Simulasi dan Evaluasi Packet Data Loss Transmisi Video Pada Jaringan LTE (Long Term Evolution).

(1)

i Universitas Kristen Maranatha

SIMULASI DAN EVALUASI

PACKET DATA LOSS

TRANSMISI VIDEO PADA JARINGAN LTE ( LONG TERM

EVOLUTION )

Hilda Fitriany Zahara / 0422077

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Kristen Maranatha, Jl. Prof.Drg.Suria Sumantri, MPH no.65, Bandung, Indonesia.

Email : [email protected]

ABSTRAK

Jaringan nirkabel seperti Long Term Evolution ( LTE ) yang mempunyai spesifikasi lebar pita data sampai dengan 100 Mbps juga dapat mengalami hilangnya paket data dalam suatu transmisi data video. Melalui analisa loss pattern file, didapatkan karakteristik jaringan LTE dalam beberapa kondisi tingkat rugi – rugi.

Pada tugas akhir ini, akan dilakukan evaluasi degradasi kualitas video pada beberapa pola paket data yang hilang di jaringan LTE, dengan menggunakan beberapa skenario yang telah dibakukan oleh 3GPP. Evaluasi ini dilakukan dengan simulasi menggunakan simulator jaringan LTE Erricson dan Video Batch

Coder ( VBC ) dengan algoritma Perceptual Evaluation of Video Quality ( PEVQ ) untuk skoring tingkat degradasi nya.

Simulasi menunjukkan terdapat pola distribusi bursty, terjadi pada saat paket data hilang. Dibandingkan dengan model matematika Gilbert, pola yang dihasilkan model matematika Logaritma lebih menyerupai dengan pola yang dihasilkan oleh simulasi.

(2)

ii Universitas Kristen Maranatha

A SIMULATION AND EVALUATION OF PACKET DATA

LOSS TRANSMISSION VIDEO IN LTE ( LONG TERM

EVOLUTION ) NETWORK

Hilda Fitriany Zahara / 0422077

Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Maranatha Christian University,

Jl. Prof.Drg.Suria Sumantri, MPH No. 65, Bandung, Indonesia. Email : [email protected]

ABSTRACT

Wireless networks such as Long Term Evolution ( LTE ) specifications that have wide band up to 100 Mbps data may also experience loss of data packets in a transmission of video data. Through the analysis of loss pattern file will be obtained the LTE network characteristics in some circumstances the level of losses.

In this final project, will be evaluated the degradation of video quality in some of the patterns of missing data packets in the LTE network by using several scenarios that have been standardized by 3GPP. This evaluation is done by simulation using the LTE network simulator of Erricson and Video Batch Coder ( VBC ) with the algorithm Perceptual Evaluation of Video Quality ( PEVQ ) for scoring the level of its degradation.

The results show that the distribution patterns are bursty in the event of packet data loss. Compared with Gilbert mathematical model, the pattern indicates that the pattern of mathematical models Logarithmic is more similar to the pattern that is produced by simulation.

(3)

iii Universitas Kristen Maranatha

1.2 Perumusan Masalah ...2

1.3 Tujuan ...2

1.4 Pembatasan Masalah ...3

1.5 Metodologi Penelitian ...3

1.6 Sistematika Penulisan ...3

BAB II LANDASAN TEORI ...4

2.1 Pengenalan Long Term Evolution ( LTE ) ...4

2.2 Teknologi dan sistem modulasi pada LTE...5

2.2.1 OFDM ...5

2.2.2 SC-FDMA ...7

2.2.3 Antena SIMO dan MIMO ...8

2.3 Arsitektur Jaringan LTE ...9

2.3.1 eNodeB ...10

2.3.2 Mobility Management Entity ( MME ) ...11

2.3.3 Serving Gateway ( SGW ) ...11

2.3.4 Home Subscriber Server ( HSS ) ...11

2.3.5 Packet Data Network Gateway ( PDN Gateway ) ...11

(4)

