BAB II DASAR TEORI. Bab ini menjelaskan sekilas mengenai teknologi Worldwide

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Umum Bab ini menjelaskan sekilas mengenai teknologi Worldwide Interoperability Microwave Acces (WiMAX), perangkat lunak Network Simulator NS-2, kerangka evaluasi video EvalVid, dan modul WiMAX NIST. 2.2 WiMAX WiMAX merupakan standar Broadband Wireless Access (BWA) dengan kemampuan transmisi data berkecepatan tinggi dan cakupan yang luas. WiMAX menawarkan kemampuan transmisi yang baik dalam kondisi line of sight (LOS) maupun nonline of sight (NLOS) dengan rate mencapai 70 Mbps dan dapat menjangkau user sampai radius 5km [1] Standar WiMAX WiMAX menggunakan standar Institue of Electrical and Electronics Engineering (IEEE) yang termasuk dalam kategori Wireless Metropolitan Area Network (WMAN). Standar telah mengalami beberapa perkembangan dan penyempurnaan sebagai berikut [1]: a Standar dirilis pada Desember 2001 untuk layanan fixed wireless broadband dengan konfigurasi point to point, dan bekerja pada frekuensi

2 10-66 Ghz. Kondisi layanan adalah LOS dan bandwidth mencapai Mbps. b a Standar a dirilis pada Januari 2003 yang bekerja pada frekuensi 2 11 GHz. Layanan sama dengan standar sebelumnya. c d Standar ini dirilis pada Oktober 2004, berkerja pada frekuensi 2 11 Ghz dengan bandwidth mencapai 70 Mbps. d e Standar e dirilis pada Desember 2005 yang didesain agar user dapat bergerak (mobile) dan dapat melakukan prosedur handover dan roaming Model Jaringan WiMAX Struktur WiMAX meliputi struktur Base Station (BS), Subscriber Station (SS), dan struktur Packet flows[2] BaseStation Base station (BS) merupakan suatu perangkat pengirim dan penerima sinyal radio ke subscriber station (SS). Paket pertama kali masuk dari higher layer menuju flow classifier untuk mengatur arah paket yang akan dikirim ke dalam antrian scheduler. Pada bagian scheduler ini terdapat bagian DL ARQ/HARQ untuk menjaga banyaknya informasi yang masuk dan bagian uplink/downlink Scheduler API yang mengatur jadwal paket saat hendak dikirim ke bagian DL Frame Assembler. Pada bagian DL Frame Assembler ini berfungsi untuk

3 mengkombinasikan paket ke bentuk sebuah frame dan menambahkan informasi seperti DL dan UL maps didalamnya. Kemudian paket dikirimkan oleh Tx PHY Module melalui saluran nirkabel menuju Rx PHY Module. Setelah paket diterima pada Rx PHY Module, maka selanjutnya paket dikirim ke Packet Parser untuk mengklasifikasikan paket yang masuk berdasarkan jenis header paket. Setelah itu menuju ke UL ARQ Module untuk mengelola paket yang diterima rusak seluruhnya atau sebagian. Apabila ada yang rusak maka paket dikirim kembali kebagian scheduler untuk dikelola kembali. Apabila tidak ada yang rusak maka paket dikirimkan langsung menuju higher layer. Struktur node BS terlihat pada Gambar 2.1 [2]. Gambar 2.1. Struktur Base Station Struktur model BS memiliki bagian-bagian utama yaitu: a. FlowClassifier Flow Classifier berfungsi untuk mapping jaringan service data units (SDUs) yang datang ke MAC service flow identifier (SFID) dan connection identifier (CID) yang sesuai MAC CS menyelenggarakan Packet Header

