BAB II TINJAUAN PUSTAKA

5 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Wireless Sensor Network (WSN)

Wireless Sensor Network (WSN) dapat didefinisikan sebagai jaringan dari beberapa perangkat yang dinotasikan sebagai node yang dapat merasakan lingkungan dan mengkomunikasikan informasi yang dikumpulkannya dari bidang yang dimonitor (misalnya suatu area atau volume) melalui jaringan nirkabel. Node ini dapat bersifat statis ataupun bergerak dan dapat berupa node yang homogen atau tidak (Buratti, 2009).

Wireless Sensor Network termasuk ke dalam Low-rate Wireless Personal Area Networks karena bit-rate rendah dan tidak memerlukan jarak komunikasi yang jauh. Node sensor sebagai pembangun komunikasi/transceiver sebagai media pengiriman data dan manajemen daya untuk menjamin keseluruhan sistem dapat berjalan dengan optimal. Sistem ini memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

a. Berdaya dan berbiaya rendah, dimensi kecil, dan jumlah node sensor yang banyak.

b. Rentang komunikasi pendek, bersifat broadcast, dan multi-hop routing.

c. Pengaturan jaringan mandiri (network self-organization dan maintenance) terhadap perubahan topologi jaringan.

Meskipun termasuk ke dalam kelas jaringan ad-hoc, tetapi wireless sensor network memiliki perbedaan yang tidak dimiliki jaringan ad-hoc biasa, antara lain:

a. Aktifitas penginderaan dengan jumlah node yang banyak.

b. Data-rate rendah.

c. Duty-cycle rendah.

d. Power yang terbatas.

e. Sensor node umumnya menggunakan paradigma komunikasi

broadcast.

6 Perkembangan dari WSN sebenarnya sudah dimulai dari kebutuhan dalam bidang militer seperti pemantauan pada saat perang, tetapi saat ini WSN sudah digunakan dalam bidang industri dan penggunaan untuk kemudahan masyarakat sipil, yakni melingkupi pengawasan dan pengontrolan proses dalam industri, mesin pengawasan kesehatan, pemantauan kondisi lingkungan, aplikasi untuk kesehatan, otomatisasi pada rumah, dan pengaturan lalu lintas (Jati, 2011).

Gambar 2.1 Wireless Sensor Network (Sumber: www.purelink.ca)

Dengan kemajuan pada mikro elektronik, perangkat sensor nirkabel telah dibuat jauh lebih kecil dan lebih terintegrasi, juga dalam jaringan sensor nirkabel skala besar. Skala besar utamanya berarti daerah dengan luas atau kepadatan jaringan yang tinggi. Dalam WSN skala besar, paket dari node sumber ditransmisikan melalui relay multi-hop untuk mencapai node tujuan. Jumlah hop dari node tujuan bergantung pada jumlah hop node sumber dan didefinisikan sebagai jumlah multi-hop terkecil/paling sedikit yang diperlukan untuk mengirim satu paket dari sumber ke tujuan (Ma, 2010).

2.2 Personal Area Network (PAN)

Personal Area Network (PAN) adalah jaringan komunikasi suatu

perangkat dengan perangkat lainnya dalam jarak sangat dekat, yaitu hanya dalam

beberapa meter saja. Saat ini PAN merujuk secara eksklusif untuk komunikasi

7 nirkabel, baik radio ataupun optik. Dalam hal jarak, PAN dianggap memiliki rentang jarak 10 meter (~ 33 kaki) untuk hardware PAN secara khusus.

2.3 IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 adalah spesifikasi dari lapisan fisik (physical layer) dan lapisan media access control (MAC layer) untuk low-rate wireless personal area network (LR-WPAN) yang menekankan pada aplikasi sederhana dan rendah biaya. Perangkat pada jaringan ini memiliki kemampuan komunikasi data rate rendah dan daya terbatas, tetapi diharapkan beroperasi dalam jangka waktu lama sehingga hemat energi. Gambar 2.2 menunjukkan posisi IEEE 802.15.4 sebagai standar LR-WPAN dalam kelompok standar nirkabel LAN/MAN IEEE 802.

Gambar 2.2 Keluarga Standar LAN/MAN IEEE 802 (Sumber: www.eetasia.com)

IEEE 802.15.4 memiliki dua topologi dasar, yaitu star dan peer-to-peer.

Perangkat pada LR-WPAN terdiri dari full function device (FFD) dan reduced

function device (RFD). Sebuah device dirancang sebagai PAN coordinator yang

bertanggungjawab memelihara jaringan dan mengelola perangkat lain. Sebuah

FFD memiliki kemampuan menjadi PAN coordinator atau berasosiasi dengan

PAN coordinator yang sudah ada. Dan sebuah RFD hanya dapat mengirim atau

8 menerima data dari PAN coordinator yang telah berasosiasi dengannya. Tiap perangkat pada IEEE 802.15.4 memiliki alamat unik sepanjang 64 bit. Setelah berasosiasi dengan coordinator, perangkat akan diberi alamat dalam 16 bit pendek. Yang kemudian alamat 16 bit pendek ini digunakan dalam pertukaran data.

Standar 802.15.4 memberi spesifikasi sensitivitas minimum receiver adalah -85 dBm untuk 2.4 GHz dan –92 dBm untuk frekuensi 900 MHz. dalam tabel 2.1 ditunjukkan beberapa parameter PHY dari standart IEEE 802.15.4

Tabel 2.1 Parameter PHY 802.15.4 (www.rfdesign.com)

Parameter 2.4 GHz 868/915 MHz

Sensitivity @ 1 % PER -85 dBM -92 dBm

Receiver Maximum Input

Level -20 dBm

Adjacet Channel Rejection 0 dBm

Alternate Channel Rejection 30 dBm

Output Power (Lowest

Maximum) -3 dBm

Transmit Modulation

Accuracy EVM < 35 % untuk 1000 chips

Number of Channel 16 1/10

Channel Spacing Single channel / 2 MHz

Transmission Rates Data Rate

Symbol Rate Chip Rate

250kb/s 62.5 ksymbol/s

2 Mchip/s

20/40 kb/s 20/40 ksymbol/s 300/600 kchips/s Chip Modulation O-QPSK with half-sine pulse

shaping (MSK)

BPSK with raised cosine pulse shaping Rx –Tx and Tx-Rx

turnaround time 12 symbols

2.4 Zigbee

Zigbee adalah standar protokol komunikasi untuk data rate rendah dan jaringan nirkabel jarak pendek. Zigbee nirkabel bekerja pada frekuensi 868 MHz, 915 MHz, dan 2,4 GHz. Data rate maksimal adalah 250 Kbps.

Zigbee ditujukan terutama untuk aplikasi baterai yang bertenaga di

mana data rate rendah, biaya rendah, dan baterai yang tahan lama. Dalam banyak

aplikasi zigbee, total waktu perangkat nirkabel yang terlibat dalam setiap jenis

9 aktivitas sangat terbatas. Perangkat menghabiskan sebagian besar waktu dalam mode power-saving, juga dikenal sebagai modus tidur (sleep mode).

Akibatnya, zigbee memungkinkan perangkat untuk mampu beroperasi selama beberapa tahun sebelum baterai mereka perlu diganti. Zigbee dikembangkan oleh ZigBee Alliance untuk personal area network (PAN). ZigBee Alliance adalah konsorsium yang mempromosikan standar zigbee untuk sensor nirkabel low- rate/low-power dan jaringan kontrol. Zigbee stack protokol dibangun di atas standar IEEE 802.15.4 yang mendefinisikan Media Access Control (MAC) dan lapisan fisik (physical layer) untuk low rate–wireless personal area network (LR- WPAN). Standar zigbee menawarkan profil stack yang mendefinisikan jaringan, keamanan, dan lapisan aplikasi.

Gambar 2.3 Protokol Stack Zigbee (Sumber: www.eetasia.com)

Standar zigbee membantu mengurangi biaya pelaksanaan dengan

menyederhanakan protokol komunikasi dan mengurangi data rate. Persyaratan

minimum untuk memenuhi IEEE 802.15.4 dan spesifikasi zigbee relatif

mudah dibandingkan dengan standar lainnya seperti IEEE 802.11 karena

mengurangi kompleksitas dan biaya pelaksanaan. Dalam tabel 2.2 ditunjukkan

perbandingan zigbee dan teknologi wireless lain (Faharani 2008).

