ARTICLE ON PROCEEDING SEMINAR NASIONAL TEKNIK UNDANA 2017 4th NOV 2017 ISSN 2598-523X
ANALISA QoS PADA APLIKASI XMESH ROUTING PROTOCOL UNTUK KOMUNIKASI MULTIHOP JARINGAN SENSOR NIRKABEL
Godlief Erwin Semuel Mige
Program Studi Pendidikan Teknik Elektro, Universitas Nusa Cendana, Jl. Adisucipto Penfui, Kupang
Email: godlieverwin@yahoo.com
ABSTRAK Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) / Wireless Sensor Network (WSN) semakin populer dan banyak digunakan seiring peningkatan ilmu pengetahuan dan teknologi yang berkaitan dengan kebutuhan akan informasi dari lingkungan sekitar. Karena bentuknya yang kecil, banyak sensor dapat disatukan dalam suatu jaringan agar keterbatasan kemampuan tiap node sensor dapat dibantu oleh node sensor yang lain serta data sensing yang dihasilkan dapat diolah secara menyeluruh. Untuk dapat mengirimkan data sensing ke sink / gateway dapat dilakukan lewat komunikasi single hop dan multi hop. Dalam penelitian ini , dilakukan testbed pada JSN yang disusun dari 4 node sensor dan 1 sink / gateway. Komunikasi data antar node sensor disimulasikan secara single dan multi hop. Untuk komunikasi multi hop, diterapkan protokol Xmesh yang dapat mengatur routing komunikasi multi hop serta kepadatan antrian data dan penentuan prioritas pengiriman data sensing. Jaringan sensor yang dibuat, kemudian diuji kualitas penginderaan, pengiriman data serta komsumsi arus selama masa pemantauan. Hasil testbed menunjukkan bahwa komunikasi multihop tiap node pada penempatan sensor di ketinggian 60cm dapat mencapai 23m, dengan radius 92m untuk 4 node sensor. Packet loss yang terjadi pada hop yang keempat hingga 22,1154 %. Pada kondisi tanpa loss dengan beban pengiriman 80 byte throughput dapat mencapai 663.9446 bps sedangkan pada kondisi loss yang besar seperti pengukuran komunikasi multihop dengan beban 22 byte, pada hop keempat throughput hanya 6,7584 bps. Hasil pengukuran hop pertama pada beban 22 byte diperoleh delay sebesar 0,813 detik, untuk beban 55 byte delay sebesar 0.875 detik, sedangkan untuk 80 byte delay sebesar 1,032 detik.
Kata kunci: Jaringan, sensor, multihop, protokol, xmesh
1. PENDAHULUAN
Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) terdiri dari sekumpulan besar sensor berukuran kecil dengan berbagai kemampuan untuk merasakan atau mengindera sesuatu seperti getaran, cahaya, suhu, medan magnet dan akustik yang berada disekitar daerah yang dipantau. Kumpulan sensor ini bertujuan untuk mengumpulkan data-data spesifik yang diperlukan untuk mengontrol kondisi di suatu daerah. Data hasil pengideraan dikirim ke suatu stasiun kendali atau dikenal sebagai sink untuk diproses dan dianalisa, adalah hasil kerja sama atau komunikasi antar node sensor dengan cara multi-hop , seperti pada gambar 1. Yang dimaksud dengan multi-hop adalah komunikasi antar sensor dengan sink yang berada diluar jangkauannya lewat sensor lain yang terdekat pada jangkauan, kemudian diteruskan secara berantai ke sensor berikutnya, sehingga informasi dapat sampai pada sink. Demikian sebaliknya.
Gambar 1 Topologi dasar JSN, (Severino, R. dkk. 2006)
Lingkup penelitian adalah dengan melakukan studi literatur, bagaimana membuat testbed pada JSN dengan protokol Xmesh yang disusun dengan topologi linear yang adalah bentuk lain dari pengkondisian topologi mesh dengan rute tetap untuk keperluan testbed , serta membuat program pengontrolan dengan TinyOS. Topologi mesh dipilih karena cocok untuk jaringan dengan banyak node sensor terkontrol yang disebarkan dalam daerah yang luas.
