II-1

BAB II LANDASAN TEORI

Pada bab BAB II yang berisi berbagai landasan teori ini, akan dibahas mengenai IEEE

Standard 802.16/Wimax secara umum, MAC Layer pada Wimax, berbagai algoritma

penjadwalan pada MAC layer Wimax, dan beberapa metrik QoS untuk menilai

performansi algoritma penjadwalan. Landasan teori ini dimaksudkan untuk

memberikan pemahaman yang lebih mendalam mengenai cara kerja algoritma

penjadwalan yang selanjutnya akan dianalisis dan dirancang implementasinya pada

bab III.

2.1 IEEE 802.16 Broadband Wireless Access / WIMAX

Jaringan komputer telah menjadi bagian penting dari komunikasi manusia di seluruh

dunia. Sejak dekade akhir dari abad 20, wire internet network telah dipasang di

penjuru dunia yang memungkinkan komunikasi luas lintas negara. Kini pada dekade

awal abad 21, wireless network mulai dikembangkan dan dipakai di berbagai negara.

Pengembangan wireless communication network dimulai sejak ditemukannya

persamaan Maxwell yang menunjukkan bahwa transmisi data dapat terjadi tanpa

memerlukan kabel. Sinyal yang dipancarakan di udara dapat menjadi media untuk

mengantarkan informasi, bahkan menjadi media yang lebih murah daripada media

kabel [NYL07].

Wireless communication network awalnya hanya dipakai untuk komunikasi suara.

Selanjutnya wireless communication network dikembangkan untuk komunikasi data,

tidak hanya berupa suara. Berdasarkan besarnya daerah jangkauan, wireless network

dapat dibedakan menjadi 4 jenis [NYL07]. Gambar II-1 menunjukkan ilustrasi dari

klasifikasi wireless network berdasarkan besarnya daerah jangkauan. Keempat jenis

wireless network tersebut adalah :

1. Wireless Personal Area Network

Wireless network ini memiliki jangkauan kurang dari 10 meter. Biasanya

dipakai untuk koneksi peralatan bagi satu orang. Contoh : Bluetooth, UWB,

Zigbee

II-2

2. Wireless Local Area Network

Wireless network ini memiliki jangkauan sekitar 100 meter. Biasanya

digunakan dalam area yang tidak terlalu luas, seperti rumah, satu lantai dalam

gedung, dan restoran. Contoh : WiFi (Wireless Fidelity).

3. Wireless Metropilitan Area Network

Wireless network ini memiliki jangkauan beberapa kilometer. Biasanya

digunakan untuk koneksi sebuah kampus dan sebuah kota kecil. Contoh :

Fixed Wimax.

4. Wide Are Network

Wireless network ini memiliki jangkauan sangat luas, yaitu satu planet ini.

Contoh : 3G dan Mobile Wimax.

Gambar II-1 Klasifikasi wireless network berdasarkan luas dearah jangkauan

IEEE Std. 802.16 Broadband Wireless Access (BWA) adalah contoh standar wireless

network yang termasuk pada kategori Wireless Metropolitan Network dan Wide Area

Network. BWA lahir disebabkan oleh kebutuhan komunikasi data tanpa kabel dengan

kecepatan tinggi dan mencakup area yang luas. Worldwide Interoperability for

Microwave Access (Wimax) merupakan penerapan dari IEEE Std 802.16 tersebut.

Wimax merupakan teknologi jaringan berbasis cell yang bertujuan untuk memberikan

akses last mile wireless broadband dengan biaya yang murah [WIX07]. Akses last

mile adalah akses yang memberikan konektivitas antara service provider kepada

pengguna.

II-3

2.1.1 Layer-layer Wimax

Dibandingkan dengan Open System Interconnection (OSI) network reference seven-

layer model, IEEE Std. 802.16 hanya mencakup dua layer tebawah OSI. Pada standar

802, Data Link layer dibagi atas 2 sublayer, yaitu LLC (Logical Link Control) dan

MAC (Medium Access Control) Gambar II-2 menunjukkan tujuh OSI layer dan dua

sublayer dari data link layer.

Gambar II-2 OSI Network Reference Seven-layer Model

Dua network layer yang didefinisikan pada IEEE Std 802.16 adalah physical layer dan

MAC layer. MAC layer dibagi atas 3 sublayer, yaitu Convergen Sublayer, Common

part Sublayer, dan Security Sublayer [IES04]. Suatu paket data yang dikirim dari

suatu layer pada Wimax disebut Protocol Data Unit (PDU), sedangkan suatu paket

data yang diterima dari suatu layer Wimax disebut Service Data Unit (SDU).

Contohnya, paket data dikirim oleh MAC layer sebagai MAC PDU (MPDU) dan

diterima oleh physical layer sebagai Physical SDU (PSDU).