10

Tabel 2.2 Perbandingan Zigbee dan Teknologi Wireless Lain (Sumber: www.digi.com)

Zigbee

(802.15.4)

GSM/GPRS

CDMA 802.11 Bluetooth

Focus Application Monitoring dan Kontrol

Wide Area Voice dan Data

High-Speed Internet

Device Connectivity

Battery Life Years 1 Week 1 Week 1 Week

Bandwidth 250 Kbps Up to 2 Mbps Up to 54

Mbps 720 Kbps

Typical Range 100+ meters Several Kilometers 50-100

Meters 10-100 Meters

Advantages Low power, cost Existing Infrastructure

Speed,

Ubiquity Convenience

Tabel 2.3 Spesifikasi Umum Zigbee (Sumber: http://www.sfu.ca/~mingl/) Zigbee 802.15.4

Jarak Transmisi (meter) 1 – 100 Konsumsi Baterai (hari) 100 – 1000 Network size (of nodes) >64000 Throughput (kb/s) 20 – 250

2.5 Aplikasi Zigbee

Teknologi zigbee cocok untuk berbagai aplikasi otomatisasi bangunan, industri, medis, dan kontrol residensiil serta aplikasi monitoring. Pada dasarnya aplikasi yang membutuhkan interoperabilitas atau karakteristik kinerja RF dari standar IEEE 802.15.4 dapat memanfaatkan solusi zigbee.

Gambar 2.4 Aplikasi Zigbee

11 Zigbee Alliance mengembangkan beberapa profil aplikasi, diantaranya:

a.

Smart energy: zigbee dapat digunakan untuk membaca meter listrik, gas, dan air secara cepat. Jaringan zigbee smart energy memungkinkan komunikasi nirkabel antara advanced metering infrastructure (AMI) dan jaringan home- area, yaitu jaringan smart energy akan menghubungkan peralatan rumah dengan perusahaan listrik untuk meningkatkan efisiensi energi dan mengelola permintaan puncak.

b.

Commercial building automation: pada bangunan komersial, zigbee dapat menjadi alat yang tak terpisahkan dalam pemeliharaan bangunan. Zigbee nirkabel dapat digunakan untuk memantau operasi deteksi asap dan posisi pintu api. Misalkan bahwa sebuah bangunan bertingkat tinggi memiliki 50 lantai dengan masing masing lantai memiliki 50 kamar dan setiap kamar dilengkapi dengan detektor asap. Untuk alasan keamanan masing-masing detektor asap harus diuji setiap bulan. Zigbee memungkinkan sebuah central station untuk memantau deteksi asap jarak jauh. Sebuah perangkat zigbee juga dapat digunakan untuk menghidupkan dan mematikan lampu tanpa meggunakan kabel apapun.

c.

Home automation: zigbee home automation mendefinisikan perangkat yang digunakan untuk aplikasi perumahan dan komersial. Zigbee dapat digunakan untuk kontrol pencahayaan, pemanasan, pendinginan, dan mekanisme penguncian pintu jarak jauh. Disamping itu juga dapat memonitor detektor asap dan sistem keamanan rumah.

d.

Personal, home, and hospital care (PHHC): profil ini digunakan untuk memantau kesehatan pribadi pasien di rumah tanpa membatasi mobilitas pasien. Sebagai contoh, monitor tekanan darah dan detak jantung jarak jauh.

e.

Telecom applications: penambahan perangkat zigbee ke dalam ponsel atau

PDA menciptakan perangkat baru yang disebut zigbee mobile device. Sebuah

perangkat zigbee mobile device dapat digunakan untuk berkomunikasi

dengan perangkat zigbee lainnya. Pengguna perangkat zigbee mobile device

dapat mengirim dan menerima pesan dan berbagi nada dering, kontak

ataupun gambar. Lebih penting lagi, perangkat zigbee mobile bahkan dapat

12 berkomunikasi dengan perangkat zigbee yang menggunakan profil aplikasi yang berbeda.

f.

Remote control for consumer electronics (ZigBee RF4CE): saat ini sebagian besar kontroler menggunakan teknologi infrared (IR), yang memerlukan line of sight. Zigbee RF4CE adalah sebuah protokol yang menggunakan frekuensi radio (RF) untuk menggantikan teknologi IR sebagai pengendali jarak jauh alat elektronik.

g.

Industrial process monitoring and control: zigbee menawarkan solusi untuk sensor nirkabel dan kontrol. Sehingga zigbee dapat digunakan untuk memantau dan mengendalikan proses industri tanpa kabel. Sebagai contoh, dalam pelacakan persediaan, setiap peralatan dapat ditandai dengan sensor nirkabel dan kemudian dapat ditemukan dengan node zigbee. Proses ini disebut identifikasi frekuensi radio (RFID). Zigbee dapat memantau kondisi mesin dan kinerja operasi peralatan dalam industri. Zigbee dapat merekam dan mengirimkan informasi penting seperti suhu, tekanan, aliran, level tangki, kelembaban, dan getaran (Elahi, 2009).

Gambar 2.5 Contoh Aplikasi Zigbee Smart Energy (Sumber:

www.mitscomponent.com

)

13 2.6 Arsitektur Zigbee

Gambar 2.6 menunjukkan arsitektur zigbee yang ditetapkan oleh IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) dan Zigbee Alliance.

Gambar 2.6 Arsitektur Zigbee (Sumber : http://www.sfu.ca/~mingl/)

Arsitektur Zigbee terdiri dari 4 layer. Spesifikasi dari 2 layer teratas (Application

dan Network) ditetapkan oleh Zigbee Alliance untuk menetapkan standar

produksi. Sedangkan spesifikasi dari 2 layer terbawah (Medium Access Control

dan Physical) ditetapkan oleh standar IEEE 802.15.4-2006 untuk memastikan

keberadaan Zigbee tanpa interferensi dari protokol wireless lainnya, misalnya Wi-

Fi ( http://www.sfu.ca/~mingl/, 5 Februari 2011).

14

Gambar 2.7 Lapisan Zigbee

(Sumber: Zigbee Alliance)

2.6.1 Application Layer

Layer aplikasi diperlukan dalam network zigbee. Sebagai contoh, application untuk monitoring temperatur, kelembaban atau parameter kondisi udara lainnya yang memungkinkan pada layer ini. Layer ini merancang peralatan agar dapat digunakan. Sebuah node dapat digunakan lebih dari 1 application.

Application dapat digunakan pada rentang nomor 1 – 240, maksudnya dalam 1 peralatan zigbee mampu memberikan maksimum 240 application. Application number 0 merupakan application number yang unik disimpan pada semua peralatan zigbee. Nomor ini digunakan untuk menyebarkan sebuah pesan untuk semua application pada node (Faharani, 2008).

2.6.1.1 Zigbee Device Object (ZDO)

Application ini merupakan application spesial pada setiap peralatan

zigbee. Application ini menyediakan fungsi-fungsi yang mendefinisikan tipe dari

peralatan zigbee (end device, router dan coordinator) yang menerangkan sebuah

node, menginisialisasikan network, dan juga tentunya bagaimana terbentuknya

dalam sebuah network (Faharani, 2008).

15 2.6.2 Zigbee Network Layer

Pada jaringan zigbee, lapisan network menyediakan transmisi yang reliabel dan aman diantara perangkat. Perangkat zigbee diantaranya adalah zigbee coordinator, zigbee router, dan zigbee end device. Perbedaan tipe dari node akan memiliki perbedaan fungsi dalam network layer, tetapi semua tipe memiliki aplikasi yang sama (Leung, 2009).

Untuk setiap jaringan zigbee hanya terdiri dari sebuah coordinator. Node ini bertanggung jawab untuk menginisialisasikan jaringan, memilih channel yang tepat, dan mengijinkan peralatan lainnya untuk terkoneksi dengan jaringannya.

