Analisa Kinerja MPEG-4 Video Streaming Pada Jaringan HSDPA

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) Analisa Kinerja MPEG-4 Video Streaming Pada Jaringan HSDPA Fanny Nurindra Permana, Achmad Affandi, dan Djoko Suprajitno Rahardjo Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya affandi@ee.its.ac.id Abstrak HSDPA hadir sebagai pengembangan UMTS dengan laju data hingga 14,4 Mbps downlink, yang memungkinkan penggunanya menikmati berbagai layanan multimedia, seperti video streaming. Pada jaringan nirkabel seperti HSDPA performa layanan multimedia yang diterima oleh pengguna tidak selalu konstan dan tergantung pada faktorfaktor seperti kepadatan pengguna dan kualitas jaringan. Dalam tugas akhir ini dilakukan pengujian performa layanan video streaming pada jaringan HSDPA, yang meliputi pengaruh peningkatan jumlah pengguna serta pergerakan pengguna dalam cakupan HSDPA. Proses pengujian dilakukan dengan membangun simulasi pada Network Simulator 2 yang diperluas dengan EURANE untuk mendukung jaringan Enhanced UMTS, serta modul EvalVid untuk evaluasi performa video streaming. Secara umum hasil video streaming melalui jaringan HSDPA sangat bagus, dengan bitrate sebesar 694 kbps video dapat dimainkan dengan lancar, baik oleh pengguna stasioner (indoor) maupun bergerak (vehicular). Hasil ini diperoleh saat jumlah pengguna sedikit (kurang dari ) dan dekat dengan base station (3m). Dari hasil simulasi juga diperoleh bahwa peningkatan jumlah pengguna maupun bertambahnya jarak pengguna dari base station berdampak pada turunnya performa layanan video streaming. Agar diperoleh performa yang masih cukup baik, maka jumlah maksimum pengguna pada saat bersamaan adalah 8 pengguna. Sedangkan jarak maksimum disarankan 42 meter dari base station. Kata Kunci HSDPA, Network Simulator, Performa, Video Streaming. I. PENDAHULUAN SDPA adalah suatu teknologi terbaru dalam sistem Htelekomunikasi bergerak yang dikeluarkan oleh 3GPP Release. HSDPA merupakan merupakan pengembangan UMTS yang digunakan untuk komunikasi data pada arah maju dengan memperkenalkan AMC (Adaptive Modulation and Coding), adaptasi rantai, operasi multi-sandi, fast hybrid ARQ, dan penjadwalan node B. HSDPA mempunyai layanan berbasis paket data dengan data rate mencapai 14,4 Mbps dan bandwith MHz pada UMTS downlink, yang memungkinkan penggunanya untuk memakai beragam sajian multimedia, seperti streaming video, streaming musik, mobile TV, game online, dsb. Salah satu aspek multimedia yang cukup banyak mendapat perhatian adalah video. Hal ini disebabkan oleh kebutuhan bitrate yang tinggi pada proses transmisi agar didapatkan hasil yang dapat memenuhi QoS layanan terutama pada jaringan berbasikan paket. Disamping kebutuhan akan bitrate, penggunaan video compression adalah hal yang mutlak diperlukan agar dapat mengirimkan layanan video pada jaringan paket dengan parameter yang sesuai. MPEG-4 merupakan standard kompresi video yang digunakan oleh banyak mobile network termasuk HSDPA. Teknologi kompresi pada MPEG-4 ini menghasilkan kualitas video yang baik sehingga cocok diterapkan pada mobile dan wireless transmission. Dalam proses streaming khususnya melalui jaringan HSDPA ada beberapa faktor yang perlu diperhitungkan, diantaranya yaitu kualitas jaringan; jarak, dan interferensi dari user ke node-b akan mempengaruhi kualitas jaringan yang akan didapatkan. Semakin jauh dan semakin banyak interferensi yang didapat (misalnya di dalam gedung dengan dinding beton tebal) akan semakin berkurang kecepatan akses yang diperoleh, demikian pula kemungkinan