UNIVERSITAS INDONESIA ANALISA PENGARUH NILAI SUPERFRAME ORDER DAN BEACON ORDER TERHADAP KINERJA JARINGAN NIRKABEL MULTIHOP PADA PROTOKOL IEEE

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISA PENGARUH NILAI

SUPERFRAME ORDER DAN BEACON ORDER

TERHADAP KINERJA JARINGAN NIRKABEL MULTIHOP

PADA PROTOKOL IEEE 802.15.4

TESIS

NAMA: RUDIYANTO NPM: 1006734962

FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PASCASARJANA BIDANG ILMU TEKNIK DEPOK

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISA PENGARUH NILAI

SUPERFRAME ORDER DAN BEACON ORDER

TERHADAP KINERJA JARINGAN NIRKABEL MULTIHOP

PADA PROTOKOL IEEE 802.15.4

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik

NAMA: RUDIYANTO NPM: 1006734962

FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PASCASARJANA BIDANG ILMU TEKNIK KEKHUSUSAN JARINGAN INFORMASI DAN MULTIMEDIA

DEPOK JULI 2012

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada semua pihak yang telah berperan dalam menyelesaikan Tesis ini. Terutama penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Prof. Dr. Ir Riri Fitri Sari M.Sc, MM, selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan tesis ini;

2. segenap staf pengajar Jurusan Teknik Elektro yang telah memberikan ilmu dan pengetahuan pada penulis;

3. segenap staf tata usaha dan karyawan Jurusan Teknik Elektro;

4. Ayahku yang tercinta, istri dan anak-anak ku Boma dan Adli, Bapak dan Ibu tersayang serta seluruh saudara dan keluargaku yang selalu memberikan dorongan serta bantuan baik material atau spiritualnya; dan 5. semua pihak yang telah membantu terselesaikannya tugas akhir ini.

Akhir kata penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.

Depok, 11 Juni 2012 Penulis

ABSTRAK

Nama : Rudiyanto.

Program Studi : Program Master Teknik Elektro.

Judul : Analisa Pengaruh Nilai Superframe Order dan Beacon Order Terhadap Kinerja Jaringan Nirkabel Multihop pada Protokol IEEE 802.15.4.

Nilai Superframe Order Dan Beacon Order pada protokol IEEE 802.15.4 untuk menentukan besarnya paket data yang bisa ditransmisikan dalam setiap

Superframe dan juga lamanya masa tidak aktif dalam setiap Superframe. Jaringan multihop mempunyai ketersedian bandwith yang bagus sehingga digunakan pada

penelitian ini. Penelitian ini menggunakan simulasi NS2 untuk menganalisis pengaruh nilai Beacon Order dan nilai Superframe Order terhadap kinerja jaringan nirkabel multihop yang memiliki topologi pohon pada protokol IEEE 802.15.4. Kinerja jaringan telah dievaluasi secara rinci pada throughput rata-rata,

delay rata-rata, delivery ratio dan persentase dari energi rata-rata yang digunakan

terhadap variasi nilai Beacon Order dan nilai Superframe Order. Nilai Beacon

Order dan nilai Superframe Order optimum yang diperoleh dari eksperimen

adalah 9. Kata kunci:

Name : Rudiyanto.

Study Program : Master Program Electrical Engineering.

Title : Analysis of The Effect of Beacon Order and Superframe Order Value to The Performance of Multihop Wireless Networks on IEEE 802.15.4 Protocol

Superframe order value and beacon order value on IEEE 802.15.4 protocol determine the number of data packets that can be transmitted in each Superframe and also the length of the inactive period in each Superframe. Multihop networks with good bandwidth availability are used in this study. This study uses NS2 simulation to analyze the influence of the Beacon Order value and Superframe Order value to the performance of multihop wireless networks with a tree topology base on IEEE 802.15.4 protocol. The performance of the network which have been evaluated in detail are the average throughput, average delay, delivery ratio and the percentage of the average energy used towards the variation of the Beacon Order value and Superframe Order value. The optimum number of Beacon Order and Superframe Order found from the experiment is 9.

Key words:

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... i

PERNYATAAN KEASLIAN TESIS... ii

LEMBAR PENGESAHAN ... iii

UCAPAN TERIMA KASIH... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI... v

ABSTRAK... vi

DAFTAR ISI ………...…… viii

DAFTAR GAMBAR ………... xi

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR SINGKATAN... xiv

DAFTAR LAMPIRAN... xvi

1. PENDAHULUAN ……….. …... 1

1.1 Latar Belakang ………... 1

1.2 Perumusan Masalah ………...………….. 3

1.3 Batasan Masalah ………...……….. 3

1.4 Maksud dan Tujuan ………...…..….... 4

1.5 Metode Penulisan ………..……...………...….…... 4

1.6 Sistematika Penulisan ………...……... 4

2. TINJAUAN PUSTAKA ………..…………..………..….... 6

2.1 WBAN ………...…………. 6

2.2 Antar Muka WBAN ………...………. 8

2.3 Teknologi Nirkabel………...……….... 10

2.4 Standar IEEE 802.15.4………...……….. 12

2.5 Standar IEEE 802.15.4a………...……….... 14

2.6 Komponen dan Topologi………...………... 14

2.7 Spesifikasi Lapisan Fisik………...………... 15

2.8 Arsitektur IEEE 802.15.4………...……….. 16

2.8.1 Layer Fisik PHY………...………... 17

2.8.2 Sub Lapisan MAC ………. ………...………... 18

2.9.1.1 Contention Access Period (CAP)…………...……... 21

2.9.1.2 Contention-Free Period (CFP) …………...……... 22

2.10 Model Transfer Data…………...……... 22

2.10.1 Transfer Data Ke Koordinator…...…………...………... 23

2.10.2 Transfer Data Dari Koordinator…………...…...……….. 24

2.11 Struktur Frame………...……...….. 26

2.11.1 Frame Beacon………...………... 26

2.11.2 Frame Data………...………... 27

2.11.3 Frame Acknowledgment………...………... 28

2.11.4 Frame Perintah MAC………...………... 29

2.11.5 Hubungan Antara BO dengan Delay Maksimum dan Daya. 29 3. PERANCANGAN SISTEM DAN SIMULASI ………... 31

3.1 Motivasi………... 31

3.2 Arsitektur NS2………... 32

3.3 Lingkungan Simulasi ………...……… 32

3.4 Skenario Kerja NS2………...………... 33

3.5 Hasil Penelitian Pada Topologi Bintang... 34

3.6 Model Jaringan ………...………... 36 3.6.1 Konfigurasi Jaringan ………...…….. 37 3.6.2 Topologi Jaringan ………...……... 37 3.6.3 Trafik Jaringan ………...……….... 39 3.6.4 Waktu Simulasi... 39 3.6.5 Energi Awal... 40