iv Universitas Kristen Maranatha

BAB III PENGATURAN SIMULASI SISTEM ...17

3.1 Skenario Jaringan ...17

3.2 Pengaturan Simulasi Jaringan ...19

3.2.1 Pengaturan Umum ...20

3.2.2 Pengaturan pada User ( pelanggan ) ...21

3.2.3 Pengaturan Video ...21

3.2.4 Pengaturan Video Batch Coder ...22

3.3 Simulator Jaringan ...23

BAB IV EVALUASI SIMULASI TRANSMISI VIDEO ...26

4.1 Hasil Simulasi Transmisi Paket Data ...28

4.1.1 Packet Loss Pattern ( Pola Paket Data yang Hilang ) ...28

4.1.2 Pembandingan Evaluasi dengan Model Matematika ...31

4.2 Hasil Simulasi Transmisi Video dan Evaluasi dengan VBC ( Video Batch Coder ) ...33

4.2.1 PEVQ ...35

4.2.2 Hasil Analisa VBC ...37

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...40

5.1 Kesimpulan ...40

5.2 Saran ...40

(5)

v Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR TABEL

TABEL 3.1 Standar Skenario simulasi jaringan 3GPP ...18

TABEL 3.2 Pengaturan pada User Equipment ...21

TABEL 3.3 Pengaturan Video ...22

TABEL 3.4 Pengaturan Video Batch Coder ...22

TABEL 4.1 Kontribusi data yang hilang ( persen ) pada panjang data n dan loss rate 1% ...28

(6)

vi Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR GAMBAR

GAMBAR 2.1 Evolusi teknologi telemomunikasi nirkabel ...4

GAMBAR 2.2 Skema dasar OFDM ...6

GAMBAR 2.3 Sistem Antena SIMO ...8

GAMBAR 2.4 Sistem Antena MIMO ...8

GAMBAR 2.5 Perbandingan skema jaringan UTRAN dan Evolved UTRAN .9 GAMBAR 2.6 Arsitektur jaringan LTE ...10

GAMBAR 3.1 Skema sederhana simulator jaringan LTE ...23

GAMBAR 3.2 Arsitektur sederhana transmisi video pada jaringan LTE menggunakan Simulator Jaringan LTE ...24

GAMBAR 4.1 Packet Loss Pattern ( pola datang yang hilang ) pada 1% loss rate untuk antena SIMO dan MIMO ...28

GAMBAR 4.2 Packet Loss Pattern ( pola datang yang hilang ) pada 5% loss rate untuk antena SIMO dan MIMO ...29

GAMBAR 4.3 Packet Loss Pattern ( pola datang yang hilang ) pada 10% loss rate untuk antena SIMO dan MIMO ...30

GAMBAR 4.4 Grafik perbandingan hasil simulasi dengan loss rate 5% dengan model matematika Gilbert dan Logaritma ...32

GAMBAR 4.5 Grafik perbandingan hasil simulasi dengan loss rate 10% dengan model matematika Gilbert dan Logaritma ...33

GAMBAR 4.6 Diagram cara kerja VBC ...34

GAMBAR 4.7 Grafik korelasi antara PEVQ score dengan tingkat hilangnya paket data pada suatu transmisi data ...36

(7)

vii Universitas Kristen Maranatha GAMBAR 4.9 Grafik Perbandingan PEVQ score antara simulasi data dengan

model matematika Gilbert dan Logaritma pada klip video pertandingan olahraga ...38 GAMBAR 4.10 Grafik Perbandingan PEVQ score antara simulasi data dengan

model matematika Gilbert dan Logaritma pada

(8)

(9)

Lampiran

Lampiran A :

Model Matematika Gilbert dan Logaritma pada bahasa pemrograman MATLAB

Implementation of the Gilbert Model

function PYkmod = GilbertModel(lossPattern)

p01 = sum(lossPattern.BurstLengths)/length(lossPattern.Pattern);

s = 0;

for i = 1:length(lossPattern.BurstLengths) s = s + (i-1)*lossPattern.BurstLengths(i); end

nrLostPackets = 0;

for i = 1:length(lossPattern.BurstLengths)

nrLostPackets = nrLostPackets + (i)*lossPattern.BurstLengths(i); end

p11 = s/(nrLostPackets - 1);

p10 = 1 - p11;

P1 = p01/(p01 + p10);

P0 = p10/(p01 + p10);

