DESAIN PROTOKOL MAC PADA JARINGAN AD HOC MENGGUNAKAN ANTENA CERDAS UNTUK

APLIKASI RADAR PELACAK

MAC PROTOCOL DESIGN OF AD HOC NETWORK USING SMART ANTENNA FOR TRACKING RADAR APPLICATION

Nurmayanti Zain, Elyas Palantei, Merna Baharuddin

Jurusan Elektro, Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin, Makassar

Alamat Korespondensi : Nurmayanti Zain Jurusan Elektro Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan KM. 10 Makassar HP. 085255605285 Email : nurmayantizain@yahoo.com

ABSTRAK

Protokol MAC adalah protokol lapisan data link yang berperan sebagai pengalamatan node dalam jaringan ad hoc. Penelitian ini bertujuan untuk membuat desain protokol MAC IEEE 802.11 pada jaringan ad hoc menggunakan antena cerdas untuk aplikasi radar pelacak. Jenis penelitian ini adalah penelitian kuantitatif dengan metodologi deduktif. Sehingga penelitian ini bersifat pemodelan simulasi berbasis pemrograman bahasa C dengan menggunakan perangkat lunak Microsoft Visual C++ 2010 Express. Dalam menilai keberhasilannya, penelitian ini menggunakan dua skenario pemodelan sistem yakni protokol MAC dengan antena biasa berpola omnidirectional dan protokol MAC dengan antena cerdas berpola directional. Terdapat dua topologi yang disimulasikan yakni topologi string dan topologi mesh. Dari hasil simulasi, terbukti bahwa penggunaan antena cerdas pada protokol MAC merupakan inovasi yang bagus. Tampak dari nilai maksimum throughput yang mencapai 1,5 Mbps pada skenario topologi string, nilai collision probability yang rendah hingga mencapai 0,001 atau bahkan 0 (tidak terjadi tabrakan antarnode) dan nilai success rate yang mencapai 1 baik pada skenario topologi string maupun topologi mesh. Kesimpulan dari penelitian ini adalah penggunaan antena cerdas dalam mekanisme pertukaran data protokol MAC dapat memberikan performansi optimum pada jaringan ad hoc. Kata Kunci : Protokol MAC, IEEE 802.11, Jaringan Ad Hoc, Antena Cerdas, Aplikasi Radar Pelacak.

ABSTRACT

MAC protocol is data link layer protocol which is used as node addressing in ad hoc network. This study aims to design IEEE 802.11 MAC protocol of ad hoc network using smart antenna for tracking radar application. This research is a quantitative study with a deductive methodology. Thus, this study is modeling and simulating based on C language using software Microsoft Visual C++ 2010 Express. It will be designed two scenarios simulation namely MAC protocol using regular antenna with omnidirectional pattern and MAC protocol using smart antenna with directional pattern. String and mesh topology are two topologies are conducted in the scenarios. From the simulation results, it proves using smart antenna in the MAC protocol is a good innovation. The results say that maximum throughput reaches up to 1.5 Mbps on string topology scenarios, the low value of collision probability decreases to 0,001 or even 0 (no collision) and the success rate increase to 1 for both string topology and mesh topology scenarios. The conclusion of this study is the use of smart antenna in the MAC protocol for data exchange mechanism can provide optimum performance in ad hoc network. Keywords : MAC Protocol, IEEE 802.11, Ad Hoc Network, Smart Antenna, Tracking Radar Application.

PENDAHULUAN

Teknologi wireless memegang peranan penting dalam melayani kebutuhan informasi

bagi pengguna. Ad hoc network misalnya yang merupakan desentraliasi dari jaringan wireless,

menjadi topik yang signifikan untuk diteliti lebih lanjut. Hal ini karena ad hoc network

bersifat dinamis dan tidak bergantung pada infrastruktur yang sudah ada seperti router dalam

jaringan kabel atau access point pada jaringan nirkabel (Sanjeev et al., 2006).

