Perancangan Mekanisme Buffering untuk Multi-QoS pada MAC Layer WiMAX

1 | P a g e

Perancangan Mekanisme Buffering untuk Multi-QoS pada MAC Layer WiMAX

Rahmat Mulyawan

Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Insitut Teknologi Bandung Labtek VIII Jl. Ganesha 10, Bandung, Indonesia 40132

Abstrak – Standar IEEE 802.16 untuk Wireless Metropolitan Area Network, atau yang dikenal dengan WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) adalah teknologi komunikasi pita lebar yang memiliki keunggulan seperti akses data berkecepatan tinggi, covering area yang luas, rentang frekuensi yang lebar, dan mendukung beberapa jenis QoS (Quality of Service). Namun dalam standar IEEE 802.16 tidak didefinisikan mekanisme buffering dan scheduling untuk Medium Access Control (MAC) Layer yang merupakan faktor penentu dari kinerja sistem WiMAX. Pada penelitian ini dirancang mekanisme buffering pada MAC WiMAX untuk koneksi pada Base Station dengan arah downlink.

Mekanisme buffering ini akan diwujudkan dalam bentuk software yang disebut Queue Generator. Tugas Queue Generator adalah menciptakan struktur data berbentuk queue untuk menampung data yang masuk ke MAC Layer sebelum diproses oleh Scheduler. Perancangan Queue Generator meliputi penentuan spesifikasi, implementasi kode, dan pengujian. Queue Generator yang dibuat dalam penelitian ini mendukung empat macam QoS, yaitu Unsolicited Grant of Service (UGS), Real Time Polling Service (rtPS), Non Real Time Polling Service (nrtPS), dan Best Effort Service (BE), sesuai spesifikasi pada standar IEEE 802.16-2004.

Pengujian dari Queue Generator didasarkan pada simulasi prototipe layer MAC WiMAX yang telah dibuat oleh tim MAC WiMAX. Untuk mengevaluasi performansi dari arsitektur yang telah dibuat, dilakukan berbagai pengujian untuk koneksi berarah downlink. Hasil simulasi menunjukkan bahwa performansi dari arsitektur yang dirancang telah memenuhi persyaratan standar IEEE 802.16 baik pada aspek fungsionalitas maupun realibilitas untuk berbagai skenario yang berbeda.

Kata Kunci: WiMAX, MAC Layer, Mekanisme Buffering, QoS

I. PENDAHULUAN

WiMAX adalah antarmuka udara untuk sistem Broadband Wireless Access (BWA) yang dikembangkan dari standar Wireless Metropolitan Area Network (WirelessMAN). Standar ini dibuat dan dikembangkan oleh IEEE 802.16 Working Group. Namun beberapa hal terkait perancangan sistem seperti mekanisme buffering dan scheduling tidak dispesifikkan oleh standar sehingga bebas dikembangkan selama sesuai dengan karakteristik dasar sistem WiMAX itu sendiri. Hal ini memberikan peluang bagi para developer untuk mengembangkan sendiri mekanisme yang paling efektif dalam hal-hal yang tidak dispesifikkan oleh standar tersebut, untuk memberikan keunggulan pada produk-produk yang mereka hasilkan.

Tujuan dari penelitian tugas akhir ini adalah merancang mekanisme buffering untuk layer MAC WiMAX bagian Transmitter untuk Base Station. Mekanisme buffering ini nantinya akan terwujud dalam sebuah software yang selanjutnya akan disebut Queue Generator.

Software ini berfungsi menciptakan struktur data bagi paket yang datang (dari layer di atas layer MAC) sesuai karakteristik QoS aliran datanya masing- masing. Struktur data tersebut nantinya akan menjadi input bagi Scheduler.

Queue Generator dibuat dengan bahasa pemrograman C berdasarkan standar IEEE 802.16-2004 yang menjadi dasar pengembangan teknologi WiMAX dan dibuat tidak menyalahi standar tersebut.

Queue Generator dapat melakukan proses pembuatan node dan pemasukan data pada node dengan karakteristik buffer yang disesuaikan untuk empat macam QoS yang terdapat pada standar IEEE 802.16-2004.

II. DASAR TEORI MAC Layer pada WiMAX terdiri dari tiga sublayer [5]:

• Service-spesific Convergence Sublayer (MAC CS), bertugas melakukan proses klasifikasi terhadap paket data yang datang dan memetakannya pada Service Flow Identifier (SFID) dan Connection Identifier (CID) yang sesuai.

