MAXIMIZING TCP THROUGHPUT AND FAIRNESS INDEX IN WIRELESS CDMA NETWORKS

Transkripsi

1 JETri, Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 1-12, ISSN MAXIMIZING TCP THROUGHPUT AND FAIRNESS INDEX IN WIRELESS CDMA NETWORKS Yuli Kurnia Ningsih & Andy Wiryanto* Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti Abstract CDMA merupakan suatu metode akses yang digunakan oleh teknologi komunikasi. CDMA menggunakan teknologi spektrum tersebar. CDMA sekarang ini tidak hanya digunakan untuk komunikasi suara saja, tetapi juga untuk data. Untuk itu TCP throughput memegang peranan penting dalam hal ini. Tetapi banyak pula masalah masalah yang muncul, yang paling serius adalah menurunnya performa throughput dan ketidaksamaan tiap throughput yang diterima user karena perbedaan yang mencolok dari koneksi RTT (Round Trip Times) yang dishare pada jaringan wireless yang sama.telah banyak solusi yang diusulkan untuk meningkatkan performa TCP throughput, tetapi solusi-solusi tersebut tidak cocok untuk jaringan wireless karena masih menghasilkan rugi-rugi transmisi. Pada paper ini, akan didemonstrasikan bahwa masalah ketidaksamarataan throughput dapat dipecahkan melalui manajemen power (power control) yang sesuai. Secara khusus untuk mengatasi masalah tersebut, dalam paper ini akan coba diusulkan cara dengan membiarkan koneksi dengan RTT yang lebih panjang dan dengan power yang lebih besar. Dengan begitu, solusi ini diharapkan dapat meningkatkan kesamarataan throughput tiap user. Evaluasi dari performa akan dilakukan dengan NS2 Simulator. Secara khusus, dapat dibandingkan dengan solusisolusi standard wireless CDMA, solusi ini dapat menjamin lebih baik throughput TCP yang dihasilkan dan keseimbangan throughput tersebut. Keywords: Sistem Komunikasi, Jaringan Informasi, Analytical and Numerical Simulation 1. Pendahuluan Jaringan selular wireless awalnya didesain untuk mensupport suara, tetapi kemudian digunakan pula untuk komunikasi data. TCP melalui jaringan kabel (wired), diasumsikan rugi-rugi yang terjadi terkait dengan delay yang terjadi pada jaringan tersebut. Sedangkan melalui jaringan wireless, rugi-rugi yang terjadi disebabkan karena error pada transmisi. Akibatnya, ketika terjadi timeout seperti ini, TCP protocol akan menurunkan transmisi rate secara cepat. Menurunnya transmisi rate secara mendadak, akan mengakibatkan penurunan performa throughput yang sagat serius [Zorzi.M.Rossi]. Masalah lainnya, ketidaksamaan alokasi ketika banyak koneksi dengan RTT yang berbeda-beda share pada suatu jaringan yang sama. Hal ini disebabkan karena congestion avoidance algorithm yang digunakan oleh TCP protocol. Selama Congestion Avoidance, congestion * Alumni Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti

2 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 1-12, ISSN window meningkat satu segmen ketika tidak ada congestion yang terdeteksi, dan menurun setengah nilainya ketika congestion diamati. Mekanisme ini dikenal sebagai Additive Increase and Multiplicative Decrease (AIMD). Sangat jelas, sejak penurunan rate pada TCP sekitar satu setengah untuk tiap koneksi, dan peningkatan rate sekitar satu segmen per RTT, peningkatan pada transmisi rate tidaklah sama tetapi sangat bervariasi tergantung RTT pada tiap koneksi [LauraGauccio]. Jika TCP bekerja melalui jaringan wireless, AIMD lebih sering terjadi karena kegagalankegagalan link umumnya, seperti yang dibahas di atas, ditafsirkan salah oleh TCP dan dianggap sebagai congestion clue. Jika koneksi dengan RTT berbeda meng-share link yang sama, ketidakseimbangan akan muncul karena koneksi dengan RTT yang lebih rendah akan memonopoli sumber sebelum koneksi yang lebih lambat memakan bandwidth.pada paper paper yang ada, banyak solusi yang ditujukan untuk meningkatkan keseimbangan TCP pada berbagai keadaan telah diusulkan [Zorzi.M.Rossi]. Tetapi, hanyalah berdasarkan perbaikan pada congestion of avoidance algorithm dan karena itu, solusi ini hanya cocok untuk jaringan kabel (wired). Tujuan dari paper ini, selain mendemonstrasikan power manajemen yang sesuai dapat memberikan peningkatan keseimbangan TCP tanpa memerlukan modifikasi pada congestion avoidance algorithm. Paper ini akan membahas lebih lanjut mengenai analisa, kemudian evaluasi performa, dan pada akhirnya akan dikemukakan kesimpulan-kesimpulan. 2. Analytical Framework Target dari sesi ini adalah untuk menghasilkan analisa hubungan antara probabilitas loss dengan power yang diterima pada Base Station dan berkaitan pada koneksi yang diberikan. Paper ini merujuk pada system M koneksi wireless pada W-CDMA. Koneksi terdiri dari TCP protocol dan dikarakterisasi oleh RTTs yang berbeda. Anggap C i menerima power pada Base Station untuk koneksi ke-i. Kemudian E b /I o rasio, didefinisikan sebagai rasio antara energi rata-rata untuk bit informasi (E b ) dan densitas power spectral dari interferensi (I o ). Rasio ini, untuk user ke-i, dievaluasi pada Base Station, yang dapat ditulis dengan Persamaan (1) [Laura Gauccio] (1) 2

