Implementasi Kolaborasi Node Pada Sistem Komunikasi Ad Hoc Multihop Berbasis Jaringan Sensor Nirkabel Angga Galuh Pradana 2204100005 Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111 Abstrak - Proses kolaborasi pada tugas akhir ini didefinisikan sebagai proses pemilihan rute terbaik dengan menggunakan ad hoc routing protocol. Penggunaan ad hoc routing protocol sangat tepat pada sensor node karena topologi node yang terkadang tidak tetap dan karena keterbatasan daya pada setiap node. Ketika suatu node mengalami kegagalan sehingga tidak dapat meneruskan data dari node lainnya, maka node terdekatnya akan melakukan proses pemilihan jalur kembali agar sistem tetap berjalan (self-healing). Sistem WSN yang dirancang pada tugas akhir ini adalah sistem yang menggunakan sebuah source dan sebuah sink serta beberapa node sebagai perantara dalam proses pengiriman data. Proses pengiriman data antara source dengan sink adalah tidak langsung. Kinerja dan sistem yang diimplementasikan akan dibandingkan dengan sistem hasil simulasi serta dilakukan proses analisis terhadap sistem yang diimplementasikan dan sistem hasil simulasi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa rute yang dipilih oleh node 5 dalam proses pengiriman data ke sink adalah node 5 node 3 - sink. Sedangkan pada hasil implementasi, rute yang dipilih node 5 dalam proses pengiriman data ke sink adalah node 5 node 2 sink. Ketika node 3 dimatikan, rute hasil simulasi pengiriman data oleh node 5 adalah node 5 node 4 node 1 sink. Sedangkan pada hasil implementasi, rute yang dipilih node 5 dalam proses pengiriman data ke sink adalah node 5 node 4 node 2 sink. Ketika node 2 dimatikan, rute hasil simulasi pengiriman data oleh node 5 adalah node 5 node 3 sink. Sedangkan pada hasil implementasi, rute yang dipilih node 5 dalam proses pengiriman data adalah node 5 node 3 sink. Kata kunci : WSN, Routing Protocol, Multihop. I. PENDAHULUAN Secara umum jaring sensor nirkabel atau Wireless Sensor Network (WSN) [3] terdiri dari dua komponen, yaitu node sensor dan sink. Node sensor merupakan komponen kesatuan dari jejaring yang dapat menghasilkan informasi, biasanya merupakan sebuah sensor atau juga dapat berupa sebuah aktuator yang menghasilkan feedback pada keseluruhan operasi. Secara II. umum sensor disebar dengan volume dan kerapatan yang tinggi. Sink merupakan kesatuan proses pengumpulan informasi dari node sensor sehingga dapat dilakukan pengolahan informasi lebih lanjut. Sink dapat berupa sebuah laptop/komputer dan sebuah PDA yang digunakan untuk berinteraksi dengan jaring sensor. WSN memiliki karakterisitik yang unik dan terbatasi dengan adanya karakteristik tersebut. Karakteristik ini berupa keterbatasan daya dan keterbatasan masa pakai baterai, pengumpulan data yang berlebihan, duty-cycle yang rendah, dan sebagainya. Dengan adanya karakteristik tersebut, perlu adanya metodologi yang mampu melampaui karakteristik-karakteristik pada WSN serta tidak membatasi pengiriman informasi, network, manajemen operasional, kerahasiaan, integritas, dan proses di dalam network. Ilustrasi sederhana sebuah jejaring sensor dapat dilihat pada gambar berikut ini. Gambar 1. Ilustrasi Sebuah Jejaring Sensor Nirkabel. Rute pengiriman data pada sistem WSN sering tidak tetap atau sering berubah. Salah satu penyebab sering berubahnya rute tersebut adalah keterbatasan daya pada setiap node sehingga terkadang node tidak berfungsi akibat kehabisan daya. Apabila ada sebuah atau beberapa node yang kehabisan daya pada suatu sistem WSN yang menggunakan topologi tetap, proses pengiriman data dapat terganggu atau tidak dapat dilakukan. Oleh karena itu diperlukan suatu sistem yang dapat beradaptasi terhadap perubahan topologi akibat node yang tidak berfungsi karena kehabisan daya. Salah satu metode yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan proses kolaborasi yang didefinisikan sebagai penggunaan ad hoc routing protocol pada sistem WSN. TEORI PENUNJANG Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 1