• Common Part Sublayer (MAC CPS), blok utama pada MAC Layer yang bertugas melakukan proses buffering, scheduling, dan encoding paket data atau SDU (Service Data Unit) hingga menjadi PDU (Paket Data Unit).

• Security Sublayer, bertugas melakukan pengamanan terhadap data yang dikirimkan dengan melakukan enkripsi. Sublayer ini tidak diimplementasikan dalam penelitian ini.

Gambar 1. MAC Layer WiMAX

SDU yang datang diklasifikasikan atas empat macam QoS [6]:

Unsolicited Grants of Service (UGS) - Karakteristik :

- Real-time. Panjang paket data fixed. Troughput dijamin.

- Penggunaan :

- VoIP tanpa silence suppresion

- Transmisi sinyal telepon TI/EI classical PCM

2 | P a g e

Real-Time Polling Service (rtPS) - Karakteristik :

- Real-time. Panjang paket data variatif. Berdasarkan time interupt. Menjamin throughput dan latency.

- Paket data yang terlambat akan dibuang begitu saja.

- Penggunaan :

- Video Streaming

Non Real-Time Polling Service (nrtPS) - Karakteristik :

- Tidak real-time. Panjang paket data variatif. Delay-tolerant.

Menjamin throughput.

- Penggunaan :

- File Transfer Protocol (FTP), Email Best Effort (BE)

- Karakteristik :

- Tidak ada garansi delay ataupun troughput. Tidak membutuhkan minimum paket data yang dikirim karena layanan ini akan mengisi resource tersisa.

- Penggunaan : - HTTP, Telnet

Setelah masuk ke MAC Layer dan diklasifikasikan berdasarkan QoS-nya, SDU lalu ditampung dalam buffer sebelum diproses oleh Scheduler. Buffer ini dibuat oleh Queue Generator dan memiliki karakteristik yang berbeda-beda untuk setiap QoS.

Gambar 2. Queue Generator pada MAC WiMAX

Scheduler adalah salah satu blok dari MAC CPS Sublayer yang memiliki tanggung jawab untuk mengatur dan mengalokasikan data- data yang masuk ke dalam MAC Layer [1].

Gambar 3. Scheduler pada MAC WiMAX

Blok ini melakukan penjadwalan data-data berdasarkan Quality of Service dan resource yang telah disiapkan. Untuk menjamin kelancaran aliran data dibutuhkan algoritma Scheduler yang efektif dan efisien untuk melakukan scheduling yang optimal [2].

III. PERANCANGAN

Pada penelitian ini, spesifikasi Queue Generator dibatasi pada buffering paket-paket data secara downlink saja, sedangkan buffering untuk paket data arah uplink, Management Messages, dan ARQ tidak masuk dalam penelitian ini. Bahasa pemrograman yang digunakan adalah bahasa C karena bahasa ini memiliki kelebihan ketika dijalankan di hardware.

Metodologi perancangan Queue Generator adalah sebagai berikut:

Gambar 4. Flowchart Perancangan Queue Generator

Input Queue Generator adalah SDU dan parameter mengenai QoS Global Table. Sedangkat output Queue Generator adalah struktur data MAC Queue yang terdiri dari empat macam queue, yaitu UGS Queue, rtPS Queue, nrTPS Queue, dan BE Queue.

Gambar 5. Data Flow Diagram Queue Generator

3 | P a g e

Ketika menerima SDU, yang dilakukan Queue generator adalah mendapatkan informasi mengenai koneksi yang akan diproses dari MAC Management. Informasi ini meliputi CID, length, payload berupa MAC SDU, dan parameter-parameter lainnya. Dari informasi ini juga akan diketahui tipe QoS dari koneksi tersebut, yang sekaligus akan menentukan jenis queue yang akan dibuat untuk koneksi tersebut. Proses pembentukan queue diilustrasikan pada gambar berikut:

Gambar 6. Flowchart Pembentukan MAC Queue

Queue Generator akan membentuk MAC Queue untuk setiap jenis layanan. Queue ini dapat berbentuk simple linked list ataupun complex linked list [3],[4]. Pada gambar 7-9 ditunjukkan model masing-masing queue untuk setiap layanan.

