ANALISIS KUALITAS LAYANAN (QOS) AUDIO-VIDEO LAYANAN KELAS
VIRTUAL DI JARINGAN DIGITAL LEARNING PEDESAAN
Bryan Yonathan
1, Yoanes Bandung
1, Armein Z.R. Langi
11
DSP Research and Technology Group
KK Teknologi Informasi – Sekolah Teknik Elektro dan Informatika
Institut Teknologi Bandung
[email protected]
,
[email protected]
,
[email protected]
ABSTRAK
Kelas virtual sebagai suatu layanan harus menyediakan dan memenuhi kualitas layanan atau Quality of Service
(QoS) yang memadai. Kualitas layanan (QoS) kelas virtual ini terukur dari kualitas audio dan kualitas video yang sampai di penerima. Kualitas tersebut dipengaruhi oleh konfigurasi tipe codec audio, laju bit codec audio, tipe codec video, dan laju bit codec video. Paper ini menjelaskan analisis untuk mengetahui pengaruh konfigurasi laju bit codec audio, dan laju bit codec video terhadap kualitas audio dan video. Analisis dilakukan dengan merancang dan mengimplementasikan layanan kelas virtual pada skala laboratorium kemudian dilanjutkan pengujian pada testbed di Kecamatan Serang Panjang Kabupaten Subang Propinsi Jawa Barat.
Kata kunci: QoS, PESQ, PSNR, audio-video streaming, kelas virtual
PENDAHULUAN
Pembelajaran jarak jauh (distance learning)
secara umum dapat diartikan sistem atau proses pembelajaran pendidikan dengan guru/instruktur yang terpisah ruang dari murid-muridnya (Agosti, 2006). Ada dua kata kunci yaitu penggunaan telekomunikasi (jaringan Internet) dan perangkat elektronik (komputer atau Personal Computer, PC).
Salah satu bentuk pembelajaran jarak jauh adalah layanan kelas virtual atau virtual class.
Layanan kelas virtual adalah layanan pembelajaran jarak jauh yang memungkinkan suatu proses belajar mengajar di dalam kelas dapat dibagi secara virtual ke kelas-kelas lain pada lokasi yang berbeda-beda (remote). Layanan kelas virtual dimungkinkan oleh keberadaan teknologi komputasi dan jaringan Internet (Agosti, 2006).
Pusat Penelitian Teknologi Informasi dan Komunikasi – Institut Teknologi Bandung (PPTIK ITB) bekerja sama dengan Universitas Pendidikan Indonesia (UPI) mengembangkan konsep peningkatan kualitas pendidikan sekolah dasar melalui pemanfaatan teknologi informasi dan komunikasi. Salah satunya adalah ”TIK untuk Kelas” yaitu menyelenggarakan layanan kelas virtual untuk membantu guru mengajar tanpa harus bertatap muka langsung dengan para siswa (Langi, 2009). Konsep ini telah diujicobakan pada komunitas sekolah dasar di testbed Keerom-Papua dan testbed
Gambar 1. Kondisi saat pelaksanaan distance learning: kelas riil (atas) dan kelas virtual (bawah)
di Testbed Keerom, Papua
Gambar 2. Kondisi saat pelaksanaan distance learning: kelas riil (kiri) dan kelas virtual (kanan) di
Testbed Subang, Jawa Barat
Namun, pengoperasian layanan kelas virtual di kedua lokasi testbed masih belum memberikan hasil yang memuaskan. Penerapan layanan kelas virtual menyisakan tantangan akan rendahnya kualitas suara dan gambar mengakibatkan program pembelajaran jarak jauh tidak dapat diterima dengan baik oleh para siswa (Aditya dkk, 2010). Rendahnya kualitas suara dan gambar pada layanan multimedia streaming
dapat dipahami mengingat kebutuhannya akan sumber daya jaringan yang tinggi seperti kapasitas jaringan yang memadai, latensi (waktu tunda) serta tingkat paket hilang yang serendah mungkin. Sementara sumber daya jaringan berbasis WiFi di daerah-daerah pedesaan serba memiliki keterbatasan.