3.6.6 Keluaran Simulasi Jaringan ………...……... 41

3.7 Pengukuran Kinerja Jaringan ………...……... 42

3.7.1 Throughput ………...………... 42

3.7.2 Delay Jaringan Rata-Rata ………...……… 43

3.7.3 Delivery Ratio ………...………... 43

3.7.4 Pemakaian Energi ………...………... 44

3.7.5 Analisa Drop untuk Protokol IEEE 802.15.4... 46

4. HASIL PENGUKURAN SIMULASI DAN ANALISA ... 49

4.1 Analisa Kinerja Jaringan Simulasi Pada BO = SO ... 49

4.1.1 Throughput Rata-Rata Jaringan Pada BO = SO ...…….. 49

4.1.2 Delay Rata-Rata Jaringan Pada BO = SO ..…...…….. 50

4.1.3 Paket Drop Jaringan Pada BO = SO..………...…….. 51

4.1.4 Delivery Ratio Jaringan Pada BO = SO……...…….... 52

4.1.5 Pemakaian Energi Rata-Rata Node Jaringan Pada BO = SO... 52

4.1.6 Analisa Paket Drop Jaringan Pada BO = SO... 53

4.1.6.1 LQI Drop Jaringan Pada BO = SO...…... 54

4.1.6.2 END Drop Jaringan Pada BO = SO ...……... 54

4.1.6.3 DUP Drop Jaringan Pada BO = SO...……... 55

4.1.6.4 BSY Drop Jaringan Pada BO = SO...……... 56

4.1.6.5 NRTE Drop Jaringan Pada BO = SO ...……... 57

4.1.6.6 Loop Drop Jaringan Pada BO = SO ...……... 57

4.1.6.7 CBK Drop Jaringan Pada BO = SO...……... 58

4.1.6.8 IFQ Drop Jaringan Pada BO = SO...……... 59

4.1.6.9 ARP Drop Jaringan Pada BO = SO...……... 60

4.1.7 Analisa Kinerja Jaringan Simulasi Secara Keseluruhan Pada BO = SO ………... 61

4.2 Analisa Kinerja Jaringan Simulasi Pada SO = 9... 61

4.2.1 Throughput Rata-Rata Jaringan Pada SO = 9...….. 61

4.2.2 Delay Rata-Rata Jaringan Pada SO = 9..…...……... 62

4.2.3 Paket Drop Jaringan Pada SO = 9..………...……... 63

4.2.4 Delivery Ratio Jaringan Pada SO = 9……...……... 64

4.2.5 Pemakaian Energi Rata-Rata Node Jaringan Pada BO = SO... 64

4.2.6 Analisa Paket Drop Jaringan Pada SO = 9... 65

4.2.6.1 LQI Drop Jaringan Pada SO = 9...…... 65

4.2.6.2 END Drop Jaringan Pada SO = 9...……... 66

4.2.6.3 DUP Drop Jaringan Pada SO = 9...……... 67

4.2.6.6 Loop Drop Jaringan Pada SO = 9...……... 69

4.2.6.7 CBK Drop Jaringan Pada SO = 9...……... 70

4.2.6.8 IFQ Drop Jaringan Pada SO = 9...……... 71

4.2.6.9 ARP Drop Jaringan Pada SO = 9...……... 72

4.2.7 Analisa Kinerja Jaringan Simulasi Secara Keseluruhan Pada SO = 9 ………... 72

5. KESIMPULAN………... 73

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1.1. Aplikasi WBAN [3]... 2

Gambar 2.1. Arsitektur Jaringan Sistem Pemantauan Kesehatan [6]... 6

Gambar 2.2. Format Frame Data dari Standar IEEE 802.15.4 [6]... 12

Gambar 2.3. Urutan Transmisi Frame IEEE 802.15.4 [6]. [6]... 13

Gambar 2.4. Topologi Bintang atau Topologi Peer-to-Peer [9]... 15

Gambar 2.5. Arsitektur Perangkat LR-WPAN [9]... 17

Gambar 2.6. Struktur Superframe Tanpa GTS [9]... 18

Gambar 2.7. Struktur Superframe dengan GTS [9]... 19

Gambar 2.8. Contoh Struktur Superframe [9]... 21

Gambar 2.9. Komunikasi Ke Koordinator Dalam PAN Beacon Enabled [9]... 23

Gambar 2.10. Komunikasi Ke Koordinator dalam PAN Nonbeacon Enabled [9]... 24

Gambar 2.11. Komunikasi Dari Koordinator Dalam PAN Beacon Enabled [9]... 25

Gambar 2.12. Komunikasi Dari Koordinator Dalam PAN Nonbeacon Enabled [9]... 26

Gambar 2.13. Tampilan Skema Beacon Frame Dan Paket PHY [9]... 27

Gambar 2.14.. Tampilan Skema Frame Data dan paket PHY [9]... 28

Gambar 2.15. Tampilan Skema Frame Acknowledgment dan paket PHY [9].. 28

Gambar 2.16. Tampilan Skema Frame Perintah MAC dan paket PHY [9]... 29

Gambar 2.17. Grafik _{δ dan ξ Tergantung pada Nilai BO [4]... 30}

Gambar 3.1. Arsitektur NS2 [10]... 32

Gambar 3.2. Diagram Alir untuk Skenario yang Berjalan Di NS2 [10]... 33

Gambar 3.3. Kinerja Throughput pada Rentang 0,1–3,0 pkts/sec [11]... 34

Gambar 3.4. Analisis Delay pada Rentang Datarate 0,1–3,0 pkts/sec [11]... 35

Gambar 3.5 Kinerja Delivery Ratio pada Rentang Datarate 0,1–3,0 pkts/sec [11]... 35

Gambar 3.6. Energi dengan Tingkat Keyakinan yang Lebih Baik pada Rentang Datarate 0,1 – 3,0 pkts/sec [11]... 36

Gambar 3.10. Penghitungan Presentasi Energi Rata-Rata dalam Berkas

avg_throughput.awk [13]... 45

Gambar 3.11. Proses Simulasi... 48

Gambar 4.1. Grafik Throughput Rata-Rata Jaringan... 49

Gambar 4.2. Grafik Delay Rata-Rata Jaringan... 50

Gambar 4.3. Grafik Paket Drop Jaringan... 51

Gambar 4.4. Grafik Delivery Ratio Jaringan... 52

Gambar 4.4. Grafik Pemakaian Energi Rata-Rata Node Jaringan... 53

Gambar 4.5. Grafik LQI Drop Jaringan Simulasi... 54

Gambar 4.6. Grafik END Drop Jaringan Simulasi... 55

Gambar 4.7. Grafik DUP Drop Jaringan Simulasi... 56

Gambar 4.8. Grafik BSY Drop Jaringan Simulasi... 56

Gambar 4.9. Grafik NRTE Drop Jaringan Simulasi... 57

Gambar 4.10. Grafik Loop Drop Jaringan Simulasi... 58

Gambar 4.11. Grafik CBK Drop Jaringan Simulasi... 59

Gambar 4.12. Grafik IFQ Drop Jaringan Simulasi... 60

Gambar 4.13. Grafik ARP Drop Jaringan Simulasi... 60

Gambar 4.14. Grafik Throughput Rata-Rata Jaringan... 62

Gambar 4.15. Grafik Delay Rata-Rata Jaringan... 62

Gambar 4.16. Grafik Paket Drop Jaringan... 63

Gambar 4.17. Grafik Delivery Ratio Jaringan... 64

Gambar 4.18. Grafik Pemakaian Energi Rata-Rata Node Jaringan... 65

Gambar 4.19. Grafik LQI Drop Jaringan Simulasi... 66

Gambar 4.20. Grafik END Drop Jaringan Simulasi... 67

Gambar 4.21. Grafik DUP Drop Jaringan Simulasi... 68

Gambar 4.22. Grafik BSY Drop Jaringan Simulasi... 68

Gambar 4.23. Grafik NRTE Drop Jaringan Simulasi... 69

Gambar 4.24. Grafik Loop Drop Jaringan Simulasi... 70

Gambar 4.25. Grafik CBK Drop Jaringan Simulasi... 71

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1. Perbandingan Standar Komunikasi Nirkabel [7]... 11 Tabel 3.1. Kondisi Operasi Ideal [11]... 34

BAN : Body Area Networks BI : Beacon Interval BO : Beacon Order

CAP : Contension Access Period CBR : Constant Bit Rate

CCA : Clear Channel Assessment CFP : Contension Free Period CID : Cluster Identification

CSMA-CA : Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ED : Energy Detection

FFD : Full Function Device FTP : File Transfer Protocol GTS : Guaranteed Time Slots LQI : Link Quality Indication

LR-WPAN : Low Rate Wireless Personal Area Networks MLME : Mac Layer Management Entity

MPDU : Mac Protocol Data Unit MSDU : MAC Serice Data Unit NAM : Network Animator NS : Network Simulator PAN : Personal Area Network PIB : PAN Information Base

PLME : Physical Layer Management Entity POS : Personal Operating Space

PPDU : PHY Protocol Data Unit PSDU : PHY Service Data Unit RFD : Reduced Function Device SD : Superframe Duration SO : Superframe Order

SSCS : Service Specific Convergence Sublayer TCP : Transmission Control Protocol

UDP : User Datagram Protocol WBAN : Wireless Body Area Networks WPAN : Wireless Personal Area Networks

1. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Jaringan nirkabel mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan jaringan kabel diantaranya adalah dalam hal biaya, ukuran dan kecerdasan yang terdistribusi. Jaringan nirkabel membuat pengguna dapat mengatur jaringan dengan cepat, pengguna juga dapat membuat jaringan yang tidak mungkin atau tidak nyaman bila menggunakan kabel. Jaringan nirkabel lebih hemat dari pada jaringan kabel karena memiliki sifat bebas perawatan dan mudah dalam penyebaran [1].

Protokol IEEE 802.15.4 merupakan standar khusus yang dirancang untuk jaringan area pribadi berkecepatan rendah yang ditujukan untuk kecepatan data rendah, konsumsi daya rendah, biaya jaringan nirkabel rendah dengan peralatan yang terkoneksi secara nirkabel. Dengan adanya protokol EEE 802.15.4 ini banyak aplikasi dan peralatan baru yang muncul seperti yang penggunaan sensor yang mengontrol lampu atau alarm, switch dinding yang dapat dipindah-pindahkan, perangkat komputer nirkabel, pengendali untuk mainan interaktif, label dan lencana cerdas, monitor tekanan ban di mobil dan peralatan pelacak barang inventaris [1].

Pada awalnya Body Area Networks (BAN) atau Wireless Body Area

Networks (WBAN) adalah jaringan sensor yang dipasang pada tubuh manusia

secara nirkabel (wireless) dengan menggunakan protokol IEEE 802.15.4. Selanjutnya pada tahun 2007 dibentuk Task Group 6 untuk fokus pada standar nirkabel daya rendah dan jarak pendek yang akan dioptimalkan untuk perangkat yang beroperasi pada, dalam atau di sekitar tubuh manusia (namun tidak terbatas pada manusia). Sistem ini digunakan untuk melayani berbagai aplikasi termasuk medis, elektronik, dan hiburan pribadi, akan tetapi draft protokol ini baru di setujui oleh IEEE 802.15 Task Group 6 pada bulan Desember 2011. Aplikasi dari WBAN ini diperlihatkan pada Gambar 1.1.

