EVALUASI KINERJA ALGORITMA PENJADWALAN LINTAS LAPISAN PADA JARINGAN CELULAR OFDM GELOMBANG MILIMETER DENGAN KANAL HUJAN Mas Nurul Hamidah ), Gamantyo H ), Endroyono ) ) Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya, email : mas@mhs.ee.its.ac.id ) Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya, email : gamantyo@ee.its.ac.id ) Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya, email : endroyono@ee.its.ac.id Abstrak Broadband Wireless Access (BWA) merupakan teknologi akses yang dapat menawarkan akses data berkecepatan tinggi menggunakan media nirkabel. Gelombang millimeter adalah salah satu media layanan BWA (Broadband Wireless Access) yang bekerja pada range frekuensi - GHz. Gelombang millimeter ini dipengaruhi efek hujan yang dapat mempengaruhi kinerja sistem komunikasi, oleh sebab itu dilakukan optimasi lintas lapisan agar performasi sistem dapat bertahan dalam gangguan hujan. Pada penelitian ini dilakukan evaluasi kinerja dari sistem penjadwalan lintas lapisan dengan membandingkan algoritma penjadwalan, Algoritma OS, algoritma EDF, dan algoritma. Dari simulasi data yang dikirimkan, diperoleh hasil algoritma penjadwalan terbaik adalah algoritma penjadwalan, walaupun terkadang tidak semua aspek bernilai tinggi dibandingkan dengan yang lainnya. Kata Kunci: BWA (Broadband Wireless Access, gelombang millimeter, cross layer, algoritma, Algoritma OS, Algoritma EDF, Algoritma.. PENDAHULUAN Dewasa ini perkembangan teknologi khususnya di bidang telekomunikasi dapat dikatakan berkembang sangat pesat. Hal ini ditunjukkan dengan adanya semakin banyaknya user dalam layanan telekomunikasi termasuk dalam layanan akses pita lebar berbasis nirkabel atau Broadband Wireless Access (BWA). Gelombang millimeter adalah salah satu dari media layanan BWA yang bekerja pada range - GHz. Kinerja sistem pada gelombang millimeter dapat terganggu ketika terjadi hujan. Salah satu cara optimasi yang dilakukan untuk memperbaiki kinerja sistem yang rentan terhadap redaman hujan adalah menggunakan optimasi lintas lapisan. Pada lintas lapisan keterbatasan physical layer dalam hal ini adalah kanal, akan dapat mempengaruhi performasi Data link dimana di dalam lapisan Data link terdapat sistem penjadwalan, sehingga diperlukan optimalisasi Data link yang juga akan mempengaruhi optimalisasi pada physical layer. Dalam sebuah optimasi lintas lapisan, selain alokasi sumber yang harus diperhatikan, sistem penjadwalan juga diperlukan, sistem penjadwalan tersebut yang akan difokuskan pada penelitian ini. Oleh sebab itu diperlukan sebuah algoritma penjadwalan yang dapat mengatur optimalisasi kinerja sistem dengan menggunakan fungsi prioritas. Evaluasi kinerja sistem penjadwalan lintas lapisan adalah dengan membandingkan algoritma penjadwalan (Cross Layer Channel and Application Aware), algoritma OS (Opportunistic Scheduler), algoritma EDF (Earliest Deadline Fist), dan algoritma (Wireless Fair Service ). Pada awalnya studi dilakukan pada single cell dengan mengoptimalkan kapasitas Shannon (c) dari kanal dan melakukan optimasi untuk meningkatkan utilitas (U(r)) dengan melakukan alokasi subcarrier dan alokasi daya bersama, alokasi subcarrier merupakan elemen dari pejadwalan di lapisan Medium AccessControl (MAC)[]. Performasi dari algoritma tersebut akan dilihat performasi yang terbaik, dimana algoritma tersebut mempunyai prioritas yang berbeda, algoritma penjadwalan OS lebih memprioritaskan kapasitas kanal (CS) channel state, algoritma penjadwalan memprioritaskan keadilan fairness atau (TS) type of service,dibagi dua (RT) real time dalam hal ini video dan (NRT) non real time dalam hal ini ftp, algoritma EDF memprioritaskan batas waktu pengiriman deadline (TD) time to deadline, dan algoritma mempunyai ketiga prioritas dari algoritma diatas yaiatu : kapasitas kanal (CS), batas waktu (TD), dan jenis layanan (TS).. KAJIAN PUSTAKA penelitian ini fokus pada algoritma penjadwalan lintas lapiasan untuk sistem OFDM multiuser multicell pada gelombang milimeter. A. Pendekatan lintas lapisan dan arsitekturnya Dalam hal ini fungsi optimasi lintas lapisan dibagi menjadi subfungsi yaitu () penjadwalan () alokasi sumber. Kedua struktur ini diharapkan berlaku pada semua sistem nirkabel. Arsitektur lintas lapisan dapat dilihat pada gambar. Pada lapisan aplikasi akan menghasilkan data sesuai dengan model trafik, dan mengirimkan data tersebut pada buffer yang akan mengontrol layer bawah kemudian air interface mengirimkan informasi kanal pada alokasi sumber, dan dari alokasi sumber akan dialokasikan pada penjadwalan scheduler, akan memilih user yang akan diizinkan untuk dikirim dan menstarnsmisikan sinyal melalui saluran nirkabel [].