KELAS VIRTUAL
Kelas virtual (virtual class) adalah layanan pembelajaran jarak jauh yang memungkinkan suatu proses belajar mengajar di dalam kelas dapat dibagi secara virtual ke kelas-kelas lain pada lokasi yang berbeda-beda (remote). Tentunya keberadaan layanan kelas virtual ini dimaksudkan untuk membantu guru mengajar di dalam kelas. Layanan kelas virtual dimungkinkan oleh keberadaan teknologi komputasi dan jaringan Internet.
Layanan kelas virtual menggunakan teknologi
multimedia streaming. Multimedia streaming adalah teknologi berbasis komunikasi client-server yang memungkinkan data multimedia dapat ditransmisikan. Contoh aplikasi multimedia streaming adalah pembelajaran digital dengan virtual class (virtual class, e-learning), konferensi multimedia, dan video-on-demand (VoD). Tujuan utama dari aplikasi streaming adalah mentransmisikan data secara real-time dari sumber-ke-penerima sedemikian hingga data dapat diterima dan ditayangkan secara kontinyu tanpa terinterupsi, meskipun pada kenyataannya akan sangat bergantung kepada fluktuasi kondisi jaringan. Streaming secara real-time dapat dilakukan dengan mode komunikasi baik peer-to-peer (unicast), multicast, maupun
broadcast. Layanan ini menggunakan VLC sebagai inti. VLC adalah perangkat lunak open source
berfungsi lengkap untuk multimedia streaming dan
multimedia player. VLC merupakan portable multimedia player, encoder, and streamer yang mendukung banyak tipe codec, format file, dan beragam protokol streaming (Bryan dkk, 2010).
QUALITY OF SERVICE
QoS adalah kemampuan suatu jaringan untuk menyediakan layanan yang baik dengan menyediakan kapasitas jaringan, mengatasi jitter dan
delay (waktu tunda) (Iversen, 2010). QoS dirancang untuk membantu pengguna menjadi lebih produktif dengan memastikan bahwa pengguna mendapatkan kinerja yang handal dari aplikasi-aplikasi berbasis jaringan. QoS mengacu pada kemampuan jaringan untuk menyediakan layanan yang lebih baik pada trafik jaringan tertentu melalui teknologi yang berbeda-beda. QoS merupakan suatu tantangan yang besar dalam jaringan berbasis IP dan internet secara keseluruhan (Yuksel dkk, 2007).
Teknologi QoS adalah teknologi yang memungkinkan administrator jaringan untuk dapat menangani berbagai efek akibat terjadinya konjesti pada lalu lintas aliran paket dari berbagai layanan. Penanganan QoS dilakukan dengan memanfaatkan sumber daya jaringan secara optimal, dibandingkan dengan menambah kapasitas fisik jaringan tersebut.
1. Pengkelasan paket untuk menyediakan pelayanan yang berbeda-beda untuk kelas paket yang berbeda-beda,
2. Penanganan congestion (kongesti) untuk memenuhi dan menangani kebutuhan layanan yang berbeda-beda,
3. Pengendalian lalu lintas paket untuk membatasi dan mengendalikan pengiriman paket-paket data,
4. Pensinyalan untuk mengendalikan fungsi-fungsi perangkat yang mendukung komunikasi di dalam jaringan IP.
Pada jaringan berbasis packet switched, kualitas layanan dipengaruhi oleh berbagai faktor, yang dapat dibagi menjadi faktor manusia dan faktor teknis. Faktor-faktor manusia meliputi: stabilitas layanan, ketersediaan layanan, waktu tunda, dan informasi pengguna. Faktor-faktor teknis meliputi: realibility, scalability, effectiveness, maintainability,Grade of Service (GOS), dll. Terdapat banyak hal bisa terjadi pada paket ketika mereka melakukan perjalanan dari asal ke tujuan, yang mengakibatkan masalah-masalah berikut dilihat dari sudut pandang pengirim dan penerima,atau yang sering disebut sebagai parameter-parameter QoS (Yuksel dkk, 2007).