terjadinya error semakin besar. Selain itu banyaknya user yang terkoneksi pada saat bersamaan akan mengurangi kecepatan akses yang bisa dinikmati. Hal ini terjadi karena teknologi jaringan wireless merupakan sistem bandwith shared, sehingga bandwidth akan dibagi rata dengan pengguna lain yang juga ikut mengakses. Pada penelitian ini akan dilakukan pengujian performa video streaming melalui jaringan HSDPA. Prosedur pengujian terdiri dari dua bagian, yang pertama yaitu pengaruh banyaknya jumlah pengguna terhadap performa layanan video streaming yang diterima oleh pengguna dalam satu area BTS; serta yang kedua yaitu pengaruh pergerakan user dan jaraknya terhadap node B terhadap kinerja maupun kualitas layanan video streaming yang diperoleh. Proses pengujian akan dilakukan dengan membangun simulasi pada Network Simulator yang diperluas dengan EURANE untuk mendukung jaringan Enhanced UMTS. Untuk mendukung proses streaming dan evaluasi terhadap kualitas video digunakan Evalvid. Analisa kinerja meliputi parameter QoS seperti throughput, delay, packet loss; serta kualitas video yang diukur melalui PSNR dan MOS.

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) II. PERANCANGAN DAN SIMULASI A. Pemodelan Sistem Penelitian ini melakukan simulasi user yang mengakses layanan video streaming pada server yang tehubung dengan jaringan Enhanced-UMTS. Topologi jaringan riil yang akan diimplementasikan dalam simulasi tampak pada gambar berikut: Gambar. 1. Layanan Video Streaming melalui Packet Switched E-UMTS Protokol pada Iub, IuPS dan Gn interfaces terlalu sulit untuk diaplikasikan secara nyata, karena itu sebagai penggantinya hanya dimodelkan dengan adanya link delay pada interface tersebut. Model simulasi ini menggunakan fungsi Application, Transport dan Network layer yang terdapat pada standart NS-2, sehingga diasumsikan tidak terjadi permasalahan pada layer ini. RLC layer pada model simulasi mengimplementasikan dua dari tiga mode RLC yang terdapat pada UMTS, yaitu Unacknowledged Mode (UM) dan Acknowledged Mode (AM). Sedangkan Transparent Mode (TM), tidak diimplementasikan karena TM digunakan pada layanan circuit-switched. Dalam implementasinya topologi dapat digambarkan sebagai berikut: Gambar. 2. Topologi Simulasi Konfigurasi sambungan dari tiap node adalah seperti pada tabel berikut: Tabel 1. Link antar node Link Uplink/ queue Delay queue type Downlink size BS - RNC 622Mbit 2ms DummyDropTail 2 RNC - SGSN 622Mbit.4ms DummyDropTail 1 SGSN - GGSN 622Mbit 1ms DummyDropTail 1 GGSN - node1 622Mbit 1ms DummyDropTail 1 node1 - node2 1Mbit 3ms DummyDropTail 1 Air interface yang menghubunglan UE ke BS menggunakan transport channel High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH) pada 7,2 Mbps. Model Kanal pada Enhanced UMTS terdiri dari tiga bagian: distance loss, shadowing, dan multi-path. Loss ini dapat dirumuskan sebagai berikut: L = A + S + R Dimana: A = atenuasi (path loss) S = slow fading (shadowing) R = fast fading (multi-path fading) 1. Attenuation (Path Loss) Atenuasi/redaman dideskripsikan oleh model propagasi Okumura-Hatta untuk lingkungan suburban, dan dirumuskan sebagai: A(d) = L init + 1 n log 1 (d) Dimana : d = jarak antara node B dan UE (km) L init = basic loss untuk jarak 1 km n = decay index Nilai L init dan n tergantung pada lingkungan. Dalam kebanyakan kasus nilai n antara 2 dan 4. Model kanal pada EURANE didesain untuk tujuan mempelajari efek scheduling pada user dekat vs jauh, maka dari itu jarak setiap UE dari BS diasumsikan tetap, contohnya user bergerak melingkar di sekitar base