Karakteristik Propagasi dalam Ruang berdasarkan Analisa RSSI pada Jaringan Sensor Nirkabel

Transkripsi

1 Karakteristik Propagasi dalam Ruang berdasarkan Analisa RSSI pada Jaringan Sensor Nirkabel Triuli Novianti 1) Wirawan 2) 1) Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, 2) Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya wirawan@ee.its.ac.id Abstrak Sebuah jaringan sensor nirkabel (JSN) adalah sebuah infrastruktur yang mempunyai kemampuan sensing (deteksi), penghitungan dan elemen-elemen komunikasi yang memberikan kemampuan kepada administrator untuk mengukur, mengobservasi, dan memberikan reaksi kepada event (kejadian) dan fenomena pada lingkungan tertentu. Tren teknologi adalah untuk mencapai ukuran kecil, murah, dan daya node sensor yang efisien, yang akan membuat sistem yang handal dan efisien. Crossbow Technologies MICAz digunakan dalam makalah ini. karakteristik propagasi dalam lingkungan yang realistis akan membantu penyebaran dan pemasangan motes ini untuk membentuk JSN. Pada penelitian ini akan dilakukan pengukuran dan analisa terhadap parameter-parameter propagasi yang berpengaruh terhadap kinerja jaringan sensor nirkabel baik pada kondisi indoor. Pada penelitian ini digunakan parameter RSSI ( Received Signal Strength Indication ) terhadap jarak pada JSN. Kata Kunci: Jaringan Sensor Nirkabel, Karakteristik Propagasi,RSSI, MICAz Motes 1. PENDAHULUAN Teknologi Wireless Sensor Network (WSN) bukan konsep baru, aplikasi militer telah lama telah digunakan untuk surveilans dan pengumpulan data. Baru-baru ini, hasil teknologi aplikasi di Micro Electromechanical System (MEMS) membuat fabrikasi dari node sensor berukuran kecil dan murah. sensor, atau motes, adalah berukuran kecil, sensor canggih dengan kemampuan untuk dihubungkan satu sama lain. Motes ini bisa dikerahkan secara acak menggunakan artileri atau parasut di militer domain. Penyebaran metode lain adalah menginstal motes di lokasi tertentu untuk mendapatkan cakupan dan konektivitas yang terbaik. Sensor node diharuskan untuk memiliki banyak fungsi. Meskipun mereka kecil, mereka harus mampu mengamati fenomena (suhu, cahaya, tekanan,dll), dan pada waktu yang sama berkomunikasi dengan lainnya, dengan base station, atau dengan kepala cluster. Perbedaan utama antara jaringan nirkabel dan jaringan kabel yang tradisional adalah peralatan nirkabel pada satu jaringan berkomunikasi melalui kanal nirkabel menggunakan penerima nirkabel. Agar dapat bekerja dengan baik, kinerja jaringan nirkabel sangat tergantung dari konfigurasi pada Physical Layer (PHY) seperti propagasi, antena, jarak antara transmitter, receiver dan sebagainya. Dengan demikian, untuk memahami jaringan ad hoc nirkabel dan mendesain algoritma dan protokol yang efisien untuk jaringan wireless, kita perlu memahami karakteristik dari komunikasi jaringan nirkabel. Satu hal pembahasan penting dari jaringan ad hoc nirkabel adalah model kanal nirkabel. IEEE Std adalah standar untuk memberikan kompleksitas ultra-rendah, murah, dan daya konektivitas nirkabel sangat rendah antara perangkat murah seperti node sensor. Hal ini mendefinisikan lapisan fisik (PHY) dan MAC, dan lebih jauh lagi memiliki fungsi untuk mengukur kekuatan sinyal yang diterima sebagai indikator kekuatan sinyal yang diterima (RSSI). