BAB II DASAR TEORI - Teknik Penjadwalan Berbasis Fitur Subjektif pada WiMAX untuk Layanan Video on Demand

BAB II

DASAR TEORI

2.1Umum

Bab ini menjelaskan sekilas tentang teknologi Worldwide Interoperability

Microwave Acces (WiMAX), teknik penjadwalan pada jaringanWiMAX, sistem

video on demand (VoD), parameter pengukuran kinerja teknik penjadwalan dan

penjelasan software yang digunakan.

2.2Worldwide Interoperability Microwave Acces (WiMAX)

Worldwide Interoperability Microwave Acces (WiMAX) didefinisikan

sebagai standar teknologi yang memungkinkan broadband wireless acces (BWA)

sebagai alternatif teknologi broadband kabel atau DSL. WiMAX menyediakan

layanan fixed, nomadic, portable, dan mobile untuk koneksi wireless dengan

kondisi line of-sight (LOS) maupun Non Line-of-sight (NLOS) dengan sel radius

3-10 km. WiMAX memberikan kapasitas layanan hingga 40 Mbps per channel

untuk layanan fixed dan portable. Sementara layanan mobile menyediakan hingga

15 Mbps dalam radius 3 km [4].

Secara umum sistem WiMAX terdiri dari Base Station (BS), Subsriber

Station (SS) dan back-end server, seperti Network Management System (NMS).

Konfigurasi WiMAX diperlihatkan pada Gambar 2.1. SubsriberStation terletak di

lingkungan pelanggan, fixed maupun mobile. Base Station umumnya terletak satu

Gambar 2.1 Konfigurasi Jaringan WiMAX [4]

2.2.1 Standarisasi WiMAX

Standar WiMAX mengacu pada standar Institue of Electrical and

Electronics Engineering (IEEE) 802.16. Standar ini dikembangkan lebih lanjut

oleh forum gabungan antar perusahaan-perusahaan terkait dalam WiMAX

FORUM. Forum ini memastikan kemampuan interoperability perangkat

perangkat broadband wireless acces (BWA) yang akan diproduksi.

Secara sederhana perkembangan standar WiMAX IEEE 802.16 dapat

diuraikan sebagai berikut [5].

a. IEEE 802.16

Standar ini mengatur pemanfaatan di rentang frekuensi 10–66 GHz.

Aplikasi yang mampu didukung pada standar ini baru sebatas dalam kondisi

Line of Sight (LOS).

b. IEEE 802.16a

Standar ini menggunakan rentang frekuensi 2–11 GHz, dapat digunakan

untuk layanan Non Line of Sight (NLOS). Standar ini difinalisasi pada Januari

Terdapat 3 spesifikasi pada physical layer di dalam IEEE 802.16a, yaitu :

- Wireless MAN-SC: menggunakan format modulasi single carrier.

- Wireless MAN-OFDM: menggunakan Orthogonal Frequency Division

Multiplexing (OFDM) dengan 256 point Fast Fourier Transform (FFT).

- Wireless MAN-OFDMA: menggunakan Orthogonal Frequency Division

Multiple Access (OFDMA) dengan 2048 point FFT.

c. IEEE 802.16d

Merupakan standar yang berbasis IEEE 802.16 dan IEEE 802.16a dengan

beberapa perbaikan. IEEE 802.16d juga dikenal sebagai IEEE 802.16-2004.

Frekuensi yang digunakan sampai 11 GHz. Standar ini telah difinalisasi pada

24 Juni 2004. Terdapat dua pilihan dalam transmisi pada IEEE 802.16d yaitu

Time Division Duplex (TDD) maupun Frequency Division Duplex (FDD).

d. IEEE 802.16e

Standar ini memenuhi kapabilitas untuk aplikasi portability dan mobility.

Standar ini telah difinalisasi di akhir tahun 2005. Berbeda dengan standar

sebelumnya, maka antara standar IEEE 802.16d dan IEEE 802.16e tidak bisa

dilakukan interoperabilitas sehingga diperlukan hardware tambahan bila akan

mengoperasikan IEEE 802.16e.

