BAB 1 I PENDAHULUAN. 1.1 Latar Belakang

BAB 1 I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sejak pertama kali diperkenalkan hingga tiga puluh tahun perkembangannya, teknologi seluler telah melakukan banyak perubahan besar. Sejarah mencatat perkembangan teknologi seluler generasi pertama (1G) yang dikenal dengan Advanced Mobile Phone Service (AMPS) dengan fokus layanan berbasis suara. Selanjutnya generasi kedua (2G) dengan Groupe Special Mobile (GSM) mampu memberikan peningkatan kapasitas dan daerah cakupan layanan menjadikan layanan komunikasi seluler dapat dinikmati secara luas oleh lebih banyak pengguna. Munculnya teknologi internet kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi 3G yang mampu mendukung layanan dan aplikasi berbasis multimedia yang kemudian menjadi pintu gerbang teknologi seluler broadband saat ini. Teknologi seluler broadband merupakan teknologi yang menggunakan koneksi internet yang memungkinkan pertukaran informasi dalam bentuk suara, data, maupun video dengan kecepatan tinggi. International Telecommunication Union (ITU) mencatat pengguna seluler aktif pada tahun 2013 secara global mencapai 6,8 miliar pelanggan, hampir mencapai total populasi manusia di dunia [1]. Pada akhir tahun 2014, 32% dari total pengguna teknologi seluler tersebut merupakan pengguna broadband seluler yang diperkirakan akan terus mengalami perkembangan jumlah pelanggan [2]. Dengan persentase seperti ini, dapat diprediksi mobile Web-based akan menggantikan penggunaan PC Web-based dimasa depan. Perkembangan seluler broadband ini tidak dapat dipisahkan dari meningkatnya volume data yang diakses oleh pengguna. Tren layanan yang diakses oleh pengguna telekomunikasi seluler telah berpindah dari SMS, MMS, suara, dan layanan data rendah ke layanan dengan ukuran data tinggi seperti content download, game, media streaming, VoIP, maupun jejaring sosial. 1

Didukung pula oleh perkembangan teknologi perangkat seluler dengan kemampuan integrasi data dan antarmuka canggih seperti smartphone, laptop, dan tablet membuat lonjakan pengguna data dan aplikasi dengan bandwidth tinggi semakin meningkat. Menurut [3], layanan data tinggi yang memiliki andil besar dalam peningkatan ini adalah layan video bergerak. Layanan video bergerak telah mencapai 50% dari total lalu lintas data seluler dan diprediksi akan mencapai 66% dari lalu lintas data dunia pada tahun 2017 [4]. Video menjadi layanan paling banyak diakses setiap hari, baik untuk hiburan maupun kepentingan bisnis dan pribadi lainnya. Video merupakan layanan yang membutuhkan bandwidth tinggi dengan syarat delay, latency, dan jitter yang ketat. Dengan tingkat permintaan yang tinggi, tentu saja dibutuhkan sebuah teknologi komunikasi nirkabel yang mampu memberikan layanan video dengan kualiatas yang baik. Long Term Evolution (LTE) merupakan teknologi yang dikenalkan oleh 3GPP untuk menjawab tantangan kebutuhan layanan komunikasi broadband nirkabel. LTE disebut sebagai teknologi terbaru yang memberikan performa lebih baik dari generasi sebelumnya (3G), LTE bahkan dianggap sebagai langkah penting dari evolusi broadband nirkabel yang dapat menyaingi broadband tetap seperti kabel dan Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL). Dengan teknologi Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), LTE diharapkan mampu menangani kebutuhan layanan internet dan multimedia bergerak dengan kemampuan data rate yang tinggi, latency yang rendah, dan peningkatan efisiensi spektrum dari generasi sebelumnya (3G). Untuk mencapai ketiganya, dibutuhkan strategi dalam mengatur alokasi kanal dalam jaringan. Pengelolaan kanal radio secara efektif dapat meningkatkan performa sistem dan juga memenuhi jaminan Quality of Service (QoS) bagi pengguna. Algoritme penjadwalan memiliki peranan yang sangat penting dalam mengatur aliran paket data dalam sistem telekomunikasi. Selain itu, algoritme penjadwalan juga mengatur distribusi kanal untuk pengguna aktif dengan aturan tertentu. Pada jaringan LTE, algoritme penjadwalan bekerja pada radio base station yang bernama evolved NodeB (enodeb). Algoritme penjadwalan dapat 2