2.1 Proses Kolaborasi Proses kolaborasi dapat didefinisikan menjadi berbagai macam. Pengaturan waktu transmisi juga merupakan contoh proses kolaborasi. Penerapan routing protocol juga termasuk proses kolaborasi. Proses pengiriman data secara multihop juga termasuk proses kolaborasi node. Proses kolaborasi digunakan untuk memaksimalkan lifetime sistem. Dengan memanfaatkan proses kolaborasi, kegagalan sistem akibat terjadinya failure node dapat dikurangi [1]. 2.2 Protokol Routing Ad-hoc On Demand Distance Vector (AODV) [2] Merupakan protokol routing yang digunakan oleh mobile node pada sebuah ad hoc network. Protokol ini memungkinkan adaptasi yang cepat terhadap kondisi link yang dinamis, low processing, dan menentukan rute-rute unicast ke tujuan di dalam ad hoc network. Dengan menggunakan AODV, memungkinkan setiap node untuk mengirim data kepada node lain yang tidak dapat berkomunikasi langsung. Data akan dilewatkan melalui node terdekat dan seterusnya hingga data terkirim hingga tujuan. AODV melakukan proses ini dengan mencari rute agar data dapat dilewatkan. Proses pemilihan rute dilakukan dengan jaminan bahwa tidak ada rute yang looping dan berusaha mencari rute terpendek. Ketika sebuah node akan mengirimkan data kepada node lain yang bukan node terdekat (neighbor node), node akan mengirim Route Request (RREQ) secara broadcast. RREQ terdiri atas beberap informasi seperti source, lifespan data, dan sequence number sebagai ID yang unik. Misalnya node 1 ingin mengirim data kepada node 3. Node terdekat yang ada di sekitar node 1 adalah node 2 dan node 4. Node 1 tidak dapat berkomunikasi langsung dengan node 3. Node 1 mengirim RREQ. RREQ diterima pada node 2 dan node 4. Ketika node terdekat menerima RREQ, ada dua pilihan; kalau mereka telah mengetahui rute, mereka akan mengirimkan Route Reply (RREP) kepada node 1, jika tidak, mereka akan meneruskan RREQ kepada node terdekat lain selain node 1. Proses akan dilakukan secara berulang hingga lifespan data berakhir. Jika node 1 tidak menerima RREP dalam waktu tertentu, maka node 1 akan mengirim RREQ kembali dengan lifespan yang lebih lama dan sequnce number baru. Data Route Error (RERR) digunakan oleh AODV untuk mengatur rute kembali jika ada perubahan rute. Ketika ada node yang menerima RERR, node tersebut akan melihat routing table dan menghilangkan seluruh rute yang melewati node yang salah. Gambar 2. Terjadi Kegagalan Pada Node 3 Setelah Node 4 Pada gambar 2, node telah menerima paket data yang akan dilewatkan, tetapi tidak memiliki rute ke tujuan. Node yang mengalami kegagalan adalah node 3.Pada gambar 3, node menerima RERR yang menyebabkan salah satu rute menjadi tidak baik. Node tersebut akan mengirimkan RERR kepada seluruh node bahwa node 3 tidak dapat dilewati. Gambar 2. Node 3 Mengirimkan RERR Setelah itu sistem akan menghapus seluruh routing table yang melewati node 3 sehingga proses pencarian rute dapat dilakukan kembali. III. SIMULASI DAN IMPLEMENTASI 3.1 Tahap Perencanaan Dalam tugas akhir ini, jenis topologi yang digunakan adalah topologi mesh. Sistem yang digunakan adalah sebuah source dengan sebuah sink. Proses komunikasi antar node adalah peer-to-peer. Routing protocol yang digunakan pada simulasi adalah AODV routing protocol. Sedangkan pada implementasi, digunakan routing protocol XMesh yang dikondisikan seperti routing protocol AODV. Durasi simulasi dan durasi implementasi untuk setiap skenario adalah 10 menit. Jumlah node yang digunakan adalah 5 node yang dapat melakukan proses Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 2