3 Liem Ek Bien & Yunike Gumilang Sari, Pemilihan Ekonomis Ukuran Konduktor Pada Kabel Dimana R i adalah user bit rate, sedangkan W adalah chip rate yang dipakai, yaitu tipe FDD,interface W-CDMA, yang untuk UMTS sama dengan 3,84 Mcps. Rasio W/R i pada Pers (1) mewakili Process Gain (P G ) dari system W-CDMA. Pada Pers (1) dapat diamati, pada multiple akses W- CDMA, jika transmisi power dan power yang diterima pada koneksi meningkat, rasio E b /I o akan lebih tinggi pula. Artinya koneksi lainnyayang menggunakan link yang sama akan merasakan level interferensi yang lebih tinggi. Transmisi distribusi power untuk semua koneksi dapat memberi peningkatan pada tiap keseimbangan throughput. Untuk tujuan inilah, anggap system spectrum tersebar menggunakan modulasi BPSK ( modulasi yang umum digunakan di CDMA). Untuk meningkatkan kehandalan jaringan diamati dengan TCP, juga FEC (Forward Error Connection). FEC berdasarkan jumlah redundansi data yang ditransmisikan. Redundansi ini akan digunakan pada tujuan akhir untuk memperbaiki kemungkinan error transmisi yang dapat timbul. Anggap paket informasi dari K bit, FEC menambahkan beberapa redundan data, sehingga ukuran data baru yang dikode menjadi N bit, dimana N>K. Persamaan BER untuk koneksi ke-i dapat ditulis pada Pers (2) : (2) Pada persamaan di atas, R mewaikili code rate, didefinisikan R=K/N, d H adalah Hamming distance mewakili jumlah bit. Selain itu, hubungan paket loss dan BER i dapat ditulis pada Persamaan (3) 3. Performance Evaluation 3.1 Simulation Model (3) PS=ukuran paket(bit) Untuk memecahkan masalah ketidakseimbangan throughput dan menjamin throughput yang sama untuk semua koneksi menggunakan link yang sama, dibuat satu set simulasi untuk memperoleh nilai P LOSS yang memenuhi keadaan pemberian throughput yang sama. Di dalam simulasi ini, mengacu pada suatu topologi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1 3

4 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 1-12, ISSN Gambar.1. Jaringan Topologi Empat terminal mobile, menggunakan CDMA multiple access, berkomunikasi dengan Base Station melalui wireless link yang dishare. Stasiun ini dilengkapi router dengan link keluaran menghubungkan ke suatu ujung dengan menggunakan wired link. Koneksi dikelompokkan dalam dua set, masing-masing, dari dua koneksi dengan RTT yang sama. Nilai Process Gain diasumsikan sama untuk empat koneksi, yaitu.p G =10, sedangkan tiga scenario berbeda untuk RTT dan dua set koneksi-koneksi dipertimbangkan: Kasus I : dua di antara empat koneksi mempunyai ketetapan RTT yg sama sepadan dengan 100 ms sedangkan koneksi dua lainnya mempunyai RTT yang sama, tetapi variabel di dalam range (100,400) ms. Kasus II : dua di antara empat koneksi mempunyai ketetapan RTT yang sama sepadan dengan 200 ms sedangkan koneksi dua lainnya mempunyai RTT yang sama, tetapi variabel di dalam range (100,400) ms. Kasus III: dua di antara empat koneksi mempunyai ketetapan RTT yang sama sepadan dengan 300 ms sedangkan koneksi dua lainnya mempunyai RTT yang sama, tetapi variabel di dalam range (100,400) ms 4