Aplikasi ad hoc network sendiri banyak digunakan pada bidang militer, komunikasi

bergerak, jaringan personal dan komersial. Keuntungan menggunakan smart antenna pada ad

hoc network adalah mampu mengolah sinyal untuk mengoptimalkan daya pancar secara

adaptif sesuai kondisi respon lingkungan sehingga sangat cocok dikembangkan dalam aplikasi

radar pelacak. Hal ini karena sistem radar pelacak (tracking radar system) dapat digunakan

baik untuk mengukur koordinat target maupun untuk menentukan lintasan dan posisi yang

telah dan akan ditempuh oleh suatu target (DAEnotes, 2012).

Tak bisa dipungkiri, teknologi perangkat keras telah semakin berkembang. Inovasi

pada bagian perangkat lunak pun terutama pada bagian desain protokol dengan menggunakan

pemrograman dasar berbahasa C menjadi topik yang menarik untuk dibahas. Penelitian

sebelumnya yang dilakukan oleh (Bellofiore et al., 2003) tentang “Smart Antenna System

Analysis, Integration and Performance for Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs)” dan

(Sanjeev et al., 2006) dalam penelitiannya tentang “Comparative Study of MAC Protocols for

Mobile Ad Hoc Networks”. Penelitian tersebut berkaitan erat dengan interaksi dan integrasi

beberapa komponen kritis pada ad hoc network dengan menggunakan sistem antena cerdas

(El Zooghby et al., 2003).

Pada penelitian ini akan memperlihatkan : “Desain Protokol MAC IEEE 802.11 pada

Jaringan Ad Hoc Menggunakan Antena Cerdas untuk Aplikasi Radar Pelacak”. Desain ini

dilakukan dengan menentukan topologi jaringan, konfigurasi node, algoritma tracking dan

mekanisme transmisi datanya. Serta menganalisis performansi parameter jaringan wireless

throughput dari hasil simulasi desain protokol MAC IEEE 802.11.

Tujuan penelitian ini adalah membuat desain protokol MAC IEEE 802.11 pada

jaringan ad hoc menggunakan antena cerdas untuk aplikasi radar pelacak. Parameter

keberhasilan penelitian ini adalah dengan mengevaluasi performansi kinerja protokol MAC

IEEE 802.11 berbasis sistem antena cerdas dibandingkan dengan standar protokol MAC IEEE

802.11 tanpa menggunakan antena cerdas pada jaringan ad hoc.

METODE PENELITIAN

Lokasi dan Desain Penelitian

Lokasi penelitian ini berada pada dua tempat yang berbeda. Satu tempat penelitan

terletak di Sekiya Laboratory, Department of Informatics and Image Science, Chiba

University, Nishi Chiba, Jepang dan tempat penelitian yang lain di Laboratorium

Telekomunikasi, Radio dan Gelombang Pendek, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik,

Universitas Hasanuddin, Makassar, Indonesia. Penelitian ini dilakukan sejak bulan Oktober

2012 dan selesai pada akhir bulan Maret 2013.

Data yang akan dikumpulkan pada penelitian ini berupa hasil simulasi desain protokol

MAC IEEE 802.11 pada jaringan ad hoc menggunakan antena cerdas untuk aplikasi radar

pelacak. Teknik pengumpulan data dilakukan dengan mendapatkan nilai parameter jaringan

wireless throughput dengan menggunakan program simulasi berbahasa C.

Pengujian Sistem

Pada simulasi ini, pengujian sistem dilakukan dengan pemodelan menggunakan

bahasa pemrograman C melalui software Microsoft Visual C++ yang terdiri dari external

dependencies, header files, source files dan resource files untuk memperoleh data output

simulasi berupa text file dalam ekstensi txt atau dat.

Metode Pengujian

Metode yang dilakukan adalah membandingkan hasil simulasi antara protokol MAC

IEEE 802.11 yang telah dirancang menggunakan antena cerdas dengan Protokol MAC IEEE

802.11 tanpa antena cerdas yang menjadi standardisasi untuk jaringan wireless. Proses

perbandingan ini dengan menggunakan software Microsoft Office yakni Microsoft Excel dan

software Matlab 7.11 Versi R2010b. Dari proses evaluasi tersebut, dapat ditarik sebuah

benang merah untuk dijadikan sebagai kesimpulan dari hasil penelitian.