station. Mengacu pada hal ini, maka distance loss selalu konstan selama waktu simulasi. Sehingga persamaan menjadi: A(d) = 129, ,2 log 1 (d) 2. Slow Fading (Shadowing) Slow fading disebabkan oleh pergerakan UE dan halangan (obstacle) besar pada lintasan propagasi antara UE dan node B (misalnya gedung). Fading ini dimodelkan sebagai proses dengan distribusi lognormal dan korelasi jarak. Pada model dinamis dengan pengguna yang bergerak, slow fading bergantung pada lokasi dan karenanya korelasi yang tergantung jarak harus diperhitungkan untuk manghadirkan kontinuitas. Kontribusi slow fading terhadap total loss dibangun berdasar algoritma berikut: S(d+Δd)=a S(d) + b σ N Dimana: Δd = jarak antara dua sample waktu yang berdekatan N = variabel acak yang memenuhi distribusi normal standar B = parameter yang diambil sehingga standar deviasi vektor mengandung semua realisasi setara σ A = ditentukan oleh persamaan berikut yang merupakan fungsi autokorelasi dari S. E [S (d) S (d + Δd)]= E [a (S (d)) 2 + b σ N] = a σ 2 3. Fast Fading (Multi-path Fading) Multi-path Fading dimodelkan menggunakan berbagai profil kanal dalam ITU-T. Sebanyak tiga belas profil kanal diimplementasikan dalam EURANE: Single Rayleigh channel, three Single Rayleigh channels w/o correlation on fading coefficients Case 1, Case 2 and Cas e 3, Indoor Office A, Indoor Office B, Pedestrian A, Pedestrian B, Vehicular A, Vehicular B, Rural Area, Typical Urban and

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) Hilly Terrain. Profil berbeda dalam hal jumlah path, delay, dan daya rata-rata pancaran gelombang. Dalam implementasinya pada NS, model kanal ini dibangkitkan melalui channel generator yang dapat dijalankan pada Matlab ataupun Octave. User environment yang digunakan pada tugas akhir ini yaitu indoor untuk pengguna tidak bergerak, dan vehicular untuk pengguna bergerak B. Video Streaming Proses video streaming dalam simulasi dapat dilihat pada diagram berikut: Gambar 3. Alur Kerja Proses Streaming dalam Simulasi Raw video dalam format YUV menjadi input bagi encoder untuk menghasilkan video dalam format MP4. Video ini kemudian dibaca oleh Video Sender untuk menghasilkan trace file, yaitu format masukan bagi NS2 yang isinya berupa informasi video seperti frame id, frame type, frame size, packet size, dan time. Trace file ini dimasukkan pada streaming server dalam NS2 untuk mensimulasikan video streaming pada jaringan HSDPA. Hasil dari simulasi direkam dalam log file dan trace file output. Output ini dioleh dalam Evaluation Trace untuk mendapatkan file video output, serta menghasilkan data throughput, packet loss, dan delay. Video output kemudian diolah dalam video decoder dan fix video untuk merekonstruksi kembali video ke dalam format YUV. File output YUV ini digunakan oleh program PSNR untuk mengevaluasi kualitas video. C. Pengukuran Kinerja 1. Throughput Throughput adalah kecepatan (rate) data efektif, yang diukur dalam bps. Throughput merupakan jumlah total kedatangan paket yang sukses yang diamati pada destination selama interval waktu tertentu dibagi oleh durasi interval waktu tersebut. 2. Packet Loss Packet Loss, merupakan suatu parameter yang menggambarkan suatu kondisi yang menunjukkan jumlah total paket yang hilang, dapat terjadi karena collision dan congestion pada jaringan dan hal ini berpengaruh pada semua aplikasi karena retransmisi akan mengurangi efisiensi jaringan secara keseluruhan meskipun jumlah bandwidth cukup tersedia untuk aplikasi-aplikasi tersebut. Umumnya perangkat jaringan memiliki buffer untuk menampung data yang diterima. Jika terjadi kongesti yang cukup lama, buffer akan penuh, dan data baru tidak akan diterima. Nilai packet loss pada layanan multimedia menurut ITU- T G.11 sebaiknya tidak lebih dari 3%, dan maksimum adalah 1%. 