5 Liem Ek Bien & Yunike Gumilang Sari, Pemilihan Ekonomis Ukuran Konduktor Pada Kabel Simulasi bertujuan untuk mengevaluasi performa TCP,dilakukan dengan Berkeley Network Simulator version 2. Untuk karakterisasi TCP, New Reno version digunakan, karena implementasinya fast recovery dan fast retransmit sehingga memperoleh performa yang sangat bagus pada jaringan wireless, jika dibandingkan dengan TCP versi lainnya. Koneksi TCP mensupport aplikasi File Transfer Protocol (FTP). Untuk mensimulasi suatu keadaan pembagian sumber, ditaruh suatu buffer di dalam router dengan skema antrian FIFO (First in First Out). Ukuran antrian maksimum yang digunakan adalah 50 paket. Di dalam simulasi ini, ukuran paket data ditetapkan pada 128 byte. Wired link mewakili bottleneck dari jaringan dan bit rate yang tersedia adalah 384 kbit/s. Kemungkinan paket loss P LOSS melalui sambungan wireless, diasumsikan menjadi variabel di dalam range 10-5, Parameterparameter simulasi dapat dilihat di dalam Tabel I. Tabel.1. Simulations Parameters Parameter Value Number of 4 connections TCP version New Reno Packet size 128 bytes Buffer type FIFO Banyak simulasi dijalankan Buffer size 50 pkts untuk mendapatkan nilai-nilai dari P Wireless link 384 Kb/s LOSS yang dapat menjamin bandwidth throughput yang baik. Nilai nilai yang berasal dari Wired link 384 Kb/s probabilitas paket loss disubstitusi di bandwidth Pers. (3), mengkombinasi Simulation time 200 sec Pers. ( 2) dan Pers. (1), nilai yang dicari untuk power yang diterima dari tiap koneksi dapat diperoleh Hasil Simulasi Performa dari algoritma yang diusulkan dievaluasi dalam kaitan dengan throughput rata-rata untuk masing-masing koneksi TCP yang terlibat. Pendekatan yang dilakukan dibandingkan dengan teknik 5

6 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 1-12, ISSN pengontrolan Standar power yang digunakan di dalam sistem CDMA. Skema Standar ini mengarahkan pada batasan suatu near-far effect melalui satu persamaan yang sesuai dari power transmisi dari semua koneksi yang terlibat [Laura Gauccio]. Near-far effect ini adalah kondisi di mana, lebih kepada penerima pengirim yang lebih dekat ke tujuan, yang lebih tinggi akan ada di tujuan ini. Jika Skema Standar digunakan, rasio power yang diterima untuk koneksi-koneksi yang terlibat adalah satu dan rasio untuk koneksi tertentu, yang dievaluasi di Base Station adalah: (4) Jika P G =10 dan M=4, dari Pers.(2) dan Pers.(3), P LOSS =8, dapat diperoleh. Mengenai keseimbangan metris, di paper ini, mengacu pada parameter fairness yang telah ditunjukkan sebagai yang paling lengkap dari yang telah diusulkan sejauh ini di dalam literatur. Metrik ini disebut Jain fairness index [Jain.R.Chiu]. Mempertimbangkan n arus, dengan arus i menerima sebagian fraksi dari x i, dari link bandwidth yang diberi, fairness indeks, menggunakan Jain metrik, dijabarkan sebagai:.(5 Seperti yang tampak pada Pers. (5), range fairness index ada pada interval. Gambar. 2-Gambar 7 [Francois Bacelli] menunjukkan throughput rata-rata dan nilai fairness index (indeks keseimbangan throughput) untuk ke tiga kasus yang disebutkan di atas. Secara khusus, figur-figur ini bertujuan pada perbandingan kinerja yang dapat dicapai dengan pendekatan Standard an Modified manajemen power Gambar. 2 menunjukkan throughput untuk dua set koneksi menggunakan pendekatan Standard dan Modified dengan keadaan pada Kasus I. Di dalam figur ini, pasangan koneksi-koneksi mempunyai RTT yang sama (contohnya 100 ms) dan throughput yang sama, di plot bersama. Seperti yang dapat dilihat, pendekatan Modified menjamin kedua throughput membengkok (berjalan) sangat dekat satu sama lain kendati RTT meningkat. Ini adalah bukti bahwa keseimbangan yang diharapkan dapat dicapai. Di sisi lain, solusi Standard menyebabkan peningkatan 6

7 Liem Ek Bien & Yunike Gumilang Sari, Pemilihan Ekonomis Ukuran Konduktor Pada Kabel perbedaan pada throughput dari kedua set koneksi sepanjang RTT meningkat. Sebagai tambahan, dapat diamati, di dalam 200 ms, total ratarata throughput, yang dapat diperoleh dari penjumlahan dua throughput untuk masing-masing pendekatan yang telah diusulkan, adalah sama. Gambar. 3 menunjukkan fairness index untuk keduanya, pendekatan Modified dan Standard.Itu sangat jelas, seperti yang ada pada Gambar. 2, fairness pada solusi Modified sangat dekat dengan 1.Ini adalah bukti, solusi manajemen power ini memberikan, tidak hanya throughput rata-rata yang sangat dekat satu sama lain yang dapat diperoleh di sistem Standard CDMA, tetapi juga fairness index yang diinginkan (dekat dengan 1). Ketika fixed RTT dari dua di antara empat koneksi adalah 200 ms atau 300 ms, Gambar. 4-Gambar 7 dapat diperoleh. Di dalam dua kasus terakhir ini (Kasus II dan Kasus III), keadaan juga menjadi lebih baik. Sebenarnya, tidak hanya throughput yang diperoleh dari dua pendekatan manajemen power,berjalan (membengkok) sangat dekat, tetapi juga fairness indeks yang diperoleh dengan teknik Modified menjadi solusi yang terbaik untuk sistem CDMA. Gambar.2. Perbandingan Throughput untuk metode Modified dan Standard pada Kasus I 7