2. Metode Penelitian
2.1 Metodologi
Metodologi penelitian ini dibagi menjadi beberapa tahap penelitian. Yang pertama adalah pengukuran skalabilitas komunikasi multihop dengan jaringan sensor nirkabel dan yang kedua pengukuran pengaruh banyaknya hop dengan variasi trafik pengiriman paket node. Kemudian dilakukan pengamatan konsumsi arus yang digunakan oleh node pada komunikasi multihop. Untuk pengukuran skalabilitas jaringan dilakukan dengan mengukur jarak maksimum per hop. Pengukuran ini dilakukan dengan variasi ketinggian node yaitu pada 0 cm (diatas tanah), 30 cm, dan 60 cm. Dilakukan beberapa variasi ketinggian dikarenakan jarak maksimum antar hop sangat dipengaruhi oleh pola radiasi antena. Jika pola radiasi antena tidak sempurna maka jarak komunikasi menjadi tidak maksimal. Pengukuran jangkauan komunikasi ini dilakukan dengan menghitung besarnya packet loss pada setiap jarak komunikasi. Jarak komunikasi divariasikan dari 1 meter hingga jarak dimana packet loss telah mencapai 100 persen.
Untuk melakukan pengukuran pengaruh banyaknya hop dilakukan dengan beberapa variasi trafik pengiriman paket node yaitu 22 byte, 55 byte dan trafik 80 byte. 22 byte merupakan pengiriman data maksimum pada tinyos menggunakan komunikasi multihop, dan 55 byte adalah pengiriman data maksimum menggunakan aplikasi Crossbow, sedangkan kapasitas data maksimum yang dapat dihasilkan oleh node adalah 80 byte. Kecepatan transmisi data yang dikirimkan oleh node adalah 1 paket per detik. Pengukuran dilakukan dengan komunikasi 4 hop dan jarak komunikasi antar hop mengacu pada pengukuran skalabilitas jaringan yang telah dilakukan sebelumnya. Parameter ukur yang digunakan pada metodologi penelitian diatas adalah parameter uji quality of service packet loss, troughput, dan delay. Selain skalabilitas dan kualitas jaringan pada komunikasi multihop perlu dilakukan analisa terhadap konsumsi energi yang digunakan oleh setiap node. Hal ini dikarenakan keterbatasan energi merupakan masalah utama pada jaringan sensor nirkabel. Semakin sedikit energi yang digunakan maka jaringan sensor nirkabel tersebut akan bertahan semakin lama. Atas dasar inilah maka perlu sekali dilakukan pengamatan terhadap konsumsi energi untuk mengukur seberapa lama jaringan sensor nirkabel tersebut dapat bertahan. Dengan menggunakan topologi seperti pada gambar 3.1 dilakukan pengamatan arus yang diberikan oleh baterai kepada node sehingga diketahui pengaruh banyaknya hop terhadap energi yang dikonsumsi oleh node dalam komunikasi multihop dengan jaringan sensor nirkabel.
Gambar 2. Topologi Jaringan Untuk Multihop
Selain skalabilitas dan kualitas jaringan pada komunikasi multihop perlu dilakukan analisa terhadap konsumsi energi yang digunakan oleh setiap node. Hal ini dikarenakan keterbatasan energi merupakan masalah utama pada jaringan sensor nirkabel. Semakin sedikit energi yang digunakan maka jaringan sensor nirkabel tersebut akan bertahan semakin lama. Atas dasar inilah maka perlu sekali dilakukan pengamatan terhadap konsumsi energi untuk mengukur seberapa lama jaringan sensor nirkabel tersebut dapat bertahan. Tidak seperti perangkat komputer, setiap node tidak memiliki clock sehingga dalam pengukuran delay diperlukan sebuah sink yang berperan sebagai sniffer. Sniffer dapat menangkap paket yang dikirim oleh node meskipun node tersebut tidak mengirimkan kepadanya. Sniffer digunakan untuk memberikan referensi waktu penerimaan paket sehingga dapat dihitung delay transmisi dengan membandingkan waktu penerimaan paket pada sink dengan waktu penerimaan paket pada sniffer. Seperti terlihat pada gambar 3, pada penelitian ini sniffer diletakkan di dekat node yang akan dihitung delay-nya. Sebelumnya kedua komputer baik server maupun sniffer harus melakukan sinkronisasi waktu melalui protokol NTP (Network Time Protocol). Agar waktu referensi antara server dan sniffer sinkron dan dapat sehingga dapat membandingkan waktu kedatangan paket dari gateway dan sniffer.
Gambar 3. Topologi Pengukuran Delay Dengan Sniffer
2.2. Perangkat Keras (Hardware)
Spesifikasi perangkat keras yang digunakan oleh Jaringan Sensor Nirkabel dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
- Sensorboard : Tipe MTS420, produksi Crossbow Technology. Sensorboard ini dapat mengindera adanya cahaya, temperatur, kelembaban, tekanan serta gerakan (akselerometer) sesuai jmlah sensor yang onboard. MTS240 juga mempunyai modul GPS. Sensorboard dipasang pada mote Micaz MPR2400 yang akan memancarkan data sensing menuju gateway.
