analisa performansi ieee 802.11e wlan untuk mixed …...sejak dikeluarkannya standard i eee 802.11...

ANALISA PERFORMANSI IEEE 802.11E WLAN UNTUK MIXED TRAFFIC TCP-UDP DENGAN MENGGUNAKAN MEKANISME ADAPTIVE ADMISSION

CONTROL

Laila Yulia Puspita Ningrum¹, Rendy Munadi², R. Rumani³

¹Magister Elektro Komunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom

AbstrakStandard IEEE 802.11e Medium Access Control memberikan jaminan QoS untuk trafikmultimedia dengan fungsi baru yang ditambahkan yaitu Hybrid Coordination Function (HCF).HCF menyediakan mekanisme akses secara terpusat yaitu HCCA dan secara terdistribusi yaituEDCA. Mekanisme EDCA telah dipilih oleh sebagian besar vendor WLAN untukdiimplementasikan. Pada WLAN, mekanisme admission control sangat diperlukan terutama padakondisi jaringan yang congested untuk membatasi trafik yang masuk sehingga performansi QoSdari flow yang sudah ada tetap terjamin dan medium dapat digunakan lebih optimal. Mekanismeadmission control yang secara adaptif diperlukan untuk menyesuaikan dengan kondisi jaringan.Fuzzy logic dipilih sebagai mekanisme admission control karena kemampuannya untuk mengatasisituasi yang mengandung ketidakpastian (fuzzy) dan juga sangat mungkin diimplementasikanpada level MAC karena tidak serumit algoritma adaptasi lainnya seperti algoritma jaringan syaraftiruan.Pada penelitian ini telah dibuat mekanisme admission control menggunakan fuzzy logic denganmenggunakan parameter network load dan collision rate untuk fungsi keanggotaannya, danmelibatkan perubahan parameter EDCA secara adaptif. Penelitian dilakukan pada kondisi trafikyang mixed antara TCP-UDP, dan jumlah trafik dibuat semakin meningkat. Uji performansimekanisme admission control dilakukan dengan simulasi menggunakan Network Simulator NS2.Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada kondisi jaringan yang congested, admission controlberbasiskan fuzzy logic dan melibatkan perubahan parameter EDCA secara adaptif mengurangipacket loss pada trafik UDP dan meningkatkan throughput pada trafik TCP.

Kata Kunci : IEEE 802.11e EDCA, performansi QoS, admission control, fuzzy logic, parameterEDCA, TCP-UDP

AbstractIEEE 802.11e Standard : Medium Access Control introduces new function wich called HybridCoordination Function to provide QoS guarantee for multimedia traffic. HCF provide two channelaccess mechanism : controlled channel access mechanism called HCCA and contention basedchannel access mechanism called EDCA. Most of WLAN vendor chooses EDCA as their MACbecause its simplicity. In WLAN, especially in congested network, admission control is needed tolimit new flow and guarantee QoS of existing flows.Therefore adaptive admission control isneeded. Fuzzy logic is choosen as adaptive algorithm for admission control because its ability tohandle fuzzy situation and its reability to be implemented in MAC layer.In this research, fuzzy based admission control model is presented and the model uses networkload and collision rate as fuzzy membership and also includes tuning parameter EDCA adaptively.The research is done in mixed traffic TCP-UDP and performance is tested with simulation usingNetwork Simulator NS-2.The result shows that in congested network, fuzzy based admission control will decrease packetloss of UDP traffic and increase throughput TCP traffic.

Keywords : IEEE 802.11e EDCA, performansi QoS, admission control, fuzzy logic, EDCAparameter, TCP-UDP

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Tugas Akhir - 2008

Fakultas Teknik Elektro Program Studi S2 Magister Elektro Komunikasi

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Sejak dikeluarkannya standard IEEE 802.11 pada tahun 1999, aplikasi

yang berjalan di atas platform WLAN semakin beragam, seperti voice

sampai dengan video streaming. Namun Medium Access Control (MAC)

pada standard IEEE 802.11 mulanya didisain untuk aplikasi yang bersifat

best-effort (seperti e-mail, web browsing) sehingga tidak dapat memenuhi

kebutuhan QoS untuk jenis aplikasi baru yang banyak berkembang. Atas

dasar kebutuhan ini, dibuatlah standard IEEE yang baru yaitu IEEE

802.11e yang dikeluarkan pada tahun 2005. Standard IEEE 802.11e

memberikan jaminan QoS untuk trafik multimedia dengan fungsi baru

yang ditambahkan yaitu Hybrid Coordination Function (HCF) yang

digunakan untuk mengontrol akses medium wireless[11].