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk analisa dilakukan pengukuran dan analisa RSSI terhadap jarak pada JSN yang berpengaruh terhadap kinerja jaringan sensor nirkabel pada kondisi indoor. Makalah ini dibagi menjadi lima bagian. Bagian 2 membahas RSSI dan spesifikasi MICAz. Bagian 3 perancangan dan implementasi sistem dan simulasi digambarkan dalam bagian 4. Terakhir, kita simpulkan dalam Bagian RSSI ( Received Signal Strength Indication ) dan MICAZ MOTE RSSI adalah teknologi yang umum digunakan mulai sekarang. Penggunaan RSSI mulai membutuhkan overhead komunikasi yang kurang, kompleksitas pelaksanaan yang lebih rendah, dan biaya lebih rendah, sehingga sangat cocok untuk node pada jaringan sensor nirkabel yang memiliki kemampuan terbatas Sistem Lokalisasi Menggunakan RSSI RSSI ( Received Signal Strength Indication ) adalah pengukuran terhadap daya yang diterima oleh sebuah perangkat wireless. Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan selama ini, pengukuran RSSI menunjukkan variasi yang besar karena adanya pengaruh fading atau shadowing. Propagasi gelombang radio pada free space mengikuti aturan persaman Friis dan path loss sebanding dengan

2 , dimana d adalah jarak antara sumber dan receiver. Pada aplikasi yang real, path loss sangat sulit untuk diprediksi karena bergantung pada karakteristik dari lingkungan dimana komunikasi wireless itu terjadi. Redaman akan proporsional sebesar untuk transmisi yang dekat dengan tanah, dimana komponen sinyal akan dipantulkan oleh tanah yang akan menginterferensi komponen sinyal LOS (line of sight) bahkan akan lebih tinggi daripada dalam ruangan yang komplek. (1) pt p n r i X Si P r merupakan nilai RSS yang terbaca pada sensor ke-i, P t adalah daya sinyal target, X merupakan lokasi target dalam koordinat 2 dimensi, S i merupakan lokasi dari sensor ke-i, X-S i, α merupakan pathloss eksponen dan n i merupakan noise. komunikasi single hop, dimana setiap node akan langsung berkomunikasi dengan sink dan mengirimkan datanya, yang berupa pancaran sinyal radio (beacon) pada sink tanpa harus berkomunikasi dengan node lainnya. Sink bertugas untuk mengukur besar kekuatan penerimanan sinyal (RSSI) dari node dan sekaligus mengumpulkan data tersebut yang selanjutnya bisa diproses lebih lanjut untuk dilakukan analisa. 2.2 Deteksi Energi/RSSI Pada Chipcon Smart RF CC2420 Chip CC2420 mempunyai built-in RSSI yang memberikan nilai digital yang dapat dibaca dengan bentuk 8 bit. Nilai RSSI selalu memiliki rata-rata lebih dari 8 periode simbol (128μs)[1]. Nilai register RSSI_VAL juga dapat menunjukkan power P di pin RF dengan menggunakan rumus: P = RSSI_VAL + RSSI_OFFSET (dbm) (2) Gambar 2.1 Typical RSSI value vs input power [1] Dimana RSSI_OFFSET kira-kira sebesar -45. Sebagai contoh bila nilai register RSSI yang terbaca adalah - 20, maka input power RF kira-kira sebesar -65 dbm. Plot dari pembacaan RSSI_VAL sebagai fungsi dari power input ditunjukkan oleh gambar 2.1. Gambar 3.1 Topologi Jaringan Komunikasi Single Hop Gambar 3.1 adalah ilustrasi dari topologi jaringan yang digunakan dalam penelitian ini. Terdapat 6 buah node, sebuah sink, dan sebuah server. Identitas (ID) dari tiap-tiap node sebagai pembeda fungsi dan peran dari masing-masing node. ID node 0 adalah sink, sedangkan ID node 1, 2, 3, 4 dan 5 berfungsi sebagai sensor node. Dan yang berperan sebagai gateway atau penghubung antara jaringan sensor dengan user adalah node 0. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar Metodologi Penelitian Metode penelitian pada penelitian ini dibagi menjadi dua tahap penelitian. Pertama adalah pengukuran terhadap besarnya RSSI (Received Signal Strength Indication) yang diterima oleh base station/sink dari pancaran sinyal radio yang telah dikeluarkan oleh node, kedua adalah analisa implementasi sistem yang telah dirancang. Berdasar atas disain topologi yang sudah dirancang sebelumnya seperti terlihat pada gambar 3.1 akan dilakukan pengamatan RSSI terhadap jarak node. Diagram alir pengukuran RSSI terhadap jarak pada jaringan sensor nirkabel ini dapat dilihat pada diagram alir gambar 3.2 sebagai berikut : 3. PERANCANGAN DAN APLIKASI SISTEM 3.1 Perencanaan Topologi Jaringan Pada penelitian ini, topologi jaringan sensor nirkabel yang diimplementasikan adalah dengan

3 Gambar 3.3 Micaz mote (MPR2400) 2. Gateway Gateway yang digunakan adalah ethernet base dengan tipe MIB600. Gambar gateway MIB600 terlihat pada gambar 3.4 di bawah ini. Sedangkan keterangan spesifikasi dari gateway MIB600 lebih lengkap terdapat pada lampiran. Gambar 3.2 Diagram Alir 3.3 Persiapan Hardware Pada persiapan hardware, diperlukan beberapa perangkat yang berperan sebagai node, gateway, dan server. merupakan perangkat yang dapat mengambil data sensor, dan kemudian mengirimkannya pada sink. Gateway yaitu sebuah perangkat yang menghubungkan antara komputer server dengan jaringan sensor atau node. Gateway yang digabungkan dengan node membentuk suatu komponen yang bernama sink yang dapat mengumpulkan data dari jaringan sensor kepada server. Server merupakan sebuah komputer yang berperan untuk monitoring, mengolah data, dan pengawasan terhadap jaringan sensor nirkabel. Pada penelitian ini, server terhubung dengan jaringan sensor melalui gateway menggunakan wireless acces point dengan kecepatan mencapai 54 Mbps. Pada penelitian ini digunakan perangkat node dan sink dengan platform Micaz buatan perusahaan Crossbow Technology, Inc. Spesifikasi perangkat keras yang digunakan oleh Jaringan Sensor Nirkabel dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Sensor () Menggunakan Micaz dengan platform MPR2400 seperti terlihat pada gambar 3.1, keterangan spesifikasi lebih lengkap terdapat dalam lampiran. Gambar 3.4 MIB Server Server yang digunakan adalah sebuah laptop dengan spesifikasi sebagai berikut : Acer 4732 Z, Microsoft Windows XP Profesional Operating System, Processor Intel Pentium Dual Core CPU T4300 (2.1 GHz, 800 MHz FSB), Memori DDR2 1 GB 3.4 Persiapan Software Persiapan perangkat lunak yang paling utama adalah mempersiapkan sistem operasi yang akan digunakan. Dalam penelitian ini, sistem operasi yang digunakan adalah TinyOS yang memang di disain untuk jaringan sensor nirkabel. Untuk menginstal sistem operasi ini diperlukan linux environment yaitu Cygwin untuk Windows. Selain itu, diperlukan software-software pendukung lainnya yaitu program Lantronix Device Installer, Serial forwarder, Listen, Message Center. Seluruh software pendukung ini sudah terinstall bersama ketika menginstall TinyOS. Lantronix Device Installer merupakan software yang digunakan untuk memanajemen perangkat gateway (MIB600). Software ini dapat digunakan untuk memberikan alamat IP pada gateway, mengatur baud rate gateway, dan mengatur port yang ada pada gateway. Pada penelitian ini diberikan alamat IP pada gateway.