Node ini juga bertanggung jawab untuk trafik routing pada sebuah jaringan zigbee. Pada topologi star, coordinator berada di tengah-tengah dan semua trafik dari end device manapun harus melewati node ini. Hal ini memungkinkan untuk semua end device terkoneksi dengan end device lainnya, tetapi message harus di- route melalui coordinator. Pada topologi tree, coordinator berada diatas dan pada topologi mesh berada pada bagian bawah (root). Sebuah zigbee coordinator mengambil bagian dalam hal service keamanan.

Zigbee router memungkinkan untuk melewati message pada sebuah jaringan dan memungkinkannya terkoneksi dengan node-node kecil baik node itu berupa router lainnya atau sebuah end device. Fungsi router hanya digunakan pada topologi tree atau mesh karena pada topologi star semua trafik dihubungkan melalui center node (coordinator). Router dapat ditempatkan sebagai end device, tetapi fungsi routing akan tidak terlalu diperlukan pada kasus ini. Jika jaringan mendukung proses beacon maka router akan berada dalam keadaan inactive dan kemudian hidup secara periodik untuk mengindikasikan jaringan dari proses tersebut.

Fitur dari power saving dari jaringan zigbee difokuskan pada end device.

Karena node ini tidak digunakan untuk trafik routing maka dapat dalam keadaan

sleep pada keseluruhan waktu. Node ini hanya berfungsi untuk berkomunikasi

dengan node parentnya, yaitu dapat berupa router atau coordinator. Sebuah end

device tidak memiliki kemampuan untuk mengijinkan node lainnya terkoneksi

16 dengan jaringan melalui end device, tetapi harus terkoneksi ke jaringan melalui router lainnya atau melalui coordinator langsung (Leung, 2009).

2.6.2.1 Topologi Zigbee

Zigbee menggunakan spesifikasi standart IEEE 802.15.4 2003 untuk lapisan fisik dan lapisan MAC. Topologi pada IEEE 802.15.4 diantaranya star, tree, cluster tree, dan mesh. Sedangkan zigbee hanya memiliki tiga topologi, yaitu star, tree, dan mesh.

a. Topologi Star

Topologi Star terdiri dari sebuah coordinator dan beberapa buah end device (nodes), seperti yang terlihat pada gambar. Pada topologi ini, end device hanya berkomunikasi dengan coordinator. Perpindahan paket data antar end device harus melewati coordinator. Kekurangan dari topologi ini adalah pengoperasian jaringan bergantung pada coordinator. Dan karena semua paket yang dikirim antar device harus melewati coordinator maka coordinator mudah mengalami bottleneck. Pada topologi ini juga tidak ada jalur alternatif untuk sumber ke destinasi. Keuntungan dari topologi star ini adalah merupakan topologi yang sederhana dan paket dilewatkan hanya dalam dua hop untuk sampai ke tujuan.

Gambar 2.8 Topologi Star (Sumber: Elahi, 2009)

b. Topologi Tree

Pada topologi ini, jaringan terdiri dari central node (root tree), yaitu

coordinator, beberapa router, dan end device seperti yang terlihat pada gambar

2.9. Fungsi dari router adalah untuk memperluas jangkauan jaringan. Suatu end

node yang terhubung ke coordinator atau router disebut children. Hanya router

17 dan coordinator yang bisa memiliki children. Tiap end device hanya dapat berkomunikasi dengan parentnya (router atau coordinator). Dan sebuah end device tidak bisa memiliki children maka dari itu tidak dapat pula menjadi parent.

Kekurangan dari topologi tree, diantaranya:

a. Jika salah satu parent node menjadi tidak aktif maka node yang menjadi childrennya tidak dapat berkomunikasi dengan device lainnya dalam jaringan.

b. Walaupun ada dua node yang secara geografis terletak saling berdekatan, keduanya tidak dapat berkomunikasi secara langsung.

Gambar 2.9 Topologi Tree (Sumber: Elahi, 209)

c. Topologi Cluster Tree

Topologi cluster tree adalah kasus spesial pada topologi tree dimana suatu parent-node bersama childrennya disebut cluster, seperti yang terlihat pada gambar 2.10. Tiap cluster teridentifikasi oleh sebuah cluster ID.

Gambar 2.10 Topologi Cluster Tree (Sumber: Elahi, 2009)

18 d. Topologi Mesh

Topologi mesh terdiri dari sebuah coordinator, beberapa router, dan beberapa end device. Seperti yang tampak pada gambar 2.11. Berikut ini merupakan karakteristik dari topologi mesh:

a. Topologi mesh adalah jaringan multihop. Paket data dilewatkan melalui beberapa hop untuk sampai ke tujuan.

b. Jarak jangkauan jaringan dapat bertambah dengan menambahkan device dalam jaringan.

c. Dapat mengurangi dead zones.

d. Topologi mesh mampu menemukan jalur alternatif ke tujuan jika terjadi kegagalan.

e. Device dapat saling berdekatan karena itu topologi ini menggunakan daya lebih sedikit.

f. Penambahan atau pengurangan device mudah.

g. Semua device yang menjadi sumber dapat berkomunikasi dengan setiap device tujuan dalam jaringan (Elahi, 2009).

Gambar 2.11 Topologi Mesh (Sumber: Elahi, 2009)

2.6.2.2 Network Formation

Perangkat yang mampu bertindak sebagai coordinator dan sedang tidak bergabung dengan jaringan dapat menjadi calon coordinator zigbee. Sebuah perangkat yang menjadi coordinator akan memindai semua saluran untuk menemukan salah satu yang cocok. Setelah memilih saluran, perangkat ini menyiarkan beacon yang berisi pengenal PAN untuk menginisialisasi PAN.

Sebuah perangkat yang mendengar beacon dari jaringan yang ada dapat

19 bergabung dalam jaringan ini dengan melakukan prosedur asosiasi dan menentukan perannya, sebagai router atau sebagai perangkat akhir (end device).

Beacon pengirim akan menentukan apakah akan menerima perangkat ini atau tidak dengan mempertimbangkan kapasitas saat ini dan durasi asosiasi yang diijinkan. Kemudian respon asosiasi dapat dilakukan oleh beacon. Jika perangkat berhasil terasosiasi, asosiasi respon akan berisi alamat singkat 16- bit untuk permintaan pengirim. Alamat pendek tersebut akan menjadi alamat jaringan untuk perangkat tersebut (Tseng, - ).

Gambar 2.12 Pemindaian PAN (Sumber: Tseng, - )

2.6.2.3 Penetapan Address pada Jaringan Zigbee

Dalam sebuah jaringan zigbee, network address ditetapkan ke perangkat

melalui skema distribusi. Setelah membentuk jaringan, zigbee coordinator

menentukan jumlah maksimum children (Cm) dari sebuah router, jumlah

maksimum child router (Rm) dari parent node, dan depth/kedalaman jaringan

(Lm). Perlu diketahui bahwa Cm ≥ Rm dan parent node dapat memiliki sejumlah

(Cm - Rm) end device sebagai children node. Dalam algoritma ini, address

perangkat ditetapkan oleh parentnya. Untuk sebuah coordinator, seluruh address

space dibagi ke dalam 1 blok Rm. Blok Rm yang pertama ditetapkan untuk router

yang menjadi children node langsung dari coordinator dan blok terakhir

ditetapkan untuk child node dari coordinator yang berupa end device. Dalam

skema berikut, sebuah parent node menggunakan Cm, Rm, dan Lm untuk

menghitung parameter yang disebut Cskip yang digunakan untuk menghitung

address awal dalam children address pools. Cskip untuk coordinator atau router

dalam suatu depth d di berikan dalam persamaan berikut:

20 𝑓(𝑥) = {

1 + 𝐶𝑚 ∙ (𝐿𝑚 − 𝑑 − 1), 𝑖𝑓 𝑅𝑚 = 1 (𝑎)

1+𝐶𝑚−𝑅𝑚−𝐶𝑚∙𝑅𝑚^{𝐿𝑚−𝑑−1}

1−𝑅𝑚

, 𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑤𝑖𝑠𝑒 (𝑏) …(2.1)