PYkmod = zeros(1,length(lossPattern.BurstLengths));

for i = 1:length(lossPattern.BurstLengths) PYkmod(i) = (p11^(i-1))*p10;

(10)

Lampiran

Implementation of the Logarithmic Model

function PYkmod = LogModel(lossPattern) nrLostPackets = 0;

mean = nrLostPackets/sum(lossPattern.BurstLengths);

teta = fzero(@(x) myfun(x,mean), 0.5);

PYkmod = zeros(1,length(lossPattern.BurstLengths));

for i = 1:length(lossPattern.BurstLengths) PYkmod(i) = ((-1/log(1-teta))*teta^(i))/i; end

end

where myfun is a Matlab function containing the desired mathematical function:

function f = myfun(x,c) f = ((-1/log(1-x))*x)/(1-x) - c;

(11)

Lampiran

(12)

Lampiran

Lampiran B :

Implementasi Pola Paket Data Model Matematika Gilbert dan Logaritma

Implementation of the Pattern from the Gilbert Model

function GilbertPattern = createGilbPattern(lossPattern) gilbertPattern = zeros(1,length(lossPattern.Pattern));

p01 = sum(lossPattern.BurstLengths)/length(lossPattern.Pattern);

s = 0;

for i = 1:length(lossPattern.BurstLengths) s = s + (i-1)*lossPattern.BurstLengths(i); end

nrLostPackets = 0;

p11 = s/(nrLostPackets - 1);

p10 = 1 - p11;

gilbertPattern(1) = 0; %we assume the first packet has been succesfully

received

for i = 2:length(gilbertPattern) r = rand(1);

if (gilbertPattern(i-1) == 0) if (r <= p01)

(13)

Lampiran

GilbertPattern = testPattern(gilbertPattern)

End

Implementation of the Pattern from the Logarithmic Model

function LogPattern = createLogPattern(lossPattern) logPattern = zeros(1,length(lossPattern.Pattern));

PYkmod = LogModel(lossPattern);

PYkmodRel = PYkmod * (lossPattern.PercentLosses/100);

okmod = PYkmod*sum(lossPattern.BurstLengths);

logPattern(1) = 0; %we assume the first packet has been succesfully received

for i = 2:length(logPattern)

if (sum(logPattern(1:i)) >= lossPattern.NrLostPackets) break

end

if (logPattern(i) == 0) if (logPattern(i-1) == 1) logPattern(i) = 0;

else r1 = rand(1);

if (r1 > (lossPattern.PercentLosses/100)) logPattern(i) = 0;

else

if ((r1 > sum(PYkmodRel)) && (r1 <= (lossPattern.PercentLosses/100))) disp(['Gap probability at packet ' num2str(i)])

end

if (r1 <= PYkmodRel(1)) logPattern(i) = 1;

else

for j = 2:length(PYkmodRel)

(14)

1 Universitas Kristen Maranatha

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Semakin tingginya mobilitas dalam aktivitas manusia mengakibatkan

pesatnya kebutuhan akan mobilitas komunikasi, dan telepon genggam merupakan

pilihan terbanyak untuk memenuhi kebutuhan tersebut. Telekomunikasi nirkabel

saat ini bukan hanya mencakup sms ( short messaging service ), komunikasi suara

dan menjelajah internet saja.

Konten – konten berbasis multimedia dengan kebutuhan transfer data

tinggi juga sudah menjadi kebutuhan krusial dalam mobilitas telekomunikasi.

Salah satu konten multimedia dengan kebutuhan transfer data tinggi adalah

konten berbasis video. Bila sebelumnya pengguna jasa ( end-user )

telekomunikasi hanya bisa berinteraksi dengan komunikasi suara, maka

komunikasi video merupakan suatu terobosan penting dalam evolusi dunia

telekomunikasi.

Komunikasi dalam bentuk video atau lebih sering disebut video

streaming memberikan suatu kelebihan untuk end-user dari segi informasi yang

diterima dan video streaming kemudian menjadi tendensitas dalam kebutuhan

komunikasi nirkabel.