HASIL

Hasil dari penelitian ini adalah evaluasi performansi kinerja dari protokol O-MAC atau

protokol MAC berbasis antena biasa berpola radiasi omnidirectional dan protokol D-MAC

atau protokol MAC berbasis antena cerdas berpola radiasi directional. Pada simulasi ini

dibuat empat pemodelan jaringan ad hoc menggunakan standardisasi dari protokol MAC

IEEE 802.11 untuk aplikasi radar pelacak. Pemodelan tersebut dibedakan berdasarkan jenis

topologi (string dan mesh) dan sistem antena (omnidirectional dan directional) yang

digunakan. Simulasi dilakukan menggunakan pemrograman bahasa C dengan perangkat lunak

Microsoft Visual C++ 2010 Express.

Skenario Topologi String

Simulasi pertama adalah skenario protokol MAC standar IEEE 802.11 dalam topologi

string dengan dan tanpa menggunakan antena cerdas. Topologi string adalah topologi yang

berbentuk garis lurus. Skenarionya dengan menempatkan sejumlah 20 node pada jaringan ad

hoc. Dengan kata lain node-node tersebut disejajarkan dari node 0 hingga node 19. Tiap node

tersebut berinisial nama node 0, node 1, node 2 dan seterusnya seperti terlihat pada gambar 1.

Topologi string ini menerapkan simulasi pada jaringan multi-hop dengan one-way flow. Hal

ini berarti ada satu aliran transmisi dari node 0 hingga node 19 dalam jaringan ad hoc tersebut

tetapi terdapat banyak lompatan dalam transmisinya yakni 19 lompatan (Miyaji et al., 2010).

Tentunya terdapat beberapa parameter yang harus diperhatikan dalam topologi garis

lurus atau string topology tersebut. Misalnya saja jarak transmisi atau transmission range

yang digunakan dalam skenario ini adalah 60 meter. Sedangkan jarak transmisi sinyal

pembawa atau carrier transmission range yang digunakan adalah 115 meter. Perlu diingat

jarak carrier transmission range idealnya adalah dua kali dari transmission range. Dan jarak

antara node yang satu dengan yang lain adalah 45 meter (Mamshaei et al., 2004).

Skenario Topologi Mesh

Simulasi kedua dari pemodelan jaringan ad hoc ini adalah skenario Protokol MAC

IEEE 802.11 menggunakan topologi mesh dengan dan tanpa menggunakan antena cerdas.

Skenario ini dilakukan dengan menempatkan sejumlah 20 node secara acak atau random pada

jaringan ad hoc seperti tampak pada gambar 2. Karena bersifat random, maka tiap-tiap node

yakni node 0 hingga node 19 tersebut akan memilih sendiri node yang akan dijadikan sebagai

penerima data yang dikirimkan tersebut. Dengan kata lain, tiap node akan secara otomatis

mencari pasangan dalam pertukaran frame (Bazan et al., 2011)

Untuk meningkatkan efisiensi jaringan komunikasinya, dibuat skenario jaringan ad hoc

bertopologi mesh dengan menggunakan antena cerdas. Yang dimaksud dengan antena cerdas

di sini adalah antena yang memiliki pola radiasi terarah atau pola directional. Selain itu,

dikatakan antena cerdas karena melakukan transmisi dengan teknik beamforming. Ketika

node 6 mengirimkan data ke node 10 dengan menerapkan pola directional dalam mekanisme

pertukaran framenya maka node-node yang lain juga berada dalam keadaan bebas untuk

melakukan pertukaran frame (Yazdanpanaha et al., 2011).

Pemodelan Sistem

Parameter sistem yang digunakan dalam pemodelan simulasi ini mengacu pada jenis

antena yang digunakan. Pemodelan sistem ini bisa dibagi dalam dua kategori yaitu sistem

antena biasa atau antena berpola omnidirectional dan sistem antena cerdas atau antena berpola

directional. Pada tabel 1 dijabarkan parameter sistem untuk jaringan ad hoc dengan

menggunakan antena omnidirectional atau tanpa menggunakan antena cerdas. Berpola

omnidirectional berarti antena memiliki sudut pancar sebesar 360 derajat.