Physical layer merupakan layer yang bertanggung jawab untuk menciptakan koneksi

antara dua buah perangkat pada jaringan (the peer entities). MAC layer merupakan

layer yang bertanggung jawab untuk menstabilkan dan mengatur koneksi, termasuk di

dalamnya permasalahan multiple access dan penjadwalan. Perbatasan antar layer

dihubungkan oleh interface SAP. SAP adalah point pada protocol stack dimana servis

dari lower layer telah dapat disediakan untuk layer di atasnya. Gambar II-3

menunjukkan dua layer dan 3 sublayer dari Wimax.

II-4

Gambar II-3 Protocol Layer of IEEE Std 802.16

Pada physical layer didefinisikan tipe sinyal yang digunakan, jenis modulasi dan

demodulasi, serta berbagai karakteristik fisik lainnya. Wimax physical layer berada

pada range frequency 2-11 GHz. Frekuensi ini memungkinkan transmisi yang bersifat

Non Line of Sight (NLOS). Terdapat dua jenis duplexing yang didukung oleh physical

layer, yaitu Time Division Duplexing (TDD) dan Frequency Division Duplexing

(FDD).

MAC layer, merupakan interface antara physical layer dengan upper data link layer.

Protokol pada Wimax MAC layer bersifat connection oriented. Awalnya, IEEE Std

802.16 MAC layer didesain hanya untuk arsitektur Point to Multipoint (PMP).

Melalui amandement 802.16a dan 802.16d, Wimax MAC layer juga mendukung

arsitektur mesh network. Mengenai MAC layer dan ketiga sublayernya akan dibahas

pada subbab II.2.

2.1.2 Arsitektur Wimax

Sesuai dengan IEEE Std. 802.16, arsitektur dasar wimax terdiri atas sebuah Base

station (BS) dan satu atau lebih Subcriber station (SS). BS merupakan perangkat

jaringan yang bertanggung jawab menyediakan konekstivitas, manajemen, dan

kontrol antar SS. SS merupakan perangkat jaringan yang bertanggung jawab

menyediakan konektivitas antara BS dengan subscriber equipment. Baik BS maupun

SS merupakan perangkat yang tidak berpindah-pindah (fixed) sedangkan subscriber

equipment dapat berupa perangkat yang bergerak (mobile station).

II-5

Terdapat dua topologi jaringan yang dapat dibangun pada Wimax, yaitu Point to

Multipoint (PMP) dan Mesh network. Perbedaan kedua topologi ini terdapat pada cara

koneksi antara SS dengan SS lainnya. Pada topologi mesh network, SS dapat

terhubung langsung dengan SS lainnya. Pada PMP, tiap-tiap SS hanya dapat

berhubungan dengan SS lain melalui BS. Pembahasan tugas akhir ini dibatasi pada

topologi PMP.

Pada topologi PMP, BS menjadi pusat komunikasi data antar SS. Transmisi data

antara BS dan SS terjadi pada dua kanal yang independen, yaitu uplink dan downlink.

Uplink adalah kanal transportasi data dari SS ke BS. Downlink adalah kanal

transportasi data dari BS ke SS. Downlink merupakan kanal broadcast. Semua SS

dapat mendengarkan data yang dikirim oleh BS, namun hanya data yang ditujukan

untuk dirinya saja yang akan ditangkap dan diproses oleh sebuah SS.

2.1.3 QoS Classes

Salah satu keunggulan dari Wimax adalah kemampuan untuk memberikan garansi

Quality of service (QoS). IEEE Std. 802.16 mendefinisikan bahwa MAC layer dapat

memberikan garansi QoS yang berbeda-beda untuk beberapa jenis aplikasi. Perbedaan

jenis garansi QoS ini disebut dengan kelas QoS. Tiap kelas QoS ini dilengkapi dengan

QoS service flow parameter yang mengatur behavior dari kelas tersebut. Terdapat 5

jenis kelas QoS menurut IEEE Std. 802.16e [IES05], yaitu :

1. Unsolicited Grant Service (UGS)

Kelas UGS didesain untuk melayani real time data service dengan ukuran

paket yang sama tiap periode interval tertentu. QoS service flow parameter

yang digunakan pada kelas UGS adalah Maximum Sustained Traffic Rate,

Maximum latency, Tolerated Jitter, dan Request/Trasmission Policy. Contoh

aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah Voice Over Internet Protocol

(VOIP) tanpa silence suppression. Gambar II-4 menunjukkan ilustrasi

pengiriman paket UGS.

II-6

Gambar II-4 Paket data kelas UGS

2. Real-time Polling Service (rtPS)

Kelas rtPS didesain untuk melayani real time data service dengan ukuran

paket bebas namun tetap dalam periode interval tertentu. QoS service flow

parameter yang digunakan pada kelas rtPS adalah Maximum Sustained Traffic

Rate, Maximum latency, Request/Trasmission Policy, dan Minimum Reserved

Traffic Rate. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah transmisi

video dalam format Moving Pictures Experts Group (MPEG). Gambar II-5

menunjukkan ilustrasi pengiriman paket rtPS.