3. Delay Delay didefinisikan sebagai total waktu tunda suatu paket yang diakibatkan oleh proses transmisi dari satu titik ke titik lain yang menjadi tujuannya. Besarnya delay yang direkomendasikan oleh ITU-T pada G.11 untuk layanan real-time sebaiknya dibawah 1ms, dengan nilai maksimum yang dapat diterima pengguna adalah sebesar 3ms. 4. Evaluasi kualitas video PSNR merupakan subjective quality measure yang banyak digunakan untuk menganalisa Quality of Service (QoS) dari transmisi video secara frame by frame. Sedangkan MOS merupakan objective quality measure untuk mengukur kualitas dari transmisi video digital pada level aplikasi. Ukuran kualitas ini biasanya diklasifikasikan dalam skala dari 1 (worst) sampai (best). PSNR dari setiap frame dapat diubah dalam skala MOS dengan standard seperti berikut [8]: Tabel 2. Konversi PSNR ke MOS (Standart ITU-R) PSNR (db) MO S Perceived Quality > 37 Excellent Good Fair Poor < 2 1 Bad D. Pengujian Dalam tugas akhir ini akan dilakukan dua macam skenario pengujian performa video streaming pada jaringan HSDPA: 1. Pengaruh pertambahan user Disini jumlah user yang mengakses video streaming akan bertambah dari 1 hingga 4 user. User disimulasikan tidak bergerak, dengan jarak cukup dekat (3 m) dari BTS untuk memastikan setiap user memperoleh kualitas sinyal yang baik. Model user environment yang digunakan yaitu model indoor. Dengan adanya user yang semakin bertambah akan dianalisa pengaruhnya terhadap performa video streaming yang diperoleh oleh user. 2. Pengaruh pergerakan user dan jaraknya Dalam pengujian ini user disimulasikan bergerak dengan kecepatan sedang (6 km /jam), dengan jarak yang semakin

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) menjauh dari BTS (3 m 11 m). Model user environment yang digunakan yaitu model vehicular. Dengan adanya pergerakan user ini akan dianalisa performa video streaming yang diperoleh. Setelah dilakukan perancangan, akan dilakukan pengukuran dalam beberapa kondisi. Adapun untuk lebih jelasnya ditunjukkan oleh diagram alir dari sistem yang akan dibuat sebagai berikut : Simulasi environment indoor Penambahan user 1 4 user Pengukuran parameter unjuk kerja MULAI Menyiapkan Video dalam format MPEG-4 Membuat tracefile dari vdeo Perancangan Jaringan Analisa Hasil Pengukuran Kesimpulan SELESAI Simulasi environment vehicular Pergerakan user dengan jarak 3m 1m Pengukuran parameter unjuk kerja Gambar 3. Diagram Alir Pengujian III. ANALISA DATA A. Skenario Pembebanan Jaringan Dalam skenario ini jaringan HSDPA dibebani dengan user yang mengakses layanan video streaming dengan jumlah yang semakin bertambah, dari 1 hingga 4 user. User disimulasikan tidak bergerak dan berada pada lingkungan indoor 1. Throughput Throughput (bps) Jumlah User Gambar 4. Grafik Throughput Video Dari hasil pengujian tampak bahwa throughput menurun seiring bertambahnya user. Kebutuhan bandwidth untuk streaming video masih tercukupi sampai dengan user, namun lebih dari jumlah tersebut throughput mulai turun. 