4 Suppression (PHS) jika aturan sesuai yang ditentukan oleh layanan. Semua paket yang berasal dari layer aplikasi melewati bagian ini sebelum diarahkan ke antrian sesuai dengan CID. b. Scheduler (DL ARQ/HARQ) Scheduler adalah bagian yang kompleks karena scheduler berfungsi untuk menjaga banyak informasi untuk jadwal paket data dengan benar dan efisien. Scheduler harus mempertahankan informasi seperti : 1. Informasi QoS untuk setiap flow. 2. Status antrian DL untuk setiap flow. 3. Bandwidth UL (bandwidth request dan bandwidth updated selama pelayanan scheduling seperti UGS ) untuk setiap flow atau mobile. 4. Informasi keadaan channel untuk setiap mobile. Scheduler memilikibeberapa bagian yaitu DL/UL scheduling,dl resource allocator, dan Packet fragmentation/packing. c. UL ARQ UL ARQberfungsi untuk mengelola paket yang diterima rusak seluruhnya atau sebagian. Informasi ARQ feedback dkirim kembali ke pengirim melalui informasi keadaan yang ditransfer antara UL ARQ dan DL ARQ / HARQ. d. DL FrameAssembler DL frameassembler berfungsimengkombinasikan semua paket yang dibangkitkan oleh scheduler ke bentuksebuah frame dan menambahkan beberapa informasi frame seperti DL dan UL maps.

5 e. Packet Parse BS Packet Parserberfungsiuntuk mengklasifikasikan paket yang masuk berdasarkan jenis di header paket (data paket atau paket kontrol). Contoh paket kontrol adalah Bandwidth request ( BWR ) paket. f. Tx/Rx PHY Tx PHY Moduleberfungsi untuk mengirim paket melalui saluran nirkabel. Rx PHY Module berfungsi untuk menerima paket melalui saluran nirkabel. Modul DL PHY hanya melewati paket ke saluran nirkabel.tanda beberapa informasi PHY untuk paket-paket, seperti waktu transmisi, listrik, dan frekuensi.modul UL PHY menghitung informasi SINR untuk semua paket masuk dan mengimplementasikan antarmuka untuk lapisan PHY yang menyediakan Blokir Kesalahan Informasi ketika berdasarkan Blokir Ukuran dan nilai SINR MobileSubscriber Station Subsriber merupakan interface yang terhubung langsung ke user untuk mengirim dan menerima paket ke dari tujuan. Setelah paket dari base station diterima pada Rx PHY Module, maka selanjutnya paket dikirim ke Packet Parser untuk mengklasifikasikan paket yang masuk berdasarkan jenis header paket. Setelah itu menuju ke DL ARQ Module untuk mengelola paket yang diterima rusak seluruhnya atau sebagian. Apabila ada yang rusak maka paket dikirim kembali kebagian scheduler untuk dikelola kembali. Apabila tidak ada yang rusak maka paket dikirimkan langsung menuju higher layer.kemudian paket tersebut diterima dan dikirimkan melalui higher layer menuju flow classifier untuk mengatur arah paket yang akan dikirim ke dalam antrian scheduler. Pada bagian

6 scheduler ini terdapat bagian DL ARQ/HARQ untuk menjaga banyaknya informasi yang masuk dan bagian Uplink Scheduler API yang mengatur jadwal paket saat hendak dikirim ke bagian UL Assembler. Pada bagian UL Assembler ini berfungsi untuk mencari antrian di MSS yang akan diblokir. Kemudian paket dikirimkan oleh Tx PHY Module melalui saluran nirkabel menuju Rx PHY Module. Struktur Mobile Subscriber Stationdiperlihatkan pada Gambar 2.2 [2]. Gambar 2.2.Struktur Mobile Subscriber Station Salah satu fungsi utama dari MSS untuk mengambil informasi kedatangan UL-Maps dan mengekstrak informasi waktu awal dan akhir burst pada SC-PHY dan merancang burst menggunakan data dari antrian data yang terkait dengan MSS. Bagian-bagian MSS akan dijelaskan sebagai berikut: a. UL Scheduler (ARQ/HARQ Module) UL schedulerberfungsi mendapatkan bandwidth grant untuk mobile di setiap frame dari packet parser dan kemudian menjadwalkan jumlah yang tepat dari data dalam slot UL yang diberikan.