Waktu tunda (delay)
Waktu tunda (delay) merupakan akumulasi berbagai waktu tunda dari ujung ke ujung pada jaringan Internet. Waktu tunda mempengaruhi kualitas layanan (QoS) karena waktu tunda menyebabkan suatu paket lebih lama mencapai tujuan. ITU-T G.114 merekomendasikan waktu tunda tidak lebih besar dari 150 ms untuk berbagai aplikasi, dengan batas 400 ms untuk komunikasi suara yang masih dapat diterima. Rekomendasi tersebut ditunjukkan di Tabel 1. sebagai berikut:
Tabel 1. Pengelompokan waktu tunda berdasarkan ITU G.114
Waktu Tunda (ms)
Kualitas
0 - 150 Baik
150 - 400 Cukup, masih dapat diterima
> 400 Buruk
Waktu tunda end-to-end seperti ditunjukkan Gambar 3 terdiri atas waktu tunda pengkodean
Gambar 3. Waktu tunda (delay) pada jaringan
Variasi waktu tunda (jitter)
Variasi waktu tunda (jitter) merupakan perbedaan selang waktu kedatangan antar paket di terminal tujuan. Variasi waktu tunda dapat disebabkan oleh terjadinya kongesti, kurangnya kapasitas jaringan, variasi ukuran paket, serta ketidakurutan paket.
Tabel 2 di bawah ini menunjukkan standar nilai variasi waktu tunda yang mempengaruhi kualitas layanan multimedia streaming.
Tabel 2. Standar nilai variasi waktu tunda berdasarkan ITU G.114
> 50 Tidak dapat diterima
Paket hilang (packet loss)
Paket hilang (packet loss) merupakan penyebab utama pelemahan audio dan video pada multimedia streaming. Paket hilang dapat disebabkan oleh pembuangan paket di jaringan (network loss) atau pembuangan paket di gateway/terminal sampai kedatangan terakhir (late loss). Network loss secara normal disebabkan kemacetan (router buffer overflow), perubahan rute secara seketika, kegagalan
link, dan lossy link seperti saluran nirkabel. Kemacetan atau kongesti pada jaringan merupakan penyebab utama dari paket hilang. Tabel 3 menunjukkan rekomendasi nilai paket hilang yang mempengaruhi kualitas layanan (QoS).
Tabel 3. Rekomendasi nilai paket hilang berdasarkan ITU G.114
Paket Hilang (%) Kualitas
0 – 1 Baik
1 – 5 Dapat diterima
> 10 Tidak dapat diterima
Throughput
selama interval waktu tertentu dibagi oleh durasi interval waktu tersebut.
Pengukuran kualitas layanan multimedia internet
Terdapat dua metode untuk menentukan kualitas layanan multimedia internet, yaitu melalui metode subjektif dan objektif. Pada perancangan ini digunakan metode objektif untuk mengukur kualitas layanan multimedia Internet. Untuk mengukur kualitas video digunakan metode objektif Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) (Wang, 2006). Untuk mengukur kualitas suara digunakan metode objektif
Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ).
Peak Signal to Noise Ratio (PSNR)
Faktor penting pada PSNR adalah mean squared error (MSE) dan kemungkinan nilai maksimum dari
luminance (untuk 8-bit, nilainya 28 – 1 = 255). Perhitungannya adalah sebagai berikut:
=
[ , ,. (1)
= 20. log
#$%
( )*&''+
(2)f(i,j) adalah sinyal orisinal pada pixel(i, j), F(i, j) adalah sinyal terdegradasi, dan M x N adalah ukuran videonya. Hasil perhitungan ini memiliki satuan desible, dengan nilai sekitar 30 sampai 40 untuk medium atau high quality video.
Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ)
Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) merupakan kelanjutan dari Perceptual Speech Quality Measure (PSQM) dan telah distandarisasi oleh ITU-T P.862 (ITU, 2001). PESQ menggabungkan metode PSQM dan Perceptual Analysis Measurement System (PAMS). Mekanisme PESQ merupakan penyempurnaan dari PSQM. Jika pada PSQM belum ada mekanisme time alignment
dan equalization, maka pada PESQ kedua mekanisme tersebut telah ditambahkan. Gambaran umum struktur algoritma PESQ dapat dilihat pada Gambar 4. Konsepnya sama seperti sebelumnya yaitu membandingkan antara sinyal keluaran dengan sinyal aslinya kemudian hasil tersebut dikonversikan ke dalam skala MOS. Skala MOS yang didefinisikan pada P.862 PESQ ini memiliki range dari -0.5 (terburuk) hingga 4.5 (terbaik). Berbeda dengan standar skala MOS dimana nilai terbaik dicapai dengan angka 5. Hal tersebut dikarenakan pada pengukuran kualitas pastinya terjadi degradasi sinyal. Sinyal keluaran tidak mungkin sama persis seperti aslinya. Oleh karena itu nilai 5 yang mengindikasikan 'sempurna' diturunkan menjadi 4.5 untuk menunjukkan pada prinsipnya terjadi degradasi pada sinyal.
Gambar 4. Algoritma PESQ
TESTBED SUBANG
Jaringan testbed Subang terdiri dari dua sekolah dasar yaitu SDN Cinta Mekar dan MI Al-Huda yang keduanya berlokasi di Kecamatan Serang Panjang, Kabupaten Subang (Gambar 5). Pada tahun 2009, telah dibangun infrastruktur jaringan nirkabel yang menghubungkan kedua sekolah, dipasang modem 3G/HSDPA untuk menghubungkan dengan jaringan internet, serta dipasang server layanan digital learning yang menyediakan sarana berkomunikasi antara kedua sekolah.
Gambar 5. Komunitas Pembelajaran Digital di Subang, Jawa Barat
PERANGKAT APLIKASI PENGUJI
Ping
menggunakan utilitas ini, dapat diuji apakah sebuah komputer terhubung dengan komputer lainnya. Hal ini dilakukan dengan cara mengirim sebuah paket kepada alamat IP yang hendak diujicoba konektivitasnya dan menunggu respons yang terjadi.
Salah satu fungsi dari perintah ping adalah mengetahui responsifitas komunikasi sebuah jaringan. Besarnya nilai waktu tunda atau latensi yang dilaporkan oleh ping menjadi indikasi seberapa responsif komunikasi terjadi dengan komputer yang dituju. Semakin besar nilai waktu tunda menunjukkan semakin lamban respons yang diberikan. Sehingga nilai waktu tunda ini juga bisa digunakan sebagai indikator kualitas jaringan.
Iperf
Iperf merupakan aplikasi untuk menghitung kinerja suatu jaringan dengan mengukur bandwidth,
delay, jitter dan datagram loss. Iperf juga merupakan suatu aplikasi client-server, sehingga untuk mengukur bandwidth dari suatu host ke host yang lain maka salah satu host harus menjalankan Iperf sebagai server dan host lainnya dijalankan sebagai server. Untuk melakukan pengukuran jitter dan
datagram loss dapat diuji dengan membangkitkan trafik UDP pada iperf, sedangkan throughput diuji dengan membangkitkan trafik TCP pada iperf.
IAVPTT
Pada tahun 2010, telah dihasilkan Integrated Audio-Video Performance Test Tool (IAVPTT) yang merupakan sistem terintegrasi untuk mengevaluasi kualitas audio dan video dari sebuah layanan virtual class (Claudio dkk, 2010). Pengukuran kualitas audio dan video pada IAVPTT dilakukan dengan membandingkan data audio-video asli di alamat pengirim dengan data audio-video hasil streaming
yang diterima di alamat penerima. Namun, pengukuran kualitas tersebut harus dilakukan secara
real-time karena bergantung kondisi jaringan pada saat itu juga. Test tool itu melakukan pengukuran secara end-to-end dengan melewatkan trafik data melalui suatu infrastruktur jaringan dari pengirim ke penerima. Adanya parameter karakteristik kinerja jaringan yang meliputi throughput, waktu tunda (delay), variasi waktu tunda (jitter), dan paket hilang (packet loss) akan mempengaruhi kualitas audio dan video. Sementara infrastruktur tersebut pun memiliki arsitektur topologi dan load jaringan. Selama ini belum diketahui apa hubungan antara parameter-parameter di atas terkait multimedia streaming untuk layanan virtual class.