WBAN juga digunakan dalam dunia medis untuk memantau kesehatan pasien secara kontinyu dari jarak jauh dalam durasi waktu yang panjang. Untuk

2

itu hardware harus kompak dan ringan. Hal ini membatasi ukuran baterai. Sensor-sensor pada WBAN digunakan untuk memonitor parameter fisiologis [2]:

- Aktivitas jantung dengan sensor Elektrokardiogram (EKG). - Kegiatan otot dengan sensor Elektromiografi (EMG).

- Aktivitas listrik otak dengan sensor Electroencephalography (EEG). - Tekanan darah dengan sensor tekanan darah.

- Respirasi dengan sensor napas.

- Gerak dengan sensor gerak yang digunakan untuk memperkirakan kegiatan pasien.

Gambar 1.1. Aplikasi WBAN [3].

Penginderaan merupakan dasar WBAN. Untuk kualitasnya tergantung pada kemajuan industri pada pemrosesan sinyal, microelectromechanical system (MEMS) dan nanotechnology (NEMS). Sensor dibagi menjadi tiga kategori [2]:

a. Bio-sensor: mengukur tekanan darah, gula darah sewaktu, suhu utama tubuh, oksigen darah, laju pernapasan, EKG, EEG, dan EMG.

b. Bio-sensor kinetik: mengukur percepatan dan kecepatan rotasi sudut yang berasal dari gerakan manusia.

c. Sensor lingkungan: mengukur fenomena lingkungan seperti kelembaban, cahaya, tingkat tekanan suara, dan suhu.

1.2. Perumusan Masalah

Mekanisme pengiriman paket data pada standar IEEE 802.15.4 bisa menggunakan Superframe (mode beacon enabled). Superframe merupakan periode waktu antara suatu beacon dengan beacon berikutnya. Beacon merupakan tanda yang dikirim sebuah node perangkat nirkabel ke node perangkat nirkabel lain yang berada di dalam jangkauan transmisi radionya. Sinyal beacon digunakan untuk menyingkronkan perangkat, mengidentifikasi PAN dan menggambarkan struktur Superframe. Superframe dibagi menjadi daerah aktif dan daerah pasif. Pada daerah pasif node tidak melakukan sesuatu. Pada daerah aktif node melakukan proses penyambungan dengan node lain dan transmisi data. Lebar daerah aktif ini tergantung pada nilai Superframe Order. Semakin besar nilai

Superframe Order maka semakin lebar daerah aktif dan sebaliknya. Lebar Superframe ditentukan nilai Beacon Order. Semakin besar nilai Beacon Order

semakin lebar Superframe dan sebaliknya. Sehingga nilai Superframe Order dan

Beacon Order akan mempengaruhi kinerja jaringan [4].

Topologi jaringan bintang (star), pohon (tree) dan kisi (mesh) tentunya mempunyai karakteristik kinerja jaringan yang tidak sama. Penelitian ini hanya akan membahas jaringan dengan topologi pohon.

Seberapa besar pengaruh nilai Superframe Order dan Beacon Order terhadap kinerja jaringan dengan topologi pohon akan diteliti pada penelitian ini.

1.3. Batasan Masalah

Penelitian dapat dilakukan dengan pengukuran atau pengamatan pada peralatan atau sistem yang menggunakan standar IEEE 802.15.4 dan juga dapat menggunakan suatu perangkat lunak simulasi seperti simulator jaringan NS2, OMNeT++, Worldsens, TOSSIM, Cooja, OPNET, J-Sim, ShoX, TRMSim-WSN

4

dan WSNsim [5]. Penelitian ini hanya dilakukan dengan menggunakan simulator jaringan NS2.

Maksud dan Tujuan

Mengacu pada permasalahan penelitian yang akan dilakukan, maka penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh nilai Superframe Order dan

Beacon Order terhadap kinerja jaringan nirkabel multihop dengan topologi pohon

(tree) pada protokol IEEE 802.15.4.

1.4. Metode Penulisan

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan beberapa metode sebagai berikut:

1 Memahami standar IEEE 802.15.4 dari buku standar IEEE 802.15.4, makalah-makalah, thesis-thesis dan sumber-sumber Internet yang ada. 2 Mempelajari simulator jaringan NS2 dan source code NS2 untuk jaringan

dengan standar IEEE 802.15.4 yang diterbitkan universitas-universitas. 3 Melakukan modifikasi source code NS2 yang ada sehingga sesuai

keperluan penelitian.

4 Membuat keluaran berupa grafik kinerja dan menganalisa grafik tersebut. 5 Membuat kesimpulan dari analisa yang telah dilakukan.

1.5. Sistematika Penulisan

Supaya mudah dimengerti penelitian ini ditulis secara sistematis dan bertahap, yaitu:

Bab I : Pendahuluan

Menjelaskan secara umum protokol IEEE 802.15.4 dan aplikasinya Bab II : Tinjauan Pustaka

Menjelaskan teori tentang WPAN dan standar IEEE 802.15.4 Bab III : Perancangan Sistem dan Simulasi.

Merencanakan skenario jaringan yang akan diteliti dan mengimplementasikan pada source code yang ada.

Membuat grafik kinerja jaringan dari hasil pengukuran pada simulasi dan menganalisa hasil yang diperoleh.

Bab V : Kesimpulan

Kesimpulan, saran dan hal lain yang perlu disampaikan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. WBAN

Suatu jaringan area tubuh nirkabel atau Wireless Body Area Network (WBAN) digunakan untuk memantau kesehatan. WBAN diintegrasikan ke dalam sistem telemedicine multitier yang lebih luas [6], sistem tersebut diilustrasikan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Arsitektur Jaringan Sistem Pemantauan Kesehatan [6]. Sistem telemedikal mencakup sebuah jaringan terdiri dari sistem pemantauan kesehatan individu yang terhubung melalui Internet ke tingkat server medis yang berada di puncak hirarki. Pada tingkat atas yang berpusat pada server medis semua layanan dioptimalkan untuk ratusan atau ribuan pengguna individu dan meliputi layanan interkoneksi jaringan yang kompleks, tenaga medis, dan profesional kesehatan. Setiap pengguna memakai sejumlah node sensor yang secara strategis ditempatkan di tubuhnya. Fungsi utama dari node-node sensor

tersebut adalah untuk mengambil sampel tanda-tanda vital dan mentransfer data yang relevan ke server pribadi melalui jaringan pribadi nirkabel yang diimplementasikan menggunakan IEEE 802.15.4. Server pribadi, diimplementasikan pada sebuah Personal Digital Assistant (PDA), ponsel, atau komputer pribadi, penyetelan dan pengendalian WBAN menyediakan antarmuka grafis atau audio kepada pengguna, dan transfer informasi tentang status kesehatan ke server medis melalui Internet atau jaringan telepon seluler seperti GPRS atau 3G [6].

Server menyimpan catatan medis elektronik pengguna yang terdaftar dan menyediakan berbagai layanan kepada pengguna, tenaga medis, dan perawat informal. Tugas dari server medis adalah diantaranya untuk mengotentikasi pengguna, menerima upload data kesehatan pengguna yang dipantau, format dan masukkan data sesi tersebut ke catatan medis yang sesuai, menganalisa pola data, mengenali anomali kesehatan yang serius dalam rangka untuk menghubungi pemberi perawatan darurat, dan meneruskan instruksi baru kepada pengguna, seperti latihan yang telah diresepkan dokter. Dokter pasien dapat mengakses data dari/ke kantornya melalui Internet dan memeriksa untuk memastikan pasien dalam metrik kesehatan yang diharapkan (denyut jantung, tekanan darah, aktivitas), memastikan pasien merespon pengobatan yang diberikan atau pasien telah melakukan latihan yang diberikan. Suatu agen server dapat memeriksa data yang di upload dan membuat peringatan dalam kasus bila terjadi suatu kondisi medis yang mungkin membahayakan pasien. Besar data yang dikumpulkan melalui layanan ini juga dapat dimanfaatkan untuk pencarian pengetahuan melalui data mining. Integrasi data yang dikumpulkan ke dalam database penelitian, analisis kondisi kuantitatif dan pola bisa untuk membuktikan bagi para peneliti yang mencoba menghubungkan gejala dan diagnosa dengan perubahan historis dalam status kesehatan, data fisiologis, atau parameter lain (misalnya, jenis kelamin, usia, berat badan). Dalam cara yang sama infrastruktur ini secara signifikan dapat berkontribusi untuk pemantauan dan mempelajari efek terapi obat [6].

8

2.2. Antar Muka WBAN

Tingkat (tier) kedua adalah server pribadi yang merupakan antarmuka node sensor WBAN, server pribadi ini menyediakan antarmuka pengguna yang berupa grafis dan berkomunikasi dengan layanan di tingkat atas. Server pribadi biasanya diimplementasikan pada PDA atau telepon seluler, tetapi sebagai alternatif dapat juga berjalan di komputer rumah. Hal ini terutama karena nyaman untuk pemantauan pasien usia lanjut di rumah. Server pribadi melakukan antarmuka node-node WBAN melalui suatu network coordinator (nc) yang menerapkan konektivitas ZigBee. Untuk berkomunikasi ke server medis, server pribadi menggunakan jaringan telepon selular (2G, GPRS, 3G) atau WLAN untuk mencapai jalur akses Internet [6].