sensing dan mengirim data serta sebuah sink yang bertugas untuk mengumpulkan data. Jumlah node dan sink yang digunakan dalam proses simulasi dan implementasi adalah sama. Pengukuran kualitas sistem hasil simulasi dilakukan dengan mengolah data trace hasil simulasi. Sedangkan pengukuran kualitas sistem hasil implementasi dilakukan dengan mengolah data hasil implementasi yang telah terkumpul. Setelah itu dilakukan analisis dan perbandingan antara hasil simulasi dengan hasil implementasi. Posisi node adalah tetap. Hanya saja ada beberapa node yang sengaja diperlakukan seperti node yang mengalami kegagalan (node failure). Posisi node diilustrasikan pada gambar 3. sedemikian rupa hingga sesuai dengan routing protocol AODV. IV. ANALISIS DATA 4.1 Analisis Hasil Simulasi Proses simulasi dilakukan selama 10 menit. Node yang melakukan proses pengiriman data adalah node 5. Untuk kasus node 5 yang mengalami failure, node 4 yang melakukan proses pengiriman data. Pada proses simulasi, ketinggian antena telah di-set secara otomatis pada ketinggian 1,5 m. Ketinggian antena tidak dapat diatur. Coverage setiap node adalah 16 m. Path loss propagasi tidak disimulasikan. START Perencanaan dan persiapan Konfigurasi topologi dan pemilihan routing protocol Sistem yang menggunakan ad hoc routing protocol Sistem yang mengunakan ad hoc routing protocol Gambar 3. Penyebaran Node 3.2 Simulasi Sistem Sebelum dilakukan proses implementasi, dilakukan proses simulasi dengan software Network Simulator ver.2 (NS-2). Hal-hal yang disimulasikan disesuaikan dengan hal-hal yang aka diimplementasikan. Jumlah node dan posisi node. Routing protocol yang digunakan adalah routing protocol AODV. Pengukuran kualitas sistem hasil simulasi dilakukan dengan mengolah data trace hasil simulasi. Sedangkan pengukuran kualitas sistem hasil implementasi dilakukan dengan mengolah data hasil implementasi yang telah terkumpul. Setelah itu dilakukan analisis dan perbandingan antara hasil simulasi dengan hasil implementasi. Simulasi dengan menggunakan NS-2 Pengukuran kualitas sistem Analisis dan Perbandingan Kesimpulan Implementasi dengan menggunakan 5 node dan 1 sink Pengukuran kualitas sistem 3.3 Implementasi Sistem Proses implementasi sitem dilakukan dengan melakukan konfigurasi program dengan menggunakan bahasa pemrograman NesC. Kemudian program tersebut di-inject ke dalam Crossbow Mote. Tipe mote yang digunakan dalam proses implementasi adalah Micaz dan tipe sensorboard yang digunakan adalah MTS420. Gateway yang digunakan adalah MIB520. Data yang diperoleh adalah persentase packet loss, temperatur node, tegangan node, rute yang digunakan, dan neighbor ID. Pengujian sistem dilakukan di lapangan futsal Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya. Routing protocol yang digunakan pada tahap implementasi adalah routing protocol Xmesh. Routing protocol Xmesh dikonfigurasi Stop Gambar 4. Diagram Alir Penelitian Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 3