Gambar II-5 Paket data kelas rtPS

3. Non Real-time Polling Service (nrtPS)

Kelas nrtPS didesain untuk melayani non real time data service dan delay

tolerant service yang membutuhkan minimum data rate tertentu. Pada kelas

ini tidak terdapat periode interval tertentu. QoS service flow parameter yang

digunakan pada kelas nrtPS adalah Maximum Sustained Traffic Rate,

Request/Trasmission Policy, Minimum Reserved Traffic Rate, dan Traffic

Priority. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah File Transfer

Protocol (FTP) transmission. Gambar II-6 menunjukkan ilustrasi pengiriman

paket nrtPS.

II-7

Gambar II-6 Paket data kelas nrtPS

4. Extended Real-time Polling Service (ertPS)

Kelas ertPS merupakan kelas yang dibuat berdasarkan efisiensi dari kelas

UGS dan rtPS. Unicast grant diberikan ole Base station tanpa diminta seperti

halnya kelas UGS. Besar paket yang dikirim dapat beragam (tidak fixed size)

seperti pada kelas rtPS. QoS service flow parameter yang digunakan pada

kelas ertPS adalah Maximum Sustained Traffic Rate, Maximum latency,

Request/Trasmission Policy, dan Minimum Reserved Traffic Rate. Contoh

aplikasi yang menggunakan kelas ini adalah Voice Over IP dengan silence

suppression.

5. Best Effort (BE)

Kelas BE didesain untuk melayani data streaming service yang tidak

memerlukan minimum data service granted. Kelas ini dilayani dengan data

rate terbaik yang dapat diberikan. QoS service flow parameter yang digunakan

pada kelas BE adalah Maximum Sustained Traffic Rate, Request/Trasmission

Policy, dan Traffic Priority. Contoh aplikasi yang menggunakan kelas ini

adalah telnet dan http transmission. Gambar II-7 menunjukkan ilustrasi

pengiriman paket BE.

Gambar II-7 Paket data kelas BE

II-8

2.2 Wimax MAC Layer

Sesuai dengan standar 802, MAC layer merupakan sublayer kedua dari data link

layer. MAC layer pada Wimax bersifat connection oriented. Saat telah terkoneksi

dengan sebuah BS, SS akan membuat satu atau lebih koneksi ke BS sesuai dengan

jenis data yang ingin ditransmisikan. Setiap koneksi memiliki penanda unik 16-bit

yang disebu Connection Indentifier (CID). Pemetaan data ke jenis kelas QoS yang

sesuai dan pembuatan koneksi dilakukan pada MAC layer. MAC layer pada wimax

dibagi atas tiga sublayer, yaitu Convergen Sublayer (CS), Common part Sublayer

(CPS), dan Security Sublayer.

2.2.1 Convergen Sublayer

Convergen Sublayer (CS) merupakan sublayer paling atas dari MAC layer. CS

bersifat connection oriented. Pada IEEE Std 802.16 tahun 2004, didefinisikan dua

spesifikasi CS, yaitu Asynchronous Transfer Mode (ATM) CS dan Packet CS. ATM

CS didesain untuk dapat menerima paket ATM cells dari ATM layer di atasnya. Packet

CS disesain untuk dapat menerima paket data dari layer atas yang menggunakan

protokol berbasis paket. Contoh protokol yang berbasis paket adalah Internet Protocol

(IP) baik versi 4 maupun versi 6, Point to Point Protocol (PPP), dan IEEE Std. 802.3

(Ethernet).

Fungsi – fungsi yang dijalankan oleh CS adalah sebagai berikut [NYL07] :

1. Menerima PDU dari layer di atasnya (baik ATM network maupun IP based

network)

2. Mengklasifikasikan dan memetakan MAC Service Data Unit (MSDU) ke

Connection Identifiiter (CID). Fungsi ini merupakan fungsi dasar dari

manajemen QoS pada Wimax.

3. Memroses (jika dibutuhkan) higher-layer PDU yang diterima oleh CS.

4. Mengirimkan CS PDU ke MAC SAP

5. Fungsi tambahan dari CS adalah Payload Header Suppression (PHS), yaitu

proses untuk menghilangkan bagian-bagian payload header yang berulang.

Terdapat duah buah konsep dasar dalam mengklasifikasikan dan memetakan paket di

CS, yaitu :

II-9

1. Connection

Connection yang dimaksud disini adalah connection pada MAC level, antar

BS ke SS atau sebaliknya. Connection bersifat satu arah dan bertujuan untuk

mengirimkan trafik service flow. Sebuah connection hanya untuk sebuah tipe

servis. Connection diidentifikasikan dengan CID berupa 16 bit data.

