Analisa Algoritma LEACH Pada Jaringan Sensor Nirkabel
Muhammad Adi Permana - 2206100652
Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111
Dengan berkembangnya jaringan sensor (Sensor Network) mempunyai potensi yang sangat besar dalam upaya untuk mengumpulkan informasi dari lingkungan. Jaringan sensor nirkabel bersifat ad-hoc, pengiriman data pada jaringan sensor nirkabel dapat dilakukan dengan bermacam teknik routing.
Pada tugas akhir ini akan dianalisis efisiensi penggunaan energi dengan menggunakan algoritma LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy). LEACH adalah protokol routing yang membentuk cluster dari beberapa node sensor berdasarkan kekuatan sinyal yang diterima. Mekanisme ini menghemat energi karena hanya cluster head yang melakukan transmisi data yang telah dikompres ke Base Station, sedangkan node sensor cukup mengirim data ke cluster-head masing-masing. Akibatnya, konsumsi energi berkurang sehingga mengoptimalkan lifetime jaringan sensor.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa LEACH yang digunakan adalah 10 node dengan 1 pembentukan cluster, 1 Cluster Head, dan 1 Base Station dibandingan dengan LEACH 19 node dengan 2 pembentukan Cluster, 2 Cluster Head dan 1 Base Station. Dari hasil tersebut di dapatkan bahwa dengan node yang lebih kecil mak semakin baik kinerja jaringan tersebut, mulai dari packet loss, energy, delay, dan throughput
Kata kunci : Wireless sensor network, delay, throughput, lifetime dan LEACH I. PENDAHULUAN
Wireless sensor network (WSN) memiliki peranan yang amat penting dalam berbagai bidang kehidupan. WSN merupakan infrastruktur suatu jaringan yang terdiri dari sekumpulan node sensor yang tersebar pada suatu area sensor. Tiap node sensor memiliki kemampuan untuk mengumpulkan data di sekitarnya dan meroutingkan kembali ke sink node melalui transmisi radio secara intensif. Data yang dikumpulkan bisa berupa suhu, tekanan, pergerakan suatu objek atau kelembaban dan sebagainya.
Secara umum jaring sensor nirkabel atau Wireless Sensor Network (WSN) [3] terdiri dari dua komponen, yaitu node sensor dan sink. Node sensor merupakan komponen kesatuan dari jejaring yang dapat menghasilkan informasi, biasanya merupakan sebuah sensor atau juga dapat berupa sebuah aktuator yang menghasilkan feedback pada keseluruhan operasi. Secara
umum sensor disebar dengan volume dan kerapatan yang tinggi. Sink merupakan kesatuan proses pengumpulan informasi dari node sensor sehingga dapat dilakukan pengolahan informasi lebih lanjut.
Dengan adanya karakteristik tersebut, perlu adanya metodologi yang mampu melampaui karakteristik-karakteristik pada WSN serta tidak membatasi pengiriman informasi, network, manajemen operasional, kerahasiaan, integritas, dan proses di dalam network. Ilustrasi sederhana sebuah jejaring sensor dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 1. Ilustrasi Sebuah Jejaring Sensor Nirkabel.
Dari sejumlah permasalahan pada implementasinya, masalah utama dalam WSN adalah konsumsi energi.Hal ini diakibatkan oleh catu daya pada node sensor hanya disuplai oleh baterai untuk operasinya ,sehingga memiliki cadangan energi yang terbatas. Jika salah satu node mati, maka akan merubah performansi jaringan dalam hal routing dan topologi.
Di sisi lain, kendala akan muncul jika harus melakukan konservasi energi berulang-ulang atau sesering mungkin karena akan meningkatkan biaya dan mengganggu performansi jaringan.Karena konsumsi energi adalah faktor terpenting untuk menentukan lifetime suatu jaringan, maka energi yang digunakan harus seefisien mungkin agar menghasilkan performansi yang maksimum.