Gambar Arsitektur system Lintas Lapisan [] B. Konsep Penjadwalan pada Jaringan OFDM. Arsitektur alokasi sumber daya pada OFDM downlink melewati beberapa kanal yang di tempati bersama-sama untuk user yang berbeda (multiuser) di tunjukkan pada gambar. OFDM menyediakan kanal multiple dimana bandwith (B) akan dibagi sebesar banyaknya subcarrier (K), sehingga setiap subcarrier memiliki lebar bandwith sebesar B / K, sistem OFDM dapat meningkatkan jumlah user yang di layani dengan beberapa subcarrier. Dimana setiap subcarrier akan dialokasikan untuk user yang berbeda sehingga pelayanan pada sistem menjadi fleksibel. Dalam hal ini sistem OFDM dapat memanfaatkan multiuser diversity. Dengan menggunakan penyesuaian data rate, transmitter yang dapat mengirim rata-rata pengiriman lebih tinggi melalui subcarrier untuk kondisi yang lebih baik sehingga dapat meningkatkan throughput [].. Efisiensi (Efficiency) : suatu disiplin layanan akan lebih efisien daripada yang lain jika dapat melayani semua pemakai pada kondisi beban. bandwidth dan daya yang ada. Suatu algoritma penjadwalan efisien dapat memanfaatkan sebesar-besarnya sumber daya yang tersedia.. Kinerja (Performance) : tujuan akhir penjadwalan menjamin kinerja QoS pada semua hubungan dalam hal throughput, delay, jitter dan loss.. RANCANGAN SISTEM Model sel yang digunakan pada penelitian ini adalah model sel OFDM multi sel multi user bergerak secara random, BTS yang terdekat dengan user yang akan mengirimkan sinyal, sedangkan BTS yang lainnya akan berperan sebagai sumber interferensi pada user tersebut. Pada gambar terdapat user yang mendapatkan sinyal pada BTS terdekat dan interferensi dengan BTS yang lainnya. Gambar Random user pada cell. Gambar Penjadwalan Data melewati kanal multiple shared pada OFDM Downlink []. Dalam merancang skema penjadwalan, tradeoffs berbeda, dapat dilakukan sesuai ketentuan-ketentuan berikut ini [] :. Kompleksitas (Complexity) : suatu algoritma penjadwalan untuk jaringan berlaju tinggi hanya memerlukan suatu operasi sederhana dan lebih disukai jika mudah diterapkan pada perangkat keras (hardware).. Kesamaan (Fairness) : suatu algoritma penjadwalan harus melayani pemakai sesuai proporsi (sesuai bandwidth yang diinginkan pemakai). Pada gambar BTS mengirimkan sinyal pada user sedangkan BTS, dan sebagai interferensi. Optimasi lintas lapisan sangat dibutuhkan pada keadaan sinyal lemah pada saat terkena hujan, dapat dilihat pada gambar, pada awalnya sistem ini akan dilakukan redaman hujan dan didapatkan nilai SINR hujan, setelah itu dilakukanan alokasi kanal dengan menggunakan metode SRA (single resource allocation)[], didalam optimasi lintas lapisan tidak hanya alokasi kanal tetapi juga penjadwalan, dalam hal ini terdapat algoritma penjadwalan yaitu OS (CS) atau maxtp, EDF (TD), (TS), dan (CS, TD, TS), dari algotitma akan dilakukan evaluasi kinerja dengan melihat parameter yaitu throughput, packet loss, dan delay, dari parameter dilihat algoritma yang mempunyai performasi terbaik untuk sistem penjadwalan pada lintas lapisan.