7 b. UL Assembler UL Assemblerberfungsi untuk mencari antrian di MSS yang akan diblokir danmembuat burst data yang sesuai kedalam slot yang diberikan. Fungsi blokir yang lain sama seperti pada base station PacketFlows Packet flows merupakan jalur paket yang terjadi pada proses pengiriman dan penerima dari mobile ke base station atau sebaliknya. Ada beberapa packet flow pada proses pengiriman dan penerimaan data diantaranya seperti Regular DL datapacket flow,regular UL Data Packet Flowdan lainnya [2]. a. Regular DL data packet flow Suatu proses packet flow yang biasa terjadi pada downlink yaitu pengiriman paket dari base station ke mobile. Paket pertama kali masuk dari higher layerbase station menuju flow classifier untuk mengatur arah paket yang akan dikirim ke dalam antrian scheduler. Pada bagian scheduler ini terdapat bagian DL ARQ/HARQ untuk menjaga banyaknya informasi yang masuk dan bagian uplink/downlink Scheduler API yang mengatur jadwal paket saat hendak dikirim ke bagian DL Frame Assembler. Pada bagian DL Frame Assembler ini berfungsi untuk mengkombinasikan paket ke bentuk sebuah frame dan menambahkan informasi seperti DL dan UL maps didalamnya. Kemudian paket dikirimkan oleh Tx PHY Module melalui saluran nirkabel menuju Rx PHY Module. Setelah paket diterima pada Rx PHY Module, maka selanjutnya paket dikirim ke Packet Parser untuk mengklasifikasikan paket yang masuk berdasarkan jenis header paket. Setelah itu menuju ke UL ARQ Module untuk mengelola paket yang diterima

8 rusak seluruhnya atau sebagian. Apabila ada yang rusak maka paket dikirim kembali kebagian scheduler untuk dikelola kembali. Apabila tidak ada yang rusak maka paket dikirimkan langsung menuju higher layerpada mobile subscriber station. Regular DL data packet flowdiperlihatkan pada Gambar 2.3. b. Regular UL Data Packet Flow Suatu proses packet flow yang biasa terjadi pada uplink yaitu pengiriman paket dari mobile subscriber station ke base station. Setelah paket dari base station diterima oleh mobile subscriber station pada Rx PHY Module, maka selanjutnya paket dikirim ke Packet Parser untuk mengklasifikasikan paket yang masuk berdasarkan Gambar jenis header 2.3.Regular paket. DL Setelah data packet itu menuju flow ke DL ARQ Module untuk mengelola paket yang diterima rusak seluruhnya atau sebagian. Apabila ada yang rusak maka paket dikirim kembali kebagian scheduler untuk dikelola kembali. Apabila tidak ada yang rusak maka paket dikirimkan langsung menuju higher layer.kemudian paket tersebut diterima dan dikirimkan melalui higher layer menuju flow classifier untuk mengatur arah paket yang akan dikirim ke dalam antrian scheduler. Pada bagian scheduler ini terdapat bagian DL

9 ARQ/HARQ untuk menjaga banyaknya informasi yang masuk dan bagian Uplink Scheduler API yang mengatur jadwal paket saat hendak dikirim ke bagian UL Assembler. Pada bagian UL Assembler ini berfungsi untuk mencari antrian di MSS yang akan diblokir. Kemudian paket dikirimkan oleh Tx PHY Module melalui saluran nirkabel menuju Rx PHY Modulepada base station. Regular UL data packet flow diperlihatkan pada Gambar 2.4. Gambar 2.4. Regular UL data packet flow 2.3 Network Simulator NS-2 NS-2merupakan sebuahprogramsimulasi berbasis event (kejadian)yang banyak digunakanuntuk mempelajarisifat dinamis darijaringan dan protokol komunikasi. NS-2 mampu mensimulasikan jaringankabeldanjaringan nirkabelserta protokolnya mencakupalgoritmarouting,protokol komunikasi, algoritma akses dan lain-lain [3]. Gambar 2.5 menunjukan arsitektur dasar NS-2. NS-2 menggunakan dua jenis bahasa pemrograman, C++ dan TCL. Bahasa C++ digunakan sebagai inti proses simulasi, sementara bahasa TCL untuk konfigurasi jaringan [3].