Pada tabel 1 pula dijabarkan parameter sistem untuk jaringan ad hoc dengan

menggunakan antena directional atau berbasis antena cerdas. Antena yang digunakan

termasuk dalam kategori antena cerdas yakni adaptive array antenna. Dikatakan antena

cerdas, karena antena ini mampu memberikan dua pola radiasi (omnidirectional dan

directional) yang sesuai dengan kondisi node dalam jaringan ad hoc. Mode omnidirectional

adalah pola radiasi dengan sudut 0 – 360 derajat. Sedangkan mode directional adalah pola

radiasi 0 – 90 derajat. Kepadatan node dalam jaringan wireless topologi mesh tesebut adalah

0,0011 node/m2 (Palantei, 2010).

Secara umum, parameter sistem untuk skenario simulasi pada jaringan ad hoc ini baik

pada topologi string maupun topologi mesh menggunakan waktu simulasi 30 detik. Dimulai

dengan mengirimkan contention window minimum atau CWmin sebesar 15 dan contention

window maksimum atau CWmax sebesar 1025. Diperbolehkan pengulangan transmisi hingga

mencapai batas tujuh kali. Sehingga ketika transmisi data melebihi tujuh kali maka akan

terjadi packet drop (Jing et al., 2012)..

PEMBAHASAN

Penelitian ini menemukan bahwa penggunaan antena cerdas berpola radiasi

directional dalam mekanisme pertukaran frame pada protokol MAC untuk aplikasi radar

pelacak memberikan performansi yang optimum dalam jaringan ad hoc. Hal ini selaras

dengan penelitian tentang antena cerdas pelacak pada jaringan syaraf yang dikemukakan oleh

(El Zooghby et al., 2003). Dengan demikian, dapat dikatakan beberapa kelebihan

performansinya antara lain mampu mereduksi interferensi, meningkatkan jangkauan dan

kapasitas, mereduksi daya pancar, mereduksi handoff dan mitigasi efek multipath. Hasil yang

sama ditunjukkan oleh penelitian (Borja et al, 2006) yang menguji protokolnya pada jaringan

akustik bawah laut. Begitupula dengan studi perbandingan jaringan wireless yang dilakukan

oleh (Sanjeev et al., 2006) pada komunikasi bergerak. Pemaparan lebih detail tentang

penelitian ini akan memperlihatkan perbandingan evaluasi performansi kinerja antara protokol

MAC berbasis antena cerdas dan tanpa menggunakan antena cerdas.

Analisis terhadap pemodelan simulasi IEEE 802.11 protokol MAC pada jaringan ad

hoc dengan dan tanpa menggunakan sistem antena cerdas dimaksudkan untuk mengetahui

performansi dari kinerja tiap jaringan wireless yang telah dirancang berdasarkan pada

parameter-parameter sistemnya. Setelah mengetahui bagaimana mekanisme pertukaran frame

dari tiap pemodelan sistem tersebut, selanjutnya akan dipaparkan performansi evaluasi dari

pemodelan simulasinya. Analisis ini dilakukan berdasarkan data statistik dan desain grafik

yang diperoleh dengan menggunakan perangkat lunak pemrograman Microsoft Visual C++

2010 Express dan Microsoft Excel.

Pada gambar 3 menunjukkan hasil simulasi pada skenario pertama yakni skenario

dengan string topology multi hop networks with one way flow yang disusun berdasarkan

standardisasi dari protokol IEEE 802.11 yakni protokol dasar MAC pada jaringan ad hoc

dengan dan tanpa menggunakan antena cerdas. Secara sederhana, grafik fungsi throughput

terhadap beban tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: pada kondisi underload atau beban

yang diberikan masih dalam jangkauan sistem maka nilai throughput akan naik hampir secara

linear. Ketika sumber daya sistem sudah digunakan semuanya, sistem mencapai batas jenuh

(saturation bound) dan fungsi throughput mulai bergerak secara tetap (statis). Pada kondisi

overload atau beban yang diberikan telah melebihi kapasitas sistem maka nilai throughput

akan menurun dan sistem mengalami thrashing effect (Bellofiore et al., 2003).