- Mote Processor : Prosesor Atmel ATmega 128L, Program Flash Memory 128 Kbyte, Measurement Flash 512 Kbyte, komunikasi serial UART, 10 bit ADC (0-3 volt), pemakaian arus 8 mA (mode aktif), < 15 µA mode sleep. Transceiver Radio : frekuensi kerja 2400 MHz – 2483.5 MHz, kecepatan pengiriman data 250 kbps, daya kirim -24 dbm - 0 dbm, sensitivitas penerima -90 dbm (min), -94 dbm (typ), pemakaian arus 19.7ma (mode terima), 11ma (pengiriman -10dbm), 14ma (pengiriman -5dbm), 17.4dbm (pengiriman 0dbm), 20 µA (mode idle), 1 µA (mode sleep). Elektromekanik : Baterai 2xAA, sumber daya lain 2.7 V – 3.3 V, User Interface LED (merah, kuning, hijau), ukuran 58x32x7 (tidak termasuk baterai), berat 18 gram (tidak termasuk baterai), 51-pin konektor ekspansi.
- Gateway : Interface Node ; konektor ekspansi 51-pin. Interface UART, user interface LED (merah, kuning, hijau). Interface LAN ; internal web server, serial login, telnet login, password keamanan, layanan pengunci. Interface jaringan ethernet : konektor RJ45, berbasis protokol IEEE 802.3, kecepatan data 10 MBps (10 Base-T). Pemrograman dalam sistem (In-System Programming) ; Protokol UISP (UART in-system programming), LED indikator ISP aktif, RESET node. Fisik : Dimensi 11.76cm x 5.82cm x 2.54cm, sumber daya PoE 5V. Gateway digunakan untuk melewatkan paket dari jaringan sensor kepada server. Tipe MIB 600 untuk komunikasi jaringan sensor dan interface Ethernet Programming Board (EPRB) untuk komunikasi server. Produksi Crossbow Technology. Sensorboard yang ditempelkan diatas mote nantinya disebut node.
Gambar 4. Gateway (MIB 600) , Micaz Mote (MPR 2400), Sensorboard (MTS 420)
- Server : Prosessor Intel Pentium Dual Core CPU T2390 @ 1.86 GHz, Memory DDR2 1 GB, Network Interface Card (NIC) Realtek RTL8186/8111PCI-E Gigabit Ethernet.
- Kontroler : Minimum system microcontroller Atmel AT 895x, switch panel, dimmer, motor stepper DC 12V.
2.3 Perangkat Lunak (Software)
Perangkat lunak sangat diperlukan dalam membangun server ataupun sniffer jaringan sensor. Pada penelitian ini perangkat lunak yang digunakan dibagi menjadi dua, yaitu yang pertama sistem operasi dasar dan yang kedua yaitu tools. Untuk sistem operasi dasar digunakan tinyos-1.x yang bekerja pada sistem operasi Windows menggunakan emulasi linux environment Cygwin. Tools digunakan untuk monitoring jaringan, mengolah data, dan menangkap data jaringan sensor. Perangkat lunak tools adalah Serial Forwarder, Surge, dan Message Center.
· Cygwin
Cygnus Linux for Windows (Cygwin) merupakan linux environment untuk Windows. Software ini harus diinstal agar TinyOS dapat bekerja pada windows.
· TinyOS
TinyOS merupakan sistem operasi open-source yang didesain khusus untuk jaringan sensor nirkabel. TinyOS memiliki arsitektur berbasis komponen yang mendukung adanya inovasi dan implementasi jaringan sensor nirkabel dengan meminimalisasi ukuran kode yand dibutuhkan sebagaimana karakteristik jaringan sensor yang memiliki sedikit memori. Komponen librari TinyOS terdiri dari protokol jaringan, layanan distribusi sensor, driver sensor, dan software pengamatan data sensor yang dapat digunakan untuk melakukan monitoring jaringan sensor.
· Serial Forwarder.
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 surge dan Message Center tidak akan dapat bekerja sebelum perangkat lunak ini dijalankan terlebih dahulu.
· Surge
Surge merupakan software yang digunakan untuk memonitoring jaringan sensor nirkabel. Surge secara grafis dapat menampilkan semua node yang ada pada jaringan sensor nirkabel beserta jalur pengiriman paketnya. Selain itu surge juga dapat menghitung banyaknya pesan yang dikirimkan oleh satu node. Surge hanya mengamati satu grup jaringan sensor nirkabel. Surge bekerja dengan basis pemrogaman Java. Surge dapat bekerja setelah Serial Forwarder dijalankan.