Coordinator dikatakan berada dalam depth 0 sedangkan node yang merupakan child dari node lainnya dalam depth d dikatakan berada dalam depth d + 1. Setiap node x dalam depth d dan setiap node y adalah child node dari x. Nilai dari Cskip (d) menunjukkan jumlah maksimum node pada sub-tree berakar pada y (termasuk y). Sebagai contoh, pada gambar 2.13 karena nilai Cskip dari B adalah 1 maka sub-tree dari C tidak akan lebih dari 1 node. Karena nilai Cskip dari A adalah 7 sehingga sub-tree B tidak akan lebih dari 7 node. Ukuran dari sub-tree berakar pada node y dapat ditentukan dari persamaan berikut:

𝐶𝑠𝑘𝑖𝑝(𝑑) = 1 + 𝐶𝑚 + 𝐶𝑚𝑅𝑚 + 𝐶𝑚𝑅𝑚

²

+ ⋯ + 𝐶𝑚𝑅𝑚

^{𝐿𝑚−𝑑−2}

…(2.2)

Karena depth dari sub-tree adalah Lm- d-1, maka:

𝑝𝑒𝑟𝑠𝑎𝑚𝑎𝑎𝑛(2.2) = 1 + 𝐶𝑚(1 + 𝑅𝑚 + 𝑅𝑚

²

+ ⋯ + 𝑅𝑚

^{𝐿𝑚−𝑑−2}

= 1 +

^{𝐶𝑚(1−𝑅𝑚𝐿𝑚−𝑑−1)}

1−𝑅𝑚

= 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑎𝑚𝑎𝑎𝑛(2.1𝑏)

Penetapan address dimulai dari zigbee coordinator dengan menetapkan address 0 pada dirinya sendiri dan depth d = 0. Jika parent node pada depth d memiliki address A

parent

maka child router ke-n ditetapkan dengan address:

𝐴

_{𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡}

+ 𝑅𝑚 × 𝐶

_{𝑠𝑘𝑖𝑝}

(𝑑) + 𝑛 …(2.3)

Nilai Cskip dari coordinator diperoleh dari persamaan (1) dengan nilai d = 0, Cm

= 6, Rm = 4, dan Lm = 3. Sehingga child router pertama, kedua, dan ketiga dari

coordinator adalah 0 + (1 - 1) x 31 + 1 = 1, 0 + (2 - 1) x 31 + 1 = 32, dan 0 + (3 -

1) x 31 + 1 = 63. Dan dua buah child end device adalah 0 + 4 x 31 + 1 = 125 dan 0

+ 4 x 31 + 2 = 126 (Tseng, - ).

21 Gambar 2.13 Penetapan Address pada Jaringan Zigbee

(Sumber: Tseng, -) 2.6.2.4 Zigbee Routing Protocol

Algoritma zigbee routing berdasarkan dari beberapa ide teknik routing diantaranya:

1. AODV Routing 2. Tree Routing

1. AODV Routing

Algoritma AODV pada zigbee routing merupakan pengembangan dari routing Distance Vector (DV) dimana Zigbee router bertanggung jawab dalam pengiriman frame dari sumber tertentu menuju tujuan tertentu dengan menggunakan entry tabel routing untuk alur routing. Entry ini, merupakan catatan baik sebuah jarak logis menuju destination dan address dari router selanjutnya dalam jalan menuju destination.

AODV adalah metode routing messages antar mobile computer. Metode

ini mengijinkan mobile computer atau node untuk melewatkan messages melalui

neighbornya untuk node yang tidak bisa berkomunikasi secara langsung. AODV

22 melakukannya dengan menemukan alur routing yang dapat melewatkan messagenya. AODV memastikan routing ini tidak akan terjadi loop dan berusaha untuk menemukan alur routing terpendek yang paling memungkinkan. AODV juga mampu untuk menangani perubahan routing dan dapat membentuk alur routing baru jika terjadi error.

Gambar 2.14 menunjukkan 4 buah perangkat pada sebuah wireless network. Lingkaran berikut mengilustrasikan jangkauan komunikasi untuk masing-masing node. Karena jangkauan yang terbatas, masing-masing node hanya dapat berkomunikasi dengan node selanjutnya.

Gambar 2.14 Proses Pengiriman Message (Sumber: Augusto, 2008)

Node yang dapat berkomunikasi secara langsung akan dianggap sebagai neighbor dengan mendengarkan untuk sebuah message “HELLO” yang dibroadcast oleh masing-masing node pada interval yang ditentukan.

Ketika sebuah node memerlukan untuk mengirim sebuah message menuju

node lainnya yang tidak merupakan neighbor, ia akan membroadcast sebuah

message route request (RREQ). Message ini terdiri dari beberapa key bit

informasi, yaitu: sumber, tujuan, dan lifespan dari message dan rangkaian nomor

yang merupakan sebuah ID unik.

23 Contohnya, pada gambar 2.15 node 1 ingin mengirimkan sebuah message ke node 3. Neighbor dari node 1 adalah 2 dan 4. Karena node 1 tidak bisa berkomunikasi langsung dengan node 3, node 1 akan mengirimkan sebuah RREQ yang selanjutnya didengar oleh node 4 dan node 2.

Gambar 2.15 Proses Broadcast Message (Sumber: Augusto, 2008)

Ketika neighbor dari node 1 menerima message RREQ, ia memiliki dua pilihan. Jika mereka mengetahui routing menuju destination atau jika mereka adalah destination mereka akan mengirimkan balasan message Route Reply (RREP) ke node 1, jika tidak ia akan membroadcast ulang RREQ menuju neighbor selanjutnya. Message tersebut akan tetap dibroadcast ulang sampai lifespan dari message tersebut habis.

Jika node 1 tidak menerima balasan pada suatu set waktu seperti pada

gambar 2.16, ia akan membroadcast ulang request tersebut dimana message

RREQ baru ini memiliki lifespan yang lebih lama dan memiliki sebuah ID yang

baru. Semua node menggunakan rangkaian nomor pada RREQ untuk memastikan

24 agar mereka tidak membroadcast ulang RREQ. Sebagai contoh, node 2 memiliki alur routing menuju node 3 dan membalas RREQ dengan mengirimkan RREP.

Lain hal pada node 4 yang tidak memiliki alur routing menuju node 3 maka ia akan membroadcast ulang RREQ.

Gambar 2.16 Proses Pengiriman RREP dan RREQ (Sumber: Augusto, 2008)

Rangkaian nomor disajikan seperti layaknya perangko waktu. Hal ini mengijinkan node-node untuk membandingkan seberapa baru informasinya pada node lainnya. Setiap waktu sebuah node mengirimkan message tipe apapun maka akan meningkatkan rangkaiannya nomornya.

Rangkaian nomor yang lebih tinggi mengindikasikan routing yang lebih

baru. Hal ini memungkinkan untuk node lainnya untuk mengetahui informasi

25 mana yang lebih akurat. Sebagai contoh pada gambar 2.20, node 1 mengirimkan RREP untuk node 4. Hal ini menunjukkan bahwa routing pada RREP memiliki rangkaian nomor yang lebih baik dibandingkan routing pada list routing. Node 1 kemudian akan menempatkan kembali routing yang secara tepat memiliki routing sebagai RREP.

Gambar 2.17 Penerimaan RREP (Sumber: Augusto, 2008)

Route Error Message (RERR) mengijinkan AODV untuk mengatur routing ketika node bergerak. Ketika sebuah node menerima RERR yang terlihat pada tabel routing dan akan menghilangkan semua routing yang berisi node yang error. Gambar 2.18 mengilustrasikan 3 keadaan dimana node akan membroadcast sebuah RERR ke neighbornya.

Pada skenario pertama, node menerima sebuah packet data yang

seharusnya dikirimkan, tetapi ia tidak memiliki alur routing menuju destination.

26 Masalah utamanya adalah node tersebut tidak memiliki alur routing karena node- node lainnya mengira alur routing menuju destination adalah melewati node tersebut.

Pada skenario kedua, node menerima RERR hal ini karena seharusnya setidaknya satu dari alur routing sudah tidak berlaku lagi. Jika ini terjadi, node kemudian akan mengirimkan sebuah RERR dengan semua node baru yang sekarang tidak mampu dicapai.

Pada skenario ketiga, node mendeteksi bahwa ia tidak bisa berkomunikasi dengan satu dari neighbor lainnya. Ketika hal ini terjadi ia akan melihat pada tabel routing untuk alur routing yang digunakan pada neighbor untuk next hop dan menandainya sebagai invalid. Kemudian ia akan mengirimkan RERR dengan neighbor dan invalid alur routing.