memaksimalkan efisiensi spektrum melalui aturan alokasi kanal yang dibuat seefisien mungkin sehingga dapat mengurangi akibat menurunnya kualitas kanal. Desain aturan penjadwalan yang efektif merupakan kunci performa dari jaringan broadband nirkabel. Dalam mendesain sebuah algoritme penjadwalan, beberapa aspek penting yang perlu diperhatikan untuk memaksimalkan kinerja algoritme penjadwalan dalam meningkatkan performa sistem seperti kompleksitas dan pengembangan algoritme, secara efektif dapat memaksimalkan penggunaan kanal untuk mencapai efisiensi spektrum, nilai fairness, dan jaminan QoS bagi layanan tertentu [5]. Dengan semakin meningkatnya kebutuhan layanan multimedia, maka diperlukan sebuah algoritme yang dapat menangani paket data dengan persyaratan QoS yang ketat. Algoritme Maximum Largest Weighted Delay First (M-LWDF) adalah algoritme yang diajukan untuk menangani peningkatan traffic data real time [6]. Algoritme ini menggunakan komponen delay dalam memilih pengguna yang akan dijadwalkannya. Karakteristik dari algoritme ini adalah adanya metrik penjadwalan yang menggunakan kriteria tertentu untuk setiap aliran datanya. Hal ini mengakibatkan adanya peningkatan kompleksitas pada algoritmenya yang dapat menyebabkan penurunan performa sistem. Algoritme dengan kompleksitas yang rendah ditunjukkan oleh algoritme Proportional Fair yang banyak dipakai dalam sistem penjadwalan paket data [7]. Algoritme Proportional Fair menawarkan keseimbangan antara efisiensi spektrum dan nilai fairness bagi pengguna. Namun sayangnya, algoritme ini kurang sesuai untuk diaplikasikan dalam menangani layanan data real time. Penelitian ini mengajukan sebuah modifikasi algoritme Proportional Fair dengan alokasi bandwidth yang adaptif. Alokasi bandwidth yang adaptif pada algoritme Proportional Fair diharapkan dapat meningkatkan performa algoritme dalam menangani paket data dengan persyaratan QoS yang tinggi, terutama pada layanan video nirkabel. 3

1.2 Perumusan Masalah Perumusan masalah dalam penelitian ini adalah: 1. Untuk dapat mengatur secara seimbang pembagian alokasi kanal sehingga dapat memberikan fairness sekaligus throughput yang tinggi bagi pengguna layanan real time di dalam sistem telekomunikasi nirkabel, dibutuhkan sebuah algoritme penjadwalan yang lebih baik dari algoritme Proportional Fair. 2. Algoritme Proportional Fair yang memiliki trade-off yang baik antara throughput dan fairness mengalami penurunan performa yang tajam saat menangani paket data real time seperti video dengan jumlah pengguna dan kecepatan yang meningkat. 1.3 Batasan Masalah Batasan masalah yang digunakan pada penelitian ini antara lain: 1. Model sistem yang dibangun berdasarkan jaringan LTE sesuai standar 3GPP Release 8. 2. Daya didistribusikan secara rata ke semua sub-kanal yang tersedia. 3. Simulasi dilakukan pada sebuah cell dengan pengguna yang bergerak di sekitar daerah cakupan cell tersebut sehingga tidak terjadi handover. 4. Semua pengguna di dalam sistem memiliki jenis aliran data yang sama pada saat proses simulasi berlangsung yaitu one way video real time. 1.4 Keaslian Penelitian Keaslian penelitian berisi survei yang telah dilakukan terhadap algoritme penjadwalan pada downlink LTE di beberapa jurnal dan paper konferensi. Perbedaan mendasar pada masing-masing penelitian teletak pada metode dalam mengatur data paket dan alokasi kanal bagi tiap pengguna serta tujuan optimasi pada algoritme. Karena ada perbedaan tersebut, sub-bab ini akan menguraikan beberapa penelitian yang telah dilakukan dalam mendesain algoritme penjadwalan 4