2. Delay Dari grafik tampak bahwa delay semakin besar saat beban jaringan bertambah. Saat jumlah koneksi sebanyak user, delay rata-rata masih di bawah batas 3ms. Ketika pengiriman data yang lebih banyak dilakukan (1 user keatas), mulai terjadi kongesti pada buffer yang mengakibatkan waktu pengiriman video frame menjadi lebih lama, dan mulai terjadi packet drop. Delay (s) 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4, Frame Number Gambar. Grafik Delay End-to-end 1 user user 1 user 2 user 3 user 4 user 3. Packet Loss Packet loss yang terjadi saat pertambahan jumlah user dapat dilihat pada grafik berikut: Loss (%) Jumlah User Gambar 6. Grafik Packet Loss Tampak bahwa loss mulai meningkat saat user yang mengakses video streaming pada saat bersamaan diatas user. Hal ini dikarenakan mulai terjadi kongesti yang kemudian memicu terjadinya packet drop. Jika merujuk pada rekomendasi ITU-T dimana maksimum packet loss adalah 1%, maka jumlah user yang diijinkan agar masih termasuk pada kategori degradasi sedang yaitu sekitar 8 user. 4. Video Quality Evaluation Dari data PSNR yang diperoleh dari proses simulasi didapatkan grafik sebagai berikut : PSNR (db) Jumlah User Gambar 7. Grafik PSNR Dari grafik terlihat bahwa kualitas video menurun saat jumlah user yang mengakses pada saat bersamaan di atas

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) 1-6 user. Jika mengacu pada standard ITU-R, nilai PSNR minimum yang masih dapat diterima adalah 2 db (kualitas fair ), sehingga jumlah maksimum user yang dimungkinkan agar kualitas video masih dapat diterima yaitu sekitar 8 user. B. Skenario Pergerakan User Dalam skenario ini user disimulasikan bergerak dengan kecepatan konstan 6 km /jam, mulai dari jarak 3m semakin menjauh hingga 11 m eter dari node-b. Simulasi user adalah lingkungan vehicular 1. Throughput Dari hasil pengujian tampak bahwa throughput semakin menurun seiring bertambahnya jarak user dari node-b Throughput (bps) Jarak ke node-b (meter) Gambar 8. Grafik Throughput Saat jarak 3 m, nilai throughput mampu memenuhi kebutuhan datarate video sebesar 694 kbps. Ketika jarak user dari node-b semakin tinggi, kondisi kanal semakin buruk dan jumlah radio resource yang dialokasikan untuknya menjadi lebih kecil, sehingga nilai throughput menurun. 2. Delay Dari hasil pengujian tampak bahwa delay meningkat seiring bertambahnya jarak user terhadap node-b Delay (s) Frame Number 3 m 46 m 62 m 78 m 94 m 11 m Gambar 9. Grafik Delay Saat jarak user 3 m, delay relatif kecil. Peningkatan delay mulai nampak pada jarak 46 m. Delay yang meningkat ini disebabkan oleh menurunnya throughput, sehingga paket membutuhkan waktu lebih lama untuk sampai ke tujuan. 3. Packet Loss Seiring bertambahnya jarak user dari node B, maka loss juga semakin meningkat. Packet loss utamanya diakibatkan oleh memburuknya kualitas kanal seiring jarak user semakin jauh. Hal ini berakibat pada meningkatnya kemungkinan error pada paket data yang dikirim. Sebab lainnya yaitu delay yang terlalu besar, bahwa delay yang besar dapat memicu terjadinya packet drop. Jika merujuk pada rekomendasi ITU-T dimana maksimum packet loss adalah 1%, maka jarak maksimum yang dimungkinkan agar masih termasuk pada kategori degradasi sedang yaitu sekitar 42 meter. Packet Loss (%) Jarak (meter) Gambar 1. Grafik Packet Loss 4. Video Quality Evaluation Meningkatnya jarak user terhadap node B akan menurunkan nilai PSNR video streaming, seperti terlihat pada grafik: PSNR (db) Jarak (meter) Gambar 11. Grafik PSNR Saat user berada dekat dengan node-b, kualitas video yang diterima cukup baik dengan nilai PSNR 34 db (Good). Seiring bertambah jauhnya user dari node-b, kualitas video yang diterima mulai turun. Jika mengacu pada standard ITU- R, dimana nilai PSNR minimum yang masih dapat diterima adalah 2 db (kualitas fair ), maka jarak maksimum yang diperbolehkan agar kualitas video masih dapat diterima yaitu sekitar 46 