Gambar 2.18 Proses Pengiriman RERR (Sumber: Augusto, 2008)

27 Karakteristik AODV:

- Hanya akan menemukan alur routing yang diperlukan.

- Menggunakan rangkaian nomor untuk mengikuti informasi yang akurat.

- Hanya menjaga track next hop untuk keseluruhan alur routing yang tersedia.

- Menggunakan message “HELLO” secara periodik untuk menemukan neighbor.

2. Tree Routing

Mekanisme routing ini berdasarkan pada skema short addressing dan awalnya diperkenalkan oleh MOTOROLA. Masing-masing device, pada saat datangnya sebuah data frame, akan membaca informasi routing dan mengecek address dari destination. Jika destinationnya adalah child dari device tersebut maka device akan menyampaikan paket menuju address tersebut. Jika destination address bukan child dari device tersebut maka device harus mengecek dimana A adalah network address device tersebut, D address tujuannya, dan d depth device pada network (Ricardo. 2008).

𝐴 < 𝐷 < 𝐴 + 𝐶

_{𝑠𝑘𝑖𝑝}

(𝑑 − 1) …(2.4)

Address next hop (N) ketika routing didapat dari rumus berikut:

𝑁 = 𝐴 + 1 + [

^{𝐷−(𝐴+1)}

𝐶𝑠𝑘𝑖𝑝(𝑑)

] × 𝐶𝑠𝑘𝑖𝑝(𝑑) …(2.5)

Jika address destinationnya bukan dalam satu turunan, device akan mengirim packet tersebut menuju parentnya. Berikut ilustrasi sebuah network dengan parameter Lm = 3; Cm = 6; Rm = 4. Nilai Cskip (jumlah address yang tersedia pada masing-masing depth) dipresentasikan dalam tabel 2.3:

Tabel 2.4 Jumlah Cskip dari Masing-masing Depth (Sumber: Augusto, 2008) Depth Cskip(Depth)

0 31

1 7

2 1

28 Gambar 2.19 menunjukkan contoh addressing pada tree routing dengan masing-masing nilai Cskipnya:

Gambar 2.19 Contoh Addressing pada Tree Routing (Sumber: Augusto, 2008)

Jika ZR 0x0002 mengirimkan sebuah message menuju ZR 0x0028, protokol tree routing akan melakukan hal berikut:

1. ZR 0x0002 membangun data frame dan mengirimkannya menuju parentnya (0x0001). Data frame itu diantaranya:

- MAC destination address: 0x0001.

- MAC source address: 0x0002.

- Network Layer Routing Destination Address: 0x0028.

- Network Layer Routing Source Address: 0x0002.

2. ZR 0x0001 menerima data frame, merealisasikan bahwa message tersebut bukan untuknya, dan harus dikirim selanjutnya. Device mengecek tabel neighbor untuk routing address destination, mencoba untuk menemukan jika destination adalah salah satu dari child devicenya. Kemudian device akan mengecek jika routing dari address destination adalah turunannya dengan mengkondisikan formula persamaan (2.4). Dengan hasil = 0x0001 < 0x0028 <

0x0001 + 7

29 ZR 0x0001 adalah depth 1 dari network setelah ditemukan bahwa destination bukanlah turunannya, ZR 0x0001 meneruskan data frame menuju parentnya, yakni ZC 0x0000. Dengan membentuk data frame berikut:

- MAC destination address: 0x0000.

- MAC source address: 0x0001.

- Network Layer Routing Destination Address: 0x0028.

- Network Layer Routing Source Address: 0x0002.

3. ZC 0x0000 menerima data frame dan memeriksa jika address destinationnya terdapat pada neighbor tabel routing. Setelah menemukan bahwa device tujuannya bukanlah neighbornya dan karena ZC adalah akar dari tree network dan tidak bisa dirouting up lagi, next hop address dikalkulasikan seperti berikut:

31 31

) 1 0000 0

( 0028 1 0

0000

0 x x x

x

N  

   







Hasil next hop address adalah N = 32 (decimal) = 0x0020. Maka dibentuk data frame berikut:

- MAC destination address: 0x0020.

- MAC source address: 0x0000.

- Network Layer Routing Destination Address: 0x0028.

- Network Layer Routing Source Address: 0x0002.

4. ZR 0x0020 menerima data frame dan mengecek tabel routing untuk routing address destination. Setelah menemukan bahwa addressnya adalah neighbornya, message akan diteruskan kepadanya. Next hop diberikan dengan address pendek yang dipresentasikan pada tabel routing. Data frame yang dibentuk adalah sebagai berikut:

- MAC destination address: 0x0028.

- MAC source address: 0x0020.

- Network Layer Routing Destination Address: 0x0028.

- Network Layer Routing Source Address: 0x0002.

Dari teknik tree routing dapat diketahui maksimum device yang bisa

tergabung dalam suatu network zigbee dengan rumus berikut:

30 𝐶𝑠𝑘𝑖𝑝(𝑑) = {

1 + 𝐶𝑚 ∙ (𝐿𝑚 − 𝑑 − 1), 𝑖𝑓 𝑅𝑚 = 1 (𝑎)

1+𝐶𝑚−𝑅𝑚−𝐶𝑚∙𝑅𝑚^{𝐿𝑚−𝑑−1}

1−𝑅𝑚

, 𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑤𝑖𝑠𝑒 (𝑏) …(2.6)

Gambar 2.20 Skema Address pada Zigbee (Sumber: Augusto, Ricardo. 2008)

Gambar diatas menunjukkan skema addrees yang tersedia pada zigbee coordinator (0x0000). Berdasarkan parameter network diatas, zigbee coordinator mengijinkan hingga 4 router dan 2 end device untuk bergabung pada suatu kelompok address. Di lain sisi, zigbee router (0x0020) mengijinkan hingga 4 zigbee router dan 6 zigbee end device untuk bergabung.

Fitur sinkronisasi (mode beacon-enabled) dari topologi cluster tree memiliki keuntungan namun juga kerugian. Di satu sisi, sinkronisasi memungkinkan untuk mengatur energi tiap cluster sehingga memungkinkan node end device dan router untuk menyimpan energi dengan menggunakan sleep mode.

Kontrasnya, topologi mesh seperti yang didefinisikan pada standar spesifikasi IEEE 802.15.4 hanya node end device yang mampu berada pada periode inactive.

Periode penyimpanan energi ini memungkinkan perpanjangan lifetime dari network yang merupakan salah satu hal penting yang ditawarkan oleh wireless sensor network.

Di lain sisi, mekanisme sinkronisasi pada network cluster tree merupakan

sebuah tantangan. Bahkan dapat diambil keuntungan dengan sinkronisasi antara

zigbee router yaitu masalah ini dapat meningkatkan network dari cluster tree

(depth yang lebih tinggi). Melihat dari teknik routing, teknik routing tree pada

cluster tree merupakan tambahan untuk teknik routing pada topologi mesh

31 (AODV) dalam hal keperluan memori. Overhead pada routing jika dibandingkan dengan AODV pada topologi mesh akan dapat dikurangi. Hal ini melihat bahwa teknik routing pada topologi tree hanya memberikan satu jalan routing dari sumber manapun menuju tujuan manapun, hal demikian yang tidak memberikan beberapa jalan routing yang merupakan kebalikan dari AODV.

Disamping beacon scheduling (inactive period) dan masalah single-point- failure, terdapat beberapa tantangan untuk topologi tree, diantaranya:

1. Resinkronisasi network, untuk dalam kasus cluster baru yang join atau meninggalkan network.

2. Susunan ulang dalam kasus router failure.

3. Penggabungan dari address space yang dialokasikan untuk masing-masing router.

4. Dalam hal mendukung mobilitas dari node, router bahkan semua cluster.

Pada Zigbee network, routing management dilakukan dengan command frame dari network, diantaranya command-command tersebut adalah:

- Route request: command untuk mencari sebuah routing menuju sebuah spesifik device atau dapat juga digunakan untuk memperbaiki sebuah routing.

- Route reply: command yang dikirim dalam merespon dari sebuah route request, dapat juga digunakan untuk merequest informasi state.