Antarmuka untuk WBAN termasuk konfigurasi jaringan dan manajemen. Konfigurasi jaringan meliputi tugas-tugas berikut: pendaftaran node-node sensor (jenis dan jumlah sensor), inisialisasi (misalnya, frekuensi sampling yang ditentukan dan mode operasi), kustomisasi (misalnya, menjalankan kalibrasi pengguna tertentu atau prosedur pemrosesan sinyal upload untuk pengguna tertentu), dan setup dari komunikasi yang aman (pertukaran kunci). Setelah jaringan WBAN dikonfigurasi, server pribadi mengelola jaringan atau mengurus berbagi saluran, sinkronisasi waktu, pengambilan data, pengolahan, dan fusi data. Berdasarkan informasi dari sinergi beberapa sensor medis aplikasi server pribadi harus menentukan kondisi pengguna, status kesehatannya dan memberikan umpan balik melalui antarmuka pengguna berupa grafis intuitif yang user friendly atau audio [6].

Server pribadi menyimpan informasi otentikasi pasien dan dikonfigurasi dengan alamat IP server medis untuk antarmuka layanan medis. Jika saluran komunikasi ke server medis tersedia, server pribadi menetapkan komunikasi yang aman ke server medis dan mengirimkan laporan yang dapat diintegrasikan ke dalam catatan medis user. Jika hubungan antara server pribadi dan server medis tidak tersedia, server pribadi harus dapat menyimpan data secara lokal dan melakukan upload data ketika link tersedia. Pengaturan ini memungkinkan mobilitas penuh pengguna dengan aman dan upload informasi kesehatan yang mendekati real time [6].

Sebuah bagian penting dari sistem telemedical adalah tier 1 yang merupakan jaringan sensor area tubuh nirkabel. Bagian ini terdiri dari sejumlah node cerdas, masing-masing mampu dalam penginderaan, pengambilan sampel, pengolahan, dan mengkomunikasikan sinyal fisiologis. Sebagai contoh, sebuah sensor EKG dapat digunakan untuk kegiatan pemantauan jantung, sebuah sensor EMG untuk aktivitas pemantauan otot, sensor EEG untuk memantau aktivitas listrik otak, sensor tekanan darah untuk pemantauan tekanan darah, sensor kemiringan untuk posisi pemantauan tubuh, dan sensor pernapasan untuk memantau respirasi, sedangkan sensor gerak dapat digunakan untuk membedakan status pengguna dan memperkirakan dirinya atau tingkat aktivitasnya [6].

Setiap sensor node menerima perintah inisialisasi dan menanggapi pertanyaan dari server pribadi. Node-node WBAN harus memenuhi persyaratan berat minimal, faktor bentuk miniatur, konsumsi daya rendah untuk memungkinkan pemantauan dalam waktu yang lama dan di mana pun, integrasi ke WBAN, protokol- protokol antarmuka berbasis standar dan kalibrasi pasien tertentu, penyetelan dan kustomisasi. Node-node jaringan nirkabel dapat diimplementasikan sebagai peralatan kecil yang dimasukkan ke dalam pakaian. Node-node jaringan terus menerus mengumpulkan dan memproses informasi mentah, menyimpannya secara lokal, dan mengirim pemberitahuan kejadian yang telah diproses ke server pribadi. Jenis dan sifat dari aplikasi kesehatan akan menentukan frekuensi kejadian yang relevan (pengambilan sampel, pengolahan, penyimpanan, dan berkomunikasi). Idealnya node juga sensor-sensor secara berkala mengirimkan status dan kejadian mereka, sehingga secara signifikan mengurangi konsumsi daya dan memperpanjang masa pakai baterai. Ketika analisis data lokal tidak meyakinkan atau menunjukkan adanya situasi darurat, tingkat atas dalam hirarki dapat mengeluarkan permintaan untuk mentransfer sinyal mentah ke tingkat jaringan berikutnya [6].

Privasi pasien dilindungi oleh hukum, harus ditangani di semua tingkatan dalam sistem kesehatan. Transfer data antara server pribadi pengguna dan server medis memerlukan enkripsi pada semua informasi sensitif yang berkaitan dengan kesehatan pribadi. Sebelum integrasi yang mungkin dari data ke dalam database penelitian, semua catatan harus dibebaskan dari semua informasi yang dapat

10

menunjuk kepada pengguna tertentu. Pembatasan jangkauan komunikasi nirkabel merupakan sebagian dari keamanan dalam WBAN, tetapi pesan tetap perlu dienkripsi baik menggunakan perangkat lunak atau teknik perangkat keras. Beberapa platform sensor nirkabel sudah menyediakan solusi perangkat keras daya rendah untuk enkripsi komunikasi ZigBee [6].

2.3. Teknologi Nirkabel

Untuk memenuhi biaya rendah pada implementasi pemancaran dan rendahnya redaman frekwensi radio karena induktansi tubuh, Body Sensor

Network (BSN) medis harus menggunakan frekwensi di bawah 1 GHz, namun

frekwensi di daerah ini padat, sebagai contoh pada range spectrum frekwensi 433 MHz digunakan oleh aplikasi yang sangat khusus seperti Medical Implant

Communication Service (MICS) dan Wireless Medical Telemetry Systems

(WMTS), sehingga untuk seluruh dunia lebih memungkinkan menggunakan pita ISM frekwensi 2,4 GHz sebagai spektrum frekwensi BSN yang paling tepat. BSN haruslah menggunakan teknologi nirkabel yang standar sehingga diperoleh interoperabilitas peralatan dan sistem, biaya bahan yang rendah dan menghindari ketergantungan produsen peralatan medis pada produsen pemancar RF [7].

Pita Industrial Scientific Medical (ISM) frekwensi 2,4 GHz mengakomodasi beberapa standar konektivitas secara bersamaan seperti IEEE 802.15.1 (2002) untuk Bluetooth, IEEE 802.11b / g (2003) untuk dasar WiFi dan IEEE 802.15.4 (2006) sebagai dasar ZigBee (2007). Standarisasi IEEE 802.11

Wireless Local Area Networks (WLAN), yang mengacu pada sistem dengan

cakupan dari 10 sampai 100 meter yang sering berinteraksi dengan infrastruktur kabel (LAN). Sebaliknya, standarisasi IEEE 802,15 WPAN mengacu pada sistem dengan cakupan kurang dari 10 meter untuk perangkat yang sangat mobile, seperti

wireless I / O peripheral dengan sumber daya yang sangat terbatas [7].

Standarisasi IEEE 802.15 mengeluarkan tiga standar WPAN yaitu:

a. IEEE 802.15.1 untuk WPAN tingkat menengah standar ini merupakan standar Bluetooth.

c. IEEE 802.15.4 pada tahun 2006 untuk standar WPAN tingkat rendah, standar ini bertujuan untuk sensor atau aktuator jaringan, kemudian diubah pada tahun 2007 menjadi standar IEEE 802.15.4a.

Implementasi WPAN yang ada sebagian besar didasarkan pada IEEE 802.15.1 atau IEEE 802.15.4 karena fitur konsumsi daya yang rendah, kompleksitas rendah, dan bentuknya yang kecil [7], perbandingan antara beberapa standar tersebut dapat dilihat pada tabel 2.1.

Tabel 2.1. Perbandingan Standar Komunikasi Nirkabel [7]. IEEE 802.11b WiFi IEEE 802.15.1 Bluetooth IEEE 802.15.4-2006 ISM band 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 915 MHz (US) 868 MHz (EU)

Air interface Direct-sequence spread spectrum (DSSS) Frequency-hopping spread spectrum (FHSS)

Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS)

#Channels/schemes 11 (US) 13 (EU) 10 16 10 1 Data rate (aggregated) 11 Mbps (50 Mbps) 1 Mbps (<10 Mbps) 250 kbps (<4,000 kbps) Optionally 250 kbps (<2500 kbps) Optionally 250 kbps (250 kbps) Range 100 m 10 m, 30 m, 100 m 10-30 m

Network topology Star, peer-to-peer

Star Star, peer-to-peer

Network size 32 8 65,535

Network join time <3 s <5 s <<1 s

Real-time support No No Guaranteed time slots

Protocol complexity

Medium High Simple

Stack size 100 KB 256 KB 24 KB

Security Authentication, encryption

Authentication, encryption

Authentication, encryption, integrity, freshness Typical power consumption 471 mW (MAXIM MAX2822) 83 mW (LINKMATIK 2.0) 60 mW (Texas Instruments CC2420)

IEEE 802.15.4a (2007) mendefinisikan suatu layer fisik Ultra Wide Band (UWB) berbasis pulsa, meskipun mempunyai redaman frekwensi radio karena induktansi tubuh yang tinggi pada daerah operasinya yaitu 3 GHz hingga 10 GHz, IEEE 802.15.4a mempunyai kebutuhan daya komunikasi yang rendah disamping handal untuk multipath fading [7].