Queue untuk layanan UGS berbentuk complex linked list dan tidak dapat dibuat dalam bentuk simple linked list karena algoritma dari simple linked list adalah FIFO (First In First Out), sedangkan Scheduler UGS menggunakan algoritma Fixed Bandwidth.

Queue untuk layanan rtPS dibuat dalam bentuk simple linked list karena node-node SDU yang datang harus diurutkan berdasarkan parameter deadline.

Queue untuk layanan nrtPS berbentuk complex linked list dan tidak dapat dibuat dalam bentuk simple linked list karena algoritma Scheduler nrtPS memperhitungkan bobot atau prioritas dari setiap koneksi, sehingga setiap koneksi harus memiliki linked list sendiri.

Queue untuk layanan BE dapat dibuat dalam bentuk complex linked list maupun simple linked list. Jenis complex linked list memiliki karakteristik semakin banyak koneksi yang dilayani maka memori yang digunakannya akan semakin efektif, begitu pula sebaliknya.

Karena itu simple linked list juga dapat digunakan pada queue BE, namun lebih cocok untuk menangani jumlah koneksi yang sedikit.

CID a CID f CID c CID b

First First First First

Last

Last

Last Last

Gambar 6. Model Queue UGS dan BE

Gambar 7. Model Queue rtPS

Gambar 8. Model Queue nrtPS

4 | P a g e

Setelah Queue Generator selesai dirancang, selanjutnya Queue Generator ini diintegrasikan dengan Scheduler dan dengan MAC Layer keseluruhan.

 

Gambar 9. Integrasi Queue Generator pada MAC Layer

IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS

Pengujian dilakukan dengan membuat program sederhana untuk menguji fungsionalitas Queue Generator untuk setiap jenis queue.

Caranya Queue Generator dipanggil dengan memberikan input dummy, kemudian dilihat apakah pada bagian outputnya berhasil terbentuk struktur data sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukan. Pengujian ini juga sekaligus menguji kompatibilitas queue yang dihasilkan dengan algoritma yang digunakan Scheduler.

Input SDU dummy yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Input Queue UGS menggunakan input data berupa text file.

2. Input Queue rtPS menggunakan input data yang masuk ke dalam queue pada setiap interval waktu (asumsi 2,5 ms).

3. Input Queue nrtPS menggunakan input data berupa text file.

4. Input Queue BE menggunakan input data berupa text file.

Untuk memudahkan analisis, kondisi buffer setelah di-schedule untuk setiap frame direkam dalam bentuk CSV oleh Log Function (lihat Gambar 9) dan dibuat grafiknya. Analisis akan didasarkan pada kompatibilitas queue yang telah diciptakan dengan algoritma scheduling masing-masing QoS.

Gambar 9. Log Pengujian UGS

Gambar 10. Log Pengujian rtPS

Gambar 11. Log Pengujian nrtPS

Gambar 12. Log Pengujian BE

Analisi dari hasil pengujian di atas adalah sebagai berikut:

Koneksi UGS

• Koneksi UGS 1, 2, dan 3 memperlihatkan data yang konstan, karena merupakan layanan yang pertama di-schedule sehingga memiliki alokasi resource yang cukup banyak (Algoritma Fixed bandwidth bekerja).

• Koneksi UGS 3 memiliki nilai Maximum Sustained Rate yang paling tinggi karena menjadi koneksi pertama yang selesai di- schedule.

5 | P a g e

Koneksi rtPS

• Pada pengujian rtPS ini koneksi rtPS 1 memiliki deadline yang lebih tinggi dari koneksi rtPS 2 (rtPS 1 memiliki grafik yang meningkat tajam, sedangkan pada saat yang bersamaan grafik koneksi rtPS 2 menurun tajam).

• Hal ini terjadi karena pada saat koneksi rtPS 1 di-schedule, koneksi rtPS 2 ditunda proses scheduling-nya sehingga tidak mendapat alokasi resource. Baru ketika koneksi rtPS 1 selesai di-schedule, koneksi rtPS 2 mendapat alokasi resource (Algoritma Earliest Deadline First bekerja).

Koneksi nrtPS

• Pada gambar terlihat adanya alokasi resource untuk koneksi nrtPS 1 di frame-frame awal, meskipun jumlahnya tidak banyak. Hal ini terjadi karena koneksi nrtPS 1 mendapatkan sisa alokasi resource dari UGS dan rtPS.