Gambar 5. Seluruh Node Berfungsi Gambar 5 menjelaskan proses pengiriman data dari node 5 ke sink (diwakili oleh node 0). Rute yang dipilih oleh node 5 adalah node 5 node 3 - sink. Besarnya nilai end-to-end delay adalah 0.03488579 sekon. Besarnya nilai throughput pada rute ini adalah 1433,25 Bps. Jumlah packet loss pada rute ini adalah 1337 paket. Gambar 7. Node 5 Mengalami Failure Gambar 7 menjelaskan proses pengiriman data dari node 4 ke sink ketika node 5 mengalami failure dan node lain berfungsi normal. Rute yang dipilih oleh node 4 adalah node 4 node 3 sink. Besarnya nilai end-to-end delay pada rute ini adalah 0.03241141 sekon. Besarnya nilai throughput pada rute ini adalah 1542,67 Bps. Jumlah packet loss pada rute ini adalah 1462 paket. 4.2 Analisis Hasil Implementasi Proses pengujian sistem dilakukan selama 10 menit per skenario. Node yang dianggap mengalami failure dimatikan selama 5 menit. Setelah itu dinyalakan kembali. Gambar topologi dan persentase packet loss diperoleh dari program MoteView, sedangkan nilai cost diperoleh dengan menggunakan program Xsniffer. Nilai throughput tidak dapat diketahui karena tidak adanya fasilitas program dari Crossbow untuk menampilkan data jumlah paket yang terkirim dari node. Gambar 6. Node 3 Mengalami Failure Gambar 6 menjelaskan proses pengiriman data dari node 5 ke sink ketika node 3 mengalami failure. Rute yang dipilih oleh node 5 adalah node 5 node 4 node 1 sink. Besarnya nilai end-to-end delay adalah 0.02989685 sekon. Besarnya throughput pada rute ini adalah 944,53 Bps. Jumlah packet loss pada rute ini adalah 756 paket. Gambar 8. Seluruh Node Menyala Gambar 8 menjelaskan rute yang dipilih node 5 ketika mengirimkan data ke sink. Seluruh node dalam keadaan normal dan tidak ada yang mengalami failure. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 4
Tabel 1. Cost Pada Setiap Node Ketika Seluruh Node Menyala Node ID Neighbor ID Cost 2 29 1 1 30 4 24 2 5 24 0 24 1 30 2 30 3 5 28 1 0 4 2 24 2 24 5 Rute pengiriman node 5 ke sink adalah node 5 node 4 node 1 node 2 sink dengan cost 28 + 24 + 0 + 29 = 81. Bila rute diubah menjadi node 5 node 3 node 2 sink dengan cost 28 + 30 +24 = 82. Maka rute yang dipilih saat implementasi adalah rute node 5 node 4 node 1 node 2 sink. Besarnya end-to-end delay pada rute ini adalah 1.025 sekon. Gambar 9 menjelaskan rute yang dipilih oleh node 5 ketika mengirimkan data ke sink. Pada gambar 11, node mengalami failure. Node lain tetap berfungsi normal. Rute pengiriman node 5 ke sink adalah node 5 node 4 node 2 sink dengan total cost 28 + 28 + 0 = 56. Jika menggunakan rute hasil simulasi node 5 node 4 node 1 sink, maka total cost menjadi 28 + 31 + 0 = 59. Besarnya end-to-end delay pada rute ini adalah 579 milisekon. Gambar 9. Node 3 Mengalami Failure Tabel 2. Cost Pada Setiap Node Ketika Node 3 Mati Node ID Neighbor ID Cost 0 0 1 2 24 1 24 2 1 31 4 2 28 5 28 0 255 5 2 255 Gambar 10 menjelaskan rute yang dipilih node 4 ketika megirimkan data ke sink. Pada gambar 12, node 5 mengalami failure sedangkan node lain berfungsi normal. Rute hasil implementasi ketika node 4 mengirim data ke sink adalah node 4 node 2 sink dengan total cost 28 + 0 = 28. Sedangkan rute hasil simulasi ketika node 4 mengirim data ke sink adalah node 4 node 3 sink dengan total cost 30 + 255 = 285. Besarnya nilai end-toend delay untuk rute ini adalah 547 milisekon. Gambar 10. Node 5 Mengalami Failure 4.3 Perbandingan dan Analisis Hasil Simulasi Dengan Hasil Implementasi Hasil analisis dan perbandingan antara hasil simulasi dengan hasil implementasi adalah terjadi perbedaan rute antara hasil simulasi dengan hasil implementasi. Besarnya delay simulasi lebih kecil daripada besarnya delay saat