Video streaming pada saluran transmisi nirkabel merupakan suatu

tantangan besar karena untuk bisa melakukan pengiriman data secara baik,

dibutuhkan bandwidth yang sangat besar dengan tingkat latency yang kecil. LTE

( Long Term Evolution ) sebagai teknologi terobosan telekomunikasi memberikan

solusi untuk kebutuhan transmisi video streaming.

LTE adalah generasi ke – 4 dari sistem jaringan telekomunikasi nirkabel

(15)

Bab I Pendahuluan

2 Universitas Kristen Maranatha merupakan jaringan telekomunikasi nirkabel yang berbasis All – IP, kanal suara

yang sebelumnya dipakai pada jaringan telekomunikasi generasi ke – 3 tidak lagi

dipakai pada jaringan LTE. Semua bentuk data yang akan ditransmisikan terlebih

dahulu dikonversikan ke dalam paket – paket data IP ( Internet Protocol ) untuk

kemudian dikirim melalui jaringan LTE.

LTE merupakan penyempurnaan dari teknologi UMTS ( Universal

Mobile Telecommunicaton System ). Dengan kecepatan data transfer 100 Mbps

pada downlink dan 50 Mbps pada uplink, LTE dapat memberikan pemenuhan

kebutuhan akan transfer data dalam bentuk konten multimedia dengan sangat

cepat dan minim error serta losses.

Dalam Tugas Akhir ini akan dibuat evaluasi terhadap performansi

transfer data video pada simulasi jaringan LTE. Indikator performansi transfer

data pada jaringan LTE dievaluasi menggunakan beberapa parameter seperti :

frame rate, transfer rate, codec, dan frame format resolution.

I.2 Perumusan Masalah

Bagaimana karakteristik dan evaluasi packet data loss pada simulasi

transmisi video pada jaringan LTE ( Long Term Evolution )

I.3 Tujuan

1. Melakukan simulasi untuk mendapatkan perbandingan karakteristik

antara packet data original dengan packet data hasil transmisi

melalui video streaming pada jaringan LTE menggunakan Network

Simulator.

2. Melakukan evaluasi pada parameter video streaming menggunakan

(16)

Bab I Pendahuluan

3 Universitas Kristen Maranatha I.4 Pembatasan Masalah

1. Menggunakan Simulator Jaringan LTE dan Video Batch Coder

( VBC )

2. Data yang di-evaluasi adalah data hasil simulasi.

I.5 Metodologi Penelitian

1. Studi Literatur

2. Perancangan dan Uji Coba Simulasi

I.6 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

Bab I : Pendahuluan

Bab ini menguraikan tentang latar belakang, perumusan masalah,

tujuan,pembatasan masalah, dan sistematika penulisan dalam Tugas Akhir ini.

Bab II : Landasan Teori

Bab ini membahas mengenai definisi LTE ( Long Term Evolution ) dan

transmisi data pada jaringan telekomunikasi khususnya konten video. Pada

Bab ini juga dipaparkan mengenai spesifikasi teknis dari LTE, konten video,

simulator jaringan, dan Video Batch Coder.

Bab III : Simulasi Sistem

Bab ini membahas mengenai simulasi pengiriman data konten video melalui

jaringan LTE.

Bab IV : Evaluasi Data

Bab ini membahas mengenai evaluasi kualitas konten video yang diterima

melalui simulasi jaringan LTE dan membuat model matematikanya.

Bab V : Penutup

Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran berdasarkan hasil evaluasi data

(17)

BAB V

Kesimpulan dan Saran

V.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang didapat dari hasil evaluasi terhadap simulasi transmisi data

video pada jaringan LTE dengan menggunakan Simulator Jaringan LTE dan

Video Batch Coder adalah sebagai berikut :

1. Pola paket data yang hilang pada jaringan LTE memiliki karakteristik

bursty pada saat terjadi hilangnya paket data.

2. Hasil simulasi jaringan LTE mempunyai karakteristik lebih menyerupai

model matematika logaritma.

3. Karakteristik penurunan kualitas data video pada suatu transmisi melalui

jaringan yang disimulasikan menggunakan VBC, lebih menyerupai dengan

karakteristik model matematika logaritma.