• Sebagai layanan yang tingkat prioritasnya lebih rendah dari UGS dan rtPS, koneksi nrtPS baru mendapatkan alokasi resource lagi ketika kedua QoS tersebut sudah selesai di- schedule. Hal ini terlihat dari koneksi nrtPS 2 dan 3 yang baru di-schedule beberapa saat setelah koneksi nrtPS 1.

• Karena parameter credit yang menyatakan bobot pada koneksi nrtPS 1 terlihat lebih besar dari koneksi nrtPS 2 dan 3 (Algoritma Weighted Round Robin bekerja).

Koneksi BE

• Pada pengujian BE, terlihat pola yang cenderung mirip dengan nrtPS, hal ini dikarenakan prioritas scheduling dari layanan BE adalah yang paling rendah, sehingga koneksi BE kehabisan alokasi resource di frame-frame awal.

• Koneksi BE baru dapat menggunakan resource setelah semua koneksi dengan layanan yang lain telah di-schedule. Namun misalkan layanan lain tidak menggunakan resource sedikitpun, alokasi resource untuk koneksi BE tetap dibatasi oleh parameter Maximum Sustained Traffic Rate, sehingga jumlah yang dapat di-schedule untuk 1 frame tidak terlalu banyak.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Dari penelitian yang telah dilakukan penulis dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut:

• Queue Generator berhasil membentuk struktur data MAC Queue yang berisi buffer untuk setiap jenis QoS dari koneksi yang masuk ke MAC Layer.

• Karakteristik dari queue yang dibentuk sudah sesuai dengan spesifikasi QoS yang telah ditentukan sebelumnya, yakni pembagian buffer per koneksi untuk UGS dan BE, urutan buffer sesuai deadline untuk rtPS, serta adanya pembobotan koneksi untuk nrtPS.

• Queue yang dihasilkan kompatibel dengan algoritma scheduling yang digunakan Scheduler untuk masing-masing QoS. Terbukti dari hasil pengujian bahwa karakteristik trafik menggambarkan algoritma scheduling pada masing-masing QoS sudah bekerja

Saran

Hasil penelitian yang telah dicapai penulis masih jauh dari sempurna, karena itu penulis memberikan beberapa rekomendasi berikut untuk diteliti lebih lanjut:

• Perancangan queue untuk koneksi pada jalur uplink. Queue ini akan menampung SDU berisi permintaan alokasi bandwidth.

Koneksi dengan layanan UGS tidak memiliki koneksi ini.

• Perancangan buffer untuk Subscriber Station (SS). SS memiliki karakteristik yang sedikit berbeda dengan Base Station (BS) dimana mekanisme yang berjalan di dalamnya lebih sederhana.

SS membutuhkan queue untuk proses scheduling dalam melakukan permintaan alokasi bandwidth.

• Perancangan queue untuk koneksi dengan Automatic Repeat Request (ARQ). Koneksi dengan ARQ membutuhkan buffer tambahan untuk menampung data yang akan di-retransmit jika gagal dikirim. Selain itu proses penanganan queue oleh scheduler juga akan berbeda karena koneksi ARQ akan memiliki prioritas yang berbeda dengan koneksi lainnya.

D^AFTAR P^USTAKA

[1] Andrews, Ghosh, Muhamed. 2007. Fundamentals of WiMAX : Understanding Broadband Wireless Networking. USA: Prentice Hill.

[2] Chen, Jiao, Wang. 2005. A Service Flow Management Strategy for IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Systems in TDD Mode.

USA: IEEE.

[3] Deitel, H.M., P. J. Deitel. 2004. C : How to Program 4^th edition.

USA: Prentice-Hall.

[4] Deshpande, P.S., O.G. Kakde. 2004. C & Data Structures. USA:

Charles River.

[5] IEEE 802.16 Working Group on Broadband Wireless Access.

2004. IEEE Standards 802.16-2004. Part 16: Air Interface for Fixe Broadband Wireless Access Systems. USA: IEEE.

[6] Nuaymi, Loutfi. 2007. Technology for Broadband Wireless Access. England: Wiley.

[7] Wongthavarawat, Kitti, Aura Ganz. 2003. Packet Scheduling for QoS Support in IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Systems.

International Journal of Communication Systems, Vol 16: 81–96.