Gambar Diagram Alir Rancangan Penelitian. METODE ALGORITMA PENJADWALAN algoritma pada penelitian ini yaitu: algoritma OS dengan prioritas kanal, algoritma EDF dengan prioritas waktu deadline, algoritma dengan prioritas keadilan fairness (TS), sedangkan algoritma mempunyai prioritas dari algoritma tersebut yaitu, kanal (CS), waktu deadline (TD), dan fairness jenis layanan user (TS). algoritma OS, EDF, dibandingkan dengan, Dari perbandingan tersebut dilihat performasi terbaik dari throughput, Packet loss, dan delay. A. Algoritma OS Algoritma OS mempunyai prioritas kanal, jika pada saat user masuk di buffer mempunyai kapasitas kanal (CS) besar atau dalam kondisi terbaik, maka user tersebut akan terpilih untuk dikirimkan dulu, tanpa mempertimbangkan batas waktu kirim (TD), algoritma ini disebut sebagai algoritma maksimum throughput (MaxTP)[]. Adapun algoritma OS untuk sistem penjadwalan sebagai. Pembangkitan traffic RT (video), dan traffic NRT(FTP) pada kanal hujan.. Alokasi kanal dengan metode SRA. Buffering, dengan waktu tunggu untuk prioritas pengiriman paket data ke-i subcarrier ke-k yang mempunyai maksimal throughput.. Diasumsikan max( ) = putaran, dengan batas waktu kirim TD = ( x. detik), jika melebihi batas waktu user drop. Fungsi prioritas untuk algoritma sebagai () Dimana : = prioritas paket throughput terbesar ke-i subcarrier ke-k = prioritas paket terkecil ke-i subcarrier ke-k B. Algoritma EDF Algoritma ini mempunyai prioritas batas waktu deadline (TD ) jika user pada buffer mempunyai kapasitas besar atau user tersebut sudah mendekati deadline, maka user tersebut yang didahulukan untuk dikirim, jika user melebihi deadline, user akan drop atau tertolak untuk dikirim, algoritma ini tanpa mempertimbangkan informasi kanal (CS) tetapi mempertimbangkan jenis layanan (TS). Adapun algoritma EDF untuk sistem penjadwalan sebagai. Pembangkitan trafik RT dan NRT.. Alokasi kanal dengan metode SRA.. Buffering, dengan waktu tunggu untuk prioritas pengiriman paket data RT dengan max( ).. Diasumsikan max( ) = putaran, dengan batas waktu kirim TD = ( x. detik), jika melebihi batas waktu user drop. Fungsi prioritas untuk algoritma EDF sebagai () Dimana: = prioritas data RT pada paket data ke i subcarrier ke-k dengan waktu tunggu maksimal. = prioritas data NRT pada paket data ke i subcarrier ke - k dengan waktu tunggu minimum. C. Algoritma Algoritma mempunyai prioritas keadilan fairness (TS) dimana algoritma ini bertujuan supaya data user terkirim secara adil, dengan menggunakan sistem lead lag counter dimana sistem pengiriman user dilakukan secara bergantian, jenis layanan (TS) sangat dipertimbangkan dalam algoritma ini. Adapun algoritma untuk sistem penjadwalan sebagai. Pembangkitan trafik RT dan NRT.. Alokasi kanal dengan metode SRA.. Buffering, dengan waktu tunggu tsq untuk prioritas pengiriman paket dengan menggunakan sistem lead lad counter, dimana data dikirim secara bergantian. Diasumsikan max( ) = putaran, dengan batas waktu kirim TD = (x. detik), jika melebihi batas waktu user drop. Fungsi prioritas untuk algoritma sebagai ()
Prob(%) Prob(%) Dimana : = prioritas paket data subcarierr ke-. = prioritas paket data subcarier ke-. ke k+. = prioritas data kei+ subcarierr D. Algoritma Kebijakan penjadwalan yang dikemukakan dalam makalah ini terinspirasi oleh scheduler [], hal ini tidak hanya digunakan untuk setiap user di channel state tetapi juga pada menggabungkan parameter metrik dinamis : ) time to deadline (TD); ) type-of-service (TS), dan ) channel state (CS). Dimana pada parameter ((TS) dibagi menjadi dua kategori : )video streaming sebagi aplikasi real-time (RT) dan ) traffic FTP sebagai aplikasi NRT. Kemudian, TD adalah max (tsq) untuk layanan RT sebagai waktu yang dihabiskan dalam antrian oleh paket untuk NRT tidak tergantung oleh waktu karena data yang dikirim kecil []. Adapun algoritma untuk sistem penjadwalan sebagai. Pembangkitan trafik RT dan NRT. Alokasi kanal