V.2 Saran

Beberapa pengembangan yang dapat dijadikan saran untuk tugas akhir ini adalah

sebagai berikut :

1. Untuk mendapatkan karakteristik jaringan yang lebih akurat, perlu

dilakukan evaluasi berdasarkan pola delay dari transmisi selain pola paket

data yang hilang.

2. Perlu dilakukan simulasi dan evaluasi terhadap transmisi paket data video

(18)

41 Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR PUSTAKA

[1] “3rd

Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio

Access Network; Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and

Evolved UTRAN( E – UTRAN ) ( Release 8 )”, 3GPP, 3GPP TR

25.913, available at http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/25913.htm

[2] “3rd

Generation Partnership Project; Technical Specification Group

Services and System Aspects; Service requirements for the Evolved

Packet System ( EPS ) ( Release 9 )”, 3GPP, 3GPP TS 22.278, available

at http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/22278.htm

[3] “3rd

Access Network ; E-UTRA Radio Resource Control ( RRC ); Protocol

specification ( Release 9 )”, 3GPP TS 36.331, available at

http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36331.htm

[4] “3rd

Access Network; E-UTRA Packet Data Convergence Protocol ( PDCP )

specification ( Release 8 )”, 3GPP, 3GPP TS 36.323, available at

[5] “3rd

Access Network; E-UTRA Radio Link Control ( RLC ) protocol

[6] “3rd

Access Network; E-UTRA Medium Access Control ( MAC ) protocol

(19)

Daftar Pustaka

[7] “3rd

Access Network; E-UTRA; Physical Channels and Modulation

( Release 8 )”, 3GPP, 3GPP TS 36.211, available at

[8] “3rd

Generation Partnership Project; Technical Specification Group

Services and System Aspects; Network architecture ( Release 9 )”, 3GPP,

3GPP TS 23.002, available at

[9] “3rd

Access Network; Physical layer aspects for evolved Universal Terrestrial

Radio Access ( UTRA ) ( Release 7 )”, 3GPP, 3GPP TR 25.814,

available at http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html- info/25814.htm

[10] Anders Furuskär, E. Dahlman , S. Parkvall, Next generation LTE,

LTE-Advanced, Ericsson Review, February 2010

[11] D. Douglas and G. Runger, Applied Statistics and Probability for

Engineers, Wiley, 2006, ISBN 0-471-74589-8

[12] E. Dahlman, S. Parkvall, J. Sköld and P. Beming, 3G Evolution. HSPA

and LTE for Mobile Broaband, Elsevier International, 2007, ISBN

9780123725332

[13] H. Sanneck and G. Carle, “A Framework Model for Packet Loss Metrics

Based on Loss Runlengths”, in SPIE/ACM SIGMM Multimedia

Computing and Networking Conference, January 2000

[14] Long Term Evolution: Simplify the Migration to 4G Networks, Cisco

System International, 2010

[15] Long Term Evolution ( LTE ): A Technical Overview, Motorola,

Technical White Paper, 2007

[16] LTE – a 4G solution, Ericsson White Paper, 284 23-3153 Uen, April

2011

[17] Per Beming, Lars Frid, Göran Hall, Peter Malm, Thomas Noren, Magnus

Olsson and Göran Rune, LTE-SAE architecture and performance,

(20)

Daftar Pustaka

[18] Sridhar Vadlamudi, LTE Perspective, Ericsson Inc. India, May 2010

[19] Gerhard Fritze, SAE – The Core Network for LTE, Ericsson Austria

GmbH, April 2008

[20] PEVQ. Advanced Perceptual Evaluation of Video Quality, Opticom

GmbH, Germany, White Paper, 2006

[21] Y. Liang, J. Apostolopoulos and B. Girod, “Analysis of Packet Loss for

Compressed Video: Effect of Burst Losses and Correlation Between

Error Frames”, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video

Technology, Vol. 18, No. 7, July 2008

[22] W. Jiang and H. Schulzrinne, “Modeling of Packet Loss and Delay and

Their Effect on Real-Time Multimedia Service Quality, Columbia

University

[23] V. Markovski, F. Xue and L. Trajkovic, “Simulation and analysis of

packet loss in video transfers using User Datagram Protocol”, Simon