pada jaringan downlink LTE untuk memperlihatkan perbedaan masing-masing metode dengan metode yang diajukan dalam penelitian ini. Penelitian [8] menggabungkan penjadwalan pada domain frekuensi dan waktu yang dapat memberikan efisiensi spektrum dan memenuhi syarat QoS maupun fairness pada sistem OFDMA LTE. Algoritme penjadwalan dibagi menjadi dua layer. Layer pertama bekerja pada domain waktu dengan memanfaatkan sifat algoritme Proportional Fair untuk memaksimalkan fairness sistem. Pada layer kedua diberikan algoritme penjadwalan yang bersifat oportunis untuk memaksimalkan faktor diversitas multi-pengguna. Proportional Fair pada domain waktu bertugas menseleksi pengguna dengan kondisi kanal yang paling baik dengan tetap menjaga fairness sistem dalam prosesnya. Pada domain frekuensi terdapat beberapa kandidat algoritme yang dapat digunakan seperti Frequency-Domain Round Robin (FD-RR), FD-Max C/I, FD-PF, dan FD- Dynamic Allocation (FD-DA). Dalam melakukan pemodelan, penulis memasukkan parameter seperti mekanisme transmisi ulang, kontrol pensinyalan, jumlah pengguna, dan fairness sistem. Proebster et al [9] melakukan modifikasi pada Proportional Fair dengan menggabungkannya dengan algoritme Minimum Bit Rate (MBR). Menurut peneliti ini, keadaan optimal fairness sangat tergantung oleh keadaan sistem misalnya kondisi kanal. Algoritme Proportional Fair with Minimum/Maximum Rates (PFMR) ini dapat melakukan optimasi otomatis dengan menyesuaikan parameter fairness pada penjadwalan dengan menggunakan elemen kontrol. Dengan melakukan kombinasi ini, sistem dapat memberikan garansi minimum layanan pada pengguna dengan kondisi kanal yang tidak begitu baik sehingga layanan dasar dapat tetap tersedia untuk mereka. Apabila MBR bernilai nol, maka algoritme akan bekerja seperti Proportional Fair dasar. Bit rate minimum tiap kelas QoS ditentukan pada awal proses. Fairness dicapai dengan asumsi berulang terhadap kondisi alokasi berdasar kanal atau throughput sehingga setiap pengguna dapat tetap mendapatkan alokasi kanal. Pada penelitian [10] algoritme Proportional Fair dimodifikasi hingga 5

dapat memaksimalkan nilai fairnessnya. Skenario algoritme Blind Equal Throughput (BET) diimplementasikan ke dalam Proportional Fair untuk dapat mencapai fairness dengan tetap menjaga nilai throughput sistem. Pada algoritme BET, metrik penjadwalan didapatkan dengan melihat nilai rata-rata throughput yang dicapai oleh pengguna sebelumnya (t-1). Pengguna dengan nilai rata-rata paling rendah akan mendapatkan prioritas, kemudian disusul oleh pengguna dengan nilai terendah kedua seterusnya hingga pengguna dengan nilai rata-rata paling tinggi. Algoritme BET kemudian membagi rasio kanal sesuai dengan jumlah pengguna yang ada. Misal terdapat 6 kanal untuk 3 pengguna, maka rasio kanal akan dibagi menjadi 3:2:1 dengan urutan berdasarkan prioritas. Sifat ini kemudian dimasukkan ke dalam algoritme Proportional Fair untuk meningkatkan nilai fairness dengan tetap menjaga throughput sistem. Proportional Fairness Throughput (PFT) membagi kanal secara rata untuk semua pengguna sesuai dengan metrik yang telah ditentukan. Modifikasi algoritme Proportional Fair untuk layanan real time seperti video streaming dilakukan oleh N. Khan et al [11]. Peneliti menggunakan metode frame significance throughput dengan mengalokasikan buffer terpisah untuk menyimpan trafik video yang telah dibangkitkan oleh server. Trafik video stream masing-masing pengguna diatur oleh Group of Pictures (GOP). GOP membagi frame menjadi intra frame dan inter frame, dimana intra frame adalah frame yang dapat didekodekan secara bebas, sedangkan inter frame adalah frame yang tidak dapat didekodekan tanpa frame sebelumnya. Setiap GOP pengguna akan diberikan bobot delay di dalam buffer yang terletak di enb. Algoritme harus menyediakan alokasi kanal yang cukup agar semua frame yang tersimpan dapat ditransmisikan sebelum melebihi batas delay-nya. Frame yang gagal memenuhi batas delay-nya akan dibuang dari buffer. Frame yang dibuang ini kemudian akan digantikan oleh salinan frame terakhir yang berhasil diterima. Dengan menambahkan dimensi ini kedalam algoritme Proportional Fair, algoritme dapat memaksimalkan diversitas multi-pengguna dengan waktu rata-rata. 6