meter. IV. KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisa yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Secara umum performa layanan MPEG-4 video streaming pada jaringan HSDPA cukup bagus. Dengan bitrate video yang cukup besar, yaitu 694kbps, video dapat dimainkan dengan lancar, hal ini belum dapat dilakukan sebelumnya pada jaringan pendahulu HSDPA, yaitu UMTS karena datarate terbatas pada 384 kb ps. Performa yang tinggi ini diperoleh saat jumlah user sedikit (kurang dari user) dan posisi user cukup dekat dengan base station (dalam radius 3 m). 2. Performa video streaming melalui jaringan HSDPA dipengaruhi oleh banyaknya jumlah user yang terhubung dalam satu base station. Semakin banyak jumlah user yang mengakses layanan video streaming pada saat

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) bersamaan, maka performa layanan yang diterima akan semakin buruk. Hal ini ditandai oleh turunnya throughput secara keseluruhan, serta meningkatnya delay end-to-end, yang pada akhirnya berimbas pada meningkatnya prosentase packet loss dan penurunan PSNR. 3. Pergerakan user dan jarak terhadap base station turut berpengaruh pada performa layanan video streaming yang diperoleh. Semakin jauh user, maka performa layanan yang diterima akan semakin buruk. Kualitas kanal yang menurun berdampak pada penurunan throughput dan meningkatnya packet loss, yang kemudian berimbas pada delay yang semakin tinggi serta nilai PSNR yang semakin menurun. 4. Berdasarkan hasil simulasi, maksimum jumlah user yang dapat mengakses video streaming sebesar 694 kbps pada saat bersamaan melalui HSDPA yaitu sebanyak 8 user. Jumlah ini memenuhi standar minimum ITU yaitu delay tidak lebih dari 3 ms, packet loss tidak lebih dari 1%, serta nilai PSNR minimum sebesar 2 db yang termasuk dalam kategori kualitas fair.. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa maksimum jarak user dari node-b untuk mendapatkan performa dan kualitas yang masih dapat diterima dari layanan video streaming sebesar 694 kbps adalah 42 meter. Pada jarak ini performa layanan memenuhi standar minimum, dengan delay dibawah 3 m s, packet loss tidak lebih dari 1%, dan nilai PSNR diatas 2 db. DAFTAR PUSTAKA [1] Syafari, Anjar, Sekilas Tentang Teknologi 3G, Ilmu Komputer.com, pp.1-16, 27 [2] Suwarso, M, Spectrum Allocation for 3G (IMT-2) in Indonesia, Workshop on R e-arrangement of Spectrum Allocation for 3G, pp., Jakarta, 21 Juli, 2 [3] Whillans, N. (editor), End-to-end network model for Enhanced UMTS, IST Seacorn Project Deliverable D3.2v2, 24 [4] Anat, Zar, High Speed Downlink Packet Access, 29 [] Implementasi dan Analisis Performansi Sistem Encoding Video Melalui Server Pada Jaringan LAN. IT Telkom Bandung. [6] Irawan, Ibnu, Analisis Pengiriman Video H.264 Dengan Menggunakan Metode Context-Based Adaptive Binary Aritmethic Coding (CABAC) Pada Jaringan Internet, IT Telkom, Bandung. [7] Fall, K., Varadhan, K., The ns Manual, UC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC, December, 23. [8] Chih-Heng Ke, Cheng-Han Lin, Ce-Kuen Shieh, Wen-Shyang Hwang, An Evaluation Framework for More Realistic Simulations of MPEG Video Transmission, Journal of Information Science and Engineering (SCI, EI), vol.24, no.2, March 28. [9] Ikwal, Mochamad Ali, Analisa Performansi MPEG-4 Video Streaming Melalui UMTS Dedicated Channel, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 27. [1] Vranješ, Mario, Tomislav Švedek, Snježana Rimac-Drlje, The Use of NS- 2 Simulator in Studying UMTS Performances, Preliminary Communication, vol.1, no.2, December, 21.