2. Service flow

Service flow adalah MAC transport service yang menyediakan transportasi

satu arah untuk paket-paket uplink maupun downlink. Service flow

diidentifikasikan dengan Service flow Identifier (SFID) berupa 32 bit data

Sebuah SFID pada suatu waktu dapat berelasi dengan nol atau satu buah CID. Sebuah

CID dapat berelasi dengan satu buah SFID. Gambar II-8 memperlihatkan ilustrasi

hubungan antara connection dan service flow.

Gambar II-8 Keterhubungan antara service flow dan connection

Klasifikasi dan pemetaan dilakukan pada uplink dan downlink. Pada transmisi

downlink, klasifikasi dilakukan di BS, sedangkan pada transmisi uplink, klasifikasi

dilakukan di SS. Setelah dilakukan klasifikasi dan pemetaan oleh CS, selanjutnya

adalah tugas CPS untuk melakukan establishment dan maintenance connection.

Gambar II-9 menunjukkan ilustrasi alur klasifikasi pada BS ke SS atau sebaliknya.

II-10

Gambar II-9 Klasifikasi dan pemetaan connection pada CS

2.2.2 Common Part Sublayer

Common Part Sublayer (CPS) merupakan sublayer kedua pada MAC layer Wimax.

Sublayer ini bertanggung jawab atas 3 hal berikut [NYL07]:

1. Pengalokasian bandwidth

2. Connection establishment

3. Pengaturan koneksi antara dua stasion

CPS menerima data dari CS melalu MAC SAP untuk diproses lebih lanjut. CPS

menjalankan berbagai fungsi, diantaranya adalah frame construction, multiple access,

scheduling, radio resource management, dan QoS management. Algoritma

penjadwalan diterapkan pada fungsi scheduling di sublayer ini.

Penjadwalan merupakan bagian dari tugas mengatur pengalokasian bandwidth yang

merupakan tanggung jawab CPS. Penjadwalan merupakan mekanisme menangani

paket data agar terjadi distribusi resource yang adil bagi semua pengguna Wimax.

Penjadwalan erat kaitannya dengan 5 kelas QoS yang didefinisikan sebelumnya.

Tujuan dilakukannya penjadwalan adalah agar setiap pengguna sebisa mungkin dapat

memperoleh layanan servis yang sesuai dengan aplikasi yang dijalankan.

Pada topologi PMP, BS bertugas mengatur penjadwalan baik uplink maupun

downlink. BS scheduller mengalokasikan sejumlah bandwidth yang dibutuhkan oleh

tiap-tiap aplikasi yang meminta alokasi bandwidth. Pemberian alokasi bandwidth ini

II-11

dilakukan perCID. Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa setiap koneksi berelasi

dengan sebuah service flow dan setiap service flow memiliki QoS parameter yang

berisi jenis kelas QoS yang dipakai. Gambar II-10 menunjukkan ilustrasi mekanisme

penjadwalan pada sebuah station.

Gambar II-10 Mekanisme penjadwalan pada sebuah station

Modul scheduler pada BS bertugas untuk menentukan burst profile dan periode

transmisi dari tiap-tiap connection. Pilihan parameter coding dan modulation

ditentukan oleh BS dengan memperhatikan kualitas link dan network load yang ada.

Untuk itu, BS scheduler harus memonitor nilai CINR dari berbagai link untuk

kemudian menentukan kebutuhan bandwidth untuk tiap station sesuai dengan kelas

servis untuk jenis connection tersebut. Gambar II-11 menunjukkan faktor-faktor yang

mempengaruhi pengambilan keputusan oleh BS.

Gambar II-11 Faktor-faktor yang mempengaruhi penjadwalan pada BS

II-12

Pada SS juga terdapat modul scheduler. SS scheduler bertugas untuk

mengklasifikasikan semua paket yang masuk ke dalam SS connection yang berbeda-

beda. IEEE Std. 802.16 tidak mendefinisikan algoritma penjadwalan yang harus

digunakan. Hal ini menjadikan desain penjadwalan yang efisien merupakan tantangan

bagi peneliti dan pengembang Wimax. Beberapa algoritma penjadwalan akan dibahas

pada bab 2.3.

2.2.3 Security Sublayer

Seluruh wireless system menggunakan radio channel sebagai media transmisi data.

Radio channel merupakan open channel dimana paket-paket data yang lewat dapat

ditangkap dan dibaca oleh siapa saja. Untuk itu, aspek security pada tiap wireless

system sangat penting. Pada Wimax, security menjadi satu sublayer bagian dari MAC

layer. Security sublayer pada Wimax bertugas untuk menyediakan berbagai fungsi,

yaitu authentification, security key exchange, dan integrity control [IES04].

Terdapat dua topik penting dalam data network security, yaitu enkripsi data dan

autentifikasi. IEEE Std. 802.16, mendefinikasikan bahwa enkripsi dilakukan pada

komunikasi antara BS dan SS, begitu juga sebaliknya. Protokol enkapsulasi

digunakan untuk mengenkripsi paket data yang melintas pada jaringan Wimax.