Terkait penjelasan fungsi load throughput di atas, hal ini berarti bahwa penggunaan

antena cerdas dengan pola directional mampu mengefisiensikan daya pancar sehingga sistem

jaringan ad hoc mampu menerima beban yang lebih besar dan tidak cepat mengalami titik

saturasi. Berbeda dengan penggunaan antena biasa yang berpola omnidirectional, penggunaan

daya pancarnya tidak efektif sehingga sistem jaringan ad hoc akan menciptakan kondisi

overload dengan beban yang sedikit. Hal ini terbukti dari titik maksimum throughput yang

dicapai pada protokol D-MAC lebih tinggi dibandingkan dengan protokol O-MAC pada

gambar 3. Terdapat perbedaan nilai throughput sebesar 0,651 Mbps antara protokol MAC

berbasis antena cerdas dan protokol MAC tanpa menggunakan antena cerdas.

Selanjutnya analisis dari skenario topologi mesh dengan dan tanpa antena cerdas. Nilai

throughput pada gambar 4 yang terlihat tidak beraturan tersebut disebabkan oleh pengaruh

interferensi antarnode dan fungsi load throughput. Topologi mesh atau topologi jala walaupun

memiliki sifat robust (ketahanan koneksi antarnode) yang tinggi tetapi tidak bisa terhindar

dari interferensi yang terjadi di dalam jaringannya. Gangguan interferensi ini bisa diatasi oleh

protokol D-MAC melalui pengaturan pola pancarnya. Tetapi tidak demikian dengan protokol

O-MAC yang daya pancarnya melebar dari 0 derajat s.d. 360 derajat, akibatnya pada awal

pemberian beban, tidak terdapat throughput dalam mekanisme pertukaran frame tersebut.

Bila fungsi throughput ini dianalisis lebih lanjut, protokol O-MAC yang menggunakan

antena berpola omnidirectional ternyata tidak mampu menangani beberapa interaksi

antarnode. Besarnya tabrakan antarnode dalam jaringan tersebut menyebabkan posisi node

walaupun diberikan beban yang sedikit, sayangnya protokol O-MAC tidak mampu

menampungnya. Sehingga terjadi overload dini dan thrashing di awal waktu. Berbeda dari

simulasi skenario topologi string, pada skenario topologi mesh ini hasil simulasinya

menunjukkan nilai throughput yang bervariasi dan tidak menentu. Terlihat dari grafik yang

naik turun bahkan mencapai titik terendah 0 Mbps dan titik tertinggi sekitar 1,7 Mbps.

KESIMPULAN

Protokol MAC IEEE 802.11 berbasis antena cerdas memberikan performansi yang

lebih baik bila dibandingkan dengan protokol MAC IEEE 802.11 tanpa berbasis antena

cerdas. Beberapa kelebihan performansinya antara lain mampu mereduksi interferensi,

meningkatkan jangkauan dan kapasitas, mereduksi daya pancar, mereduksi handoff dan

mitigasi efek multipath. Dari hasil simulasi yang telah dipaparkan untuk jaringan ad hoc

bertopologi string dan topologi mesh, penggunaan antena cerdas berpola radiasi directional

pada protokol MAC merupakan inovasi yang bagus. Terbukti dari nilai maksimum throughput

yang mencapai 1,5 Mbps untuk protokol D-MAC pada skenario topologi string. Secara garis

besar fungsi throughput pada skenario topologi string cenderung lebih stabil dibandingkan

simulasi skenario topologi mesh. Hal tersebut karena kepadatan node dan besarnya beban

mempengaruhi nilai throughput. Dengan demikian, berdasarkan beban yang diberikan,

protokol MAC berbasis antena cerdas sesuai diterapkan untuk nilai beban yang rendah dan

protokol MAC tanpa menggunakan antena cerdas sesuai diterapkan untuk nilai beban yang

relatif tinggi. Hal ini karena protokol MAC berbasis antena cerdas memiliki nilai throughput

pada beban yang rendah sedangkan protokol MAC tanpa menggunakan antena cerdas

memiliki nilai throughput pada beban yang tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

Bazan, Osama dan Jaseemuddin, Muhammad. (2011). “Survey On MAC Protocols for Wireless Adhoc Networks with Beamforming Antennas”. IEEE Communications Surveys Tutorials Volume 10, Issue 99, Pages 1 – 24.