dengan metode SRA.. Buffering, dengan waktu tunggu tsq untuk prioritas pengiriman paket dengan prioritas CS, TD dan TS, maka jika kanal baik trafik RT dan waktu tunggu mendekati diasumsikan ¾ waktu dari deadline, maka paket tersebut yang diprioritaskan untuk dikirim. Fungsi prioritas untuk algoritma sebagai untuk masing masing user sedangkan alokasi kanal yang digunakan pada makalah ini adalah alokasi kanal dengan metode SRA (single resource alocation)[], setelah dilakukan pengalokasian kanal user dijadwalkan dengan metode yang berbeda, untuk mengetahui kinerja sistem yang terbaik maka dilakukan simulasi perbandingan algoritma penjadwalan yaitu OS, EDF,, dan. Throughput video terkirim dan ftp masing masing algoritma dapat dilihat pada gambar, algoritma paling rendah dan nilai throughput video paling terbesar adalah hal ini disebabkan karena pada algoritma hanya memprioritaskan keadilan jenis layanan sehingga paket terkirim secara bergantian tanpa melihat paket video atau ftp, karena sistem bergantian tersebut nilai throughput kecil, sedangkan mempunyai prioritas sekaligus (TD, TS, CS) sehingga throughput video lebih besar dibandingkan dengan algoritma yang lainnya, sedangkan OS nilai throughput masih terlihat besar karena paket data terbesar yang diprioritaskan untuk dikirim tanpa mempertimbangkan waktu, tetapi jika dibandingkan dengan EDF yang juga mempertimbangkan waktu deadline sehingga nilai throughput lebih besar dari OS dan, terlihat pada gambar nilai throughput ftp nilai paling besar adalah OS karena tidak mempertimbangkan waktu dan jenis layanan, maka semua data ftp yang terkirim, sedangkan dan EDF lebih rendah dari OS karena masih mempertimbangkan waktu dan jenis layanan, dimana untuk nilai throughput paling terkecil. - (CCDF)Kurva Distribusi Kumulatif trafik video EDF OS Sedangkan untuk data NRT sebagai fungsi prioritas dapat ditulis dalam rumus : Dimana: P RT (t SQ, CS) = Prioritas data untuk RT. P NRT (t SQ, CS) = Prioritas data untuk NRT. t SQ = waktu dalam antrian (det) = nilai konstan untuk kanal baik atau buruk τ = / dari waktu TD = fixed intial delay = nilai untuk kanal baik = kanal baik b = kanal buruk - -... throughput video (Mbps) x Gambar CCDF throughput Video terkirim - - (CCDF)Kurva Distribusi Kumulatif ftp OS EDF. HASIL SIMULASI Sebelum dilakukan sistem penjadwalan pada sistem cross layer ini dilakukan alokasi kanal -........ throughput ftp(mbps) x Gambar CCDF throughput ftp terkirim
tsq x. det tsq x. det Pada makalah ini diasumsikan bahwa bandwith MHz sehingga didapat subcarrier, dengan user maka alokasi dapat dihitung sebanyak / = alokasi, berdasarkan hasil simulasi pada gambar dan tabel, maka rata rata throughput video sebesar. x bps, EDF sebesar.x bps, OS sebesar. x bps, dan rata rata terkecil sebesar. x bps, sedangkan pada tabel dan berdasarkan hasil simulasi gambar, throughput ftp terbesar adalah OS sebesar. x bps, ini dikarenakan OS tidak mempertimbangkan batas waktu kirim sehingga data ftp banyak yang terkirim, sebesar. x bps, EDF sebesar. x bps, dan yang terkecil sebesar. x bps, namun total throughput secara keseluruhan baik video atau ftp nilai terbesar adalah sebesar. Mbps diperoleh dari total throughput video dijumlah dengan ftp yaitu. Mbps +. Mbps =. Mbps, EDF dengan total throughput sebesar. Mbps, Os total throughput sebesar. Mbps dan yang paling terkecil adalah yaitu. Mbps. Tabel Throughput video Throughput EDF OS Video Minimum Maximum Total Rata rata.... Standar devasi.. Tabel Throughput ftp hroughput EDF OS ftp Minimum Maximum. Total Rata rata.... Standar devasi.... Terlihat pada tabel bahwa paket terbuang untuk lebih kecil dibanding yang lainya sebesar.% karena dari user yang drop sehingga ( : ) x % =.% maka paket terkirim dapat dihitung dengan % -. % =.%, sedangkan paket terbesar yang terbuang terjadi pada algoritma OS sebesar.% dari user yang drop maka ( : ) x % =. % sehingga paket terkirim dapat dihitung dengan % -.% =.