Sampai saat ini, standar WiMAX yang dikenal adalah 2 tipe standar yaitu

IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004) untuk aplikasi fixed (tetap) dan standar IEEE

802.16e (IEEE 802.16-2005) untuk aplikasi portable dan mobile. Karakteristik

Tabel 2.1 Perbandingan Standar IEEE 802.16

Standar 802.16 802.16d 802.15e

Status Selesai pada

Desember 2001 Selesai pada Juni 2004

Selesai pada Desember

Konfigurasi jaringan WiMAX secara umum dibagi menjadi 2 bagian yaitu

lingkungan pelanggan, sedangkan Base Station terletak satu lokasi dengan

jaringan operator. Aliran trafik pada WiMAX mengikuti proses seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.2 [4].

- Subsriber Station mengirimkan permintaan bandwidth ke Base Station jika

memiliki trafik untuk dikirimkan.

- Base Station akan menerima permintaan bandwidth, untuk kemudian

memberi alokasi kanal kepada Subscriber Station.

- Alokasi kanal tersebut diinformasikan melalui kanal downlink di bagian

mapping pada Base Station.

- Subscriber Station membaca alokasi kanal yang diberikan dan mengirim

trafik sesuai dengan alokasi yang diberikan oleh Base Station.

- Base Station akan meneruskan data trafik yang dikirimkan oleh Base Station

ke jaringan yang digunakan, dalam hal ini yaitu Internet Service Provider

(ISP) melalui switching center.

2.2.3 Lapisan Fisik (Phy Layer) pada WiMAX

Lapisan fisik (PhyLayer) berfungsi untuk membangun koneksi fisik antara

pengirim dan penerima melalui dua jalur komunikasi (uplink dan downlink).

WiMAX merupakan teknologi digital sehingga lapisan fisik bertanggung jawab

dalam pentransmisian urutan bit. Lapisan ini juga menentukan jenis sinyal yang

digunakan, jenis modulasi dan demodulasi, daya transmisi, dan juga karakteristik

fisik lainnya [5].

Lapisan fisik WiMAX bekerja berdasarkan pada teknologi Orthogonal

Frequency Division Multiplexing (OFDM). OFDM termasuk kedalam teknik

transmisi modulasi multicarrier, dimana aliran data serial laju bit tinggi dibagi

kedalam beberapa aliran data paralel dengan laju bit rendah. Masing-masing aliran

data paralel ini dimodulasikan pada carrier yang terpisah-pisah yang disebut

sebagai subcarrier, subcarrier tersebut diatur orthogonal satu dengan yang lain

selama durasi simbol untuk mengeliminasi interferensi antar simbol [5].

2.2.4 Struktur Slot dan Frame pada WiMAX

Lapisan fisik WiMAX juga bertanggung jawab untuk pengalokasian slot

dan frame. Waktu dan frekuensi minimum yang dialokasikan oleh sistem

WiMAX pada sebuah link transmisi disebut dengan slot. Urutan dari slot

berdampingan yang diberikan kepada user dinamakan region data, alogoritma

penjadwalan mengalokasikan region data untuk user yang berbeda berdasarkan

pada kebutuhan QoS dan kondisi kanal [5].Gambar 2.3 menunjukan struktur slot

dan frame pada WiMAX.

Suatu frame OFDM dapat beroperasi pada mode TDD (Time Division

beroperasi pada mode TDD, frame tersebut dibagi kedalam dua subframe, satu

subframe downlink dan satu subframe uplink [5]. Proses framing TDD bersifat

adaptif, dimana bandwidth yang dialokasikan untuk downlink dengan uplink dapat

berubah [5].

Gambar 2.3 Struktur Slot dan Frame pada WiMAX [5]

WiMAX juga mendukung frequency Division Duplexing (FDD), dimana

struktur frame adalah sama, kecuali pada downlink dan uplink yang ditransmisikan

secara simultan melalui carrier yang berbeda. Pada mode FDD, kanal uplink dan

downlink dialokasikan pada frekuensi yang berbeda [5].

Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3, subframe downlink dimulai dengan

sebuah downlink premble yang digunakan sebagai prosedur lapis fisik seperti

sinkronisasi waktu dan frekuensi. Downlink preamble diikuti oleh frame control

header (FCH) yang memberikan informasi konfigurasi frame seperti panjang

paket, skema modulasi dan pengkodean. Satu frame downlink tunggal dapat terdiri

dari beberapa burst berbeda ukuran dan jenis yang membawa data untuk beberapa

pengguna. Ukuran frame juga bervariasi dan setiap burst dapat mengandung

Subframe uplink terbuat dari beberapa burst uplink dari user yang berbeda.

Sebagian subframe uplink disisihkan untuk akses yang bersifat contention yang

akan digunakan untuk berbagai macam keperluan. Subframe ini biasa digunakan

sebagai kanal ranging, yaitu kanal untuk sinkronisasi simbol dan ekualisasi level

daya diantara user yang aktif.

2.2.5 Lapisan MAC pada WiMAX

Lapisan MAC (Medium Access Control) berfungsi memberikan interface

antara transport layer dengan phy layer pada WiMAX. Lapisan MAC akan

mengambil paket dari lapisan di atasnya, paket ini dinamakan MAC service data

unit (MSDU) dan mengatur paket ini menjadi MAC protocol data unit (MPDU)

untuk transmisi pada bagian pengirim. Untuk bagian penerima, lapisan MAC

melakukan hal yang sebaliknya [5]. Lapisan MAC pada WiMAX diperlihatkan

pada Gambar 2.4.

Beberapa fungsi lainnya dari lapis MAC adalah [1]:

- Memilih profil burst dan level daya yang sesuai untuk transmisi MAC PDU.

- Melakukan retransmisi MAC PDU yang rusak ketika automatic repeat request (ARQ) digunakan.

- Mengatur kualitas pelayanan (QoS) dan skema prioritas untuk MAC PDU.

- Mengatur fungsi sekuritas (keamanan) dan mengatur operasi penghematan daya.

2.2.6 Mekanisme Akses Kanal pada WiMAX

Lapis MAC bertanggung jawab untuk alokasi bandwidth kepada semua

user baik untuk uplink maupun downlink. Semua penjadwalan pada uplink dan

downlink diatur oleh MAC pada Base Station (BS). Standar WiMAX mendukung

mekanisme dimana user dapat meminta dan mendapatkan bandwidth uplink

bergantung pada kualitas pelayanan (QoS) tertentu dan parameter yang berkaitan

dengan pelayanan [5].

Mekanisme ini disebut dengan polling. BS mengalokasikan resource

jumlah bandwidth yang ada secara dedicated ataupun shared kepada setiap user,

yang nantinya dapat digunakan oleh user untuk meminta bandwidth. Polling dapat

dilakukan baik secara individu (unicast) maupun secara berkelompok (multicast).

Polling secara multicast dilakukan ketika bandwidth yang diperlukan tidak

mencukupi untuk melakukan poll setiap user secara individual. Ketika polling

dilakukan secara multicast, slot yang dialokasikan untuk melakukan permintaan

bandwidth adalah sebuah slot bersama (shared), dimana setiap user akan berusaha

2.2.7 Quality of Service (QoS) pada WiMAX

Quality of Service (QoS) atau sering disebut kualitas layanan adalah

kemampuan suatu jaringan untuk menyediakan pelayanan yang berbeda-beda

kepada jenis trafik jaringan tertentu. Tujuan akhir dari QoS adalah memberikan

network service yang lebih baik dan terencana dengan bandwidth yang dapat

diatur sesuai dengan aplikasi yang digunakan dan layanan yang diharapkan [5].

Pada jaringan WiMAX, fungsi pengaturan QoS dijalankan oleh Medium

Access Control (MAC). QoS pada WiMAX menggunakan arsitektur MAC

connection-oriented, yaitu semua koneksi downlink dan uplink akan dikendalikan

oleh Base Station (BS). Sebelum transmisi data dilangsungkan, BS dan SS akan

membentuk link satu arah untuk koneksi antara MAC layer. Setiap koneksi

diidentifikasikan dengan sebuah connection identifier (CID) yang menjadi alamat

sementara untuk transmisi data pada link tertentu [5].