Protokol ini menyediakan seperangkat supported cryptographic suites seperti pairings

of data encryption dan algoritma autentifikasi. Aturan-aturan untuk mengaplikasikan

algoritma pada payload MAC PDU juga telah didefinisikan pada standar. Untuk

protokol autentifikasi, digunakan Privacy Key Management (PKM) protocol. Protokol

ini menyediakan prosedur yang aman untuk pertukaran key antara BS dan SS.

2.3 Algoritma Penjadwalan pada MAC Layer

Algoritma penjadwalan pada BS scheduler tidak ditetapkan pada IEEE Std. 802.16.

Hal ini memungkinkan para peneliti untuk mengembangkan algoritma penjadwalan

yang optimal untuk diterapkan pada MAC layer Wimax. Beberapa algoritma

penjadwalan yang banyak dibahas pada berbagai paper adalah Weighted Round robin,

Deficit Round robin, Weighted Fair queueing, dan Early Deadline First [DHP07].

Algoritma-algoritma tersebut dipilih untuk dibahas pada tugas akhir ini karena

keempat algoritma tersebut merupakan algoritma dasar (basic algorithm). Sebagian

algoritma yang diusulkan untuk dipakai pada penjadwalan Wimax merupakan

II-13

algoritma campuran (hybrid algorithm), misalnya campuran antara Weighted Round

Robin dengan Early Deadline First. Dengan memahami algoritma dasar, maka relatif

mudah untuk memahami algortma campuran.

2.3.1 Weighted Round Robin

Algoritma Round robin merupakan algoritma yang banyak diterapkan pada berbagai

sistem antrian. Pada algoritma round robin, tiap-tiap task yang ada pada antrian

dilayani dengan quantum waktu tertentu. Jika task tidak berhasil diselesaikan pada

satu quantum waktu, maka task akan ditempatkan kembali pada ujung antrian.

Algoritma ini menjamin tidak adanya task yang harus menunggu selamanya (wait

forever) untuk dapat dilayani [TAS02]. Gambar II-12 menunjukkan ilustrasi

penerapan algoritma round robin pada suatu antrian.

Gambar II-12 Algoritma Round robin

Pada round robin, tidak ada prioritas paket dan semua paket diperlakukan sama.

Seringkali pada suatu penjadwalan, ada paket yang memiliki prioritas lebih tinggi

daripada paket lainnya. Untuk itu dibuat pengembangan dari algoritma round robin,

yaitu algoritma Weighted Round Robin (WRR). Algoritma ini memungkinkan

penerapan prioritas yang berbeda-beda pada tiap-tiap paket. WRR bersifat work-

conserving, artinya algoritma ini tidak membiarkan line berada pada kondisi idle.

Prinsip work conserving adalah bahwa line harus selalu dalam keadaan sibuk apabila

masih ada paket dalam antrian.

Jika pada Round Robin semua paket dikunjungi satu kali untuk tiap cycle, pada WRR

paket yang memiliki weight lebih besar akan dikunjungi lebih dari satu kali. Gambar

II-13 menunjukkan ilustrasi cycle Round Robin. Terdapat dua pendekatan dalam

II-14

memberikan alokasi lebih untuk paket yang memiliki weight lebih besar. Pendekatan

pertama adalah dengan memberikan quantum lebih untuk paket dengan weight besar

pada satu cycle. Pendekatan kedua adalah dengan membagi jenis cycle menjadi dua

cycle. Pada cycle pertama, semua paket akan diberi quantum waktu yang sama. Pada

cycle kedua, hanya paket yang membutuhkan lebih dari satu quantum waktu yang

akan dikunjungi [KTM01]. Gambar II-14 dan II-15 menunjukkan ilustrasi cycle WRR

pendekatan 1 dan WRR pendekatan 2.

Gambar II-13 Round robin Cycle

Gambar II-14 Weighted Round robin Cycle

(Pendekatan 1)

Gambar II-15 Weighted Round robin Cycle

(Pendekatan 2)

Pada algoritma WRR, tiap paket yang datang diberi parameter bobot (weight).

Scheduler memilih paket mana yang akan dikirim selanjutnya dengan memperhatikan

parameter weight tersebut. Pada Wimax, nilai weight didapat dari salah satu QoS

service flow parameter, yaitu Minimum Reserved Traffic Rate (MRTR) dengan

mengikuti rumus berikut [DHP07]:

Keterangan :

Wi = weight dari paket yg ke i

n = jumlah paket yang masuk

II-15

2.3.2 Deficit Round Robin

Algoritma Deficit Round Robin atau juga disebut Deficit Weighted Round Robin

merupakan pengembangan dari algoritma WRR. Algoritma ini diusulkan oleh

Shreedhar dan George Varghese pada tahun 1995. Pada DRR, tiap antrian diberi

sebuah parameter counter yang disebut deficit counter. Deficit counter menyimpan

sisa quantum waktu yang tidak dipakai oleh suatu paket [SMV96].