· Listen
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
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.
· Lantronix Device Installer
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, bahkan mengatur port yang ada pada gateway. Software ini mampu melakukan pengaturan hardware baik secara grafis ataupun melalui mode text (telnet). Pada penelitian ini diberikan alamat IP 192.168.1.7/24 pada gateway.
3. hasil dan pembahasan
3.1 Pengukuran Jangkauan Komunikasi
Pada pengukuran Jangkauan komunikasi dilakuan 4 kondisi ketinggian rata – rata node, yaitu pada ketinggian 180cm, 60 cm, 30 cm, dan 0 cm (di atas tanah). Pengukuran dilakukan pada kondisi transmisi Line Of Sight (LOS) agar diperoleh performa maksimum jangkauan transmisi. Daya pancar yang digunakan dalam transmisi komunikasi node adalah sebesar 0 dbm atau 1 mW dan digunakan sumber tegangan (baterai) dengan kapasitas maksimum sehingga tidak terjadi pengaruh kecilnya jangkauan komunikasi dikarenakan kurangnya sumber tegangan. Kemampuan sensitivitas penerima node dapat diketahui dari spesifikasi perangkat node yaitu sebesar -94 dbm atau 4x10-10 mW.
· 0 cm dari tanah. Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa terdapat tiga macam area yang menunjukkan kualitas komunikasi node berdasarkan jangkauannya. Area yang pertama ialah pada jarak antara 1 sampai 3meter dimana tidak ada packet loss yang terjadi pada kondisi tersebut atau dapat dikatakan semua paket yang dikirimkan telah diterima oleh sink. Kondisi ini dapat dikatakan sebagai kondisi maksimum komunikasi antar node. Pada area yang kedua yaitu pada jarak antara 4sampai 7 meter merupakan area transisi node. Dikatakan area transisi karena pada jangkauan area ini sudah mulai terjadi packet loss, seperti pada jarak 4 meter terjadi packet loss sebesar 24 % kemudian pada jarak 5 dan 6 meter tidak terjadi packet loss dan pada jarak 7 meter terdapat packet loss sebesar 34,85 % pada area ini kondisi komunikasi sudah tidak stabil sehingga perlu dipertimbangkan lagi apabila menghendaki jaringan komunikasi node dengan jarak jangkauan seperti ini. Pada area ketiga yaitu pada jarak lebih dari 8 meter, packet loss sudah mencapai 100 % dimana paket yang dikirimkan node sudah tidak dapat diterima oleh sink. Dari pengukuran ini dapat disimpulkan bahwa ketersediaan jangkauan komunikasi dengan posisi node di atas permukaan tanah terjadi pada jarak antar node kurang dari 3 meter.
· Pada pengujian jangkauan node dengan ketinggian 30 cm dari permuakaan tanah, diperoleh hasil bahwa pada jarak 0 sampai 11 meter, komunikasi terjadi tanpa adanya packet loss, artinya setiap paket yang dikirimkan selalu dapat diterima oleh sink. Berbeda dengan pengukuran sebelumnya, area transisi atau area mulai muncul packet loss pada ketinggian komunikasi 30 cm terjadi pada jarak 12 sampai 16 meter. Pada area ini packet loss maksimum yang terjadi ialah sebesar 36,36 %, pada jarak 12 dan 16 meter terjadi packet loss sebesar 12,66 % dan 13,33 %. Area dimana sudah tidak terdapat komunikasi antar node pada ketinggian 30 cm yaitu pada jarak mulai dari 17 meter. Setelah jarak 17 meter ini node tidak dapat menjangkau sink sehingga tidak terjadi komunikasi. Dari pengukuran ini dapat disimpulkan bahwa jangkauan maksimum komunikasi node yang efisien dengan ketinggian 30 cm adalah 11 meter.
Gambar 6. Ketinggian node sensor 60cm dari tanah dan 180cm dari tanah
· 60 cm dari tanah. Pengujian jangkauan dengan ketinggian node 60 cm dari permukaan tanah memberikan hasil yang lebih baik dari pengujian yang sebelumnya. Pada ketinggian 60 cm node dapat berkomunikasi bahkan sampai jarak 24 meter. Packet loss muncul pada komunikasi dengan jarak 25 meter sebesar 11 % dan kemudian komunikasi sudah tidak dapat terjadi pada jarak 26 meter dan seterusnya. Area dimana komunikasi node sudah tidak dapat diwujudkan disebut clear region, pada area ini packet loss yang terjadi mencapai 100 %, Sedangkan area dimana komunikasi node selalu dapat terwujud disebut effective region dimana pada area ini packet loss komunikasi node adalah 0 %. Dengan asusmsi bahwa adanya area transisi menjelang komunikasi hilang maka pada jarak 24 meter dinyatakan menjadi area transisi. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa jangkauan terjauh untuk komunikasi node dengan ketinggian 60 cm yaitu pada jarak 23 meter.