Berdasarkan sifat pelayanannya maka QoS pada WiMAX dikelompokkan

menjadi lima jenis, yaitu: [5]

a. Unsolicited Grant Service (UGS)

Didesain untuk mendukung penggunaan layanan pada ukuran paket data

tetap (fixedsize) dengan laju bit konstan. QoS ini efektif untuk layanan yang

sensitif terhadap throughput, latency dan jitter. Contoh penggunaan layanan

QoS ini yaitu pada aplikasi T1/E1 dan VoIP tanpa silence supression.

b. Real-Time Polling Service (rtPS)

Didesain untuk mendukung layanan real-time dengan laju bit variabel

seperti aplikasi video MPEG dan video streaming yang menggunakan ukuran

throughput dan latency namun dengan toleransi yang lebih longgar

dibandingkan dengan UGS.

c. Non-Real-Time Polling Service (nrtPS)

Didesain untuk mendukung aliran data yang bersifat toleransi terhadap

delay dan membutuhkan aliran data dengan ukuran variabel non-real time dan

laju minimum. QoS ini efektif untuk aplikasi yang membutuhkan throughput

yang intensif seperti pada FTP (File Transfer Protocol).

d. Best-Effort (BE) Service

Didesain untuk mendukung aliran data yang tidak memerlukan jaminan

pelayanan minimum, seperti web browsing dan email. QoS ini tidak

memberikan garansi terhadap laju data dan delay.

e. Extended Real-Time Variable Rate (ERT-VR) Service

Didesain untuk mendukung aplikasi real-time yang mempunyai laju data

variabel dan memerlukan jaminan terhadap throuhgput dan delay, seperti

VoIP dengan silence supression.

2.3Teknik Penjadwalan Pada WiMAX

Teknik penjadwalan adalah suatu metode akses yang digunakan untuk

alokasi trafik permintaan bandwidth user pada jaringan WiMAX 801.16 [2].

Teknik penjadwalan adalah suatu cara yang digunakan pada base station (BS)

untuk menentukan urutan pelayanan terhadap user yang telah melakukan

permintaan trafik. Teknik penjadwalan pada dasarnya bergantung terhadap

layanan aplikasi yang memanfaatkannya dan tidak didefinisikan secara baku oleh

Beberapa teknik penjadwalan yang dapat digunakan pada WiMAX adalah

Round Robin (RR), First In First Out (FIFO), maximum Signal to Noise Ratio

(mSNR), Proportional Fair (PF) [3], Maximum Proportional Constraints

Algorithm (MPCA) [6], Bandwidth Assignment Based on SNR (BABS)[7].

Penjadwalan RR mengalokasikan bandwidth pada user berdasarkan urutan

yang tetap. Sedangkan penjadwalan FIFO memberi prioritas bandwidth untuk

user berdasarkan waktu kedatangan. Penjadwalan mSNR menggunakan teknik

cross-layer untuk koneksi jamak dengan memanfaatkan informasi dari signal to

noise ratio (SNR) dan akan mengalokasikan kanal pada user berdasarkan tingkat

maksimum dari SNR. Teknik penjadwalan PF merupakan pengembangan dari

teknik mSNR yang mampu meningkatkan performansi jaringan dari segi fairness

dan delay, tetapi menurunkan troughput sistem [3]. Prinsip dasarnya adalah

mengalokasikan permintaan user berdasarkan jumlah tingkat SNR per satuan

waktu tertentu.

Teknik penjadwalan MPCA mengalokasikan kanal pada user berdasarkan

jenis layanan trafik permintaan, teknik penjadwalan ini tidak sesuai untuk jenis

trafik yang heterogen [6]. Sedangkan teknik penjadwalan BABS menggunakan

persyaratan tingkat SNR rata-rata dari setiap user dan jumlah besar paket yang

diminta oleh user untuk menentukan kanal dan alokasi bandwidth yang akan

diberikan [7].