Saat inisialisasi, defisit counter diisi dengan quantum waktu. Saat paket dari antrian

tersebut dikirim, defisit counter diisi dengan nilai deficit counter sebelumnya

ditambah dengan sisa quantum yang tidak terpakai. Suatu paket dari suatu antrian

akan dikirim apabila besarnya paket lebih kecil daripada deficit counter dari antrian

tersebut. Apabila ukuran paket lebih besar daripada deficit counter, maka paket tidak

dikirim dan nilai deficit counter ditambah dengan satu quantum waktu.

Gambar II-16 Ilustrasi algoritma Deficit Round robin (1)

II-16

Gambar II-17 Ilustrasi algoritma Deficit Round robin (2)

Gambar II-16 menunjukkan saat paket dari antrian #1 akan dilayani, nilai deficit

counter antrian #1 diisi dengan quantum waktu. Karena ukuran paket pertama dari

antrian #1 kurang dari deficit counter, maka paket tersebut dikirim. Gambar II-17

menunjukkan kondisi ketika paket pertama dari antrian #1 telah dikirim. Pointer dari

antrian akan dipindahkan ke antrian #2 dan deficit counter antrian #1 akan dikurangi

dengan besarnya paket yang telah dikirim. Algoritma DRR efektif untuk diterapkan

pada datagram network dengan jumlah paket yang sangat beragam.

2.3.3 Weighted Fair Queueing

Algoritma Weighted Fair Queueing (WFQ) merupakan pendekatan berbasis paket

dari algoritma Generalized Packet Scheduling (GPS). GPS termasuk pada jenis

algoritma ideal yang tidak dapat diimplementasikan. GPS mengasumsikan bahwa tiap

paket dapat dipecah ke dalam bi-bit data dan tiap bit dapat dijadwalkan untuk dikirim

secara terpisah. Hal ini tidak mungkin diimplementasikan karena sebuah paket harus

dikirimkan bersamaan sebagai sebuah entitas. Packet GPS atau disebut juga WFQ

merupakan implementasi praktikal dari GPS [PKG93].

Sama seperti pada WRR, tiap paket juga diberi parameter penanda yang dijadikan

acuan dalam memilih paket untuk ditransmisikan. Pada WFQ, parameter tersebut

adalah finish time. Finish time terdiri atas weight, ukuran paket, dan kapasitas kanal

II-17

yang tersedia. WFQ lebih lengkap daripada WRR karena mempertimbangkan aspek

kapasitas kanal dan ukuran paket [DHP07]. Penghitungan weight pada WFQ sama

dengan penghitungan weight pada algoritma WRR. Tiap paket yg masuk akan diberi

nilai finish time dengan rumus berikut ini

Keterangan

= Finish time untuk paket ke k dari SS i

= Start time untuk paket ke k dari SS i

= Panjang paket ke k dari SS ke i

= Reserved rate dari SS i dimana

Wi = Weight dari SS i

C = Kapasitas kanal

Finish number bersifat incremental, artinya finish time suatu paket tidak akan lebih

kecil daripada finish time paket yang datang sebelumnya. Start time adalah waktu

dimana paket mulai akan dikirim. Start time dipilih dari nilai maksimal antara finish

time dan virtual time.

Keterangan :

= Start time untuk paket ke k dari SS i

= Finish time untuk paket ke k-1 dari SS i

= Virtual time untuk paket ke k dari SS i

= Waktu kedatangan paket k dari SS i

Kompleksitas algoritma WFQ terletak pada penghitungan virtual time dan pemilihan

paket pada antrian mana yang akan dikirim selanjutnya. Untuk menghitung virtual

time digunakan rumus berikut :

II-18

dimana dan j = 2,3,...

Keterangan

= Jumlah SS yang berada pada antrian

V(tj) = Virtual time untuk waktu tj

2.3.4 Early Deadline First

Algoritma Early Deadline First (EDF) merupakan algoritma yang bersifat work-

conserving [DHP07]. Pada algoritma ini, tiap paket data ditambah dengan parameter

deadline. Deadline didapat dari waktu kedatangan paket ditambah dengan maximum

latency. Nilai deadline hanya dapat diisikan pada paket yang memiliki QoS service

flow parameter maximum latency, yaitu UGS, rtPS, dan ertPS. Untuk paket dari kelas

QoS yang tidak memiliki parameter maximum latency, seperti nrtPS dan BE, deadline

diisi dengan nilai tak hingga.

Paket yang pertama dipilih adalah paket dengan deadline terkecil. EDF cocok

diterapkan untuk transmisi paket-paket real-time yang memiliki deadline sangat

singkat. Namun paket-paket yang memiliki deadline tak hingga mungkin tidak pernah

dilayani (starving).