10 Gambar 2.5. Arsitektur dasar NS-2 TclCL dan OTcl adalah komponen TCL yang berfungsi untuk menjembatani konfigurasi dengan proses simulasi. Program NS-2 menggunakan command line interface, yang menghasilkan trace atau catatan yang dapat dipergunakan oleh modul network animator (NAM) (Gambar2.6) maupun piranti plot grafik Xgraph[3]. Gambar 2.6. Tampilan NAM (Network Animator)

11 2.4 Kerangka Evaluasi Video Evalvid Simulator NS-2 menyediakan presentasi data menggunakan Xgraph. Namun Xgraph kehilangan detail kejadian pengiriman data dan hanya menampilkan data rata-rata untuk parameter yang ditinjau. Oleh karenanya, untuk mempresentasikan parameter yang dievaluasi, penelitian ini menggunakan EvalVid. EvalVid adalah framework dan tool set untuk evaluasi kualitas video yang dikirimkan melalui jaringan komunikasi nyata ataupun simulasi [4].Struktur dari framework EvalVid ditunjukan Gambar 2.7 [5]. Play-Out Buffer User Source Video Decoder Coded Video Video Trace VS ET Reconstructed erroneous video Sender Trace Evalvid- API tcpdump Network (or simulation) loss/delay Receive Trace Evalvid- API tcpdump Video Decoder raw YUV video Reconstructed raw YUV video FV Result: -Frame Loss/ Frame Jitter -user perceived quality erroneous video raw YUV video PSNR MOS Gambar 2.7. Struktur framework EvalVid Komponen utama dari struktur EvalVid dijelaskan sebagai berikut : 1. Source: Sumber video dapat berupa raw file YUV dengan resolusi Quarter Common Intermediate Format (QCIF, 176 x 144) atau di Common Intermediate Format(CIF, 352 x 288). 2. Video Encoder dan Decoder:EvalVid mendukung dua codec MPEG4, yaitu codec NCTU dan ffmpeg. 3. VS (Video Sender): komponen VS membaca file video yang dikompres dari

12 output encoder, menfragmentasi setiap frame video yang berukuran besar menjadi segmen yang berukuran kecil dan kemudian mengirimkan segmen ini melalui paket UDP pada jaringan nyata atau simulasi. Untuk setiap pengiriman paket UDP,framework mencatat tanda waktu, id paket, dan ukuran paket di sender trace file dengan bantuan tcp dump atau win dump, jika jaringan adalah Link nyata. Namun, jika jaringan disimulasikan,sender trace file disediakan oleh entitas pengirim. komponen VS juga membangkitkanvideo trace file yang berisi informasi tentang setiap framepadafile video real. Video trace file dan sender trace file yang kemudian digunakan untuk evaluasi kualitas video berikutnya. 4. ET (Evaluate Trace): Evaluasi berlangsung di sisi pengirim. Oleh karena itu, informasi tanda waktu, id paket, dan ukuran paket yang diterima pada penerima harus dikirim kembali ke pengirim. Berdasarkan file video asli yang dikodekan, file video trace, file sender trace, dan file received trace,komponen ET menghasilkan laporandelay, packet loss, jitterserta file video rekontruksi untuk melihat hasil video pada sisi penerima mengalami kerusakan atau tidak. 5. FV (Fix Video): penilaian kualitas video digital dilakukan dari frame demi frame. Oleh karena itu, jumlah total frame video di sisi penerima, termasuk yang salah, harus sama seperti video asli di sisi pengirim. 6. PSNR (Peak Signal Noise Ratio): PSNR adalah salah satu objek untuk menilai QoSaplikasi pada transmisi video. 7. MOS (Mean Opinion Score):suatu subjektif untuk mengukur kualitas video digital pada aplikasi.