II. TEORI PENUNJANG
2.1 Wireless Sensor Network (WSN)
Dengan adanya teknologi WSN, memungkinkan peneliti untuk mendapat informasi yang maksimal tanpa harus berada di area sensor. Informasi dapat diakses dari jarak jauh melalui gadget seperti laptop, remote control, server dan sebagainya. Berikut adalah beberapa keuntungan yang bisa diperoleh dari teknologi WSN :
meningkatkan efisiensi operasional
mengurangi total biaya sistem secara signifikan
dapat mengumpulkan data dalam jumlah besar
dapat menambahkan embedded prosesor ke dalam node sensor
software dapat dikonfigurasi dengan mudah memungkinkan komunikasi digital 2
arahmenyediakan konektivitas internet yang secara global, kapanpun dimanapun informasi tersebut dapat diakses melalui server, laptop, dsb
Urutan aktivasi mode-mode tersebut dapat direpresentasikan oleh Gambar 2.1. yang menunjukkan bahwa mode-mode tersebut dijalankan dengan urutan tertentu. Tiap mode memiliki karakteristik yang berbeda tergantung dari aktivitas yang sedang dilakukan node, apakah sedang melakukan proses transmisi atau sedang standby dan seterusnya.
Hal ini mengakibatkan energi yang digunakan tiap mode juga berbeda-beda. Semakin ke kiri, maka mode tersebut mengeluarkan energi yang semakin rendah, begitu juga sebaliknya. Suatu mode harus melalui mode disampingnya jika ingin berganti mode. Misalnya mode off harus melalui mode sleep dan standby terlebih dahulu jika akan melakukan transmisi. Apabila tidak ada aktivitas observasi atau transmisi, sebaiknya dijalankan mode off atau sleep. Hal ini perlu diperhatikan karena proses transmisi dan observasi cenderung menggunakan energi yang lebih besar. Pada mode ready, node sensor dapat melakukan kedua mode baik transmit dan receive.
Gambar 2.1 Urutan Mode pada Node Sensor
2.2 Protokol LEACH
LEACH merupakan protokol routing yang membentuk kluster dari kumpulan node sensor berdasarkan kekuatan sinyal yang diterima. Algoritma dimulai dengan pemilihan suatu node sebagai cluster-head (CH) lalu dengan algoritma clustering memilih node non-CH sebagai angggota sehingga membentuk kluster. Mekanisme ini menghemat energi karena hanya CH yang melakukan transmisi data ke Base Station, sedangkan tiap node sensor cukup mengirim data ke CH masing-masing. Akibatnya, konsumsi energi berkurang. sehingga lifetime jaringan sensor menjadi maksimal. Seperti pada gambar di bawah
Gambar 2.2. Topologi LEACH
Pada awalnya node-node tersebar dalam jumlah besar pada suatu area dan proses pengiriman data masih terpusat pada Base Station. Namun dengan adanya algoritma LEACH, node-node tersebut dikelompokkan dalam beberapa kluster pada satu jaringan. Masing-masing kluster memiliki sebuah clusterhead yang bertugas untuk mengkoordinasi pengiriman data dari node sensor ke BS.
LEACH memiliki fitur-fitur sebagai berikut :
Data fusion, yaitu penggabungan data sehingga mengurangi disipasi energi dan menambah lifetime jaringan
Adaptive, yaitu mudah untuk menyesuaikan diri saat pembentukan formasi kluster Local compression, yaitu mengkompresi
data agar ukuran data yang dikirim ke BS lebih kecil
Randomization rotation, yaitu perputaran kedudukan CH secara acak
Self-Organizing, yaitu tiap node sensor memiliki sikap pengambilan keputusan sendiri untuk menjadi CH
2.3 Algoritma LEACH
LEACH terbagi ke dalam beberapa sesi, tergantung dari jumlah CH yang diinginkan dan masa observasi. LEACH memastikan tiap node akan menjadi CH untuk satu sesi. Akibatnya, kedudukan CH menjadi tidak tetap atau bergantian sehingga suatu kluster memiliki formasi yang dinamis atau berubah-ubah setiap sesi. Algoritma LEACH dibagi menjadi 2 fase yaitu fase setup dan fase steady state. Proses algoritma LEACH dapat dijelaskan sebagai berikut :
A. Fase setup
Base Station
Cluster-headCluster-head Node Sensor
Pada fase setup terjadi penentuan CH dan proses pembentukan kluster atau sering disebut juga dengan algoritma clustering. Berikut adalah proses yang terjadi adalah Pembentukan Cluster Head dan Pembentukan Cluster.