· Pengujian jangkauan komunikasi dengan ketinggian node 180 cm dari permukaan tanah sebenarnya tidak jauh berbeda dengan pada saat ketinggian node 60 cm. Pada komunikasi dengan ketinggian node 180 cm node dapat berkomunikasi bahkan sampai pada jarak 27 m . Saat pengukuran diketahui mulai terjadi packet loss pada jarak 23 meter yaitu sebesar 11,67% . Dapat diasumsikan bahwa mula pada jarak 23 m sampai 27 meter merupakan kondisi transisi ketika node akan mulai kehilangan komunikasi. Oleh karena itu maka dapat disimpulkan untuk ketinggian 180 cm jarak komunikasi node adalah 22 meter.
3.2 Pengukuran QoS
1. Packet Loss (ramai dan sepi)
Pengukuran dilakukan dengan melakukan simulasi banyak obyek yang memotong lintasan komunikasi LOS antar node untuk kondisi ramai dan kebalikannya untuk kondisi sepi.
Gambar 7. Pakcket Loss kondisi ramai dan sepi
2. Throughput dan Delay
Pengukuran throughput dan delay transmisi dilakukan terhadap paket dengan panjang 22, 55, dan 80 byte.
Gambar 8. Pengukuran Throughput dan Delay Transmisi
3. Konsumsi Arus
Pengamatan konsumsi arus dilakukan untuk mengetahui karakteristik konsumsi arus tiap node pada komunikasi multihop. Setiap node mengirimkan paket dengan panjang 80 byte setiap satu detik sekali. Setiap node dipasang baterai AA dengan kapasitas sebesar 4600 mA. Setiap pengamatan mencatat (dalam mA) konsumsi arus maksimum dimana pada kondisi tersebut node melakukan transmisi data. Setiap node membutuhkan 24,5 mA untuk mengirim data dan 19,7 mA untuk menerima data. Node 1 menerima data dari node 2, 3 dan 4 untuk diteruskan ke sink.
Gambar 9. Pengukuran konsumsi arus
4. KESIMPULAN
Simpulan dari hasil pengukuran jangkauan komunikasi, QoS, throughput, delay transmisi dan konsumsi arus pada penerapan Xmesh routing protocol di JSN adalah :
1. Penempatan node sensor pada ketinggian 60 cm pada kondisi LOS menghasilkan jangkauan kominkasi terpanjang yaitu 23 m dan radius komunkasi sejauh 92 m untuk komunikasi multihop 4 node sensor
2. Packet loss terbesar terjadi pada konsisi ramai karena lintasan komunikasi terpotong oleh berbagai obyek. Semakin banyak hop, semakin besar pula nilai packet loss.
3. Semakin besar packet loss yang terjadi, semakin kecil nilai throughput.
4. Nilai delay transmisi berbanding lurus dengan jumlah hop yang dilalui.
5. Konsumsi arus pada node terjauh dari sink berbanding terbalik dari node terdekat ke sink. Node terdekat ke sink mengkonsumsi arus paling banyak karena harus menampung dan mengirimkan data dari semua node yang lain.
DAFTAR PUSTAKA
Adianto, Y.P. (2010). ”Komunikasi Multihop Dengan WSN”. ITS Surabaya.
Augusto J.C & Nugent C.D. (2006) . ”Designing Smart Homes”. New York, Springer.
Crossbow Technology. “Tiny Os Overview”, www.ce.rit.edu/~fxheec/cisco_urp/cd_seminar/presentations/day1-all/03_Tinyos_Overview.Pdf
Mige, G.E.S (2009). ” Faktor Yang Mempengaruhi Kualitas Jaringan Sensor Nirkabel Pada Desain Manajemen Energy Pada Gedung, Jogjakarta, Semnasif, UPN Veteran
IEEE 802.15.4. : Spesification, 2003.
Karl H. Dan Willig A. (2005). ” Protocols And Architectures For Wireless Sensor Networks”. New York, John Wiley & Sons Inc.
www.freescale.com/Zigbee
Comments
Post a Comment