implementasi. Jumlah packet loss pada simulasi lebih kecil bila dibandingkan dengan packet loss pada hasil implementasi. Secara keseluruhan, hasil simulasi lebih baik daripada hasil implementasi karena tidak ada faktor lain yang mempengaruhi proses simulasi kecuali faktor tersebut dimodelkan dalam simulasi. Pada saat implementasi, banyak faktor luar yang sangat mempengaruhi hasil implementasi seperti permukaan bidang dengan node, ketinggian node, adanya bendabenda di sekitar node, dan sebagainya. Pada hasil Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 5
implementasi, tidak diperoleh data yang berhubungan dengan jumlah packet loss dan jumlah paket data yang terkirim. Sehingga tidak dapat dilakukan perhitungan nilai throughput pada masing-masing rute. Cost pada setiap node mempengaruhi rute yang dipilih node saat implementasi. Tabel 3. Cost Pada Setiap Node Ketika Node 5 Mati Node ID Neighbor ID Cost 1 2 24 3 36 2 0 0 1 24 3 0 255 2 28 4 30 4 2 28 3 30 V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil analisis yang telah dilakukan, beberapa hal yang dapat disimpulkan adalah: 1. Sistem mampu melakukan self organizing ketika salah satu node mengalami kegagalan sistem. 2. Saat node 3 dimatikan, rute hasil simulasi ketika node 5 mengirim data ke sink adalah node 5 node 4 node 1 sink. Sedangkan rute hasil implementasi ketika node 5 mengirim data ke sink adalah node 5 node 4 node 2 sink. 3. Saat node 2 dimatikan, rute hasil simulasi ketika node 5 mengirim data ke sink adalah node 5 node 3 - sink. Sedangkan rute hasil implementasi ketika node 5 mengirim data ke sink adalah node 5 node 3 sink. 4. Node terdekat bukanlah acuan utama yang dijadikan referensi dalam pemilihan rute terbaik. 5. Cost setiap link menjadi acuan utama ketika proses self organizing dilakukan pada saat implementasi. 6. Besarnya end-to-end delay pada hasil implementasi lebih besar daripada besarnya endto-end delay pada hasil simulasi. 7. Apabila terjadi kegagalan sistem pada beacon node, maka sistem tidak dapat berjalan dengan baik. 5.2 Saran Berikut merupakan beberapa saran yang dapat diberikan : 1. Node yang digunakan untuk implementasi sebaiknya berjumlah lebih banyak agar analisis sistem lebih mendalam. 2. Lokasi pengujian sebaiknya tidak dilakukan pada permukaan yang tidak rata DAFTAR PUSTAKA [1] Kumar, Phani A V U, Mallikarjuna, Adi Reddy V, Janakiram D, Distributed Collaboration for Event Detection in Wireless Sensor Networks, MPAC 05, Grenoble-France, 2005. [2] http://www.antd.nist.gov/wctg/aodv_kernel/a%20 Quick%20Guide%20to%20AODV%20Routing. pdf. [3] W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel, Sensors Applications Volume 2: Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2001. [4] Holger Karl and Andreas Willig, Protocols and Architectures For Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons Ltd, England, 2005. BIODATA PENULIS Angga Galuh Pradana lahir di Malang pada tanggal 26 Juli 1986. Riwayat pendidikan dimulai di SD YPVDP Bontang sejak 1992-1998, SLTP YPVDP Bontang sejak tahun 1998-2001, SMA YPVDP Bontang sejak tahun 2001-2004, dan S1 Teknik Elektro ITS Surabaya sejak tahun 2004-sekarang. Penulis mengambil Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia dan aktif dalam kegiatan Lab Telekomunikasi Multimedia. Penulis pernah menjadi asisten Praktikum Pengantar Sistem Telekomunikasi di Lab Jaringan Telekomunikasi, asisten Praktikum Pengolahan Sinyal Komunikasi, dan asisten Praktikum Komunikasi Data di Lab Telekomunikasi Multimedia. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 6