.
26. Rifat A.S.M., dkk, (2010), “Packet Distribution Based Tuning of RTS Threshold in IEEE 802.11”, IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC), p. 1-6.
27. Royer E.M., Chai K.T., (1999), “A Review of Current Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless Networks” IEEE Personal Communications, vol. 6, issue: 2, p. 46-55.
28. Sari, R.F., dkk, (2008), Analisa Kinerja Protokol Routing Ad hoc On-demand Distance Vector (AODV) pada Jaringan Ad hoc Hybrid: Perbandingan Hasil Simulasi dengan NS-2 dan Implementasi pada Testbed dengan PDA, Prosiding MAKARA Teknologi, vol. 12, no. 1, April.
29. Sarkar, S.K, dkk (2007), “Ad Hoc Mobile Wireless Networks: Principles, Protocols, and Applications”, Auerbach Publications.
30. Tobagi, F.A. (1980), "Multi Access Protocols in Packet Communication Systems", IEEE Trans. Communication, vol. 28, issue: 4, p. 468-488. 31. Yoshikawa T., dkk, (2010), “Development od 27MHz/40MHz Bands Maritime Wireless Ad-hoc Networks”, Proc. IEEE Ubiquitous and
Future Networks (ICUFN), p. 177-182.
32. Yunarso, M. (2003), “Rancang Bangun Fitur Message pada Sistem Monitoring Posisi Kapal Laut melalui Kanal HF”, Tugas Akhir, JTE- FTI, ITS. 33. Wismanu, (2004), “Evaluasi Unjuk Kerja Protokol Rute pada Jaringan Wireless Ad Hoc Multi Hop”, Tesis, JTE-FTI, ITS.