13 2.5 Modul WiMAX NIST Modul WiMAX ini modul yang dibuat oleh National Institute of Standards and Technology (NIST) berdasarkan WirelessMAN-OFDM. Proses UL dan DL dipisahkan oleh TDD. Modul NIST menyediakan basic scheduler round robin dan mendukung scanning dan handover, serta fragmentation and framereassembling[6]. Gambar 2.8 menunjukan struktur utama dari modul WiMAX NIST. Modul ini mewakili MAC module pada NS-2. Ada 6 komponen utama pada Modul ini yaitu peer node; connection; service flow; classifier; scheduler dan statistics. Peer node merekam informasi peer termasuk Subscriber Station dan Base Station[6]. Gambar 2.8. Struktur utama modul WiMAX NIST Pada WiMAX setiap subscriber station hanya mempunyai 1 connection. Dimana, keadaan dari incoming dan outgoingconnections diatur oleh modul connection. Tiap connection dapat berisi beberapa service flows, yang ditangani

14 oleh modul service flows. Modul classifier merekamdan memproses incoming dan outgoing paket. Modul WiMAX NIST ditambahkan ke NS-2 dan divalidasi pada beberapa test dan verifikasi kebenaran penambahan fungsi dan memenuhi standard IEEE Beberapa metode validasi adalah link adaptation, data rate validation, frame validation dan QoS validation. link adaptation untuk memvalidasi kecenderungan benar dari Signal to Noise Ratio pada posisi Subscriber Station; data rate validation mengukur consistency bandwidth sel; frame validation and QoS validation mengecek formatframe pada mode TDD; QoS validation mengecek kebenaran dari tiap class of service[6]. 2.6 Pengaturan Beban TransportLayer Protokol Pengaturan beban transportlayer protokol dikembangkan berdasarkan ide dari Seyed Mohammad Ali Zeinolabedin lulusan dari Azad University di Negara Iran. Secara normal, frame video yang dihasilkan dalam jangka waktu yang tetap sehingga video memiliki parameter frame tertentu per detik (fps). Selanjutnya, kompresi video membedakan ukuran frame berdasarkan jenis framenya. Frame I berisi gambar asli yang memiliki kapasitas sedikit lebih tinggi daripada jenis frame video P atau B yang hanya dibangun oleh bagian perubahan byte gambar yang ditunjukkan pada Gambar 2.9 [7].

15 Gambar 2.9. Transport layer load management Di sisi lain, komunikasi nirkabel untuk lalu lintas berbasis IP membutuhkan permintaan bandwidth, seperti permintaan untuk kirim (RTS) dan Clear untuk kirim (CTS) di jaringan , atau permintaan bandwidth di jaringan Beberapa dipisahkan dengan permintaan byte kecil dalam waktu singkat tidak efisien dan cenderung mengurangi kinerja akses karena akan lebih sering mengalami kompetisi pada permintaan. Frame video yang dihasilkan oleh aplikasi perangkat lunak lapisan buffer akan bergabung dua atau lebih frame untuk mencapai permintaan bandwidth yang sering berkurang dan ukuran lalu lintas yang lebih padat. Gambar 2.9 bdan 2.9 c menunjukkan bahwa dengan menggabungkan dua atau lebih frame, lalu lintas lebih padat dan sering berkurang. lalu lintas asli tanpa buffering berisi 120 frame dengan ukuran rata-rata 9362 bit. Dengan asumsi jaringan tidak lebih dari kapasitas, lalu lintas ini dapat menghasilkan 120 waktu transmisi. Ketika dua atau tiga frame bergabung, jumlah transmisi dikurangi, 90 dan 72 kali dengan trafik padat dan bit dalam rata-rata [7].