12

2.4. Standar IEEE 802.15.4

Standar IEEE 802.15.4 mendefinisikan layer fisik dan sub lapisan Medium

Access Control (MAC). Untuk layer fisik, tiga pita frekuensi yang berbeda yang

tersedia dalam pita industri ilmiah medis atau Industrial Scientific Medical (ISM)[6], yaitu:

a. 1 kanal di pita 868 MHz dengan kecepatan data baku dari 40 kbps (digunakan di Eropa).

b. 10 kanal di pita 915 MHz masing-masing kecepatan data baku 40 kbps (digunakan di Amerika Utara).

c. 16 kanal di pita 2,4 GHz masing-masing dengan kecepatan data baku dari 250 kbps (digunakan di seluruh dunia).

Jaringan IEEE 802.15.4 mendukung dua jenis topologi, topologi bintang dan topologi peer to peer. Empat struktur frame didefinisikan dalam standar IEEE 802.15.4, beacon , perintah MAC, acknowledgment dan frame data. Frame Data digunakan untuk semua transfer data [6], struktur frame data dapat dilihat pada gambar 2.2.

Gambar 2.2. Format Frame Data dari Standar IEEE 802.15.4 [6].

Ada dua mode operasi dalam jaringan IEEE 802.15.4, beacon diaktifkan (slotted) dan beacon tidak diaktifkan (unslotted). Dalam mode beacon diaktifkan, komunikasi disinkronisasi dan dikendalikan oleh suatu koordinator jaringan, yang memancarkan beacon periodik untuk menentukan awal dan akhir suatu superframe. Superframe dapat terdiri dari periode aktif dan tidak aktif, bagian aktif dari superframe dibagi menjadi 16 slot berukuran sama dan terdiri dari 2 kelompok: Contention Access Period (CAP) dan optional Contention Free

kanal, di mana slot backoff sejalan dengan dimulainya transmisi sinyal. Pada CFP,

slot waktu yang ditetapkan oleh koordinator, perangkat yang telah ditugaskan

pada slot waktu tertentu dapat mengirimkan paket dalam periode ini. Semua komunikasi harus berlangsung selama bagian aktif. Di bagian tidak aktif, perangkat dapat dimatikan untuk menghemat energi [6].

Dalam mode beacon tidak dihidupkan, tidak ada beacon rutin ditransmisikan. Unslotted CSMA/CA digunakan sebagai mekanisme akses kanal. Ketika perangkat jaringan ingin mengirimkan paket ke koordinator jaringan, menunggu nomor acak slot backoff, yang dipilih seragam antara 0 dan 2BE −1, di mana BE merupakan eksponen backoff. Standar minimum nilai (macMinBE) adalah 3. Diperiksa jika kanal tersebut idle. Jika idle perangkat jaringan mulai untuk mengirimkan paket data, jika tidak, BE bertambah 1, perangkat jaringan mundur lagi dengan nilai baru BE sebelum mencoba untuk mengakses kanal. Prosedur ini diulang sampai jumlah BE melebihi jumlah maksimum backoff eksponen (aMaxBE), yaitu 5. Demikian pula jumlah iterasi juga dibatasi oleh NB, yang merupakan singkatan dari jumlah maksimum backoffs sebelum menyatakan kegagalan akses kanal. Nilai default dari NB adalah 4 [6]. Urutan transmisi frame data ditunjukkan Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Urutan Transmisi Frame IEEE 802.15.4 [6].

TBO adalah waktu backoff total atau jumlah waktu keterlambatan akses kanal. Tpacket adalah transmisi waktu untuk paket data. TTA adalah waktu yang dibutuhkan untuk transmisi dari pemancaran ke penerima. TACK adalah waktu transmisi untuk sebuah frame ACK. TIFS adalah waktu dari Inter Space Frame (IFS). IFS mengikuti frame transmisi untuk mengijinkan lapisan MAC memiliki

14

cukup waktu untuk memproses data yang diterima dari layer fisik. IFS bisa SIFS atau LIFS, tergantung pada ukuran dari frame MAC [6].

2.5. Standar IEEE 802.15.4a

Standar IEEE 802.15.4a merupakan amandemen standar IEEE 802.15.4-2006 yang menentukan layer fisik (PHYs) alternatif selain layer fisik yang telah ditetapkan dalam standar dasar. Layer fisik alternatif tersebut adalah sebagai berikut [8]:

- PHY Ultra Wide Band (UWB) pada frekuensi 3 GHz sampai 5 GHz, 6 GHz sampai 10 GHz, dan kurang dari 1 GHz

- Chirp Spread Spectrum (CSS) PHY pada 2450 MHz

PHY UWB mendukung kecepatan data mandatori di atas udara 851 kb/s kecepatan data opsional 110 kb/s, 6.81 Mb/s, dan 27,24 Mb/s. PHY CSS mendukung kecepatan data mandatori di atas udara 1000 kb/s dengan kecepatan data opsional 250 kb/s. PHY yang dipilih tergantung pada peraturan lokal, aplikasi, dan preferensi pengguna.

2.6. Komponen dan Topologi

Dua jenis perangkat yang dapat berpartisipasi dalam jaringan IEEE 802.15.4, yaitu berupa Full-Function Device (FFD) dan Reduced-Function

Device (RFD). FFD dapat beroperasi dalam tiga mode pelayanan, yaitu sebagai

koordinator Personal Area Network (PAN), koordinator, atau perangkat. Sebuah FFD dapat berkomunikasi dengan RFD atau FFD lain, tetapi RFD hanya dapat berkomunikasi dengan FFD. Sebuah RFD ditujukan untuk aplikasi yang sangat sederhana, seperti tombol lampu atau sensor inframerah pasif, mereka tidak memiliki kebutuhan untuk mengirim data dalam jumlah besar dan hanya dapat mengaitkan dengan FFD tunggal pada suatu waktu. Sehingga RFD dapat diimplementasikan menggunakan sumber daya dan kapasitas memori yang minimal [9].

Sebuah sistem dengan standar IEEE 802.15.4 terdiri dari beberapa komponen, yang paling dasar adalah perangkat. Perangkat mungkin merupakan sebuah RFD atau FFD. Dua atau lebih perangkat dalam Personal Operating Space

(POS) berkomunikasi pada saluran fisik yang sama merupakan sebuah WPAN. Dalam jaringan WPAN minimal setidaknya ada satu FFD, beroperasi sebagai koordinator PAN. Sebuah jaringan IEEE 802.15.4 adalah bagian dari keluarga standar WPAN meskipun cakupan jaringan dapat melampaui POS, yang biasanya mendefinisikan WPAN tersebut [9].

Gambar 2.4. Topologi Bintang atau Topologi Peer-to-Peer [9].

Sebuah wilayah cakupan yang jelas tidak ada untuk media nirkabel karena karakteristik propagasi yang dinamis dan tidak pasti. Perubahan kecil dalam posisi atau arah dapat menyebabkan perbedaan drastis pada kekuatan sinyal atau kualitas link komunikasi. Efek ini terjadi apakah perangkat stasioner atau mobile, sebagai benda bergerak dapat mempengaruhi propagasi stasiun ke stasiun [9].

IEEE 802.15.4 dapat beroperasi dalam dua topologi yang berbeda tergantung pada persyaratan aplikasi: topologi bintang atau topologi peer-to-peer. Keduanya ditunjukkan pada Gambar 2.4. Dalam topologi bintang komunikasi dibangun antara perangkat dan koordinator PAN, yang merupakan pengendali pusat. Topologi peer-to-peer juga memiliki koordinator PAN namun dalam topologi peer-to-peer ini masing-masing perangkat dapat berkomunikasi dengan perangkat lain selama mereka berada dalam jangkauan satu sama lain [9].

2.7. Spesifikasi Lapisan Fisik

Lapisan PHY dari IEEE 802.15.4 bertanggung jawab untuk [9]: • Pengaktifan dan penonaktifan radio pemancar dan penerima.

16

• Energy detection (ED) dan pilihan saluran frekuensi.

• Link Quality Indication (LQI). PHY bertanggung jawab untuk mengukur kekuatan / kualitas dari sebuah paket yang diterima. Penggunaan hasil LQI tergantung pada jaringan atau lapisan aplikasi.

• Clear Channel Assessment (CCA) untuk Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance (CSMA-CA).

• Transmisi dan penerimaan data.

Beberapa fungsi tergantung pada mode operasi yang digunakan. Standar ini mendefinisikan empat mode PHY operasi [9]:

• Sebuah Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS) 868/915 MHz PHY menggunakan modulasi Binary Phase-Shift Keying (BPSK).

• Sebuah DSSS 868/915 MHz PHY menggunakan modulasi Offset

Quadrature Phase-Shift Keying (O-QPSK).

• Sebuah Parallel Sequence Spread Spectrum (PSSS) 868/915 MHz PHY menggunakan modulasi BPSK dan Amplitude Shift Keying (ASK).

• Sebuah DSSS 2450 MHz PHY menggunakan modulasi O-QPSK.

2.8. Arsitektur IEEE 802.15.4

Dalam arsitektur IEEE 802.15.4 sistem didefinisikan dalam sejumlah blok atau layer. Setiap layer bertanggung jawab untuk satu bagian dari standar dan menawarkan layanan untuk lapisan yang lebih tinggi. Tata letak layer didasarkan pada model tujuh lapisan interkoneksi sistem terbuka (OSI) [9].