% sedangkan mempunyai nilai user drop sebesar.%, karena menggunakan sistem lead lag counter, user terbuang tidak banyak karena sistem keadilannya yang diutamakan, nilai EDF lebih kecil lagi dengan nilai user drop sebesar.% disebabkan karena bukan hanya keadilan atau jenis layanan yang diperhitungkan melainkan juga batas waktu kirim paket, sehingga jika nilai user drop atau packet loss lebih sedikit nilai, maka paket terkirim akan lebih besar terlihat pada tabel nilai paket kirim terbesar adalah sebesar.%, EDF sebesar.%, sebesar.%, dan OS sebesar.%. Tabel paket terbuang atau packet loss User Paket tebuang (%) Iterasi OS EDF -.%.%.%.% Tabel paket terkirim User Paket terkirim (%) Iterasi OS EDF -.%.%.%.% Perbandingan prioritas waktu pada algoritma OS, EDF,, dan dimaksudkan agar bisa mengetahui paket data yang terkirim dan yang terbuang atau packet loss, Dilihat pada gambar s/d tidak semua algoritma tersebut memprioritaskan waktu, hanya algoritma, EDF yang prioritas waktunya lebih besar maka dapat dilihat bahwa paket data pada dan EDF yang terkena deadline waktu lebih sedikit dibandingkan dengan OS dan, dimana untuk algoritma OS lebih besar paket data yang terbuang karena prioritas hanya kanal Gambar Deadline OS Gambar Deadline EDF waktu deadline pada algoritma OS Deadline user user user user user user waktu deadline pada algoritma EDF BATAS DEADLINE user user user user user user
tsq x. det tsq x. det waktu deadline pada algoritma BATAS DEADLINE user user user user user user Gambar Deadline waktu deadline pada algoritma BATAS DEADLINE user user user user user user Gambar Deadline Pada tabel dapat dilihat bahwa rata rata delay terbesar algoritma sebesar. ms ini dikarenakan sistem pengiriman paket mengggunakan sistem lead lag counter dengan metode pengiriman satu per satu user memakan waktu yang besar sehingga delay juga akan semakin besar. Dan nilai delay paling minimum oleh algoritma OS sebesar. ms dikarenakan hanya memprioritaskan kanal sehingga paket cepat terkirim yang juga mempengaruhi delay menjadi kecil. Delay algoritma juga tidak terlalu besar karena prioritas waktu juga menjadi hal yang paling diperhatikan. Tabel Delay Minimum Delay (ms) EDF OS Minimum.... Maximum.... Rata-rata.... Standart deviasi..... KESIMPULAN Evaluasi kinerja dari sistem penjadwalan lintas lapisan dengan membandingkan algoritma, OS, EDF, dan. Algoritma penjadwalan, dengan total throughput sebesar. Mbps, packet loss sebesar.%, dan delay. ms, algoritma dengan total throughput sebesar. Mbps,, packet loss sebesar.%, dan delay. ms, sedangkan algoritma OS dan EDF total throughput sebesar. Mbps, packet loss sebesar.%, dan delay. ms, dan. Mbps, packet loss sebesar.%, dan delay. ms. Dari hasil diatas maka dapat disimpulakan bahwa algoritma terbaik adalah meskipun dari segi delay dan throughput ftp lebih kecil dari OS tetapi tidak terlalu mempengaruhi performasi sistem, karena semakin besar throughput yang terkirim maka semakin kecil data yang loss atau terbuang, teapi walaupun mempunyai performasi terbaik tetapi tidak semua aspek parameter bernilai besar. DAFTAR ISI [] Endroyono, dan Hendrantoro G., Cross Layer Optimizazion Performance Evolution of OFDM Broadband Network on Millimeter Wave Channel, Wireless and Optical Communication Network,. [] Cimini, Jr, I, Analysis and Simulation of Digital MobileCchannel using OFDM IEEE Trans Commun, vol, pp. -,. [] Song, G. and Ye Li, Cross Layer Optimization for OFDM Wireless Network-part I: Theorical Framework,, IEEE Transaction on Wireless Communications vol No.,. [] Virginia Corvino, Velio Tralli Cross Layer Radio Resource Allocation for Multicarrier Air interfaces in Multicell Multiuser Envirement, IEEE Transaction on Vehicular Technology,. [] Baskoro Farid, Evaluasi Kinerja Adaptive Resource Allocation(ARA) Di Kanal Redaman Hujan Di Bandingkan dengan Simple Resource Allocation (SRA) dan Random Resource Allocation (RRA.), Institut Teknologi Sepuluh Nopember,.