Gambar 6. Cara Kerja IAVPTT pada Jaringan
VLC (Video LAN Client)
VLC adalah perangkat lunak open source
berfungsi lengkap untuk multimedia streaming dan
multimedia player. VLC merupakan portable multimedia player, encoder, and streamer yang mendukung banyak tipe codec, format file, dan beragam protokol streaming. VLC mampu melakukan streaming melalui jaringan internet dan men-transcoding-kan file-file multimedia kemudian menyimpannya kedalam berbagai format. VLC berlisensi GNU General Public License (GPL).
Pada proses streaming, VLC mampu berperan sebagai streamer (pengirim) maupun client
(penerima). VLC dapat menerima masukan dari Video File, DVD, MPEG hardware encoding card, Satelit, maupun Digital TV. Kemudian VLC dapat mengirimkan data-data masukan itu secara unicast
atau multicast menuju client [5].
PENGUJIAN DAN ANALISIS
Pengujian skala laboratorium
Pengujian skala laboratorium dilakukan dengan menset topologi yang merepresentasikan testbed Subang (Gambar 7). Ada dua wireless access point
yang masing-masing terhubung dengan komputer. Karakteristik jaringan wireless laboratorium ditunjukkan pada Tabel 4.
Gambar 7. Topologi Pengujian Laboratorium
Tabel 4. Karakteristik Wireless Laboratorium
Parameter Nilai
Throughput 9 Mbps
Delay 3 ms
Jitter 0.9 ms
Setelah jaringan dibangun, tahap berikutnya adalah mengukur beban jaringan (load network) yang dihasilkan dari multimedia streaming. Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui seberapa besar nilai beban jaringan yang dihasilkan dari suatu konfigurasi codec audio dan video. Video codec yang digunakan adalah H.264 sementara audio codecnya MPEG Audio. Source yang digunakan adalah Handycam. Data hasil pengukuran ditunjukkan pada Tabel 5.
Tabel 5. Data Pengukuran Skala Laboratorium
Laju Bit Video
Gambar 8. Grafik Pengaruh Bit Rate Video terhadap Load Network
Dari hasil pengukuran dapat diketahui bahwa konfigurasi laju bit video 512 Kbps yang menghasilkan beban jaringan sekitar 808-860 Kbps. Nilai tersebut hanya 9.6% dari throughput jaringan.
Pengujian skala testbed
Pengujian skala testbed dilakukan pada 29 April 2011 sebagai persiapan kegiatan Open Lesson Virtual Class minggu berikutnya. Testbed Subang memiliki topologi seperti ditunjukkan Gambar 9. Ada dua SD yang terhubung dengan WiFi secara point-to-point. Karakteristik WiFi testbed Subang ditunjukkan pada Tabel 6.
Gambar 9. Infrastruktur Testbed Subang
Tabel 6. Karakteristik WiFi testbed Subang
Parameter Nilai
Throughput 6 Mbps
Delay 4 ms
Jitter 1 ms
Packet Loss 0.08%
Pada saat pengujian, pada masing-masing lokasi ditempatkan perangkat yang sama. Hal ini sesuai dengan skenario kegiatan Open Lesson. Konfigurasi dari perangkat dan jaringan dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Konfigurasi Perangkat Jaringan
Menindaklanjuti hasil pengujian skala laboratorium, pada pengujian skala testbed dilakukan pengukuran yang berbeda yakni pengukuran kualitas audio dan video. Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui apakah konfigurasi codec menghasilkan kualitas audio dan video yang baik saat dilewatkan pada jaringan. Data hasil pengukuran ditunjukkan pada Tabel 7 dan Tabel 8.