HCF menyediakan mekanisme akses baik secara terpusat maupun

secara terdistribusi. Mekanisme akses secara terdistribusi yaitu mekanisme

contention-based channel access disebut Enhanced Distributed Channel

Access (EDCA). Sedangkan mekanisme akses secara terpusat yaitu

mekanisme contention-free channel access disebut HCF Controlled

Channel Access (HCCA). Mekanisme EDCA adalah mekanisme akses

kanal berdasarkan kompetisi. Sedangkan mekanisme HCCA adalah

mekanisme akses kanal yang dikontrol berdasarkan mekanisme polling[11].

Mekanisme EDCA telah mendapat perhatian yang lebih besar, karena

nampaknya sebagian besar vendor WLAN lebih memilih untuk

mengimplementasikan EDCA daripada HCCA karena mekanismenya lebih

simple.

Tugas Akhir - 2008


B A B I 2 P e n da h u l ua n

Analisa Performansi IEEE 802.11e WLAN untuk Mixed Traffic TCP-UDP

dengan Menggunakan Mekanisme Adaptive Admission Control

Mekanisme 802.11e EDCA jika dibandingkan dengan 802.11 memang

memiliki performansi yang lebih baik[4], namun pada kondisi network yang

padat/congested, 802.11e menunjukkan performansi yang kurang

bagus[7].Oleh karena itu untuk mempertahankan performansi QoS, perlu

ditambahkan mekanisme kendali admisi (admission control).

Admission control berguna untuk membatasi trafik yang masuk

sehingga QoS dari flow yang sudah ada tetap terjamin dan medium dapat

digunakan lebih optimal. Mekanisme admission control yang pernah

diajukan secara garis besar ada dua macam yaitu berdasarkan pengukuran,

dan berdasarkan model Markov Chain[7].

Mekanisme admission control yang pernah diajukan memiliki

kelebihan dan kekurangan masing-masing. Mekanisme admission control

berdasarkan model Markov Chain membutuhkan perhitungan analitis yang

cukup rumit namun pada implementasinya tidak rumit. Mekanisme

admission control berdasarkan pengukuran bersifat adaptif karena

mekanisme menyesuaikan dengan kondisi jaringan, namun sulit untuk

menentukan batasan / treshold apakah suatu trafik diterima atau ditolak.

Kekurangan mekanisme admission control yang ada mendorong untuk

dilakukannya penelitian admission control yang adaptif berdasarkan fuzzy

logic. Fuzzy logic dipilih sebagai mekanisme admission control karena

kemampuannya untuk mengatasi situasi yang mengandung ketidakpastian

(fuzzy) dan juga sangat mungkin diimplementasikan pada level MAC

karena tidak serumit algoritma adaptasi lainnya seperti jaringan syaraf

tiruan [9]. Kekurangan objek penelitian sebelumnya (yaitu hanya pada satu

jenis trafik saja) juga mendorong untuk dilakukannya penelitian untuk

menyelidiki bagaimana pengaruh performansi IEEE 802.11e WLAN pada

Tugas Akhir - 2008




Dengan Menggunakan Mekanisme Adaptive Admission Control

trafik mixed TCP-UDP, sehingga secara keseluruhan penelitian yang akan

dilakukan akan menyelidiki apakah mekanisme kendali admisi adaptif

(adaptive admission control) berdasarkan fuzzy logic akan mendukung

jaminan QoS pada IEEE 802.11e WLAN dengan kondisi mixed trafik

TCP-UDP.

1.2 Perumusan Masalah

Dalam penelitian ini dibahas mengenai beberapa permasalahan

sebagai berikut:

1. Mekanisme QoS pada MAC protocol IEEE 802.11e WLAN

2. Performansi IEEE 802.11e untuk trafik yang mixed antara trafik

TCP-UDP terhadap delay, packet loss dan throughput.

3. Mekanisme adaptif admission control berdasarkan fuzzy logic

untuk mendukung jaminan QoS pada IEEE 802.11e WLAN pada

trafik yang mixed TCP-UDP.

4. Pengaruh admission control berdasarkan fuzzy logic terhadap

delay, throughput dan packet loss.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah:

1. Melakukan analisa terhadap mekanisme QoS pada IEEE

802.11e WLAN untuk trafik yang mixed TCP-UDP.

2. Membuat disain mekanisme adaptif admission control untuk

mendukung jaminan QoS pada IEEE 802.11e WLAN untuk

trafik mixed TCP-UDP dimana mekanisme adaptif admission

control yang diajukan adalah fuzzy logic admission control.