Bellofiore, Salvatore; Foutz Jeffrey; et al. (2003). “Smart Antenna System Analysis, Integration and Performance for Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs)”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 50, Number 5.

Borja, Peleato dan Stojanovic, Milica. (2006). “A MAC Protocol for Ad Hoc Underwater Acoustic Sensor Networks”. Pro. ACM International Workshop on Underwater Networks, Pages 113 – 115.

DAEnotes. (2012). Theory and Projects for Engineering Students. Microware & Radar. [Online] [Diakses 15 Februari 2013]. http://www.daenotes.com/electronics/microwave-radar/radar.

El Zooghby, Ahmed H dan Christodoulou, Christos. (2003). “A Neural Network-Based Smart Antenna for Multiple Source Tracking”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 48, Number 5.

Jing, Ma; Sekiya, Hiroo; et al. (2012). “MAC Protocol for Smart-antenna Used Ad Hoc Networks with RTS/CTS Overhead Reduction”. Cyber Journals: Multidisciplinary Journal in Science and Technology.

Mamshaei, Mohammad Hossein; Cantieni, Gion Reto; et al. (2004). “Performance Analysis of the IEEE 802.11 MAC and Physical Layer Protocol”. France : Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (INRIA).

Miyaji, Yuichi; Kawai, Masahiro; et al. (2010). “Directional Monitoring MAC protocol using smart antenna in wireless multihop Networks”. Jeju Island, Korea : Pro. ICUFN.

Palantei, Elyas. (2010). “Switched Parasitic Smart Antenna: Design and Implementation for Wireless Communication System”. Ph.D Dissertation Thesis. Centre for Monitoring & Application (CWMA) Griffith School of Engineering and Information Technology. Australia: Griffith University.

Sanjeev, Sharma; R.C. Jain; et al. (2006). “Comparative Study of MAC Protocols for Mobile Ad Hoc Networks”. International Journal of Soft Computing, Volume 1, Issue 3, Pages 225–231.

Yazdanpanaha, Mina; Assib, Chadi; et al. (2011). “Cross-ayer optimization for wireless mesh networks with smart antennas”. Computer Communications Volume 34, Issue 16, Pages 1894–1911.

Gambar 1: Skenario Topologi String Tanpa Antena Cerdas

Gambar 2: Skenario Topologi Mesh dengan Antena Cerdas

1 0 2 3 4 19

HIDDEN NODE

HIDDEN NODE Transmission range

of the node 1

Carrier sensing range of the node 1

3 7 15 11 19

2 18 10 6

1 5 9 13 17

14

0 4 8 16 12

Gambar 3: Fungsi Throughput pada Topologi String

Gambar 4: Fungsi Throughput pada Topologi Mesh

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Thro

ughp

ut (M

bps)

Offered Load (Mbps)

Fungsi Throughput Terhadap Beban

O-MAC D-MAC

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Thro

ughp

ut (M

bps)

Offered Load (Mbps)

Fungsi Throughput Terhadap Beban

D-MAC NODE 6 D-MAC NODE 10 O-MAC NODE 6 O-MAC NODE 10

Tabel 1: Parameter Sistem

Parameter Sistem Sudut Pancar Omnidirectional Sudut Pancar Directional Algoritma Total Node Konfigurasi Node Tipe Jaringan Packet payload (DATA) UDP/IP header PLCP preamble MAC header LLC header PHY header RTS frame length CTS frame length ACK frame length PHY layer Data channel rate Control channel rate Transmission range Carrier sensing range Distance of each node SIFS time DIFS time Slot time CWmin CWmax Retransmission limit Simulation time

Value 2 /4 Beamforming, Beamsteering 20 Peer to Peer Ad hoc 200 bytes 20 bytes 16 sec 20 bytes 8 bytes 24 bytes 20 bytes 14 bytes 14 bytes IEEE 802.11a 18 Mbps 12 Mbps 60 m 115 m 45 m 16 sec 34 sec 9 sec 15 1025 7 30 s