Selain yang telah disebutkan diatas, masih terdapat beberapa teknik

scheduling yang digunakan pada jaringan WiMAX seperti Weighted Round Robin

(WRR) dan Deficit Round Robin (DRR), kedua teknik tersebut merupakan

bergantung pada frekuensi permintaan yang datang dari user. Beberapa teknik

penjadwalan lainnya yang digunakan pada WiMAX yaitu Earliest Deadline First

(EDF) yang bekerja berdasarkan permintaan yang datang dari user dengan tenggat

waktu terpendek dan juga Weighted Fair Queuing (WFQ) yang menggunakan

modifikasi FIFO untuk memproses permintaan berdasarkan kapasitas antrian user.

Teknik penjadwalan seperti EDF dan WFQ tidak sesuai untuk aplikasi dengan

trafik seragam seperti aplikasi Video on demand [3].

Banyak teknik penjadwalan yang didesain untuk berbagai aplikasi

menggunakan jaringan WiMAX. Contohnya pada [8], teknik yang diajukan

adalah untuk aplikasi voice over internet protocol (VoIP). Sedangkan pada [9]

teknik penjadwalan didesain untuk aplikasi internet protocol based television

(IPTV). Untuk layanan aplikasi video, jenis paket menjadi penting disebabkan

oleh video codec membangkitkan frame dengan prioritas yang berbeda. Teknik

penjadwalan yang didesain untuk aplikasi video diajukan pada [10], yaitu teknik

penjadwalan berbasis frame (Frame Based).

2.4Sistem Video on Demand

Video on demand adalah sistem video interaktif berbasis pada jaringan

internet yang memberi kebebasan kepada user untuk mengontrol atau memilih

sendiri pilihan video yang ingin ditonton [1]. Secara umum sistem video on

demand diperlihatkan pada Gambar 2.5.

Video on demand merupakan sebuah istilah penyajian video yang bisa

diakses secara online melalui jaringan. Video bisa disajikan langsung secara

streaming atau di download. Fungsi video on demand layaknya seperti video

ditayangkan [11]. Salah satu hal yang ingin dicapai dari industri komunikasi video

on demand adalah memberikan kontrol penuh terhadap para penggunanya.

Gambar 2.5 Sistem Video on demand [10]

2.5Parameter Pengukuran Kinerja

Parameter pengukuran kinerja untuk teknik penjadwalan yang digunakan

pada Tugas Akhir ini yaitu Peak Signal to Noise Ratio (PSNR), Packet Loss, dan

Network utility.

2.5.1 Peak Signal to Noise Ratio

Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) adalah perbandingan antara nilai

maksimum dari sinyal yang diukur terhadap besarnya derau yang mempengaruhi

sinyal tersebut. Nilai PSNR biasanya diukur dalam satuan decibel (dB). Untuk

menentukan PSNR, terlebih dahulu ditentukan nilai Mean Square Error (MSE),

diamana MSE adalah nilai error kuadrat rata-rata antara gambar asli dan gambar

penyisipan dalam kasus video [12].

Peak Signal to Noise Ratio merupakan parameter untuk mengukur kualitas

kompresi dengan video aslinya. Nilai PSNR ditentukan oleh besar atau

kecilnya perubahan yang terjadi pada video [12].

Dalam data video yang terdiri dari beberapa gambar, suatu pengembangan

dan pelaksanaan rekonstruksi gambar diperlukan perbandingan antara gambar

hasil rekonstruksi dengan gambar asli. Nilai PSNR yang lebih tinggi

mengindikasikan kemiripan yang lebih erat antara hasil rekonstruksi dan gambar

asli. Besaran PSNR didefinisikan sebagai berikut [12].

( ) (1)

MSE didefinisikan sebagai berikut [11].