2.4 Metrik QoS

Dalam menilai kualitas suatu algoritma, perlu ditetapkan parameter pengukuran.

Parameter pengukuran ini digunakan agar analisis efektivitas suatu algoritma dapat

dilakukan dari sudut pandang yang sama. Dalam berbagai penelitian, telah dipakai

beberapa parameter pengujian yang disebut metrik QoS. Berikut beberapa metrik

QoS yang dikumpulkan dari beberapa paper referensi [DHP07] [CYV00] [CCA07] :

1. Average Throughput

Average throughput adalah jumlah rata-rata data yang dipilih untuk dikirimkan

pada suatu jangka waktu tertentu.

II-19

2. Average Queueing Delay

Average Queueing Delay adalah jumlah rata-rata waktu antara sampainya

paket ke antrian sampai paket meninggalkan antrian.

3. Packet Loss

Packet Loss adalah perbandingan paket yang didrop dari antrian dibandingkan

dengan seluruh paket yang ada pada antrian.

4. Frame Utilization / Gross Subframe Utilization

Frame utilization adalah banyaknya simbol yang terpakai dibandingkan

dengan jumlah seluru simbol yang ada pada satu frame

5. Fairness Index

Fairness Index adalah perbandingan traffic dalam suatu kelas (intraclass

fairness) dengan traffic keseluruhan kelas (interclass fairness).

6. Jumlah SS yang dilayani pada satu frame

7. Mechanism for wireless link variability

Metrik ini merupakan penilaian apakah suatu algoritma penjadwalan

memperhatikan keadaan link dalam menjadwalkan pengiriman paket.

8. Pre-allocated resource for compensation

Metrik ini hanya dapat diukur apabila metrik ke-7 (mechanism for wireless

link variability) dipenuhi. Pre-allocated resource for compensation menilai

apakah suatu algoritma penjadwalan memberi kompensasi bandwidth kepada

node yang gagal mendapat bandwidth akibat error link.

Dari ketiga paper yang dijadikan referensi, terdapat beberapa kesamaan metrik yang

digunakan. Paper pertama [DHP07] menggunakan lima metrik QoS, yaitu average

throughput, average queueing delay, packet loss, frame utilization, dan fairness index.

Paper kedua [CYV00] menggunakan lima metrik, yaitu delay, throughput, mechanism

for wireless link variability, fairness, dan pre-allocated resource for compensation.

Paper ketiga [CCA07] menggunakan empat metrik, yaitu frame utilization,

throughput, delay, dan jumlah SS yang dilayani dalam satu frame. Metrik-metrik

yang diimplementasikan dan dipakai dalam membangun kerangka uji algoritma

penjadwalan akan dibahas pada subbab III.1

II-20

2.5 Network Simulator 2

Network simulator 2 (NS2) adalah sebuah program yang mensimulasikan proses dan

kejadian pada sebuah jaringan. NS2 menyediakan simulasi untuk berbagai network

protocol seperti TCP dan UDP, traffic source behaviour seperti FTP dan web,

mekanisme manajemen router queue seperti Drop Tail dan RED, algoritma routing

seperti algoritma Djikstra, dan lain sebagainya [WIN08]. Proyek NS dimulai pada

tahun 1989 sebagai varian dari REAL network simulator. Saat ini NS2 dikembangkan

melalui kolaborasi antara beberapa kelompok peneliti dan institusi, diantaranya adalah

SAMAN, CONSER, dan ICIR. Versi terakhir nari NS2 adalah versi 2.32.

NS2 bersifat object-oriented dan discrete driven. NS2 dibangun menggunakan bahasa

C++ dengan antarmuka simulasi dibangun melalui OTcl. OTcl merupakan object

oriented extension dari Tool Command Language (TCL). Pengguna NS2

mendeskripsikan topologi jaringan yang ingin disimulasikan dengan menggunakan

OTcl script . Gambar II-18 menunjukan keterhubungan antara bahasa C++ dengan

OTcl script dalam NS2 [TNS08].

Gambar II-18 Keterhubungan antara C++ dan OTcl pada NS2

Script OTcl yang dituliskan akan diterjemahkan oleh Tcl interpreter dan kemudian

disimulasikan oleh main program NS2. Hasil simulasi dapat berupa kumpulan data

atau berupa masukan bagi perangkat simulasi grafik yang disebut Network Animator

(NAM). NAM memiliki antarmuka grafik yang mirip dengan CD player, yaitu

memiliki tombol play, pause, rewind, fast forward, dan sebagainya. Gambar II-19

menunjukkan ilustrasi proses kerja NS2 dilihat dari sudut pandang pengguna.