4 Serial forwarder merupakan software yang digunakan untuk menerima paket yang dikumpulkan oleh sink. Serial forwarder merupakan perangkat lunak yang berbasis pemrogaman java. Prinsip kerja Serial forwarder ialah menerima paket yang diteruskan oleh sink dan meneruskannya melalui port yang lain pada server. Perangkat lunak ini sangat penting karena perangkat lunak yang lain seperti Listen dan Message Center tidak akan dapat bekerja sebelum perangkat lunak ini dijalankan terlebih dahulu. Listen merupakan software berbasis pemrogaman Java yang digunakan untuk menampilkan paket yang diterima oleh server. Listen baru dapat bekerja jika Serial forwarder sudah dijalankan. Listen menampilkan paket dalam bentuk raw (hexadesimal). Listen menampilkan paket yang asli dan tidak dapat mengolah format representasi paket yang diterima. Message Center merupakan software yang digunakan untuk mengamati dan mengolah paket yang diterima oleh server. Berbeda dengan Listen, Message Center dapat mengubah format representasi paket yang diterima dan menambah fasilitas tertentu. Message Center dapat mengubah representasi paket yang diterima dari heksadesimal menjadi desimal. Selain itu, Message Center juga dapat menambahkan time stamp pada setiap paket yang ditampilkan. Time Stamp yang diberikan oleh Message Center bahkan sampai satuan nilai milidetik. 3.5 Konfigurasi Program Aplikasi Pada bagian ini akan dibahas mengenai konfigurasi program yang dipakai pada sistem keamanan kendaraan anti pencurian ini. Bahasan bagian ini dibagi menjadi 2 yaitu, konfigurasi program pada node dan konfigurasi program pada sink/base station yang tugasnya mengumpulkan data hasil pengukuran. Ada 3 komponen penting dalam mengkonfigurasi dan membuat sebuah program aplikasi berbasis nesc-tinyos, yaitu pembuatan program module, configuration, dan Makefile. Konfigurasi dan pembuatan program tersebut selanjutnya akan dibahas lebih rinci dibawah ini Konfigurasi Program pada Program yang akan diinstall pada node merupakan program yang dibuat dengan tujuan agar node memancarkan sinyal radio (beacon) yang nantinya akan diterima oleh sink. Kemudian sink akan menghitung besarnya sinyal yang diterima (RSSI) yang selanjutnya akan digunakan sebagai bahan analisa pada penelitian ini. Seperti dijelaskan sebelumnya di atas, bahwa ada 3 komponen penting dalam mengkonfigurasi sebuah program aplikasi yang berbasis TinyOS, yaitu pembuatan program module, configuration, dan Makefile. Namun sebelum mengkonfigurasi 3 komponen tadi, kita harus mengatur konfigurasi file Xbowlocal terlebih dahulu. Xbowlocal merupakan file yang digunakan untuk pengaturan sensor secara umum, yaitu pengaturan programming board yang digunakan, pengaturan Group ID, RF band, kanal yang digunakan, dan RF power yang digunakan. Xbowlocal terdapat pada direktori /opt/tinyos- 1.x/contrib/xbow/apps. Terdapat 16 kanal frekuensi yang dapat digunakan dalam implementasi jaringan sensor nirkabel sesuai dengan standard Daya yang dapat dipancarkan bervariasi antara 0 sampai -25 dbm. Daya 0 dbm merupakan daya maksimum yang dipancarkan oleh node sedangkan -25 dbm merupakan daya minimum yang dapat digunakan node. Pada penelitian ini digunakan daya maksimum sebesar 0 dbm dan kanal frekuensi yang digunakan adalah kanal 11 dan 15. Selain kanal frekuensi dan daya pancar juga dapat diatur Group ID pada node. Group ID sangat penting digunakan apabila menghendaki jaringan sensor nirkabel dengan topologi Cluster Tree. Pada penelitian ini digunakan Group ID 0xFF pada semua node. Gambar 3.5 Diagram Alir Program pada Gambar 3.5 merupakan diagram alir konfigurasi program yang nantinya akan diinstall pada Dari diagram alir diatas dapat dijelaskan bahwa suatu node sebelum mem-broadcast sinyal, ditentukan terlebih dahulu power transmitter dan kanal frekuensi yang akan digunakan. Pada penelitian ini digunakan power transmitter 0 dbm dan kanal frekuensi yang dipakai adalah kanal 11 dan 15 sesuai pada pengaturan file Xbowlocal. 3.6 RSSI (Received Signal Strength Indication) terhadap Jarak Indoor ini dilakukan untuk mengetahui besarnya nilai RSSI dari masing-masing node yang diterima oleh base station/sink. RSSI pada lingkungan indoor dilakukan di Lab 304 Teknik Elelktro ITS. ini juga bertujuan untuk mencari besar cakupan dari pancaran sinyal radio (beacon) dari node yang telah dipasang, sehingga nantinya bisa diestimasi keperluan jumlah base station yang diperlukan untuk menjangkau semua area Lab 304 Teknik Elektro ITS. Ketinggian 0 dari lantai 75 cm dan ketinggian setiap node 1-5 dari lantai 90 cm.