Tabel 1.1 Penelitian terkait desain algoritme penjadwalan pada LTE menggunakan Proportional Fair Peneliti Objek Tujuan Tools dan Algoritme Metode C. B. Kian et al., Alokasi kanal pada Peningkatan efisiensi spektrum Algoritme Proportional 2008 sistem OFDM LTE sistem dan peningkatan nilai Fair dengan Round QoS/fairness Robin, Max C/I, dan DA M. Proebster et Alokasi kanal jaringan Optimal fairness Algoritme Proportional al., 2010 berbasis OFDMA Fair dan Minimum Bit Rate S. Sudheep and Alokasi kanal jaringan Peningkatan fairness Algoritme Proportional B. Rebekka, LTE Fair dan Blind Equal 2014 Throughput N. Khan et al., Jaringan LTE/LTE-A Peningkatan kualitas layanan Algoritme Proportional 2013 video pada jaringan LTE/LTE-A Fair dengan frame significance throughput Algoritme dua layer dengan kombinasi PF pada domain frekuensi Menggunakan elemen kontrol untuk menyesuaikan fairness sistem sesuai kondisi kanal Prioritas terendah mendapat alokasi kanal lebih banyak Menggunakan buffer terpisah dan parameter delay 7

Beberapa penelitian telah dilakukan untuk meningkatkan performa algoritme Proportional Fair. Penelitian-penelitian yang telah disebutkan di awal melakukan perbaikan dengan tujuan seperti fairness, efisiensi spektrum, dan QoS layanan. Hal tersebut dicapai dengan menggunakan dua level penjadwalan, maupun elemen tambahan pada perhitungan metrik penjadwalan. Penelitian yang diusulkan adalah mengenai perbaikan algoritme Proportional Fair agar dapat memberikan hasil QoS dan fairness yang baik saat menangani paket data real time, terutama video. Dalam menjadwalkan pengguna aktif dalam sistem, metrik penjadwalan pada algoritme yang diusulkan dimodifikasi sehingga alokasi subkanal dalam jaringan dilakukan secara adaptif agar rate terima jangka panjang dari pengguna dapat terjaga. Penelitian dilakukan dengan melakukan simulasi pada model yang telah dirancang berdasarkan model sistem LTE dan model matematis perbaikan algoritme Proportional Fair. Dalam melakukan proses penjadwalan, Algoritme Proportional Fair yang telah dimodifikasi metriknya akan melakukan pengecekan aliran data terlebih dahulu untuk kemudian bersiap melakukan pembagian alokasi sub-kanal sesuai dengan kondisi kanal pengguna yang dilaporkan ke enb. Dalam menghitung metrik penjadwalan, algoritme Proportional Fair yang diusulkan ini menggunakan parameter seperti daya, gain, bandwidth, dan noise sebagai informasi dalam melakukan penjadwalan. Pengguna aktif dalam jaringan akan diberikan posisi yang berbeda satu sama lain secara acak dengan kecepatan yang sama pada satu waktu simulasi. 1.5 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah meningkatkan performa algoritme penjadwalan Proportional Fair dalam segi QoS dan fairness dengan menggunakan alokasi bandwidth yang adaptif saat melayani paket data real time video pada transmisi downlink LTE. 8

1.5 Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah: 1. Memaksimalkan efisisensi spektrum pada jaringan LTE dengan menggunakan algoritme penjadwalan. 2. Sebuah algoritme penjadwalan dengan kompleksitas rendah yang dapat digunakan untuk mengatur aliran data real time. 3. Meningkatkan performa algoritme Proportional Fair dasar sehingga dapat menangani aliran paket data video real time. 4. Perbaikan algoritme Proportional Fair yang diajukan dapat memberikan garansi QoS dan fairness bagi pengguna layanan real time. 9