Perangkat LR-WPAN terdiri PHY, yang berisi transceiver frekuensi radio RF bersama dengan mekanisme kontrol tingkat rendah, dan sublapisan MAC yang menyediakan akses ke saluran fisik untuk semua jenis transfer. Gambar 2.5 menunjukkan blok-blok dalam sebuah representasi grafis [9].

Lapisan atas (upper layers) serpeti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.5, terdiri dari lapisan jaringan yang menyediakan konfigurasi jaringan, manipulasi, routing pesan dan suatu lapisan aplikasi, yang menyediakan fungsi yang ditujukan perangkat. Definisi lapisan atas di luar lingkup standar IEEE 802.15.4. IEEE 802.2 tipe 1 Logical Link Control (LLC) dapat mengakses sublapisan MAC melalui Service-Specific Convergence Sublayer (SSCS). Arsitektur LR-WPAN

dapat diimplementasikan baik sebagai perangkat embedded atau sebagai perangkat yang memerlukan dukungan dari perangkat eksternal seperti PC [9].

Gambar 2.5. Arsitektur Perangkat LR-WPAN [9]

2.8.1. _{Layer Fisik PHY.}

PHY menyediakan dua layanan: layanan data PHY dan layanan manajemen PHY yang memberikan antar muka bagi Physical Layer Management

Entity (PLME) Service Access Point (SAP) yang dikenal juga sebagai

PLME-SAP. Layanan data PHY memungkinkan transmisi dan penerimaan PHY Protocol

Data Units (PPDUs) melintasi saluran fisik radio. Fitur dari PHY adalah aktivasi

dan deaktivasi transceiver radio, ED, LQI, pilihan saluran, Clear Channel

Assessment (CCA), dan mengirimkan serta menerima paket di seluruh media

fisik. Radio beroperasi pada satu atau lebih unlicensed bands berikut [9]: - 868-868,6 MHz (Eropa)

- 902-928 MHz (Amerika Utara) - 2400-2483,5 MHz (seluruh dunia)

18

2.8.2. Sub Lapisan MAC

Sub lapisan MAC menyediakan dua layanan: layanan data MAC dan layanan manajemen MAC yang memberikan antarmuka bagi MAC Sublayer

Management Entity (MLME) Service Access Point (SAP) yang dikenal sebagai

MLME-SAP. Layanan data MAC memungkinkan transmisi dan penerimaan MAC

Protocol Data Units (MPDUs) melintasi layanan data PHY. Fitur dari sub lapisan

MAC adalah manajemen beacon , akses saluran, manajemen GTS, validasi frame, pengiriman acknowledged frame, asosiasi, dan pemisahan. Selain itu, sub lapisan MAC menyediakan kait untuk menerapkan aplikasi yang sesuai mekanisme keamanan [9].

2.9. _{Struktur Superframe}

Gambar 2.6. Struktur Superframe Tanpa GTS [9]

Standar IEEE 802.15.4 memberikan pilihan penggunaan sebuah struktur

superframe. Format superframe ditentukan oleh koordinator. Superframe dibatasi

oleh beacon jaringan yang dikirim oleh koordinator seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.6a dan dibagi menjadi 16 slot berukuran sama. Secara opsional

diperlihatkan pada Gambar 2.6b. Selama bagian tidak aktif, koordinator dapat memasukkan modus daya rendah. Bingkai beacon ditransmisikan dalam slot pertama dari masing-masing superframe. Jika suatu koordinator tidak ingin menggunakan struktur superframe, maka transmisi beacon akan dimatikan.

Beacon digunakan untuk menyinkronkan perangkat yang terpasang, mengidentifikasi PAN, dan untuk menggambarkan struktur superframe. Setiap perangkat yang ingin berkomunikasi selama Contention Access Period (CAP) antara dua beacon perangkat lain bersaing dengan menggunakan mekanisme penyelipan CSMA-CA dan semua transaksi selesai pada saat sinyal jaringan berikutnya [9].

Untuk aplikasi latency rendah atau aplikasi yang membutuhkan bandwidth data yang spesifik, koordinator PAN mungkin mendedikasikan bagian dari

superframe aktif untuk aplikasi tersebut. Perlakuan tersebut disebut Guaranteed Time Slot (GTS). GTS membentuk Contention-Free Period (CFP) yang selalu

muncul di akhir superframe aktif mulai dari batas slot yang langsung mengikuti CAP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7. Koordinator PAN dapat mengalokasikan sampai dengan tujuh GTS dan GTS dapat menduduki lebih dari satu periode slot. Tetapi porsi CAP yang cukup tetap untuk akses contention berbasis perangkat jaringan lain atau perangkat baru yang ingin bergabung dengan jaringan. Semua transaksi berbasis contention selesai sebelum CFP dimulai. Setiap perangkat transmisi dalam GTS juga memastikan bahwa transaksi selesai sebelum waktu GTS berikutnya atau akhir CFP tersebut [9].

20

2.9.1. _{Akses Saluran Struktur Superframe}

Suatu koordinator pada PAN secara opsional dapat terikat waktu salurannya dengan struktur superframe. Suatu superframe dibatasi oleh transmisi

frame beacon dan dapat memiliki porsi yang aktif dan porsi yang tidak aktif.

Koordinator dapat memasuki mode daya rendah (tidur) selama bagian tidak aktif. Struktur superframe ini digambarkan oleh nilai macBeaconOrder dan

macSuperframeOrder. Medium Access Control PAN Information Base (MAC

PIB) merupakan atribut macBeaconOrder yang menjelaskan interval kapan koordinator akan mengirimkan beacon frames nya. Pada protokol IEEE 802.15.4 ini durasi antara suatu beacon dengan beacon berikutnya disebut Beacon Interval atau BI. BI ditentukan oleh paramater macBeaconOrder atau BO. Nilai BO dan BI mempunyai hubungan sebagai berikut: untuk 0 _{≤ BO ≤ 14, BI =}

aBaseSuperframeDuration * 2BO. Jika BO = 15, koordinator tidak akan mengirimkan beacon frame kecuali jika diminta untuk melakukannya seperti ketika diterima suatu perintah permintaan beacon . Nilai macSuperframeOrder akan diabaikan jika BO = 15 [9].

MAC PIB merupakan atribut macBeaconOrder yang menggambarkan panjang dari bagian aktif dari superframe, yang mencakup beacon frame. Nilai

macSuperframeOrder atau SO dan Superframe Duration atau SD terkait sebagai

berikut: untuk 0 _{≤ SO ≤ BO ≤ 14, SD = aBaseSuperframeDuration * 2}SO. Jika SO = 15, superframe tidak akan tetap aktif setelah beacon . Jika BO = 15,

superframe tidak akan ada atau nilai macSuperframeOrder akan diabaikan dan macRxOnWhenIdle harus menetapkan apakah penerima diaktifkan selama masa transceiver tidak aktif [9].

Bagian aktif dari setiap superframe dibagi dalam aNumSuperframeSlots

slot jarak yang sama dari durasi 2SO * aBaseSlotDuration dan terdiri dari tiga bagian: sebuah beacon , sebuah CAP dan sebuah CFP. Beacon harus dikirim tanpa menggunakan CSMA pada awal slot 0 dan CAP akan dimulai segera setelah

beacon . Awal slot 0 didefinisikan sebagai titik di mana simbol pertama dari

PPDU beacon ditransmisikan. CFP itu, jika ada mengikuti segera setelah CAP dan dan memanjang ke akhir dari bagian aktif dari superframe tersebut. Setiap GTS harus dialokasikan terletak di dalam CFP tersebut [9].

Sub lapisan MAC harus menjamin bahwa integritas waktu superframe dipertahankan, misalnya kompensasi untuk kesalahan karena penyimpang clock. PAN yang ingin menggunakan struktur superframe disebut sebagai PAN beacon

-enabled harus menetapkan macBeaconOrder untuk nilai antara 0 dan 14 atau pada

kedua nilai dan macSuperframeOrder untuk nilai antara 0 dan nilai

macBeaconOrder atau pada kedua nilai [9].

PAN yang tidak ingin menggunakan struktur superframe disebut sebagai PAN nonbeacon-enabled harus menetapkan keduanya, macBeaconOrder dan

macSuperframeOrder menjadi 15. Dalam PAN nonbeacon-enabled suatu

koordinator tidak akan mengirimkan beacon kecuali setelah menerima perintah permintaan beacon; semua transmisi dengan pengecualian acknowledgment

frames dan frame data yang cepat mengikuti acknowledgment perintah permintaan

data, akan menggunakan mekanisme CSMA-CA unslotted untuk mengakses saluran dan GTS tidak diperkenankan [9].

Gambar 2.8. Contoh Struktur Superframe [9].

Sebuah contoh dari struktur superframe ditunjukkan pada Gambar 2.8. Dalam superframe ini Beacon Interval atau BI dua kali Superframe Duration atau SD aktif, dan CFP yang mengandung dua GTS [9].