II-21

Gambar II-19 Proses Kerja NS2

2.6 Modul 802.16 pada NS2

NS2 merupakan simulator jaringan yang dapat mensimulasikan berbagai standar

jaringan.Untuk dapat mensimulasikan Wimax, telah dikembangkan modul 802.16

oleh Network and Distribution Laboratory, Chang Gung University, Taiwan. Modul

ini dipilih karena telah mengimplementasikan algoritma penjadwalan. Rilis terbaru

modul 802.16 ini adalah versi 2.03. Topologi Wimax yang diimplementasikan pada

modul ini adalah topologi Point to Multipoint (PMP) dan skema physical layer yang

dipakai adalah Orthogonal Frequency Division Mulitple Access (OFDMA)

[WMN08]. Pengembangan modul ini dilakukan dengan model Unified Modeling

Language (UML).

Modul 802.16 pada NS2 ini telah dapat mengimplementaskan ketiga sublayer dari

MAC layer Wimax. Modul ini mengimplementasikan berbagai fungsi dari MAC

layer, seperti ranging, MAC management scheduler, IP-SFID mapping, dan SFID-

TCID mapping. Gambar III-1 menunjukkan arsitektur MAC layer dari modul 802.16

pada NS2 [JCT06].

II-22

Gambar II-20 Arsitektur MAC layer pada modul 802.16 NS2

Pada modul 802.16 dikembangkan sebuah kelas berdasarkan IEEE Std. 802.16 yang

dinamakan Mac802_16. Keseluruhan modul didesain dengan object oriented

programming menggunakan bahasa C++. Keterkaitan antara modul 802.16 dengan

modul lain pada NS2 adalah berdasarkan original network component stack dari NS2.

Gambar III-2 menunjukkan bagan keterkaitan modul 802.16 dengan modul-modul

NS2 lainnya.

II-23

Gambar II-21 Keterkaitan modul 802.16 dengan NS2

Traffic Generating Agent (TGA) merupakan generator pada level aplikasi yang

membangkitkan traffic VOIP, MPEG, HTTP, FTP, dan sebagainya. Traffic ini

kemudian diklasifikasikan ke lima kelas QoS, yaitu UGS, rtPS, nrtPS, ertPS, dan BE.

Selanjutnya paket-paket tersebut dimasukkan pada priority queue yang tepat

menggunakan mekanisme SFID-CID pada CS Sublayer. Setelah Wimax MAC modul

pada SS menerima paket-paket tersebut dari antrian, MAC management akan mulai

melakukan ranging untuk memasuki Wimax network atau untuk mentransfer paket

sesuai dengan penjadwalan pengiriman paket [JCT06].

Masalah penjadwalan ditangani oleh fungsi Scheduler(). Fungsi ini bertugas untuk

memilih MSDU yang akan dikirimkan dari antrian disesuaikan dengan bandwidth

yang tersedia. Algoritma penjadwalan yang diterapkan pada fungsi ini adalah

algoritma Weighted Round robin (WRR).

2.7 Algoritma Penjadwalan pada Modul 802.16 di NS2

Pada tugas akhir ini, digunakan adalah modul 802.16 yang dibuat oleh Network and

Distribution Laboratory, Chang Gung University, Taiwan. Pada modul ini telah

diimplementasikan fungsi BS_Scheduler() yang didesain dengan menggunakan

II-24

algoritma Weighted Round robin (WRR) [JCT06]. Fungsi ini bertugas untuk memilih

MSDU yang ada pada antrian untuk dikirim sesuai dengan bandwidth yang tersedia.

Pada proses penjdawalan, pertama-tama akan dibuat suatu parameters klasifikasi q1,

q2, q3, q4, q5 yang melambangkan 5 kelas QoS yaitu UGS, rtPS, ertPS, nrtPS, dan BE.

Algoritma WRR yang dipakai adalah WRR dengan jenis pendekatan kedua, dimana

cycle quantum waktu dibagi menjadi 2 jenis. Pada putaran pertama bandwidth yang

diberikan akan sesuai dengan kuantitas servis yang diharapkan. Kuantitas servis yang

diharapkan dari tiap klasifikasi data dihitung dengan rumus berikut :

dengan i ∈ {1, 2,.., 5} dan  

Keterangan :

= Jumlah bandwidth yang diminta oleh tipe servis

= Jumlah total bandwidth yang tersedia

Pada putaran kedua, fungsi BS_Scheduler() akan melayani tiap paket pada antrian

sesuai dengan prioritasnya. Jika semua antrian pada priority i telah dilayani, maka

fungsi BS_Scheduler() akan melayani antrian dengan prioritas i+1, dan seterusnya.

Putaran ini akan terus diulangi hingga bandwidth yang tersedia terpakai atau semua

paket pada antrian telah dilayani. Dengan metode ini dapat dijamin bahwa paket

dengan prioritas rendah tetap dapat memiliki minimum bandwidth yang tersedia

walaupun trafik sedang sangat ramai [JCT06].