- Route error: pemberitahuan dari sebuah sumber device dari data frame tentang failure pada frame berikutnya.

- Leave: pemberitahuan dari sebuah device yang meninggalkan network.

- Route record: pemberitahuan dari list dari node-node yang digunakan untuk pengiriman data frame.

- Rejoin request: pemberitahuan dari device yang rejoin dari network.

- Rejoin response – respon rejoin dari rejoin request (Ricardo. 2008).

32 2.7 Network Coverage dan Connectivity

Beberapa faktor harus ditentukan ketika membangun perencanaan untuk coverage sebuah jaringan sensor.

2.7.1 Cakupan (Coverage)

Jangkauan efektif dari sensor yang melekat pada sensor node mendefinisikan area cakupan sensor node. Cakupan jaringan mengukur tingkat cakupan dalam area yang di monitor oleh sensor node.

2.7.2 Tipe Cakupan (Coverage)

Cakupan (coverage) adalah salah satu evaluasi kinerja dalam jaringan sensor nirkabel (wireless sensor network). Coverage mewakili seberapa baik field of interest (FoI) yang dapat dipantau oleh satu set sensor. Sebuah titik dalam FoI dikatakan tercakup jika terletak setidaknya dalam jangkauan penginderaan (sensing range) satu buah sensor dan dikatakan k-covered jika terletak dalam sensing range sejumlah k sensor, dimana k ≥ 1. Coverage dapat dianggap sebagai ukuran kualitas layanan (quality of service) yang menjamin bahwa semua titik dalam FoI tercakup setidaknya oleh sebuah sensor. Jumlah sensor yang diperlukan harus optimal. Coverage dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

a. Blanket coverage: merupakan salah satu tipe masalah coverage yang sering dipelajari. Blanket coverage adalah untuk memantau atau mencakup daerah tertentu (FoI). Gambar menunjukkan contoh dari cakupan wilayah dengan penyebaran acak. Lingkaran hitam menunjukkan node yang aktif dalam FoI (Mulligan, 2010).

Gambar 2.21 Blanket Coverage (Sumber: Mulligan, 2010)

33 b. Barrier coverage: tujuan utama dari barrier coverage adalah untuk mendeteksi intrusi dari seluruh objek dalam FoI untuk mengurangi kemungkinan intrusi yang tidak terdeteksi pada objek dalam FoI. Pada gambar adalah contoh dari barrier coverage yang menunjukkan titik awal dan akhir dengan penyebaran sensor secara acak.

Gambar 2.22 Barrier Coverage (Sumber: Mulligan, 2010)

c. Point coverage: point coverage bertujuan untuk mencakup sejumlah titik yang diberikan dalam FoI. Gambar menunjukkan contoh point coverage dengan penyebaran sensor acak. Node hitam yang terhubung merupakan node yang aktif.

Gambar 2.23 Point Coverage (Sumber: Mulligan, 2010)

d. Path coverage: path coverage bertujuan untuk mencakup jalur tertentu yang dilalui objek untuk mencapai node tujuan.

e. Exposure: exposure bertujuan untuk menemukan berapa lama sebuah objek terkena sensor saat melintasi FoI.

f. Surface coverage: mengacu pada jaringan sensor tiga dimensi dimana

pemantauan FoI dalam lingkup tiga dimensi dan sensor dapat disebar hanya

pada permukaan (Mulligan, 2010).

34 2.7.3 Penyebaran (deployment)

Penyebaran jaringan sensor biasanya dapat dikategorikan sebagai dense deployment (penyebaran padat) atau sparse deployment (penyebaran jarang).

Dense deployment memiliki sejumlah node sensor yang relatif tinggi di bidang tertentu. Sedangkan sparse deployment akan memiliki lebih sedikit node. Model dense deployment digunakan dalam situasi dimana sangat penting bagi setiap kejadian untuk dideteksi atau ketika penting memasang beberapa sensor untuk menjangkau suatu daerah. Sparse deployment dapat digunakan ketika biaya sejumlah sensor menghalangi untuk membuat suatu dense deployment atau ketika jangkauan maksimum ingin diraih hanya dengan jumlah sensor minimal.

Node sensor yang disebar pada suatu area dengan menempatkan sensor di lokasi yang telah ditentukan (deterministic) atau menyebar node secara acak (random) (Mulligan, 2010).

Gambar 2.24 Penempatan Deterministik (Sumber: Mulligan, 2010)

Gambar 2.25 Penempatan Acak (Sumber: Mulligan, 2010)

35 2.7.4 Tipe Node

Sejumlah node yang dipilih dalam jaringan sensor dapat berupa kelompok node homogen atau heterogen. Sebuah kelompok homogen adalah sekelompok node yang memiliki kemampuan sensing yang sama. Sedangkan kelompok heterogen adalah jika ada sebuah ato beberapa node yang memiliki daya sensing yang lebih disbanding node yang lain (Mulligan, 2010).

Gambar 2.26 Kelompok Sensor Homogen (Sumber: Mulligan, 2010)

Gambar 2.27 Kelompok Sensor Heterogen (Sumber: Mulligan, 2010)

2.7.5 Coverage Berdasarkan Strategi Penyebaran

Strategi penyebaran sensor akan memaksimalkan cakupan serta mempertahankan jaringan global yang terhubung grafik. Beberapa strategi penyebaran telah dipelajari untuk mencapai suatu sensor yang memiliki arsitektur jaringan optimal yang akan meminimalkan biaya, memberikan penginderaan coverage tinggi, tahan terhadap kegagalan node acak, dsb (Mulligan, 2010).

2.7.5.1 Imprecise Detections Algorithm (IDA)

Dhilon et al mengusulkan sebuah algoritma jaringan cakupan yang memastikan bahwa setiap gridpoint dicakup dengan tingkat kepercayaan minimal.

Tampilan minimalis dari jaringan sensor adalah dengan mengerahkan jumlah

36 sensor minimum pada grid yang akan mengirimkan jumlah minimum data. Model ini memberikan dua nilai probabilitas p

ij

dan p

ji

untuk setiap pasangan gridpoint (i,j), dimana p

ij

adalah probabilitas bahwa target di gridpoint j adalah terdeteksi oleh sensor di gridpoint i. Dan p

ji

adalah probabilitas bahwa target di gridpoint i adalah terdeteksi oleh sensor di gridpoint j. Dalam keadaan nilai nilai simetris yaitu p

ij

= p

ji

(Ghosh, 2006).

Gambar 2.28 Dua Nilai Probabilitas pij dan pji pada model line-of-sight statis (Ghosh, 2006).

2.7.6 Konektivitas Sensor Network

Sebuah jaringan sensor dianggap terhubung hanya jika ada setidaknya satu jalur antara setiap pasangan node dalam jaringan. Konektivitas tergantung terutama pada keberadaan jalur. Hal ini dipengaruhi oleh perubahan dalam topologi akibat mobilitas, kegagalan node, serangan dan sebagainya. Konsekuensi dari kejadian tersebut meliputi hilangnya link, isolasi node, partisi jaringan, peningkatan jalan, dan re-routing.

Konektivitas dapat dimodelkan sebagai grafik G (V,E) dimana V adalah himpunan simpul (node) dan E adalah himpunan sisi (link). Grafik ini dikatakan k- connected jika setidaknya ada jalur disjioint k antara setiap pasangan node u, v ∈ V. Konektivitas adalah ukuran toleransi kesalahan atau keragaman jalur dalam jaringan (Zhang, 2005).

2.8 Quality of Service 802.15.4 (Zigbee)

QoS (Quality of Service) merupakan kemampuan dalam menyediakan

tingkatan layanan untuk transmisi data pada suatu jaringan. QoS jaringan wireless

sensor zigbee antara lain berdasarkan throughput jaringan, end to end delay, dan

delivery ratio.

37 1. Throughput

Network Throughput adalah ukuran jumlah data yang dikirim dari sumber ke tujuan dalam satuan waktu (detik). Throughput dilihat dalam satuan bits/sec dan memberikan gambaran kesuksesan suatu jaringan dalam mengirimkan data melalui media transmisi. Throughput dari suatu node diukur dengan terlebih dahulu menghitung jumlah total paket data yang berhasil diterima yang kemudian dibagi dengan total runtime simulasi. Sedangkan throughput jaringan didefinisikan sebagai rata-rata throughput dari semua node yang terlibat dalam transmisi data.