∑ ∑ ( ) (2)

Dimana x dan y adalah koordinat dari gambar, sedangkan M dan N adalah

dimensi dari gambar. Sxy menyatakan gambar asli dan Cxy menyatakan gambar

yang disisipkan. C2 Max merupakan jumlah banyaknya gambar hasil kompresi

dibanding dengan gambar asli. Semakin besar nilai PSNR yang dihasilkan maka

semakin baik pula kualitas dari video tersebut. Sebaliknya, semakin kecil nilai

PSNR maka semakin buruk pula kualitas dari video tersebut.

2.5.2 Packet Loss

Packet loss merupakan suatu parameter yang menunjukkan jumlah total

paket yang hilang, dapat terjadi karena tabrakan antar paket (collision) dan

penuhnya trafik (congestion) pada jaringan [13]. Packet loss merupakan jumlah

total paket data yang hilang pada saat pentransmisian. Untuk trafik video yang

digunakan pada Tugas Akhir ini, data paket video dikirim oleh server dengan

menjadi segmen-segmen UDP, selanjutnya segmen tersebut akan dienkapsulasi ke

dalam format datagram IP untuk membuat jalur pengiriman menuju ke penerima.

Ketika datagram IP melewati jaringan, buffer dan antrian yang terdapat pada BS

kemungkinan terdapat dalam kondisi penuh sehingga akan menolak datagram IP

yang masuk kedalamnya. Dalam hal ini datagram IP tersebut akan dibuang dan

menjadi paket yang hilang [14].

Paket yang hilang sangat mempengaruhi kualitas video yang dihasilkan.

Paket yang dibangkitkan pada trafik video adalah berupa jenis-jenis frame yang

berbeda ( frame I dan frame P). Frame I adalah gambar asli dari video sedangkan

frame P merupakan gambar sisipan yang berkolerasi dari frame I. Dengan

demikian, packet loss yang terjadi pada frame I akan sangat mempengaruhi

kualitas video yang dihasilkan bila dibandingkan dengan packet loss yang terjadi

pada frame P [14].

2.6Perangkat Lunak yang Digunakan

Perangkat lunak yang digunakan pada tugas akhir ini yaitu Netbeans [15]

dan Evaluation Video (EvalVid) [16]. Netbeans digunakan untuk merancang

simulasi. Sedangkan EvalVid digunakan untuk evaluasi kualitas video hasil

simulasi.

2.6.1 Perangkat Lunak Netbeans

Netbeans adalah sebuah aplikasi Integrated Development Environment

(IDE) yang berbasiskan Java dari Sun Microsystems. Netbeans IDE merupakan

java menggunakan platform netbeans. NetBeans IDE mendukung pengembangan

semua tipe aplikasi Java (J2SE, web, EJB, dan aplikasi mobile) [17].

Beberapa Fitur yang terdapat dalam netbeans antara lain [17]:

1. Smart Code Completion: untuk mengusulkan nama variabel dari suatu

tipe, melengkapi keyword dan mengusulkan tipe parameter dari sebuah

method.

2. Book marking: fitur yang digunakan untuk menandai baris yang suatu saat

hendak kita modifikasi.

3. Go to commands: fitur yang digunakan untuk jump ke deklarasi variabel,

source code atau file yang ada pada project yang sama.

2.6.2 Evaluation Video (EvalVid)

Evaluation Video (EvalVid) merupakan framework dan tool-set untuk

mengevaluasi kualitas video yang ditransmisikan melalui jaringan komunikasi

secara real atau simulasi [14]. Framework ini berisi prose transmisi lengkap mulai

dari source video, reordering pada source, encoding, paketisasi, transmisi

jaringan, decoding, hingga tampilan video yang diterima oleh end-user. Data yang

diproses pada arus transmisi akan ditandai dan disimpan pada file-file yang

beranekaragam, kemudian file-file ini digunakan untuk memperoleh hasil

parameter yang diinginkan seperti lossrate, jitter, dan kualitas video (PSNR).

Selain untuk mengukur parameter QoS pada jaringan, EvalVid juga

mendukung evaluasi kualitas video subjektif dari video yang diterima berdasarkan

perhitungan PSNR frame-by-frame. Perangkat lunak EvalVid menggunakan

struktur modular, sehingga user mudah mengganti codec dan memungkinkan