Tugas Akhir - 2008





3. Melakukan uji performansi adaptif admission control pada

trafik yang mixed melalui NS-2 simulator yang dimodifikasi.

4. Melakukan analisis hasil performansi adaptif admission control

untuk trafik yang mixed terhadap jaminan QoS.

1.4 Hipotesis

Hipotesa awal dari tesis ini adalah:

1. Mekanisme QoS murni yang disediakan oleh IEEE 802.11e tidak

cukup menjamin QoS untuk trafik yang mixed, terutama pada saat

kondisi jaringan mengalami congested.

2. Perlu ada modifikasi (seperti admission control) pada mekanisme

QoS IEEE 802.11e WLAN.

3. Mekanisme adaptif admission control akan mendukung jaminan

QoS pada IEEE 802.11e WLAN pada kondisi network yang

congested.

1.5 Batasan Masalah

Agar pembahasan dalam tesis mendapatkan hasil yang optimal serta

terarah maka dalam penulisannya dilakukan pembatasan-pembatasan

masalah sebagai berikut:

1. Objek penelitian secara umum adalah Quality of Service pada

layer MAC IEEE 802.11e dengan mekanisme akses EDCA.

2. Parameter yang digunakan untuk physical layer memakai

standard 802.11b, model propagasi yang digunakan adalah two

ray ground, model antena yang digunakan adalah

omnidirectional.

Tugas Akhir - 2008





3. Mode WLAN yang dianalisa hanya pada mode infrastructure

(non adhoc) dalam satu cell dan untuk single-hop WLAN.

4. Tidak ada mobilitas station sehinga pengaruh handover tidak

dipertimbangkan

5. Tidak ada masalah hidden node, semua station berjarak sama

dengan Access Point dan tiap station satu sama lain berada dalam

jangkauan yang sama.

6. Kanal diasumsikan error free (tidak ada pemodelan error kanal

pada simulasi).

7. Disain yang dibuat adalah untuk menyelidiki performansi adaptif

fuzzy logic admission control terhadap trafik yang mixed TCP-

UDP.

8. Trafik yang menjadi objek penelitian adalah trafik yang mixed

antara trafik TCP dan UDP.

9. Uji performansi dilakukan melalui simulasi dengan NS-2.

10. Trafik sebagai input simulator dibangkitkan dengan traffic

generator yang disediakan oleh NS-2.

11. Performansi yang dilihat sebagai hasil keluaran dari simulasi

adalah delay, throughput dan packet loss.

1.6 Metode Penelitian

Metode Penelitian Tesis ini adalah sebagai berikut:

1. Studi Literatur

• Studi literatur dari buku-buku atau jurnal ilmiah yang

berkaitan dengan MAC protocol pada standard IEEE

802.11e, penelitian yang terkait dengan mekanisme QoS pada

IEEE 802.11e, dan fuzzy logic.

Tugas Akhir - 2008





• Diskusi dan konsultasi bersangkutan dengan topik penelitian.

2. Perancangan Sistem

Perancangan sistem disesuaikan dengan model yang telah

didisain.

3. Simulasi

Simulasi dilakukan dengan NS-2 untuk mendapatkan kinerja yang

ditampilkan dalam bentuk grafik dan tabel sesuai dengan

parameter yang telah ditentukan.

4. Analisa

Berisikan analisa performansi MAC 802.11e dan MAC 802.11e

dengan admission control berbasis fuzzy logic.

1.7 Sistematika Penulisan

Secara umum keseluruhan Tesis ini dibagi menjadi lima bab bahasan

ditambah dengan lampiran dan daftar istilah yang diperlukan. Penjelasan

masing-masing bab adalah sebagai berikut:

BAB I: Pendahuluan

Berisikan Latar Belakang Masalah, Perumusan Masalah, Tujuan

Penelitian, Hipotesis, Batasan Masalah, Metode Penelitian, dan

Sistematika Penulisan yang akan digunakan.

BAB II: Landasan Teori

Berisikan teori-teori yang mendukung dan melandasi penulisan

tesis ini, yaitu tentang konsep dasar mekanisme QoS pada MAC

protocol 802.11e WLAN, teori fuzzy logic, konsep admission control,

dan konsep TCP dan UDP.

Tugas Akhir - 2008





BAB III: Pemodelan Sistem

Bab ini akan membahas pemodelan trafik dan pemodelan

admission control berbasis fuzzy logic pada MAC 802.11e WLAN

serta memberikan penjelasan untuk setiap langkah simulasi yang

dilakukan dalam bentuk diagram blok.