2.9.1.1. _{Contention Access Period (CAP)}

CAP akan dimulai segera setelah beacon dan lengkap sebelum awal CFP pada batas slot superframe. Jika CFP panjangnya sama dengan nol, CAP harus menyelesaikan pada akhir dari bagian aktif dari superframe tersebut. CAP harus

22

paling sedikit aMinCAPLength, kecuali ruang tambahan diperlukan untuk sementara mengakomodasi peningkatan panjang frame beacon diperlukan untuk melakukan memelihara GTS dan akan menyusut atau tumbuh secara dinamis untuk mengakomodasi ukuran CFP. Semua frame kecuali frame acknowledgment dan satu atau beberapa frame data yang cepat mengikuti acknowledgment perintah permintaan data, dikirimkan dalam CAP harus menggunakan mekanisme CSMA-CA slotted untuk mengakses saluran. Sebuah perangkat transmisi dalam CSMA-CAP harus memastikan bahwa transaksinya selesai termasuk penerimaan beberapa

acknowledgment satu periode IFS sebelum akhir CAP. Jika hal ini tidak mungkin,

perangkat akan menunda transmisinya hingga CAP dari superframe berikutnya.

Frame-frame perintah MAC harus selalu ditransmisikan dalam CAP [9].

2.9.1.2. _{Contention-Free Period (CFP)}

CFP akan dimulai pada batas slot segera setelah CAP dan itu akan selesai sebelum akhir dari bagian aktif dari superframe tersebut. Jika ada GTS telah dialokasikan oleh koordinator PAN, GTS tersebut akan terletak di dalam CFP dan menempati slot berdekatan. Karena itu CFP akan tumbuh atau menyusut tergantung pada panjang total semua gabungan GTS. Tidak adanya transmisi dalam CFP menyebabkan harus menggunakan mekanisme CSMA-CA untuk mengakses saluran. Sebuah perangkat transmisi di CFP harus memastikan bahwa transmisinya selesai satu periode IFS sebelum akhir GTS nya [9].

2.10. Model Transfer Data

Terdapat tiga jenis transaksi transfer data pada protokol IEEE 802.15.4 yaitu:

1. Transfer data dari perangkat ke koordinator. 2. Transfer data dari koordinator ke perangkat.

3. Transfer data antara dua perangkat yang sebaya (peer).

Dalam topologi bintang hanya dua dari transaksi tersebut digunakan karena data dapat dipertukarkan hanya antara koordinator dan perangkat. Ketiga transaksi dapat digunakan pada topologi peer-to-peer [9].

Mekanisme untuk setiap jenis transfer tergantung pada apakah jaringan mendukung transmisi beacon . Sebuah PAN beacon enabled digunakan dalam jaringan yang baik memerlukan sinkronisasi atau dukungan untuk perangkat

lowlatency, seperti peripheral PC. Jika jaringan tidak perlu sinkronisasi atau

dukungan untuk perangkat lowlatency, dapat memilih untuk tidak menggunakan

beacon untuk transfer normal. Namun, beacon tersebut masih diperlukan untuk

penemuan jaringan [9].

2.10.1. Transfer Data ke Koordinator

Pada mode PAN beacon enabled bila sebuah perangkat ingin mentransfer data ke koordinator maka langkah pertama perangkat ini mendengarkan beacon jaringan, bila beacon ada selanjutnya perangkat mensinkronisasikan dengan struktur superframe. Pada waktu yang tepat, perangkat mengirimkan frame data ke koordinator menggunakan slotted CSMA-CA. Koordinator dapat mengakui penerimaan data sukses dengan transmisi acknowledgment frame secara opsional [9]. Urutan ini digambarkan dalam Gambar 2.9.

24

Gambar 2.10. Komunikasi ke Koordinator dalam PAN Nonbeacon Enabled [9] Pada mode PAN nonbeacon enabled bila sebuah perangkat ingin mentransfer data ke koordinator maka yang dikirim hanya frame data menggunakan unslotted CSMA-CA. Koordinator mengakui penerimaan data sukses dengan transmisi

acknowledgment frame secara opsional [9]. Urutan ini digambarkan dalam

Gambar 2.10.

2.10.2. Transfer Data Dari Koordinator

Pada mode PAN beacon enabled bila koordinator akan mentransfer data ke perangkat, hal ini ditunjukkan dalam beacon jaringan bahwa ada pesan data tertunda. Perangkat secara berkala mendengarkan beacon jaringan dan bila ada pesan tertunda maka perangkat mengirimkan perintah MAC meminta data, menggunakan slotted CSMA-CA. Koordinator mengakui penerimaan permintaan data sukses dengan mengirimkan acknowledgment frame. Frame data tertunda kemudian dikirim menggunakan slotted CSMA-CA segera mungkin setelah

acknowledgment bila memungkinkan. Perangkat dapat mengakui penerimaan

data sukses dengan transmisi acknowledgment frame opsional. Pada langkah ini transaksi telah lengkap. Setelah berhasil menyelesaikan transaksi data, pesan akan dihapus dari daftar pesan yang tertunda dalam beacon [9]. Urutan langkah-langkah tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.11.

Gambar 2.11. Komunikasi dari Koordinator dalam PAN Beacon Enabled [9] Pada mode PAN nonbeacon enabled bila koordinator akan mentransfer data ke perangkat, koordinator akan menyimpan data untuk perangkat yang sesuai untuk membuat kontak dan meminta data. Perangkat dapat melakukan kontak dengan mengirimkan perintah MAC untuk meminta data ke koordinatornya pada tingkat aplikasi yang ditentukan, menggunakan unslotted CSMA-CA. Koordinator mengakui penerimaan permintaan data sukses dengan mengirimkan

acknowledgment frame. Jika frame data ditunda, koordinator mentransmisikan frame data ke perangkat menggunakan unslotted CSMA-CA. Jika frame data

tidak tertunda, koordinator menunjukkan fakta ini baik dalam acknowledgment

frame menyusul permintaan data atau dalam frame data dengan sebuah muatan zero-length. Jika diminta, perangkat mengakui penerimaan frame data sukses

dengan mengirimkan acknowledgment frame [9]. Urutan tersebut diperlihatkan pada Gambar 2.12.

26

Gambar 2.12. Komunikasi dari Koordinator dalam PAN Nonbeacon Enabled [9]

2.11. _{Struktur Frame}

Struktur frame telah dirancang untuk menjaga kompleksitasnya minimum di sisi lain struktur tersebut cukup kuat untuk transmisi pada saluran yang trafiknya tinggi. Setiap lapisan protokol berturut-turut menambah struktur dengan lapisan khusus header dan footer. Standar IEEE 802.15.4 mendefinisikan empat struktur frame [9]:

- Sebuah frame beacon yang digunakan oleh koordinator untuk mengirimkan beacon .

- Sebuah frame data yang digunakan untuk semua transfer data.

- Sebuah frame acknowledgment yang digunakan untuk mengkonfirmasikan bahwa penerimaan frame sukses.

- Sebuah frame perintah MAC yang digunakan untuk menangani semua transfer MAC kontrol entitas peer.

2.11.1. _{Frame Beacon}

Struktur frame beacon berasal dari dalam sub lapisan MAC seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.13. Beacon dikirimkan oleh koordinator dalam jaringan PAN mode beacon enabled. Muatan MAC berisi spesifikasi superframe,

field GTS, field alamat tertunda, dan muatan beacon. Muatan MAC diawali

dengan MAC Header (MHR) dan diakhiri dengan MAC Footer (MFR). MHR ini berisi frame MAC field kontrol, Beacon Sequence Number (BSN), field pengalamatan dan secara opsional header keamanan tambahan. MFR berisi 16-bit

Frame Check Sequence (FCS). MHR, muatan MAC, dan MFR bersama-sama

membentuk frame beacon MAC yang merupakan MAC Protocol Data Unit (MPDU) [9].

Gambar 2.13. Tampilan Skema Beacon Frame dan Paket PHY [9]

Frame beacon MAC dilewatkan ke PHY sebagai PHY Service Data Unit

(PSDU) yang merupakan muatan PHY. Muatan PHY tersebut diawali dengan sebuah Synchronization Header (SHR) yang berisi field Preamble Sequence dan

field Start-of-Frame Delimiter (SFD) dan sebuah PHY Header (PHR) yang berisi

panjang dari muatan PHY dalam oktet. Muatan SHR, PHR, dan PHY bersama-sama membentuk paket PHY yang merupakan PHY Protocol Data Unit (PPDU)[9].

2.11.2. _{Frame Data}

Muatan data dilewatkan ke sublayer MAC dan disebut sebagai MAC

Service Data Unit (MSDU). Muatan MAC diawali dengan sebuah MHR dan

diakhiri dengan sebuah MFR. MHR ini berisi field kontrol Frame, Data Sequence

Number (DSN), field pengalamatan, dan secara opsional header keamanan

tambahan. MFR ini terdiri dari 16-bit Frame Check Sequence (FCS). MHR, muatan MAC, dan MFR bersama-sama membentuk MAC frame data yang merupakan MPDU [9].