𝑇ℎ𝑟𝑜𝑢𝑔ℎ𝑝𝑢𝑡 𝑜𝑓 𝑎 𝑛𝑜𝑑𝑒 =

(𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑏𝑖𝑡 𝑑𝑎𝑡𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑚𝑎)

𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖

…(2.7)

𝑁𝑒𝑡𝑤𝑜𝑟𝑘 𝑇ℎ𝑟𝑜𝑢𝑔ℎ𝑝𝑢𝑡 =

𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑡ℎ𝑟𝑜𝑢𝑔ℎ𝑝𝑢𝑡 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑛𝑜𝑑𝑒

𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑛𝑜𝑑𝑒

…(2.8)

Throughput (TP) maksimum dapat dihitung setelah paket delay ditentukan. Delay adalah secara keseluruhan yaitu delay pada saat data dikirim dan delay yang disebabkan oleh semua elemen urutan frame.

𝑇𝑃 =

^8.𝑥

𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 (𝑥)

…(2.9)

Dimana x adalah jumlah bytes yang diterima dari lapisan yang lebih tinggi (Latre, 2006).

2. End to End Delay

End to end delay adalah waktu yang diperlukan paket data ketika ditransmisikan untuk mencapai node tujuan atau dari transmitter menuju receiver.

Delay dari setiap paket dapat dihitung dengan:

𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦(𝑥) = 𝑇

_𝐵𝑂

+ 𝑇

_{𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒}

(𝑥) + 𝑇

_𝑇𝐴

+ 𝑇

_𝐴𝐶𝐾

+ 𝑇

_𝐼𝐹𝑆

(𝑥) . ..(2.10)

38 Dimana:

𝑇

_𝐵𝑂

= Back off periode (second)

𝑇

_{𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒}

(𝑥) = waktu tramsmisi untuk payload dalam x-byte 𝑇

_𝑇𝐴

= putaran waktu (turn around time)

𝑇

_𝐴𝐶𝐾

= waktu transmisi ACK

𝑇

_𝐼𝐹𝑆

(𝑥) = waktu IFS(inter frame space)

Untuk IFS, SIFS (Short Inter Frame Space) digunakan ketika MPDU (= L

MAC_HDR

+ L

MAC_FTR

+ payload) lebih kecil atau sama dengan 18 bytes. Selain itu, digunakan LIFS (Long Inter Frame Space).

Period backoff dapat dihitung dengan persamaan:

𝑇

_𝐵𝑂

= 𝐵𝑂

_{𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠}

+ 𝑇

_{𝐵𝑂𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠}

..(2.11)

Dimana:

𝐵𝑂

_{𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠}

= jumlah backoff slots 𝑇

_{𝐵𝑂𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠}

= waktu untuk backoff slots

Jumlah dari backoff slots adalah acak dengan interval (0, 2

^BE

-1) dengan BE adalah back off exponent yang memiliki nilai minimum 3. Jika asumsi hanya satu buah pengirim dan BER adalah nol, nilai BE tidak akan berubah. Oleh Karena itu, jumlah back off slots dapat direpresentasikan sebagai interval: (0, 2

^BE

-1)/ 2 atau 3,5.

Total durasi frame adalah :

𝑇

_{𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒}

(𝑥) = 8 ∗

^{𝐿𝑃𝐻𝑌+𝐿𝑀𝐴𝐶_𝐻𝐷𝑅+𝐿𝑎𝑑𝑑𝑟𝑒𝑠𝑠+𝐿𝑀𝐴𝐶_𝐹𝑇𝑅}

𝑅_{𝑑𝑎𝑡𝑎}

..(2.12)

Dimana :

𝐿

_𝑃𝐻𝑌

= panjang PHY header dalam bytes

𝐿

_{𝑀𝐴𝐶𝐻𝐷𝑅}

= panjang MAC header dalam bytes

39 𝐿

_{𝑎𝑑𝑑𝑟𝑒𝑠𝑠}

= panjang MAC address dalam bytes

𝐿

_{𝑀𝐴𝐶_𝐹𝑇𝑅}

= panjang MAC footer dalam bytes 𝑅

_{𝑑𝑎𝑡𝑎}

= raw data rate

𝐿

_{𝑎𝑑𝑑𝑟𝑒𝑠𝑠}

adalah total panjang MAC address yang tergabung dalam info field, termasuk PAN-identifier untuk pengirim dan penerima jika keduanya menggunakan address. Panjang dari 1 PAN-identifier adalah 2 bytes.

Sementara durasi acknowledgement dihitung dengan:

𝑇

_𝐴𝐶𝐾

(𝑥) = 8 ∗

^{𝐿𝑃𝐻𝑌+𝐿𝑀𝐴𝐶_𝐻𝐷𝑅+𝐿𝑀𝐴𝐶_𝐹𝑇𝑅}

𝑅𝑑𝑎𝑡𝑎

..(2.13)

Jika ACK tidak digunakan, T

turnaround

dan T

ack

diabaikan (Latre, 2005).

2.9 Model Propagasi Free Space Loss

FSL merupakan model propagasi yang digunakan dengan mengkondisikan transmitter dan receiver berada pada lingkungan tanpa bangunan ataupun halangan lain yang dapat menimbulkan difraksi, refraksi, absorbsi maupun blocking. Model propagasi tersebut baik apabila digunakan untuk perancangan tahap awal suatu jaringan sehingga dapat diketahui karakteristik jaringan sesuai standar yang diterapkan. Besar redaman ruang bebas secara matematis dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

𝐿

_𝑓𝑠

=

^𝑃𝑡

𝑃𝑟

..(2.14)

Keterangan:

L

fs

= Free space loss (dB)

P

t

= Daya pancar di transmitter (dBm)

P

r

= Daya terima di receiver (dBm)

40 Persamaan umum FSL diatas dapat diturunkan sehingga diketahui parameter khusus yang mempengaruhi nilai tersebut. Besar rapat daya (F) dengan jarak (d) dari suatu antenna isotropis transmitter dengan daya pancar (P

t

) adalah:

𝐹 =

^𝑃𝑡

4.𝜋.𝑑²

..(2.15)

Pada sisi receiver dengan luas tangkap (aperture) antena isotropis bernilai

^𝜆

2 4.𝜋

, maka besar daya yang ditangkap (P

r

) adalah:

𝑃

_𝑟

= 𝐹.

^𝜆2

4.𝜋

=

^{𝑃𝑡.𝜆2}

4.𝜋𝑑²4.𝜋

= 𝑃

_𝑡

(

^𝜆

4.𝜋.𝑑

)

²

..(2.16)

Sehingga dengan memasukkan persamaan 2.3 ke 2.1 akan didapat persamaan yang diturunkan sebagai berikut:

𝐿

_𝑓𝑠

=

^𝑃𝑡

𝑃_𝑟

=

^𝑃𝑡

𝑃𝑡(_4.𝜋.𝑑^𝜆 )²

= (

^4.𝜋.𝑑

𝜆

)

²

..(2.17)

Persamaan 2.4 dapat disederhanakan melalui perhitungan dimana λ = c/f dengan c adalah cepat rambat gelombang cahaya di ruang hampa (3x10

⁸

m/sec), d dalam Km dan f dalam MHz. Sehingga besar FSL didapat dengan persamaan berikut:

𝐿

_𝑓𝑠

= (

^4.𝜋.𝑑_𝑐

⁄𝑓

)

2

= (

^{4.𝜋.𝑑.103.𝑓.106}

3.10⁸

)

²

= (

^{4.𝜋.𝑑.𝑓.109}

3.10⁸

)

²

= (

^{4.𝜋.𝑑.𝑓}

0,3

)

²

= 10 log (

^{4.𝜋.𝑑.𝑓}

0,3

)

²

41 = 20 log

^4.𝜋

0,3

+ 20 log 𝑑 (𝐾𝑚) + 20 log 𝑓 (𝑀𝐻𝑧)

= 32,45 + 20 log 𝑑 + 20 log 𝑓 ..(2.18)

Dari persamaan FSL diatas, dapat diketahui nilai jarak antara transmitter dengan receiver melalui persamaan berikut (Ahmad, 2007):

𝐿

_𝑓𝑠

= 32,45 + 20 𝑙𝑜𝑔 𝑑 (𝑘𝑚) + 20 𝑙𝑜𝑔 𝑓 (𝑀𝐻𝑧) 𝐿

_𝑓𝑠

= 92,4 + 20 log 𝑑 (km) + 20 log 𝑓 (GHz) 20 log 𝑑 = 𝐿

_𝑓𝑠

− 92,4 − 20 log 𝑓

𝑑 = log

⁻¹

(

^𝐿𝑓𝑠−92,4−20 log 𝑓

20

) ..(2.19)

Keterangan:

L

fs

= Free space loss (dB)

d = Jarak antara transmitter dan receiver (Km) f = Frekuensi (GHz)

2.10 Simulator Opnet Modeler

2.10.1 Pengenalan Simulator Opnet Modeler

Opnet (Optimize Network Engineering Tools) Modeler adalah salah satu software untuk network modelling yang sering digunakan dalam mendesain atau optimasi suatu jaringan. OPNET memiliki banyak modul yang disesuaikan dengan equipment dari banyak vendor yang digunakan pada banyak perusahaan.