Tabel 7. Data Pengukuran Kualitas Video
Laju Bit Video
Gambar 11. Grafik Pengaruh Bit Rate Video terhadap PSNR
Tabel 8. Data Pengukuran Kualitas Audio
Laju Bit Video
Gambar 12. Grafik Pengaruh Bit Rate Audio terhadap PESQ
Dari hasil pengukuran dapat diketahui bahwa konfigurasi laju bit video 512 Kbps dengan laju bit audio 128 Kbps menghasilkan PSNR tertinggi 17.48. Nilai tersebut berada pada skala cukup baik. Sementara konfigurasi laju bit video 512 Kbps dengan laju bit audio 128 Kbps menghasilkan PESQ tertinggi 4.483. Nilai tersebut berada pada skala sangat baik. Mengingat kebutuhan (requirement) dari pengajaran yang memprioritaskan suara yang dapat terdengar baik dan jelas maka konfigurasi laju bit video 512 Kbps dengan laju bit audio 128 Kbps direkomendasikan untuk kegiatan Open Lesson di Testbed Subang. dengan PSNR senilai 17.48. Sementara kualitas audio yang dihasilkan laju bit audio 128 Kbps paling tinggi dengan PESQ senilai 4.489.
Dari hasil pengujian skala laboratorium dan skala testbed diperoleh rekomendasi konfigurasi codec laju bit video 512 Kbps dengan laju bit audio 128 Kbps. Konfigurasi tersebut telah memenuhi syarat beban jaringan dan syarat kualitas audio dan video. Selanjutnya rekomendasi tersebut akan digunakan saat kegiatan Open Lesson di Subang pada 4-5 Mei 2011.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini merupakan bagian dari pengembangan teknologi digital learning untuk daerah pedesaan yang dikerjakan di Pusat Penelitian Teknologi Informasi dan Komunikasi, Institut Teknologi Bandung (PPTIK-ITB)
DAFTAR PUSTAKA
Agosti, G. (2006), Distance Education in the Era of Internet, Encyclopedia of Developing Regional
Communities with Information and
Communication Technology, Idea Group Reference.
Langi, A. Z. R., Widyantoro, D. H., Bandung, Y., Saptawati, G. A. P., Liliasari, 2009. ”ICT-based approaches for improving the quality of primary education in rural areas.” Proceedings of International Conference on Rural Information and Communication Technology (r-ICT) 2009. Bandung.
Aditya Arie Nugraha, Bryan Yonathan, Yoanes Bandung, Armein Z.R. Langi, 2010. “Tantangan dalam Implementasi Layanan Digital Learning Pedesaan: Studi Kasus Jaringan Testbed Keerom-Papua”, Prosiding Konferensi dan Temu Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi (TIK) untuk Indonesia 2010,
Bandung.
Bryan Yonathan, Aditya Arie Nugraha, Yoanes Bandung, Armein Z.R. Langi, “Layanan Kelas Virtual dengan Multimedia Streaming untuk Mendukung Digital Learning Pedesaan: Studi Kasus Keerom Papua”, Prosiding Konferensi dan Temu Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi (TIK) untuk Indonesia, Bandung, 2010.
International Workshop on Quality of Service” . Evanston, IL, USA. pp. 109–112.
P. Revathi and R. Balasubramanian, “Efficiency Analysis on QoS Multicast routing protocols under Cross-layer Approach with Bandwidth estimated Admission Control,” International Journal of Algorithms, Computing and Mathematics, vol 2, no 3, August 2009.
ITU-T, One-Way Transmission Time, 2000. Rekomendasi ITU-T G.114
Wang, Yubing. 2006. "Survey of Objective Video Quality Measurements." Computer Science Department Worcester Polytechnic Institute, Massachusetts, USA, Tech. Rep. WPI-CS-TR-06-02.
ITU. 2001. “Telecommnication Standardization Sector Of. ITU-T Recommendation P.862, Perceptual evaluation of speech quality (PESQ), an objective method for end-to-end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs.”