5 Jarak node dari sink sebagai berikut : 1 : 1,5 meter 2 : 2,5 meter 3 : 4,5 meter 4 : 5 meter 5 : 6,5 meter Gambar ilustrasi pengukuran pada lingkungan indoor ini seperti terlihat pada gambar 3.6 dan 3.7 berikut ini : Gambar 3.6 indoor lab B304 ITS 1 Ruang a. Pada lingkungan indoor satu ruang dilakukan di lab B304 Teknik Elektro ITS, tepatnya di lantai 3 gedung Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya. Metode pengambilan data pengukuran RSSI terhadap jarak, yaitu pengambilan data dilakukan sebanyak tiga kali dengan waktu tiap pengukuran adalah selama 30 detik. ini juga bertujuan untuk mengetahui karakteristik hasil pengukuran RSSI apabila dilakukan di tempat indoor. Di samping itu, dari pengukuran ini diharapkan diketahui jangkauan terjauh node dalam mentransmisikan sinyal radio ke base station/sink. Tabel hasil rata-rata pengukuran seperti terlihat pada tabel 4.1. Rata-rata dari data hasil pengukuran tiap 30 detik pengukuran ke-i diberikan pada lembar lampiran. Tabel 4.1 Hasil Rata-rata RSSI di lab B304 Indoor Jarak BS- (m) 1 RSSI (dbm) Berdasarkan tabel pengukuran di atas terlihat bahwa pengukuran RSSI pada lingkungan indoor memberikan nilai RSSI yang lebih kecil pada node 4 dan node 5 sedangkan untuk node 1 dan node 2 memberikan nilai RSSI yang lebih besar. Pada pengukuran indoor antar ruang ini juga menunjukkan bahwa base station masih bisa menerima sinyal radio sampai jarak sebesar 6.5 meter jarak sebenarnya antara node dengan base station. Namun hasil pengukuran RSSI semakin kecil sebanding dengan jarak base stasion dan node yang semakin besar. Berdasarkan data pengukuran tersebut juga dapat ditentukan bahwa posisi peletakan node terbaik yaitu di dalam satu ruang pada node 1. Gambar grafik hasil rata-rata pengukuran seperti terlihat pada gambar 4.1. hal ini terjadi karena adanya pengaruh pathloss dalam komunikasi wireless. Dimana besar pathloss ini adalah berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara transmitter (node) dengan receiver (base station) Gambar 3.7 indoor lab B304 ITS 2 Ruang 4. ANALISA DATA Pada bab ini akan ditampilkan data-data hasil pengukuran RSSI terhadap jarak baik untuk pengukuran pada tempat parkir outdoor maupun indoor disertai dengan analisa terhadap data-data tersebut. 4.1 Analisa Data RSSI terhadap Jarak pada Lab B304 Indoor

6 Nilai RSSI (dbm) Nilai RSSI (dbm) pengukuran pengukuran Nilai RSSI (dbm) pengukuran Gambar 4.1 Grafik Nilai RSSI terhadap Jarak pada lab B 304 Indoor b. Pada lingkungan indoor beda ruang dilakukan di lab B304 Teknik Elektro ITS, tepatnya di lantai 3 gedung Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya. Metode pengambilan data pengukuran RSSI terhadap jarak, yaitu pengambilan data dilakukan sebanyak dua kali dengan waktu tiap pengukuran adalah selama 30 detik. ini juga bertujuan untuk mengetahui karakteristik hasil pengukuran RSSI apabila dilakukan di tempat indoor antar ruang. Di samping itu, dari pengukuran ini diharapkan diketahui jangkauan terjauh node dalam mentransmisikan sinyal radio ke base station/sink. Tabel hasil rata-rata pengukuran seperti terlihat