MPDU akan diteruskan ke PHY sebagai PSDU, yang menjadi muatan PHY seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.14. Muatan PHY tersebut diawali dengan SHR, yang berisi urutan pembukaan dan field SFD dan PHR berisi

28

panjang dari muatan PHY dalam oktet. Urutan pembukaan dan data SFD mengaktifkan penerima untuk mencapai sinkronisasi simbol. Muatan SHR, PHR, dan PHY bersama-sama membentuk paket PHY yang merupakan PPDU [9].

Gambar 2.14.. Tampilan Skema Frame Data dan paket PHY [9]

2.11.3. _{Frame Acknowledgment}

Gambar 2.15. Tampilan Skema Frame Acknowledgment dan paket PHY [9] Struktur frame acknowledgment berasal dari dalam sublayer MAC. Frame

acknowledgment MAC ini dibangun dari sebuah MHR dan MFR dan tidak

memiliki muatan MAC seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.15. MHR ini berisi filed Kontrol Frame MAC dan DSN. MFR ini terdiri dari 16-bit FCS. MHR dan MFR bersama-sama membentuk frame acknowledgment MAC yang merupakan MPDU [9].

MPDU akan diteruskan ke PHY sebagai PSDU yang merupakan muatan PHY. Muatan PHY diawali dengan SHR, yang berisi urutan pembukaan dan field SFD, dan PHR berisi panjang dari muatan PHY dalam oktet. Muatan SHR, PHR, dan PHY bersama-sama membentuk paket PHY yang merupakan PPDU [9].

2.11.4. _{Frame Perintah MAC}

Struktur frame perintah MAC berasal dari dalam sublayer MAC seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 2.16. Muatan MAC berisi field jenis perintah dan muatan perintah. Muatan MAC diawali dengan sebuah MHR dan diakhiri dengan sebuah MFR. MHR ini berisi field kontrol frame MAC, DSN, field pengalamatan, dan secara opsional header keamanan tambahan. MFR ini berisi FCS 16 bit. MHR, muatan MAC, dan MFR bersama-sama membentuk frame perintah MAC yang merupakan MPDU [9].

MPDU tersebut kemudian diteruskan ke PHY sebagai PSDU yang merupakan muatan PHY. Muatan PHY diawali dengan SHR, yang berisi urutan pembukaan dan field SFD, dan PHR yang berisi panjang dari muatan PHY dalam oktet. Urutan pembukaan mengaktifkan penerima untuk mencapai sinkronisasi simbol. Muatan SHR, PHR, dan PHY bersama-sama membentuk paket PHY yang merupakan PPDU [9].

Gambar 2.16. Tampilan Skema Frame Perintah MAC dan paket PHY [9]

2.11.5. Hubungan Antara BO dengan Delay Maksimum dan Daya

Nilai BO berhubungan dengan delay maksimum dan laju kedatangan paket dari sensor seperti yang diperlihatkan pada persamaan berikut [4]:

(2.1)

Dimana: _{δ = delay maksimum.}

BI = Beacon Interval.

30

Rasio konsumsi daya rata-rata untuk konsumsi daya dalam mode menerima ditunjukkan pada parameter [4]:

(2.2)

Dimana: Pavg = Konsumsi daya rata-rata.

Prx = Konsumsi daya dengan mode menerima permanen.

Gambar 2.17. Grafik _{δ dan ξ Tergantung pada Nilai BO [4].}

Pada penelitian [4] diperoleh grafik Gambar 2.17 yang memperlihatkan tiga garis putus-putus yang menunjukkan_{δ tergantung pada BO. Meningkatkan} nilai Beacon Order menghasilkan penghematan energi untuk koordinator, hal ini wajar karena berkurangnya beacon yang perlu dikirim dan lebih lama jangka waktu antara fase aktif yang berarti menyebabkan lebih sedikit konsumsi energi tetapi delay menjadi besar, sehingga konsumsi energi dan delay berbanding terbalik.

3.1. Motivasi

Dalam penelitian jaringan komputer baik jaringan kabel (wired) maupun jaringan nirkabel (wireless) dapat dilakukan dengan perangkat lunak simulasi. Ada beberapa keuntungan dan kerugian bila menggunakan perangkat lunak simulasi. Keuntungan penggunaan perangkat lunak simulasi diantaranya adalah beresiko rendah, murah, pada saat perancangan dapat menemukan kelemahan di awal, lebih analitik dan dapat dengan mudah dilakukan untuk sistem yang detil. Kerugian penggunaan perangkat lunak simulasi diantaranya adalah tidak mewakili kondisi nyata, untuk sistem yang berskala besar dibutuhkan sumberdaya yang besar, kemungkinan proses yang lambat karena kemampuan komputasi yang tidak sesuai, sulitnya menentukan tingkat kompeksitas model yang tepat.

Ada beberapa perangkat lunak simulasi jaringan yang biasa digunakan dalam penelitian, misalnya: NS2, OMNeT++, Worldsens, TOSSIM, Cooja, OPNET, J-Sim, ShoX, TRMSim-WSN dan WSNsim [5]. Masing-masing perangkat lunak tersebut tentunya mempunyai kelebihan dan kekurangan yang harus menjadi pertimbangan dalam penelitian yang dilakukan.

Model jaringan nirkabel yang di teliti dalam tesis ini merupakan model yang sederhana, berskala kecil dan tidak komplek sehingga kerugian penggunaan perangkat lunak simulasi dapat dianggap tidak ada dan hampir semua keuntungan pada penggunaan perangkat lunak ini diperoleh. Pada penelitian ini digunakan metode simulasi dengan menggunakan perangkat lunak simulasi NS2. Beberapa acuan yang digunakan pada penelitian pendekatannya juga menggunakan simulasi NS2 meski versinya berbeda. Meskipun begitu diperlukan beberapa modifikasi

source code supaya dapat berjalan dengan versi perangkat lunak simulasi yang

digunakan pada penelitian ini, dan juga untuk dimodifikasi agar sesuai dengan kebutuhan penelitian ini.

32

3.2. Arsitektur NS2

NS2 ditulis dalam bahasa pemrograman C++ dengan Object Tool Common

Language (OTCL) sebagai front-end interpreter. Hirarki sebuah kelas yang

didukung dalam C++ berupa hirarki yang terkompilasi dan hirarki interpreter untuk OTCL. Ada obyek yang benar-benar diimplementasikan dalam C++ atau OTCL tetapi ada juga yang dapat diimplementasikan dalam kedua bahasa. Untuk obyek yang diimplementasikan dalam kedua bahasa, ada hubungan yang sesuai antara kedua hirarki [10]. Arsitektur NS2 ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Arsitektur NS2 [10].

3.3. Lingkungan Simulasi

Pada tesis ini digunakan perangkat lunak NS2.34 All In One dalam Sistem Operasi Linux Ubuntu 10.10 sebagai sarana penelitian. Pada dasarnya, skenario diimplementasikan dengan script yang ditulis dalam TCL yang terdiri dari perintah dan parameter untuk inisialisasi, pembuatan node dan konfigurasi simulator. Ada tiga input ke simulator yaitu berkas pola gerakan; berkas pola komunikasi dan berkas konfigurasi. Berkas pola gerakan menggambarkan semua gerakan node, sedangkan berkas pola komunikasi menggambarkan beban kerja paket disajikan pada lapisan jaringan selama simulasi. Kedua berkas pada dasarnya merupakan gambaran dari skenario simulasi [10].

3.4. Skenario Kerja NS2.

Hasil dari simulasi berupa dua berkas yang terpisah yaitu sebuah berkas jejak keluaran (*.tr) dan berkas jejak NAM (*.nam). Berkas jejak (trace file) akan berisi informasi tentang berbagai peristiwa yang telah terjadi, rincian perilaku node, transmisi dan penerimaan paket, lapisan komunikasi, packet drop dan lain-lainya. Analisis dari paket ini dapat menentukan efek kinerja dari variasi parameter, protokol routing dan dilakukan dengan menggunakan perintah awk,

script perl atau program analisis yang tersedia. Berkas NAM berisi informasi

tentang topologi seperti jejak gerakan node dan peristiwa [10]. Prosedur untuk menjalankan skenario ditunjukkan pada Gambar 3.2.

34

3.5. Hasil Penelitian Pada Topologi Bintang

Sebelum penelitian ini sudah pernah ada penelitian pada protokol IEEE 802.15.4 untuk topologi bintang [11]. Penelitian tersebut melibatkan 15 node dengan nilai Beacon Order dan Superframe Order yang tetap, untuk BO = 3 dan SO = 3 dengan frekuensi operasi 868 MHz.

Dari penelitian pada topologi bintang tersebut diperoleh hasil untuk kondisi operasi ideal pada Tabel 3.1, hasil untuk kinerja throughput pada rentang

datarate 0,1 – 3,0 pkts/sec seperti yang diperlihatkan pada grafik Gambar 3.3,

hasil untuk analisis delay pada rentang datarate 0,1 – 3,0 pkts/sec pada grafik Gambar 3.4, hasil untuk kinerja delivery ratio pada rentang datarate 0,1 – 3,0

pkts/sec pada grafik Gambar 3.5 dan hasil untuk penggunaan energi dengan

tingkat keyakinan yang lebih baik pada rentang datarate 0,1 – 3,0 pkts/sec pada grafik Gambar 3.6.

Tabel 3.1. Kondisi Operasi Ideal [11].