Dukungan inilah yang mempermudah user ataupun designer dalam merancang maupun melakukan optimasi suatu jaringan.

Perkembangan Opnet Modeler dimulai tahun 1986 oleh MIL3 Inc., dimana perusahaan tersebut saat ini dikenal sebagai OPNET Technologies, Inc.

yang menjadi perusahaan publik pada bulan Agustus 2000 (http://en.wikipedia.org/wiki/OPNET).

Pada awalnya software Opnet Modeler dikembangkan untuk kepentingan

militer, namun saat ini telah berkembang menjadi alat bantu simulasi jaringan

komersil dunia yang terdepan.

42 Opnet Modeler dengan tampilan awal seperti pada gambar 2.29 memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan simulator jaringan lainnya yaitu pengguna tidak perlu mengetahui pengetahuan pemrograman yang mendalam karena terdapat GUI (Graphical User Interface), library yang komprehensif berupa protokol dan model jaringan, serta interface berupa grafik untuk melihat hasil simulasi.

Gambar 2.29 Opnet Modeler 14.5 – Educational Version (Sumber: www.sa469.wordpress.com)

2.10.2 Struktur Hirarki Opnet Modeler

Opnet Modeler berdasarkan struktur hirarkinya terbagi menjadi tiga seperti pada gambar 2.25, yaitu Network domain, Node domain, dan Process domain.

Secara garis besar, network domain menggambarkan bentuk jaringan yang disimulasikan, node domain menggambarkan konfigurasi perangkat yang ada pada network domain, sedangkan process domain menggambarkan konfirurasi objek yang ada pada node domain.

Gambar 2.30 Network Domain, Node Domain, dan Process Domain

Node model

Network model

43 Berikut ini merupakan penjelasan dari ketiga domain tersebut:

1. Network Domain

Network domain merupakan bagian struktur dari Opnet Modeler dimana pengguna dapat melakukan simulasi jaringan dengan menkonfigurasi topologi jaringan, node, link, skenario jaringan, dan sub jaringan melalui project editor seperti yang ditunjukkan gambar 2.31.

Pada network domain terdapat network model yang menggambarkan objek pada sistem dalam bentuk lokasi fisik, interkoneksi, dan konfigurasi. Node dalam network domain menunjukkan perangkat jaringan dan group dari perangkat, sedangkan link menunjukkan hubungan point-to-point.

Gambar 2.31 Project Editor

2. Node Domain

Node domain merupakan bagian struktur dari Opnet Modeler dimana

menunjukkan struktur internal dari node jaringan. Domain ini digunakan untuk

menggambarkan perilaku dari node atau sistem dalam suatu jaringan. Salah satu

node domain pada Opnet Modeler adalah node model Zigbee seperti pada gambar

2.32.

44

Gambar 2.32 Node Model pada Zigbee Station

3. Process Domain

Process domain pada gambar 2.33 merupakan bagian struktur dari Opnet Modeler dimana digunakan untuk menunjukkan perilaku dari prosesor dan modul antrian yang berada pada node domain. Modul pada process domain terdiri dari state transition diagram/Finite State Machines (FSMs), blok kode dari C, dan state/temporary variables.

Gambar 2.33 Process Model Zigbee

45 2.10.3 Zigbee Model

Pemodelan Zigbee pada simulator Opnet Modeler diperlukan diantaranya:

1. Zigbee Object Palette

Gambar 2.34 menunjukkan Zigbee object palette pada Opnet Modeler.

Gambar 2.34 Zigbee Object Palette

Dari Zigbee object palette pada gambar 2.34, masing-masing model dapat dideskripsikan pada tabel 2.4.

Tabel 2.5 Zigbee Node Model Node Model Deskripsi

Zigbee_coordinator Zigbee coordinator node model Zigbee_end_device Zigbee end device node model Zigbee_router Zigbee router node model

2. Zigbee Model Attributes:

Attributes yang terdapat pada Zigbee model:

A. Local Attributes

Berikut adalah attributes yang terdapat untuk konfigurasi Zigbee device model yang ditunjukkan pada gambar 2.35:

• Application Traffic attributes:

- Destination

- Packet Interarrival Time - Packet Size

- Start Time

- Stop Time

46

• Zigbee Parameters - MAC Parameters - Network Parameters - PAN ID

- Physical Layer Parameters

Gambar 2.35 Zigbee Device Model Attributes

B. Global Attributes

Zigbee model terdiri dari global attributes berikut (diakses dari dialog box Configure/Run Simulation):

• Network Formation Threshold

• Report Snapshot Time

2.10.4 Tools pada Opnet Modeler

Simulasi menggunakan Opnet Modeler dapat dilakukan dengan terlebih dahulu membuat skenario jaringan yang direncanakan. Berikut ini merupakan langkah untuk membuat sebuah skenario melalui project editor Opnet Modeler:

1. Mulai.

47 2. Buka pada menu bar Opnet Modeler, File-New-Project.

3. Masukkan nama Project name dan Scenario name.

4. Pilih topology awal yang diinginkan (untuk membuat skenario baru maka pilih Create empty scenario).

5. Pilih tipe skala jaringan yang akan disimulasikan (World/Enterprise/Campus/

Office/Logical/Choose from maps)

6. Masukkan nilai skala skenario yang akan disimulasikan (X span, Y span, dan unit satuan jarak).

7. Pilih teknologi yang akan digunakan pada simulasi.

8. Selesai.

Skenario jaringan yang akan disimulasikan dapat dibuat dengan menggunakan tools pada Opnet Modeler yang tersedia di project editor. Beberapa tools yang umumnya digunakan dalam mensimulasikan skenario jaringan antara lain:

1. Object Palette

Object Palette pada gambar 2.36 merupakan tools untuk menampilkan perangkat/objek sesuai dengan teknologi yang telah dipilih pada langkah membuat skenario melalui project editor Opnet Modeler.

Gambar 2.36 Object Palette

48 2. Choose Individual DES Statistic

DES (Discrete Event Simulation) statistic pada gambar 2.37 merupakan parameter yang digunakan untuk menganalisa simulasi jaringan. Parameter yang dapat diamati bergantung pada teknologi yang digunakan. Pemilihan parameter didasari oleh kebutuhan pengguna akan analisis hasil simulasi.

Gambar 2.37 Individual DES Statistic untuk Zigbee

3. Configure/Run Discrete Event Simulation

Konfigurasi DES (Discrete Event Simulation) pada gambar 2.38 dilakukan pada durasi yang diatur sesuai dengan waktu simulasi akan dijalankan hingga sistem stabil. Pengguna dapat menjalankan simulasi dengan memilih Run.

Gambar 2.38 Configure/Run Discrete Event Simulation

49 4. Results

Contoh hasil simulasi berdasarkan DES (Discrete Event Simulation) statistic seperti pada gambar 2.39 yang telah dipilih sebelumnya dapat dilihat setelah simulasi dijalankan dari View Results pada menu bar DES. Hasil simulasi berupa grafik dan data statistik.

Gambar 2.39 Result Browser