B. Fase steady state
Pada fase steady state terjadi proses transfer data antar node yang melibatkan aktivitas transmisi dan observasi. Proses steady state memakan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan proses setup, karena transfer data terjadi melalui transmisi radio secara intensif. Sedangkan proses setup hanya menentukan CH dan pembentukan kluster.
Pembagian fase terhadap waktu pada LEACH dapat direpresentasikan oleh gambar 2berikut :
Gambar 2. Fase dalam algoritma LEACH
III. METODALOGI DAN SIMULASI
3.1 Tahap Perencanaan dan Konfigurasi Jaringan Jaringan sensor nirkabel yang disimulasikan adalah dengan menggunakan protokol routing LEACH, dimana setiap node tidak secara langsung berkomunikasi dengan sink/base station dan mengirimkan datanya melalui sebuah cluster head (CH). Gambar 3 adalah topologi jaringan yang digunakan dalam tugas akhir ini. Terdapat beberapa buah node, satu buah sink/base station, dan sebuah server. Node dan sink merupakan komponen yang harus ada dalam jaringan sensor nirkabel.
Gambar 3. Topologi jaringan dalam protokol routing LEACH
Setelah dilakukan perancangan, akan dilakukan pengukuran dalam beberapa kondisi. Adapun untuk lebih jelasnya ditunjukkan oleh diagram alir dari sistem yang akan dibuat sebagai berikut :
Gambar 3.10 Sistem Diagram Alir Simulasi dimulai dengan mensetting parameter-parameter yang ada di dalam jaringan sensor.Parameter yang akan diset berupa jumlah node sensor, energi tiap node, luas area, jenis topologi jaringan dan
sebagainya.Tahap berikutnya adalah menentukan jumlah clusterhead (CH) yang diinginkan beserta node-node yang menjadi CH kluster tersebut.Setelah CH ditentukan,maka kluster dibentuk yang ditandai dengan konfirmasi penggabungan diri dari node-node di sekitar CH.Setelah semua node masuk ke dalam kluster, aktivitas transmisi dimulai.Penjelasan selengkapnya dapat dilihat pada dasar teori bagian algoritma LEACH.
IV. ANALISIS DATA 4.1 Analisis Hasil Simulasi
Topologi sistem yang disimulasikan, disesuaikan dengan data yang di butuhkan. Daya yang digunakan, jumlah node, jarak antar node, posisi node dan node mana saja yang melakukan proses pengiriman data. Sistem yang disimulasikan merupakan sistem dengan sebuah sink dan sebuah node yang mengirimkan data. Jumlah node yang disimulasikan berjumlah 10 buah dan 19 buah node yang berfungsi untuk melakukan
proses sensing dan sebuah sink. Node yang mengirim data ke sink berjumlah satu buah.
4.2 Analisa LEACH dengan 10 Node Pada bagian yang pertama mempuyai spesifikasi sebagai berikut :
• Banyaknya node : 10 • Banyaknya Cluster : 1 • Banyaknya Cluster Head : 1 • Banyaknya Base Station : 1 • Waktu Simulasi : 10 menit • Environment Zise : 50 x 50
Gambar 4.1. Seluruh Node Menyala dan Mengirim data ke node 0 (Cluster Head) Pada gambar 4.1, seluruh node dalam keadaan menyala. Node 1 sampai node 9 mengirim data ke Cluster Head. Node 0 berfungsi untuk me-relay data dari semua node ke Base Station(BTS). Node 0 difungsikan khusus untuk meneruskan data dari semua node. Seluruh node menggunakan LEACH routing protocol, sehingga tidak perlu mengatur proses aliran data pada setiap node.
Pada gambar 4.1 dan 4.2 adalah simulasi yang mempunyai spesifikasi sama dengan banyaknya node 10 dimana terdapat 1 Cluster, 1 Cluster Head dan Base Station
Gambar 4.2 Node 0 menerima data dari semua node 4.3. Simulasi LEACH 19 Node
Pada simulasi bagian yang kedua mempuyai spesifikasi sebagai berikut :
• Banyaknya node : 19 • Banyaknya Cluster : 2 • Banyaknya Cluster Head : 2 • Banyaknya Base Station : 1 • Waktu Simulasi : 110 menit • Environment Zise : 100 x 100
Dan setelah di jalankan maka hasilnya ada pada gambar 4.3, gambar 4.4 dan gambar 4.5 analisanya akan di jelaskan di bawah ini.