BAB IV: Analisa Hasil

Berisikan analisis terhadap hasil simulasi yang dilakukan. Analisa

yang dilakukan antara lain dengan menganalisa kinerja admission

control berbasiskan fuzzy logic pada MAC 802.11e WLAN.

BAB V: Penutup

Berisikan kesimpulan dari analisis yang telah dilakukan, serta

rekomendasi atau saran untuk perbaikan dan pengembangan lebih

lanjut.


Tugas Akhir - 2008


64

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang didapatkan dari penelitian yang dilakukan

adalah sebagai berikut :

1. Fuzzy based admission control menyebabkan packet loss trafik UDP

(yang memiliki prioritas tinggi) turun 20-30% dan throughput trafik

TCP (yang memiliki prioritas rendah) naik sekitar 10-300 kbps pada

kondisi network yang congested.

2. Fuzzy based admission control bekerja menyesuaikan dengan kondisi

network load dan collision rate. Pada kondisi network yang congested,

admission control akan menolak paket dari flow yang baru datang,

serta mengubah parameter EDCA menjadi lebih kecil dari nilai default.

3. AIFS yang dibuat lebih kecil pada kondisi network yang congested

menyebabkan overhead waktu untuk proses carrier sensing lebih

sedikit sehingga throughput trafik TCP naik. CWmin yang dibuat lebih

kecil pada kondisi network yang congested menyebabkan range nilai

backoff yang akan dipilih lebih besar sehingga menurunkan packet loss

dari trafik UDP.

4. Performansi QoS dari fuzzy based admission control pada IEEE

802.11e pada kondisi network yang tidak congested sedikit lebih buruk

daripada mekanisme IEEE 802.11e karena pada saat itu overhead

waktu untuk proses fuzzy tetap diperlukan sementara tidak ada aksi

signifikan yang dilakukan proses fuzzy.

Tugas Akhir - 2008


B A B V 6 5 P e n u t up



5. Fuzzy based admission control dengan perubahan parameter EDCA

pada kondisi network yang congested tidak mempengaruhi delay,

karena walaupun diubah, parameter-parameter tersebut tetap dalam

komposisi yang sama, sehingga trafik voice dan video tetap menjadi

prioritas daripada trafik best effort dan trafik background.

6. Pada IEEE 802.11e, trafik yang berjalan di atas protocol TCP (yang

memiliki prioritas rendah) menunjukkan delay dan packet loss yang

cenderung konstan dan throughput yang turun seiring dengan kondisi

network yang semakin congested karena mekanisme retransmit data

dan mekanisme congestion-controlled-nya.

7. Pada IEEE 802.11e, trafik UDP (yang memiliki prioritas tinggi)

menunjukkan packet loss yang naik seiring dengan kondisi network

yang semakin congested karena pada kondisi tersebut akan sering

terjadi collision dan semakin banyak paket yang drop, protocol UDP

tidak mengenal congestion controlled seperti TCP, tetapi menunjukkan

delay dan throughput yang konstan karena trafik ini merupakan jenis

trafik real time.

8. Pada IEEE 802.11e, penambahan jenis trafik berprioritas rendah

membuat throughput trafik TCP yang berprioritas rendah turun, karena

mekanisme retransmit data dan mekanisme congestion-controlled dari

protocol TCP, tetapi tidak berpengaruh terhadap performansi lainnya.

9. Pada IEEE 802.11e, penambahan trafik berprioritas tinggi membuat

membuat throughput trafik berprioritas rendah menjadi turun, dan

membuat packet loss trafik berprioritas tinggi menjadi naik karena

pada kondisi network yang congested, terjadi banyak collision

Tugas Akhir - 2008


B A B V 6 6 P e n u t up



sehingga paket banyak yang drop, tetapi tidak berpengaruh terhadap

performansi lainnya.

5.2 Saran

1. Menambah suatu algoritma adaptasi misalnya algoritma genetika

atau neural network untuk pencarian fungsi keanggotaan fuzzy

yang optimal. 2. Melakukan penelitian tentang admision control dengan

mempertimbangkan kondisi kanal, model propagasi yang lebih

advance, mobilitas station dan pada kondisi multihop. 3. Melakukan implementasi dan pengujian admission control yang

telah dibuat dengan eksperimental test bed dan menggunakan

trafik yang real. 4. Melakukan penelitian yang memperbaiki performansi fuzzy

based admission control pada situasi network yang tidak

congested. 5. Melakukan penelitian tentang pengaruh parameter EDCA

lainnya seperti TXOP terhadap performansi QoS. 6. Melakukan kajian tentang pemetaan requirement QoS dari

aplikasi ke parameter EDCA yang sesuai, dan pencarian

parameter EDCA optimum yang sesuai kondisi network. 7. Melakukan penelitian tentang admission control pada skenario

yang mixed antara HCCA dan EDCA dan untuk heteregonous

wireless network.