pada tabel 4.2. Tabel 4.2 Hasil Rata-rata RSSI di lab B304 Indoor Jarak BS- (m) Keterangan 1 RSSI (dbm) Ruang Ruang Ruang Ruang Ruang Pada pengukuran indoor antar ruang ini juga menunjukkan bahwa base station sudah tidak menerima sinyal radio dari node 5 saat jarak sebesar 12.5 meter jarak sebenarnya antara node dengan base station. Sedangkan untuk node 1, 2, 3 dan node 4 menunjukkan hasil yang hampir sama dengan pengukuran pada indoor satu ruang. Berdasarkan data pengukuran tersebut juga dapat ditentukan bahwa posisi peletakan node terbaik yaitu di dalam satu ruang. RSSI pada indoor, nilai RSSI yang diterima oleh base station mengalami penurunan setelah node dipindah menjauhi base station dan antar ruang. Gambar grafik hasil rata-rata pengukuran seperti terlihat pada gambar 4.2, hal ini terjadi karena adanya pengaruh pathloss dalam komunikasi wireless. Dimana besar pathloss ini adalah berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara transmitter (node) dengan receiver (base station) Nilai RSSI pada node 4 masih bisa terbaca meskipun jarak base station dengan node 4 lebih jauh dibandingkan node 5. Hal ini dapat terjadi karena pada keadaan sebenarnya komunikasi wireless sangat bergantung pada karakteristik dari lingkungan disekitarnya dan karena pengukuran dilakukan di tempat indoor maka pengaruh multipath fading yang diakibatkan oleh dinding, lantai, tiang atau benda lain yang berada di tempat pengukuran juga menjadi besar Nilai RSSI (dbm ) Nilai RSSI (dbm) -10 pengukuran pengukuran Gambar 4.2 Grafik Nilai RSSI terhadap Jarak pada lab B 304 Indoor antar ruang 5. KESIMPULAN Tulisan ini telah menunjukkan karakteristik propagasi dari sinyal radio IEEE di lingkungan dalam ruang. propagasi dari sinyal itu telah mengungkapkan variasi dari kekuatan sinyal yang diterima. Makalah ini mengajukan sistem jaringan sensor nirkabel dengan pengukuran RSSI. Hasil numerik menunjukkan bahwa, faktor daya RSSI semakin besar pada jarak yang terdekat dengan node sink. Nilai RSSI juga dipengaruhi oleh propagasi sinyal radio node dalam ruang dan antar ruang seperti refleksi, hamburan dalam ruang.

7 DAFTAR REFERENSI [1] Chipcon, SmartRF CC2420 Datasheet, URL: pdf [2] H. Shinsuke,dkk, Propagation Characteristics of IEEE Radio Signal and Their Application for Location Estimation, Graduate School of Engineering, Osaka University, Corporate R&D Group, Oki Electric Industry Co., LTD. [3] IEEE std : Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) pdf [4] Jiuqiang X, dkk, WSN Distance Measurement Model Based on RSSI in WSN, 2010, School of Information Science & Engineering Northeastern University, Shenyang, China [5] K. Lorincz, MoteTrack User's Manual v2.1, 2005, Harvard University ck/manual/motetrack-manual-2.1.html [6] K. Lorincz, M. Welsh, MoteTrack: a robust, decentralized approach to RF-based location tracking, 2005, Springer-Verlag London [7] Wireless Sensor Network, 2010, [8] M. Grimmer, Radio Communication Links Considerations, Crossbow Technology, Inc. [9] T. Rappaport, Wireless Communications: Principle and Practice, 2001, 2nd edition, Prentice Hall.