Gambar 4.3. Sebelum pembentukan Cluster head(CH) dan BTS dimana node 0 dan 9 sebagai
CH dan node 18 sebagai BTS
Gambar 4.4. Sesudah pembentukan Cluster head(CH) dan BTS dimana node 0 dan 9 sebagai
CH dan node 18 sebagai BTS
Pada gambar 4.3 dan Gambar 4.4, semua node belum di ketahui mana sebagai node sensor, Cluster Head, dan BTS. Setelah di tetapkan maka node 0 sebagai Cluster Head pada pembentukan Cluster1 dan node 9 sebagai Cluster Head pada Cluster2 serta node 18 sebagai Base station. Setelah di padatkan cluster tersebut maka tiap-tiap node akan mengrim data ke Base station melalui tiap cluster head hal ini yang akan menghemat energi yang di perlukan saat proses penerimaan dan pengiriman data ke Base station.
4.4 Pengukuran dan Analisis Hasil Simulasi
Kualitas sistem yang akan diukur adalah banyaknya packet loss, rata-rata delay, besarnya throughput dan nilai energy rata-rata pada sistem. Keseluruhan hasil simulasi pada NS-2 tercatat pada file trace simulasi. File trace simulasi mencakup keseluruhan proses simulasi. Mulai dari proses pemilihan jalur, hingga proses pengiriman data dan banyaknya paket data yang gagal terkirim. File trace berisi ribuan baris. Semakin lama durasi simulasi, ukuran sebuah file trace dan jumlah baris akan semakin banyak. Untuk melakukan pengukuran kualitas sistem, digunakan bahasa pemrograman yang dinamakan GAWK. Program GAWK digunakan untuk melakukan proses pemilahan (parsing) pada file trace hasil simulasi NS-2.
Tabel 4.1 berisi tentang jumlah packet loss yang terjadi pada masing-masing hasil simulasi sesuai dengan banyaknya node.
Tabel 4.1. Jumlah Packet Loss yang Terjadi Pada Simulasi Banyaknya node Jumlah Packet Loss Jumlah Paket yang Terkirim 10 1 106 19 13 62
Tabel 4.2 berisi tentang besarnya rata-rata delay dari banyaknya node dan berikut ini hasil simulasinya
Tabel 4.2 Besarnya Rata-rata Delay Pada 10 node dan 19 node
Banyaknya Node Besarnya Rata-rata Delay (s)
10 0.21475
19 0.820984
Tabel 4.3 berisi tentang besarnya throughput yang didapat dari masing-masing simulasi. Dengan awk, maka besarnya throughput untuk masing-masing hasil simulasi adalah
:
Tabel 4.3 Nilai Throughput Pada Pada 10 node dan 19 node Banyaknya Node Throughput (Bps)
10 16100
19 160
Tabel 4.4 berisi tentang besarnya energy rata-rata yang didapat dari masing-masing simulasi. Dengan awk, maka besarnyaenergi rata-rata untuk masing-masing hasil simulasi adalah :
Tabel 4.4 Nilai Energi rata-rata Pada Pada 10 node dan 19 node Banyaknya Node Energi Rata-rata (J)
10 0.038113
19 0.105694
4.5 Perbandingan dan Analisis Hasil Simulasi Hasil analisis dan perbandingan antara LEACH 10 node dan LEACH 19 node mulai dari packet loss, delay rata-rata, Nilai Troughput dan energy rata-rata adalah sebagi berikut :
• Packet loss pada 10 node lebih baik dari pada 19 node packet loss terjadi Karena adanya banyaknya node, transaksi data (Sent atau receive) yang terjadi secara bersamaan, padatnya trafik dalam suatu jaringan, dsb
• Delay rata-rata yang terjadi pada 10 node dan 19 node selisihnya kecil ≤ 1s penyebab delay salah satuya adalah padatnya suatu jaringan yang menyebabkan antrian atau queue antara satu dengan data yang lain
• Nilai Throughput pada 10 node jauh lebih baik dari 19 node.