Tugas Akhir - 2008


i

DAFTAR PUSTAKA

[1] Baker, Bassel. ”Simulating 802.11 QoS Feature”. Universite

Libanaise, Universite Saint Joseph. 2004.

[2] Balachandran, Anand; M. Voelker, Geoffrey. “Characterizing

User Behavior and Network Performance in a Public Wireless

LAN.” 2002.

[3] Balzinska, Magdalena; Castro, Paul. “Characterizing Mobility

and Network Usage in a Corporate Wireless Local Area

Network.” 2003.

[4] Bianchi, Giuseppe. ”Understanding 802.11e Contention-Based

Prioritization Mechanism and Their Coexistence with Legacy

802.11 Stations”. Universitas degli Studi di Roma. IEEE

Network Magazine. Juli 2005.

[5] Dangerfield, Ian; Malone, David; J. Leith; Douglas.

“Experimental Evaluation of 802.11e EDCA for Enhanced Voice

over WLAN Performance.” National University of Ireland. 2006.

[ 6] El Sharkawi, Muhammad. ”Fuzzy System and Control”.

Department of Electrical Engineering, University of Washington.

2002.

[7] Gao, Deyun; Cai, Jianfei. “Admission Control in IEEE 802.11e

Wireless LAN”. Nanyang Technological University, Singapore;

University of Hongkong. 2006.

[8] Ge, Ye; C. Hou, Jennifer; Choi, Shungyun. “An Analytical Study

of Tuning Systems Parameters in 802.11e Enhanced Distributed

Channel Access”. University of Illinois; Ohio State University;

Seoul National University. 2005.

Tugas Akhir - 2008


Daftar Pustaka ii



[9] Hellman, Martin.” Fuzzy Logic Introduction”. 2001.

[10] IEEE 802.11b WG. “Part 11: Wireless LAN Medium Access

Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Spesification: High-

Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band,

Supplement to IEEE 802.11 Standard”. IEEE, September 1999.

[11] IEEE 802.11e. “Wireless LAN Medium Access Control (MAC)

and Physical Layer (PHY) Spesifications, ANSI/IEEE Standard

802.11e” . 2005.

[12] Kotz, David; Essien, Kobby. “Analysis of a Campus-wide

Wireless Network.” Darthmouth College. 2003.

[13] Ksentini, Adlen; Gueroui, Abdelhak; Naimi, Mohamed.

“Adaptive Transmission Opportunity with Admission Control for

IEEE 802.11e Networks”. LICP Lab; PriSM Lab. 2006.

[14] Kumar Gavini, Kiran. “Plus-DAC : An Admission Control

Scheme in 802.11e Wireless LAN”. Indian Institute of

Technology, Bombay. Disertasi. 2005.

[15] Mohd Nor, Sulaiman; Mohd, Alias; W. Cheo, Chen. “An

Admission Control Method for IEEE 802.11e Contention Access

Mechanism.” Universiti Teknologi Malaysia. Juni, 2006.

[16] S. McCane; S. Floyd. “NS Network Simulator.”

www.isi.edu/nsnam/ns/.

[17] Thottan, Marina; C. Weigle, Michele. “Impact of 802.11e EDCA

on Mixed TCP based Application”. Bell Laboratories. 2006.

[18] Wang, Yue. “A Tutorial of 802.11 Implementation in ns-2”.

MobiTec Lab.

Tugas Akhir - 2008


Daftar Pustaka iii



[19] Wietholter, S; Hoene, C. “Design and Verification of an IEEE

802.11e EDCF Simulation Model in ns-2.26”. Technische

Universitet at Berlin, Tech. Rep. TKN-03-019. November, 2003.

[20] Wirawan, Andi Bayu; Indarto, Eka. “Mudah Membangun

Simulasi dengan Network Simulator-2.” Penerbit Andi. 2004.

[21] Wu, Zhibin. “Analysis of 802.11 MAC code in NS-2”. Rutgers

University. April, 2007.

[22] W. Purbo, Onno. “Wireless Data Network”. Institut Teknologi

Bandung. 1996.

[23] ITU-T G.1010. Series G : Transmission System and Media, Digital

Systems and networks, Quality of service and performance.

“End-user multimedia QoS categories”. 2001


Tugas Akhir - 2008


analisa performansi ieee 802.11e wlan untuk mixed …...sejak dikeluarkannya standard i eee 802.11...

Documents