• Nilai Energi rata-rata pada 10 node juga lebih baik dalam effesiensi energy dari pada 19 node.
Jadi secara keseluruhan packet loss, delay rata-rata, Nilai Troughput dan energy rata-rata node 10 lebih baik dari pada node 19, penyebabnya seperti yang di jelaskan di atas antara lain, banyaknya node, banyaknya transaksi data, padatnya trafik, adanya antrian data pada saat satu node ke node yang lain, dll
V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan
Dari hasil analisis yang telah dilakukan, beberapa hal yang dapat disimpulkan adalah:
1. Semakin banyak node semakin besar packet loss yang terjadi pada suatu jaringan
2. Perbedaan yang sangat besar terjadi pada nilai throughput node 10 dan node 19
3. Energi rata-rata yang terjadi pada kedua node sangat effesien medota LEACH sangat berguna dalam hal jaringan terutama Energi yang diperlukan untuk transaksi data.
4. Besarnya delay rata-rata pada hasil simulasi relatif kecil dari kedua node tersebut.
5. Apabila terjadi kegagalan sistem pada beacon node, maka sistem tidak dapat berjalan dengan baik. 5.2 Saran
Berikut merupakan beberapa saran yang dapat diberikan :
1. Node yang digunakan untuk simulasi sebaiknya berjumlah lebih banyak agar analisis sistem lebih mendalam.
2. Membadingakan antara LEACH dengan protokol yang lain.
[1] Juhana Yrjola, Summary of Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsenso, 2005
[2] Dali Wei, Shaun Kaplan and H Anthony Chan, Energy Efficient Clustering Algorithms for Wireless Sensor Networks, 2008
[3] Wendi Rabiner Heizelman, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakrishnan, Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks, 2000 [4] Angga Galuh Pradana, “Implementasi Kolaborasi Node
Pada Sistem Kumunikasi Ad Hoc Multi Hop Berbasis Jaringan Sensor Nirkabel”, Tugas Akhir, Surabaya, 2009.
[5] Wikipedia, “Packet loss, Throughput, Delay dan Energy” <http://.wikipedia.org/wiki/>, diakses pada Mei 2010.
[6]
http://www.internetworkflow.com
, diakses padaMei 2010
[7] Quanhong Wang, Hassanein dan Kenan Xu, A Practical Perspective on Wireless SensorNetworks, 2005
[8]
http://www.isi.edu/nsnam/ns/doc/ns_doc.pdf
,diakses pada Mei 2010.
[9] Ya Xu, Solomon Bien, Yutaka Mori, John Heidemann, “Topology Control Protocols to Conserve Energy in Wireless Sensor Networks”, Dept. of Computer Science, UCLA,Los Angeles, 2003.
[10] Jamal N. Al-Karaki and Ahmed E. Kamal, “Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey”, Dept. of Electrical and Computer Engineering Iowa State University, Ames, Iowa, 2004.
[11] Holger Karl and Andreas Willig, “Protocols and Architectures For Wireless Sensor Networks”, John Wiley & Sons Ltd, England, 2005.
[12]
http://en.wikipedia.org/wiki/Low_Energy_Ada
ptive_Clustering_Hierarchy
, diakses pada Mei2010
BIODATA PENULIS
Muhammad Adi Permana, lahir di Surabaya pada tanggal 12 Desember 1983, Pada tahun 1996, penulis menamatkan pendidikan Sekolah Dasar di SDN Babatan IV, kemudian melanjutkan pendidikan di SLTPN 28 Surabaya dan selesai pada tahun 1999. Penulis menyelesaikan Pendidikan Sekolah Menengah Umum di SMU Luqman Al-Hakim Surabaya pada tahun 2002. Dengan anugerah Allah, penulis dapat melanjutkan studi D3 di PENS-ITS Jurusan Elektronika tahun 2002-2005 dan melanjutkan studi S1 PTN Institut Teknologi Sepuluh Nopember dengan mengambil Jurusan Teknik Elektro melalui program lintas jalur pada tahaun 2006. Penulis mengambil Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia.
